人工顶管施工技术在下穿高速公路顶管施工中的应用

徐宇龙

摘 要：以某防洪达标整治工程为例，从施工作业准备、人工顶管顶力计算、工作井施工以及顶管施工等方面，详细研究人工顶管施工技术在下穿高速公路顶管施工中的应用，以期科学、合理地运用人工顶管施工技术，从而有效提升下穿高速公路顶管施工质量。

关键词：人工顶管;顶力计算;工作井施工;监测监控

中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0070-03

Abstract： This paper to a standard of flood control regulation engineering as an example， from the artificial calculation of the force of pipe jacking construction preparation， construction and pipe jacking construction and so on， work well on a highway wear artificial pipe jacking construction technology application of pipe jacking construction has carried on the detailed research， scientific and rational use of artificial pipe jacking construction technology， effectively improve the wear highway pipe jacking construction quality.

Keywords： manual pipe jacking;calculation of jacking force;working well construction;monitoring

1 項目概况

本工程治理范围起于广东省深圳市东部某小（二）型水库，终至大鹏湾入海口，河道整治全长约1 km。由于现高速公路桥涵尺寸不满足设计标准，需要在高速公路原排水涵旁边增设一条DN2400排水涵管，以满足设计的过流标准。由于高速公路红线区域无法开挖施工，本工程中采用人工管前掘土的方式进行顶进施工（人工顶管）穿越高速公路。顶管长度为95 m，顶管施工管道设计为顶管工程专用内径为2 400 mm×230 mm的C50钢筋混凝土管（Ⅲ级），顶管最小埋深约12.98 m，最大埋深约14.74 m。本文主要分析该处顶管的施工情况[1]。

2 施工作业准备

在进行人工顶管施工前，必须在综合考虑各项基础因素的前提下做好施工作业准备，确保人工顶管施工能够顺利进行[2]。人工顶管施工前期的准备工作较多：①项目组织施工图纸和各专业图纸会审，做好施工技术交底工作;②根据施工现场条件和相关资料，绘制管道顶进途径，避免施工过程中受到周边环境和地质因素的干扰;③确定管线范围内及施工需用场地内所有障碍物，如管线、树木及附近房屋等;④按施工平面布置图修建临时设施，安装临时水、电线路，并根据顶管作业需要准备好各类机具，分期分批组织材料进场。

3 人工顶管顶力的计算

在土质良好的顶管地段，管道下部135°范围内不得超挖，管顶以上超挖量不得大于15 mm，确保管壁与土基表面吻合，以减少顶进阻力。本工程管道顶进长度为95 m，在人工将洞口挖至1 m深时，用千斤顶将管道顶入洞口，然后人工进入管道进行施工。。

根据经验公式，人工顶管顶力计算为[3]：

[P=P0+RπDL]                                （1）

式（1）中：[P0]为初始顶力，kN;[R]为综合摩擦阻力，kN/m2;[D]为管道直径，取2.86 m;[L]为管道顶进长度。[P0]与[R]取值如表1所示。

根据本工程地质资料，[P0]取值80 kN，[R]取值8 kN/m2。将相关数据代入式（1），得到人工顶管顶力[P]=80 kN+8 kN/m2×3.14×2.86 m×95 m≈6 905 kN。

由于顶管顶进施工过程中经常受到地下工程的复杂性或不可预见因素的干扰，顶管设备取1.5倍左右的储备能力，即6 905 kN×1.5=10 358 kN。结合实际情况，取总的顶力[F]=10 000 kN。本工程中选用规格为300 t的千斤顶，则共需要准备4台千斤顶设备。

4 工作井施工

本工程顶管工作井为方形工作井，尺寸为9 200 mm×7 200 mm，采用沉井结构，排水下沉施工。

4.1 沉井地基处理

在沉井地基处理施工中，首先根据设计图纸坐标和甲方提供的基准点进行测量定位，并布置坐标控制点和临时水准点，要求建立的控制点精度为±1 mm。其次，平整施工场地后，先开挖沉井约1 000 mm深，沉井地基开挖面积为10 200 m×8 200 mm，并根据地质情况在土层上铺上一层砂浆垫层（必要时先铺碎石垫层），以满足第一节井壁自重，扩大沉井刃脚的支承面积。工作井垫层的厚度为20 cm，砂浆宽度为井壁外30 cm。此外，垫层误差控制在5 mm以内，以便模板施工，且表面抹光以此作为刃脚的底。

4.2 沉井下沉

工作井下沉工作方法采用井外井点降水排水法，工作方式为长臂挖机配合人工取土，同时采用排水法混凝土干封底。

4.2.1 沉井下沉前的准备。沉井下沉前必须确保沉井强度符合设计要求，其中第一节时沉井强度须达到设计强度规范要求100%，第二节时沉井强度须达到设计强度规范要求70%。在沉井四周的井壁上画出测量标准尺寸，并设立水平指示尺，用水准仪复测。

4.2.2 排水下沉。在沉井混凝土达到设计强度后，排干井内的水，用挖土机配合人工开挖土方，控制好初沉。同时，测量人员在下沉过程中用水准仪持续观察，指导沉井下沉，以保证沉井均匀下沉。

4.3 沉井护壁施工

由于泥土不具有结构强度，因此在沉井建设部位的土方挖掘后，要快速进行沉井护壁施工。沉井护壁采用逆作法施工，每节护壁高1 000 mm，搭接200 mm，工作井护壁厚450～550 mm，尺寸为9 200 mm×7 200 mm。护壁采用C30混凝土，混凝土抗渗等级为P6。

本工程基坑内土方开挖采用分层法。机械无法直接挖掘的部位，进行人工开挖、清理以及归堆。根据设计要求，在定位好的井位上先挖一个约一节护壁墙高的土坑，然后按设计要求绑扎好钢筋，搭设好第一节模板，而后浇筑混凝土并进行养护，接着继续挖土进行第二节护壁墙施工。以上步骤循環进行，直至设计井底。

5 顶管施工

沉井封底后浇筑底板，即可进行人工顶管施工。本工程顶管施工管材采用顶管工程专用的内径为2 400 mm×230 mm的C50钢筋混凝土管，顶管长度为95 m。在顶管施工前，应先做好工作井内的设备安装工作。设备主要有高压油泵、液压油缸、液压管路控制系统、顶铁和压力表、千斤顶以及鼓风机等。

5.1 管道顶进

井内设备安装、试运行完成后，开始进行管道顶进施工。首先，在管道顶入的头部安装第一节排水管，将排水管吊装至导轨上，测量排水管中心和管底高程。每顶入0.2 m测试一次，及时校准偏差，确认安装合格后方可继续顶进。当发现测量偏差在10～20 mm时，采用超挖纠偏法;当偏差大于20 mm时，采用千斤顶纠偏法。当超挖纠偏不起作用时，用小型千斤顶顶在管端偏向的反侧内管壁上，另一端斜撑在有垫板的管前土壁上，支顶牢固后施加顶力，同时配合超挖纠偏法边顶边支，直至偏差回归。

管道顶进施工时，管前人工挖掘一部分后启动高压油泵和千斤顶进油，将活塞向前顶入一个行程后再将管道向前推进。待这一程序完成后，收回通风管设备[4]。后续的管道顶进施工依据上述步骤进行。在管道人工顶进时应缓慢进行，待各接触部分密合后再按正常顶进速度顶进。需要注意的是，顶进速度过快容易损伤管道和设备，过慢则容易导致坑壁坍塌。

为了减少顶进时的阻力，增大顶进力度并防止塌方，顶管时在管壁与土壤的缝隙间注入触变泥浆。本工程使用多个触变泥浆各成分质量比为膨润土∶石膏∶工业六糖∶松香酸钠∶水=100∶42∶1∶0.1∶28。第一节管道每隔一定距离设置补浆孔，及时补充新的触变泥浆，使触变泥浆在长距离或超长距离顶管施工中保持性能不变，确保管道能够顺利推入，提升工程人工顶管顶进的施工效果。

5.2 注浆加固

5.2.1 预注浆加固。根据本工程地质勘探资料，在进行顶管施工前对顶管位置进行预注浆加固施工，减少坍塌风险，便于管前开挖成拱。顶管总长度为95 m，注浆分段长度为6 m，注浆孔呈梅花形布置。注浆加固每循环开挖长度为5 m，对沙管体注浆加固，每段开挖长度为5 m，确保管底沙体加固密实。本次预注浆加固采用小导管超前二重管无收缩双液注浆工艺，双液为水玻璃和水泥浆液。采用后退式注浆，由下至上、由外至内依次进行。注浆孔位示意图如图1所示。

5.2.2 工后注浆加固。顶进就位后对管节接缝进行处理，用水泥砂浆勾缝。在顶管全线完成后，必须严格控制注浆量和注浆压力。注浆施工过程中，应严格遵守以下要求：用压浆机往管节注浆孔内压水泥浆，工程采用特制顶管，每节管预留8个注浆孔;水泥浆液采用P·O 42.5硅酸盐纯水泥浆液及水玻璃混合液;水泥采用超细水泥，水灰比为1.0～1.1，注浆压强为0.1～0.6 MPa;扩散半径按照0.5 m考虑，地基上浆液注入率为30%;注浆加固后地表凸起不得大于20 mm，注浆平面2 m范围内将施工中的空隙全部注满，确保顶管加固密实。

5.3 管道闭水试验

在各项工序均完成且检验符合要求后，将全段95 m管道作为试验段进行管道闭水试验。管道水压试验前，先做好水源引接及排水工作、试验段后背与堵板（或堵塞）的设置封堵工作。本工程就近在河道抽水取水，将管道两端封闭注水，观察24 h内是否有水渗出并做好记录。如果出现渗水，则需观察渗水量。如果渗水速度能够控制在24.55 L/（min·km）内，则表示该管道的密闭性符合相关规范[5]。

6 施工监测

本工程施工区域地质条件复杂，因此施工过程中对高速公路路面位移和沉降进行监测也很关键。

6.1 监测点布置及监测频率

6.1.1 监测点布置。纵断面观测点沿顶管轴线每隔10 m布置一个;横断面观测点每断面为轴线左右各3 m处，共设置5个沉降观测点，如图2所示。

6.1.2 监测频率。为确保施工安全，监测点的布设要满足随时可获得全面信息这一要求。根据施工需要设置相应的监测频率，在顶管进出洞时增加监测频率或者进行跟踪监测。对于基坑变形监测，正常情况下2天1次，如遇暴雨导致变形速率较大时1天2次;对于工区域路面变形监测，出洞/进洞20 m范围内1天3次，顶管施工中间段1天1次，视施工需要进行跟踪监测，直至观测到测点变形达到相对稳定为止。

6.2 监测方法及监控措施

采用水准仪和经纬仪进行静态连续路面位移观测和沉降观测。为确保监测工作的可靠性、稳定性以及连续性，在整个监测区域设立完整的沉降变形监测控制网进行日常的沉降监测控制。

7 结语

通过在下穿高速公路排水涵工程中应用人工顶管施工技术，可以得出以下结论。

①人工顶管施工适用于深度和距离适中的土层，具有施工成本低、难度小以及流程简单等优点。据估算，本工程采用人工顶管施工节省费用约800万元。但是，人工顶管作业时存在较大风险，需对施工现场地质环境进行综合评价后再实施。

②采用人工顶管施工技术，保证了施工质量以及周边建筑物和构筑物的安全，能够较好地控制地面沉降，提高特殊区域的施工效率，同时能减少施工作业对环境的污染，具有良好的环保性。

参考文献：

[1]王铁.人工顶管的主要施工工艺及方法研究：以成都市新都区龙桥镇成彭路顶管施工作业为例[J].工程技术研究，2019（11）：26-28.

[2]张应盛，任海峰，王伟，等.特殊地质条件下人工顶管施工[J].云南水力发电，2017（6）：139-142.

[3]魏纲，郑金涛.顶管施工中顶力计算公式的探讨[J].市政技术，2008（5）：404-406.

[4]邓方园.人工顶管的主要施工工艺及方法分析[J].智能城市，2020（15）：121-122.

[5]刘炳旺.人工顶管技术在北京地区污水管线中的应用[J].建筑技术，2019（11）：93-96.