论顶管工程的施工技术

王 红 云

(太原市市政工程总公司，山西 太原 030002)



论顶管工程的施工技术

王 红 云

(太原市市政工程总公司，山西 太原 030002)

介绍了顶管工程的工作原理及其分类，分析了工作井和接收井的设计与施工，并阐述了其主要的施工设备，从减阻技术、顶力估算、顶管进出洞施工技术、测量四方面，分析了顶管工程施工技术要点，为同类工程提供参考。

顶管工程，工作井，接收井，千斤顶

0 引言

随着现代施工地质及自然环境的条件恶化，现代化城市对城市环境的要求逐年增加，不开槽施工方法在城市管道施工中越来越受到人们的重视。本文就顶管施工的类型及适用条件以及施工中应注意的要点进行了阐述。

1 顶管工程工作原理

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。

2 顶管施工的分类

1)按顶管直径大小可分为：大直径顶管、中直径顶管、小直径顶管。

2)按顶进距离可分为：短距离顶管、长距离顶管和超长距离顶管。

3)按管材可分为：钢管顶管、混凝土管顶管、玻璃钢管顶管和其他管材顶管。

4)按有无地下水可分为：干法顶管和水下顶管。

5)按管轴线可分为：直线顶管和曲线顶管。曲线又分为水平曲线和垂直曲线，不同材质的管材和管节长度有不同的曲率半径的要求。

3 工作井和接收井的设计与施工

3.1 形状的选择

工作井平面形状一般分为矩形、圆形及多边形几种。由于矩形工作井内部空间能较好的被充分利用，且井壁可直接作为顶管后背墙使用，故矩形工作井为最常用的工作井形式。

3.2 工作场地选择

工作井选址应远离房屋、地下管线、架空线路等不利于施工的场所，同时应满足堆放管道、注浆材料和泥浆沉淀池、渣土运输设备及运输线路的要求。

3.3 工作井的尺寸确定

工作井的尺寸应满足管道下放所需长度、机头进出洞所需安全距离、人员上下及施工操作所需空间，以及排放泥浆或弃土设施的位置等。

工作井按深度可划分为浅工作井和深工作井，当井底至地面高度大于10 m时称为深工作井，反之称为浅工作井。其深度涉及吊装的工作量及工作井的大小尺寸要求。

1)工作井长度。

a.按设备长度计算:

L≥L1+L2+k。

b.按管段长度计算：

L≥L2+L3+L4+k。

其中，L为工作井最小长度；L1为顶进设备长度；L2为管段长度；L3为千斤顶长度；L4为境内保留管段最小长度；k为后座、钢顶铁、环形顶铁厚度之和。

2)工作井宽度。

B=D+(2.0～2.4)。

其中，B为工作井宽度；D为管道外径。

3)工作井深度。

H=H1+D+h。

其中，H1为管顶覆土厚度；D为管道外径；h为管道连接操作空间高度。

4 顶管设备的选择

1)气压平衡顶管机：其原理是使挖掘面与一定压力的压缩空气相接触，以疏干挖掘面土体内的水分，同时达到稳定挖掘面的要求。该工法缺点是:劳动条件较差，施工速度较为缓慢，同时施工安全性较差。

2)泥水平衡顶管机:其原理是通过带压力的泥浆与开挖面接触，通过泥浆与接触面的压力平衡达到施工顶进目的。该工法缺点是:a.泥浆的存放和运输较困难。b.由于为泥水施工，对环境影响较大，故在市区内不宜采用。c.不适用于有大块石或障碍物的土层。d.对渗透性较大的土质需加入一定数量的稳定剂，否则，易出现塌方。

3)土压平衡顶管机：其原理是通过土仓内压力和排土来平衡地下土压力和水压力。该工法缺点为：a.在粒径较大或砂砾石土质中必须添加粘土或土体改良剂。b.遇较大障碍物则无法施工，开工前需对地质进行详细调查。

5 顶管工程施工主要施工设备

1)工作井轨道。

主要起到对管道的导向及控制平面及高程位置的作用，同时对钢管还起到托架作用，主要由轨道支撑、导轨、整平螺栓组成。

2)后靠板。

也称为“后靠背”，主要起到传递油缸反力，同时使其均匀分散至后背墙，不让后背墙因为应力集中而遭受破坏。

安装时要注意与油缸轴线保持垂直，同时后背板与后座墙之间要紧贴，若有空隙则需用素混凝土或细砂填实。

3)油缸及千斤顶。

小直径顶管油缸规格推力以150 t～200 t为宜，油缸行程以1 500 mm～1 800 mm为宜。大中直径顶管油缸推力以200 t～300 t为宜，油缸行程以3 000 mm～3 500 mm为宜。

选择油缸推力太小则油缸布置数量过多，油缸推力过大，推力过于集中，则管材易破碎。

4)顶铁。

顶铁的目的是保护顶进管材管口不受破坏，同时可弥补油缸行程不足，因此，顶铁必须有足够的强度和刚度。

泥水平衡顶管时顶铁大多是倒扣在导轨上，土压平衡顶管时顶铁开口都是朝上的。

5)输土和输泥设备。

土压平衡顶管时是用螺旋输送机排土的，当距离短时可用人工手推车进行弃土工作，距离较长时采用电瓶车牵引运土车将土运至坑外。当土质塑流性满足要求时，可用土砂泵直接将弃土通过输送管道排至地面上。

泥水输送设备主要由排泥泵、进水泵、中间泵、管道、阀门等组成。切除土体通过泥土仓不断粉碎、加水、揉和，其中被粉碎的进入泥水仓，通过输泥管道排至地面。

6)注浆润滑设备。

注浆设备包括盛浆设备、拌浆设备、注浆设备三类。一般注浆泵工作压力仅在1 MPa以下，即使长距离顶管注浆泵压力亦不会超过2 MPa～3 MPa。如果注浆压力过高将会增大管道顶力。

7)长距离顶管的通风与换气设备。

一般可选压入式或抽吸式通风、换气装置。常用通风设备有轴流式抽出式风机和罗茨鼓风机等。

8)长距离顶管的供、配电设备。

长距离顶管的供、配电设备可分为两种方式：一种是用全自动补偿式电力稳压器来稳定电压，另一种是用1 000 V高压向管内供电，再用干式变压器降为380 V。

6 顶管工程施工要点

1)减阻技术。

最常用为膨润土触变泥浆减阻。其作用机理是根据管径不同，后续管节直径一般比顶管机直径小20 mm～50 mm，管道与周围土体之间存在间隙；纠偏对土体一侧产生挤压作用，而另一侧由于应力释放也会形成空隙，因此在顶管过程中会产生许多空隙。注浆时，从注浆孔注入的泥浆首先填补管节与周围土体之间的空隙，抑制地层损失造成的地面变形。泥浆与土体接触后在压力作用下向地层内渗透和扩散，短时间泥浆会变成凝胶体，充满空隙，在注浆压力的挤压下，会形成相对密实、稳定的泥浆套从而减少顶进过程中的摩擦阻力，减少地面变形，增加施工安全性。

2)顶力估算。

施工过程中的阻力由两部分组成：a.顶管机迎面阻力;b.管体外壁与土体之间的摩阻力。顶管距离越长管壁所受的摩阻力越大。

顶进钢筋混凝土管时，顶力按下式计算：P=nwL。

其中，P为顶力；L为计算顶进长度；w为管道长度单位自重；n为土质系数。

3)顶管进出洞施工技术。

a.出洞施工要点。

对埋深小于10 m的沉井，可在沉井外侧设置钢板桩，同时在洞口进行砖封堵，顶管机出洞时先拆除临时砖封堵，待顶管机进洞后再拆除钢板桩。

为保证出洞口施工顺利进行，可对土体进行加固措施，控制土体的均匀性和强度，必要时在出洞口两侧采用将水法疏干地下水，以稳定土体。

机头出洞时，要将机头和前几节管道上端用拉杆连接好，并调好油缸编组，以防机头出洞后磕头。

b.进洞施工要点。

覆土深度较深或土质较软时，应防止顶管机和前几节关节后退的情况发生。一旦发生后退现象，管道前方土体会发生塌陷。

通常可在洞口安置电动葫芦，在油缸回缩时用葫芦拉近顶管机不让其产生后退现象。对于含水量较大的土质，在机头进洞前必须做好必要的加固和降水工作，确保土体稳定，在有含承压水的土质中，还应做好深井降水措施。

4)测量。

顶进前需检查基础导轨的高程、平面布置尺寸，确定后背位置，需不断对管节的轴线、高程进行测量。同时需对管线经过区域地表变化进行及时测量，提供精确数据，对地面沉降及时分析，才能对可能发生的不确定情况做出精准判断，及时控制。

7 结语

顶管工程作为地下管道非开挖施工的一种，对交通繁忙、人口密集、地面结构较多及管线较为复杂的市区施工有很重要的实际施工价值。在施工中需严格施工工艺、控制风险源、加强施工单位技术力量、创造安全文明的施工环境。

[1] 陈忠汉,程丽萍.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2] 高大钊,赵春风,徐 斌.桩基础的设计方法与施工技术[M].北京：机械工业出版社，1999.

[3] 江正荣.地基与基础工程施工禁忌系列手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 葛春辉.顶管工程设计与施工[M].北京：建筑工业出版社，2012.

Discussion on construction technologies of pipe-jacking project

Wang Hongyun

(TaiyuanMunicipalEngineeringCorporation,Taiyuan030002,China)

The thesis introduces working principles and categories of pipe-jacking project, analyzes the design and construction of working well and receiving well, describes its major construction equipment, and analyzes pipe-jacking project construction technology points from four aspects of drag-reducing technology, prestress estimation, pipe-jacking exit and entrance construction technology and measurement, which has provided some guidance for similar engineering.

pipe-jacking project, working well, receiving well, jack

1009-6825(2017)17-0087-02

2017-03-13

王红云(1978- )，男，工程师

TU745

A