顶管施工方法的研究

黄志河

(中建远南集团有限公司 福建泉州 362000)

顶管施工方法的研究

黄志河

(中建远南集团有限公司 福建泉州 362000)

结合项目龙岩大道南段一期(双龙路-兴业路)工程的顶管施工，主要介绍了拟建工程概况、顶管顶推力的计算(数据)、顶管施工难点、基本工作原理、施工工艺流程及特点、主要设备的安装及调试、钢筋混凝土管材的选型、顶管施工过程中的测量、纠偏及控制、泥浆注压(置换)、沉降观测等施工全过程，分析施工过程的控制措施及要点，提出相应的处理方法，重点对顶进、测量、纠偏进行探讨，顶管施工完成后经检测质量达到预期的良好效果。

顶管；施工方法；控制

0 引言

相较于相同管径的明挖施工，顶管施工的优点就是占地面积较小，在地下施工中，不会阻碍交通，而且在对地面活动中，产生的影响也相对较小。即使穿越公路、铁路等障碍物时，可减少拆迁工作量，节约时间和降低成本。基此，本文拟结合某工程具体项目探讨顶管施工方法。

1 工程概况

拟建工程为龙岩大道南段一期(双龙路-兴业路)工程，横穿龙岩大道与兴业路交叉口段，人流量及车流量非常大。由于相关的给水、电力、燃气、通信、网络等各种管道需穿过双龙路，为了不影响交通的正常运行，设计采用顶管施工工艺，设计了一个工作井(内径长14.6m×宽9.6m×深12.55m，井壁厚0.8m)，一个接收井(内径长14.6m×宽9.6m×深13.15m，井壁厚0.8m)，工作井中，采用2根Φ3000mm的钢筋混凝土管，水平并排的排列方式布置(两管外壁间距为3.4m)，顶入接收井，分别长89m，管顶覆土深度为6.35m，顶管施工完成后所有的相关管道全部架设在顶管内部,如图1所示。

图1 顶管平面示意图

该工程地勘报告显示地质情况如下：①卵石：卵石约占60%，粒径为30mm～80mm，充填物以中粗砂为主，层间标高345.18m～339.08m。②残积粘性土：可塑-硬塑，成分为粉粘粒，干强度中等，层间标高328.48m～339.08m。透水系数小于7m/s～10m/s。③全风化泥质粉砂岩：主要是粉砂结构，泥质胶结，中厚层结构。顶管段穿越的标高335.0m～339.05m，穿越的地层土质为残积粘性土。顶管段的地下水位线处在：340.68m～340.86m，因而顶管段位于地下水位线以上。

根据该工程周边环境、地质条件、水文条件(残积粘性土的透水系数)并结合效率、施工场地、施工的经济性、安全性和可靠性、施工风险及满足工期要求等因素，综合考虑各相关条件后采用土压平衡的顶管施工工艺。

该工程采用土压平衡顶管工艺，两段长度一致(约89m/段)，顶管管材采用Φ3000mm钢筋混凝土管(外径3600mm)，顶力计算依据相应《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268-2008)，技术数据参照现场情况及地质勘察报告，计算结果如下：

FP=3.14×3.6×89×4+3.14/4×(3.62×3.62×188.71)=4024+1940=5964

式中：FP——顶进阻力(kN)；D0——管道的外径，取3.6m；L——管道的计算顶进长度，取89m；fk——管道四周与前方切削土体的平均摩擦力。

当触变泥浆技术成熟、可靠、管外壁四周能形成并保持连续的泥浆套，fk可直接取3.0kN/m2～5.0kN/m2，该工程取4kN/m2。

NF——顶管机的迎面阻力(kN)；

Dg——顶管机外径取3.62m；

p——控制土压力取值：188.71kN/m2。

根据设计要求，该工程工作井后座承载力为不小于9000kN，按顶管后座安全系数0.8计为7200kN大于该顶管工程顶力5964kN。

2 工程施工难点及应采取的措施

(1)该工程顶管口径大(Φ3000mm)，出土量大。

(2)顶管容易出现的问题是管道偏差大，需采取勤测、勤纠、严格控制顶进速度的措施来控制管道偏差大的问题。

(3)为保证路面及地下设施安全，沉降观测及地面监测是该工程重点，需由专业资质单位实施监测。

(4)为保证与现有管线的安全距离，施工前需提前探测详细管线。

(5)为尽量减少管道顶进的摩擦阻力，顶进过程采用触变泥浆及其他办法来减阻等有效措施。

3 顶管施工基本的原理、工艺的流程和特点

基本原理：顶管在顶进中，主驱动电机带动主轴承转动，主轴承带动刀盘旋转，刀盘面上布置的刀具切削前方泥土。依靠刀盘后面结构液压缸的推进，使刀盘对前方的土体进行切削，切削出的渣土通过螺旋输送机排出。通过控制顶管顶进速度及螺旋机排出土渣速度，使土压仓的土压值基本稳定并控制在所设定的压力值范围内[1]，使顶管掘进机所处土层的土压力与该段地下水压力处于一种平衡状态。顶管掘进机的切削排土方数与掘进机掘进占有土的体积也处于另一种平衡状态，以达到顶进切削面土体总体稳定状态。

顶管施工工艺的流程如图2所示。顶管施工工艺特点如表1所示。

图2 顶管施工工艺的流程图解

项目施工工艺的特点稳定掘进面保持土仓压力，维持掘进面土方稳定地质条件适应性在透水性等类似土层中应有土体改良的处理措施抵抗地下水压力靠土体的不透水性质在土仓得到土塞效应抵抗地下水压力控制地表沉降与隆起维持土仓内的土压力、控制顶进速度、保持切削与出土基本平衡隧洞内的出土方式采用出渣车进行外运，汽车吊提升出渣，效率一般顶管推力土层对顶管的阻力大，推进力比泥水平衡式顶管大刀盘及刀具寿命、刀盘转矩刀盘的寿命比泥水平衡顶管要短，刀盘驱动转矩比泥水平衡顶管大推进的效率土渣的出土外运随着掘进距离的加大，其出土效率也相应随之降低隧洞内环境受照明及通风效果影响，环境较差施工时占地土渣呈泥状，不用另行处理即可外运，占地面积不大经济性只需配套的汽车吊及行吊，整套顶管设备购买花费经济

4 顶管施工主要设备的安装及相应调试

顶管主要设备有：①顶管机、②主顶系统、③控制系统、④测量设备、⑤注浆设备等。

4.1 顶管机

(1)选用 TYD3000mm土压平衡顶管机，它有切削及搅拌土体、控制前进方向的作用，如图3所示。

(2)顶管机安装调试：

①将顶管机放入工作井前，进行整体检查。

②顶管机拆卸及安装轻拿轻放，防止碰撞损坏。

③机内结构的气压和电路等设备进行一一连接，保证不渗漏，各部件安装准确。

④顶管机安装后，进行系统的调试和运行，测定中心方向的偏差、并进行多次排气，使缸体运行顺畅。工作压力为25Mpa(额定压力不能超出29.0Mpa)，以防千斤顶超压导致损坏。

图3 TYD3000mm顶管机

4.2 主顶系统

由后座垫铁、导轨、液压式千斤顶及支承支架、主顶泵站等组成。

主顶系统的作用是完成管道的推进，如图4所示。

4.2.1 后座垫铁安装

选用装配式后座垫铁。后座垫铁选用 22mm 厚的钢板焊接成纵横交错肋的箱体，千斤顶的受力一面采用 500mm×500mm 的30mm 厚钢板，这样使箱体受力更加匀称；后座垫铁基础采用素混凝土，高50cm。后座垫铁和工作井后墙间隙灌注混凝土，使工作井井壁受力匀称。

图4 主顶设备安装图

4.2.2 导轨安装

(1)导轨采用50kg/m钢轨制造，导轨底座焊于22#槽钢上。钢横梁放置在工作井的底板上面，并和底板上的预埋件焊接为一体。

(2)导轨安装牢固，不产生位移偏差。

(3)两边导轨顺直、相互平行、高度相同；调节纵坡的坡度与设计的坡度尽量相同。

(4)导轨安装的允许偏差：轴线位置为3mm；顶面高程为0～+3mm；两轨内距为±2mm。

图5 导轨、千斤顶支架、千斤顶

4.2.3 千斤顶支架

千斤顶支架是用来支撑并固定主顶千斤顶的主要构件，采用16#槽钢制造而成，支架焊接在底板上，刚性及稳定性能要好,如图5所示。

4.2.4 主顶千斤顶

主顶油缸选用2000kN的千斤顶，千斤顶受力点在管轴的轴心高度外壁上，中心布置，其受力的点在管道中心点上。主顶千斤顶如图6所示。

图6 主顶千斤顶

4.2.5 主顶泵站

主顶泵站为千斤顶提供动能，具有供油和回油功能，主顶泵站额定压力为29.0MPa，位置靠近操作台便于操作。

5 顶管施工过程中的测量、纠偏及控制

5.1 管材的选型

该工程采用“F”型钢筋混凝土承插管，其内径为3.0m，管壁厚为0.3m，管长为2.5m，接口密封圈采用契形橡胶圈，按方案要求配置注浆孔管节。顶管施工采用65T汽车吊车及行吊，如图7所示。

图7 行吊图

5.2 穿墙止水环

止水环在工作井的预留洞口周边安装，防止地下水和泥浆从管段四周与止水环之间渗入到工作井，如图8所示。穿墙止水环的组成部分分别为：预埋钢板环、钢压环、橡胶圈、钢压板、螺栓等5部分。

图8 穿墙止水环

穿墙止水环结构：应用了钢法兰加压板，中心安装有22mm厚的绝缘橡胶止水环，具有抗拉、抗压、抗磨的作用。硬度为45～50，永久性变形小于8%。

5.3 顶管施工过程中的工艺要求，测量、纠偏及控制

5.3.1 顶进

先接通设备电源，然后依次启动刀盘和油泵，全面检查各部件无异常情况后开始顶进。顶进前先把顶管机推到距离预留洞口封门100cm左右，接着拆除预留洞上的砖墙后再将顶管机慢慢推入穿墙止水环，后刀盘旋转刀具切削前方泥土，这时传感器显示压力逐渐上升，当压力上升到上限时，即开启螺旋出土机设备进行出土，当土压力下降到下限关闭螺旋出土机。正常顶进过程中控制顶进速度不大于30mm/min，顶进过程中密切注意传感器显示的数值，当压力表显示压力较高而出土工作基本正常则说明顶进速度确实过快，这时就要暂时停止所有主顶油缸推进，待压力恢复正常后再推进。顶管尤其在刚出洞时及第一节套管顶进和顶进入洞距离为10m～20m范围内的偏差是全段偏差的关键部位。特别是刚出洞时候，由于这时管段长度较短、工具头的重量很大，对应土质在进出洞口时易受扰动等其他条件影响，工具头经常会向下倾斜，这种情况下就采用工具头自带的纠偏系统和调节千斤顶作用力中心对顶管的顶进方向进行纠正。

5.3.2 测量

顶管在切削及顶进过程中测量的主要任务是记录及把控好管线的中线方向、高程和顶进坡度。该工程采用激光经纬仪测量，方法如下：激光经纬仪安装并检测后，射出激光中心线，这是顶管切削及顶进的基准线。开顶前，测量靶心和激光光束中心点重合，当顶管前进方向出现偏差，测量靶中心偏移激光束，偏离的图像会相应在监示器上显示，此时立即进行顶进方向纠正。

高程和坡度施工前按方案要求设置临时水准点，顶进过程高程和坡度控制。每切削顶进50cm均进行相应高程和坡度测量，若发现偏差立即纠正。

5.3.3 进洞

顶管机最后顶入接收井(进洞)是该工程的一项关键施工环节。当刀盘顶进到接收井边三排搅拌桩时(已按设计要求在施工接收井时完成)放慢并控制顶进速度，等顶管机工具头徐徐切入搅拌桩体的混凝土，则可得到一个较完整的止水孔，要不然会因切削速度过快而使预留洞周边的水泥搅拌桩体混凝土被破坏不能得到完整的止水孔。同时，精确测量出顶管机进洞具体位置，当顶管机切削接近接收井边时，顶管机快速顶进，直至顶管机完全准确顶入接收井。进入接收井后，管和洞口间的空隙立即采用砌砖封堵，表面用防水砂浆抹平并预埋注浆管，待防水砂浆达到设计要求强度后，注入一定比例水泥浆进行止水。

5.3.4 减小摩擦力的措施

随着顶进的距离越深，摩擦力越大，所以应采取措施来减小摩擦力。该工程采取以下两个措施：一是钢筋混凝土管节运到现场后还未开始顶进前，用烧熔的石蜡均匀涂抹在钢筋混凝土管节四周，待石蜡自然冷凝后再用高温喷枪慢烤冷凝后的石蜡，使石蜡熔化后慢慢渗入钢筋混凝土管节内部，堵住管节表面的孔洞及缝隙，在管节内部及表面形成石蜡层，减少顶进中的摩擦阻力。二是向管外四周注压符合要求的触变泥浆。

(1)触变泥浆管节设置

触变泥浆管节按施工方案要求设置在紧跟顶管机后面4节管，后面每间隔3节管设置一节泥浆孔管节，以对管节四周浆套进行补浆。每节管前端设置4个呈900的泥浆注浆孔，不断注入泥浆在管四周形成泥浆套。

(2)浆液配置

①造浆后浆液要放置24h才可以使用；②通过注浆泵进行注浆，注浆需要用到相关的两个仪器：注浆压力表和注浆流量表，其中一个控制压力，另一个控制流量；③注浆管道由总管和支管组成，总管安装在架设支架上，支管则将浆液注压到注浆孔内。

触变泥浆重量配合比为水∶膨润土=8∶1，膨润土中加入适量的火碱(NA2CO3)。

(3)注浆过程

分为5个步骤：①泥浆的放置——②注压浆液——③顶管推进——④顶管停止——⑤注浆停止。

(4)数量和压力

注浆量尽量控制在管道外围环形空隙的1.4倍，注浆压力应为水深的1.1～1.2倍。

5.3.5 纠偏

制作厂家在工具头内部结构设计有纠偏节，纠偏节结构内部采用纠偏千斤顶，在切削顶进施工中，随时依据测量得出的偏离结果，及时通过调整纠偏千斤顶[2]的工具头切削顶进方向，以有效控制顶进方向的偏离。假如测量结果显示工具头的方向偏离大于10mm，则及时进行相应有效纠偏。纠正偏差应使相应管节慢慢复位，严禁采用猛纠硬调的方法。

纠偏按施工方案的要求以5mm的纠偏长度作为一个子单元，继续顶进1m时，如果偏位趋势没有减少，

就要加大纠偏力度，保持此力度继续顶进。偏位趋势相反时，此时纠偏力度就要相应减小。顶进的纠偏措施贯穿顶进的全过程，并随时掌握顶管偏离的准确数据，及时测量偏位数据采取相应措施进行纠正，做到在偏位发生的萌芽阶段进行纠偏。

6 泥浆置换

顶进结束后，用高压水将管道周边空隙浆液清洗干净，然后高压注入水灰比为1∶1的水泥浆液进行置换，使管道周边空隙全部充满水泥浆液。

7 沉降观测

(1)由于该工程地处城市主干道，所以，施工过程中的土体位移及沉降观测也是顶管工作的重点，应委托有相应资质的专业单位进行监测。

(2)该工程主要监测点布置

水平位移：沿着施工顶进路线埋16根测斜管，埋深大于14m，观测顶管过程中土体侧向变形及周边环境的变化。

沉降：沿着施工顶进路线布置14个沉降观测点，观察施工过程中地面沉降变化情况。

8 工程效果

该工程的顶管现已全部施工完成，如图9所示，经检测顶管的位置、轴线偏差、中线方向、高程和坡度均符合要求。管节间的对接及进、出洞处均无出现渗漏，路面沉降经检测符合要求，施工质量达到预期的良好效果。

[1] 王飞.浅谈顶管法的应用与技术措施[J].科技信息(科学教研),2008(22).

[2] 何耀涛.市政工程中顶管施工技术要点[J].中国市政工程，2008(12).

Discussion on pipe jacking construction method

HUANGZhihe

(China State Construction Engineering YuanNan Group, QuanZhou 362000)

This paper introduces the construction of the project, the calculation of the thrust of the jacking pipe (data), the difficulty of pipe jacking construction, and the basic construction of the project. Working principle, construction process and characteristics, the installation and commissioning ofthe main equipment, the selection of reinforced concrete pipe, the measurement, correction and control during the construction of the pipe jacking, the mud injection (displacement), settlement observation and other construction process, The construction process control measures and points, put forward the corresponding treatment methods, focusing on the jacking, measurement, correction to explore the completion of the pipe after the completion of the quality of the test to achieve the desired good results.

Pipe jacking; Construction method; Control

黄志河(1975.5- )，男，高级工程师。

E-mail:469444070@qq.com

2017-04-05

TU99

A

1004-6135(2017)09-0054-05