人工顶管在园外园生态景观提升工程中的应用

隗永龙，李 宁，徐 品

（北京金河水务建设集团有限公司，102206，北京）

北京市海淀区园外园生态景观提升一期工程管道施工需要穿越北坞村路。北坞村路与玉泉山路相连，不具备断路施工条件，故而采用顶管施工工艺穿越道路。由于地下管道复杂，不明管线较多，施工工作面狭小，施工单位采用DN2200混凝土管人工掘进顶管的方法施工，圆满完成了管道敷设任务。

一、工程概况

“园外园”地处颐和园和玉泉山静明园西南部区域,实施园外园地区绿色空间整合规划建设，对构建首都西北部生态屏障，进一步恢复京西历史风貌、完善城市配套功能等具有重要意义。按其水系建设规划要求，园外园生态环境提升一期工程需利用团城湖水源向园外园地区水系进行补水。根据景观水系建设需要，将对团城湖取水口至玉泉山泵站段输水管道进行更新改造，使之不影响园外园周边景区建设。园外园生态景观提升一期工程穿北坞村路75 m，双排布置管道长度150 m。管道埋深约为5.5 m，采用人工顶管施工。工作井设置在北坞村路西，深度10 m，自西向东顶进。

二、技术原理

顶管施工即非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。人工顶管借助主顶油缸的推力，采用人工挖土掘进前行，把管道从工作坑内向前挖通土体，一直挖到接受井内。本工程采用混凝土管沿设置的导轨随工具管前行，一次推进300～400 mm，顶到终点为止。

三、施工工艺及操作要点

1.施工工艺流程

工作井施工→顶进设备安装调试→吊装混凝土管到轨道上→连接好工具管→装顶铁→开启油泵顶进→人工挖掘出土→过程纠偏→管道贯通→拆工具管。

2.操作要点

（1）工作竖井施工

顶管竖井分为顶进坑与接收坑，采用型钢支撑+挂网喷锚的复合支护方式。竖井的施工原则：快开挖、强支护、小分块、短进尺、早成环。顶管坑占地面积6 m×10 m，接收坑占地面积4 m×10 m，施工流程见图1。

①地下物调查。工作井施工前挖探坑对地下管线进行调查，确定现况管线的位置、走向、高程。对施工有影响的现况管道，按照相关规范要求采取相应的保护措施。

②土方开挖。竖井施工采取分层开挖、分层支护的方法进行，每层开挖步距0.5 m。开挖顺序按照由上至下、对角开挖、中间留核心土的方式进行，严禁同层贯通开挖。开挖顺序如图2、图3所示，首先开挖第3部分土体，对角安装钢隔栅，喷射混凝土；然后开挖第2部分土体，对角安装钢隔栅，喷射混凝土，最后开挖第1部分土体到下一榀水平钢隔栅顶部设计高程。

③临时支撑。为确保工作坑的稳定，在竖井内加设角撑，采用2根25a的槽钢对扣而成。每2 m设置一道；采用32a槽钢设置盘撑，盘撑设置位置与角撑一致。

④钢格栅。主筋用4根Φ25的螺纹钢，支撑筋用Φ14钢筋加工成型，与主筋焊接牢固，连接板采用L160×100×10角钢。钢格栅分段加工，现场组装，同层钢格栅之间采用同级别的钢筋绑焊连接,单面焊长度10 d。钢格栅垂直间距为0.5 m，第一榀钢格栅距离圈梁底部20 cm，使用竖向连接筋与圈梁内钢筋焊接牢固。竖井施工时需逐榀打设锚管。

⑤竖向连接筋。圈梁与钢格栅之间及每个相邻的钢格栅之间均需使用连接筋，连接筋使用Φ22的螺纹钢，在钢格栅内外两侧同时使用连接筋，内外两侧交错排列，连接筋间距定为0.5 m。顶部的连接筋需弯折成90度，并插入地圈梁长度不小于300 mm，弯折长度不小于500 mm。连接筋之间搭接要求为双面焊接5倍、单面焊接10倍钢筋直径。

⑥钢筋网片。网片采用Φ8的钢筋焊接而成，网格间距100 mm×100 mm钢筋焊接而成，在钢格栅内外放置双层网片。网片搭接重叠一个网格宽度。

⑦墙壁锚喷。向下逐层施工，顺序为土体开挖、安装外网片、内连接筋、安装钢格栅、内连接筋、内网片、锚喷混凝土。锚喷混凝土厚30 cm，混凝土强度等级C25，材料为水泥、中粗砂、豆石（粒径 5～10mm），并加入早强剂，掺 8%FS-P混凝土补偿收缩防水剂。

⑧底板。工作坑采用商品混凝土封底，使用Φ20钢筋，双层排列，长向钢筋间距200 mm，短向钢筋间距200 mm，底板厚度300 mm，混凝土要求强度为C25。在顶进坑及接收坑的底板处，均需预留 500 mm×500 mm×500 mm集水坑一个，坑内安装潜水泵一台，及时抽排渗出的地下水，保证施工时坑底干燥。

（2）基坑基础及导轨

基坑基础采用混凝土木枕基础，混凝土强度为C20，厚度为30 cm，混凝土内横向埋入150 mm×150 mm枕木。枕木高出混凝土表面2 cm，坡度与设计管道坡度一致。基坑导轨起导向作用，由于导轨钢号较高且较脆，下管时要轻放，以免损伤管材。采用型钢制作导轨，并将导轨安装在检验合格的枕铁上。

（3）后背墙施工

根据计算确定后背墙尺寸，宽3 m，高2.5 m，墙厚 60 cm；混凝土内布置Φ18螺纹钢筋，网格尺寸20 cm×20 cm，双层。后背墙采用#30工字型钢成组立放，型钢前面150 mm×150 mm方木横放，并加2 cm厚钢板用竖铁2根做顶管后背，混凝土后背墙需能承受足够的顶力，见图4。

（4）顶进坑侧壁开孔

①洞口地层加固。破除洞口容易使该处土体失稳，为确保安全施工，对顶管洞门管顶部位沿环向打Φ32、长3.0 m、间距0.5 m的超前钢导管，预注水泥浆以加固洞口地层。

图1 顶进井（接收井）施工流程

图2 挖土顺序断面示意图

图3 挖图顺序平面示意图

为了使浆液渗透均匀，在Φ32的钢管前部四周钻6～8 mm的孔，间距15～20 cm，成梅花状排列，钢管顶部做成尖锥状。

②顶管进洞的止水方法。为保证顶管工具管入洞时地下水、触变泥浆和泥砂不从洞门周围涌出，根据要求在洞口安装封闭装置。后封闭利用δ10 mm钢板加工成圆环，圆环直径1 620 mm。橡胶圈在竖井墙壁与钢套环之间安装，竖井顶管洞口周围预留螺栓与钢套环固定。

图4 后背墙配筋图

顶入前、安装后进行封闭。利用注浆时的反推力，使橡胶圈附着力增强，从而起到后封闭的作用。

（5）顶进

①管道允许顶力计算。本工程所用顶管为C30钢筋混凝土管，开始顶进前需对其允许顶力进行计算，以免顶力过大而顶碎管道。公式如下：

式中，[Fr］为许用顶力（kN），σc 为管体抗压强度 （kN/m2），A为加压面积（m2），S 为安全系数 （取 S=2.5～3.0）。本例计算顶管管道所能承受最大顶力约为857.143 kN。

②顶进阻力计算。公式如下：

式中，Fp为顶进阻力 （kN）；D0为顶进管道的外直径(m)；L为顶管设计总长(m)；fk为管外壁与土体单位面积上平均摩擦阻力（kN/m2），采用触变泥浆减阻技术，管材选用见表1；NF为顶管机迎面阻力（kN），不同顶管机迎面阻力见表2。本例D0=2.6；L=75；fk=11；NF＝81。

表1 采用触变泥浆的管外壁单位面积平均摩擦阻力fk

表2 顶管机迎面阻力(NF)的计算公式

综上计算，本工程顶进管道需用681.63 kN顶力，决定采用两个400kN共计800 kN顶镐。

③管道顶进。根据地堪报告得知顶管段土层为卵石，为确保安全施工，采取工具管顶进。人工挖土前，先将钢工具管刃口部分切入周边土体中。导轨、后背墙按技术交底安装完，顶管设备就位后，即可进行顶管的顶进工作。第一节管下至导轨上，应校核导轨的中线、高程、坡度，如没有问题方可顶进。顶进第一节管后，回注触变泥浆减阻。因土层为细砂土，结构松散，顶管掏方不宜过长，不超过30 cm，顶部超挖不超过1.5 cm，管下部135度范围内严禁超挖。出土时要有固定的出土方向，施工人员应协调配合，坑上堆土应随时清走。顶进过程中，应随时进行高程和中心的校核测量，每班应有顶管记录和交接班记录。及时控制高程与中线，随时高速纠偏。管道顶进完成后及时用水泥砂浆封闭顶管洞口与墙壁之间的空隙。

四、质量控制要点

在顶进中测量是顶管施工中的重要环节，每顶进30 cm测量一次高程偏差，每顶进60 cm测量一次中心偏差。高程测量偏差超过3 mm、中心偏差超过5 mm时，将测量次数加密，并及时进行偏差调整。穿越北坞村路管道属于顶进长度小于300 m、管道外径大于等于1 500 mm类型。根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS—246—2008）要求，轴线允许偏差50 mm，高程偏差＋40 mm、-50 mm。施工中为了提高控制标准，按照轴线允许偏差50 mm，高程偏差＋30 mm、-40 mm进行控制。

施工过程中每50 cm距离取一点进行偏差监测，经测量监测点位全部合格。

五、结 语

在不具备开挖条件的情况下，采用非开挖管道施工技术能在极小地干扰地上物情况下，进行各类地下管线施工。该施工技术具有施工操作简便、现场投入设备及人员少、施工综合成本低、建设公害少等优点，使得此传统施工工艺仍然具有一定的经济和社会效益。