顶管法在市政管道工程中的应用技术研究

尹冬 ，苗雷强 ，梁朋飞 ，石家豪

（1.石家庄市道桥设施管护中心，河北 石家庄 050000；2.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050000；3.河北省建筑工程质量检测中心有限公司，河北 石家庄 050000）

1 引言

近年来，随着我国城市建设的快速发展，给水、排水、燃气、雨水、污水等保障城市正常运转的市政管线工程建设也随之快速推进。市政管道往往敷设于城市道路下方，传统的沟槽明挖法不仅造成城市道路“拉链路”，而且对交通安全和居民生活带来较大的不利影响。同时，市政管道在城市建设中往往还会遇到穿越铁路、市政道路、河流、地上建筑物、地下构筑物等不允许采用明挖法开挖的地段。顶管法作为一种良好的、可避免大挖大填的暗挖施工工法，不仅可以很好地解决上述市政管道建设技术难题，而且可以减少对环境的污染和道路的堵塞，具有显著的经济社会效益。

2 顶管法原理和优缺点

顶管法是地下管道暗挖施工方法的一种，这种施工方法只需要开挖管道两端工作井，用于施工器械和管段的安装放置，不需要开挖中间段的地面，广泛用于下穿道路、铁路、河流以及其他地下或地面设施。顶管施工时，通过一端的工作井中安装顶管千斤顶和顶进轨道，为管段的顶进提供充足、稳定的动力，同时采用机械或人工的方式削除管头正面的土体，并由管段和工作井将土运出，管段顶进土体后继续在后部补充新的管段，直至顶进到预定位置。

顶管法分类方式很多，可按施工机具、口径大小和工作面土压平衡方式等进行分类，具体分类如下表1所示。

顶管施工的分类 表1

在市政管道建设过程中，采用顶管法施工具有以下优点：①仅需开挖两端工作井，由于开挖面小，对交通影响较小；②相比明挖法，施工土方量明显减少，施工更加经济高效；③施工噪声小，对居民生活影响小；④相比较沟槽明挖法施工，其施工的工期明显缩短；⑤当穿越铁路、河流等不允许开挖或没有开挖条件的状况下，其优势显著；⑥对于埋设较大的市政管道敷设也具有较大优势。

同时，市政管道采用顶管法施工也有一些缺点，比如：①当市政管道曲率半径较小，采用顶管法施工非常困难；②由于顶推力作用在管道后部，顶管前端无牵引，当土质较软时，管道走向容易出现偏差，且调整困难，同时容易产生不均匀沉降；③管道顶进过程中遇到较大障碍物时难以处理。

在城市市政管道建设过程中，根据工程当地的具体地质条件，结合工程的实际要求，针对性选择合适的顶管施工技术十分必要。

3 顶管法施工流程

顶管法在市政管道暗挖施工中应用广泛，顶管法施工的基本工艺流程如图1所示。

图1 顶管法施工工艺流程图

4 顶管法施工关键技术

根据以上顶管法施工的工艺流程，总结顶管法施工的关键技术主要包括：施工机具选择、工作井施工、导轨施工、顶进后备施工、顶进设备与管节安装施工、挖土顶进与测量纠偏施工、管道拼接施工等内容。

4.1 施工机具选择

市政管道工程顶管施工机具的选择，应在保障工程质量安全和文明环保的基础上，根据工程水文地质条件和施工环境选择，必须遵守“与土质相适应”“与施工条件相适应”“确保施工安全”和“施工经济性好”的四大原则。顶管法施工机械设备主要包括管段和机械吊装设备、高压油泵和千斤顶等顶进设备、顶进后背、承接管段和设备的导轨、井口和管内出土工具、经纬仪和水准仪等测量仪器。顶管施工所用仪器设备的具体功能和数量应结合实际情况确定。

4.2 工作井施工

顶管施工的始发井和接收井必须进行井壁支护，具体的围护形式应根据基坑尺寸并考虑周边地质、地下水、其他地下设施、周边建筑等情况综合分析确定。

顶管工作井的设计长度要考虑顶管施工时相关机械设备、管段、人员作业等空间要求，具体可依据下式结合实际情况确定：

其中，L为工作井满足顶管施工需要的最小长度；Y为顶管机和管段长度中的较大值；Y为顶管后千斤顶长度；Y为千斤顶承压后背的厚度；X为顶入管段需留在外部导轨上的最小长度；X为顶铁厚度；X为管段顶进回退和管段安装操作预留空间。

工作井除应满足安装顶管机具设备、导轨和顶进管节的要求外，还需满足井外出土和作业人员操作的要求。一般要求，工作井上口前沿距路边不小于2m，放置管道后每侧要有1m的工作面；在有地下水影响的情况下，还必须设置排水坑及其排水设备。

4.3 导轨施工

顶管法施工导轨固定于始发井的底面，导轨下垫有枕木，枕木间距根据实际情况确定，一般为0.8～1m。顶管法轨道钢轨一般为两根，轨道间距根据管段直径和轨道高度确定，一般保证管段放置在导轨上后管段下表面高出枕木20mm以上。导轨一般选用钢材制作，确保具备足够的强度和刚度，且导轨与底板连接应牢固稳定。两根钢轨安装应平顺且处于相同标高，准确安装到设计位置，以确保管段顶进预定的位置和方向。也可在导轨上加设配套滑板车，以减小顶进时管段与导轨之间的摩擦。

4.4 顶进后背施工

顶进后背是设置在顶管千斤顶后，为千斤顶提供后部支撑和发力点的结构，后背刚度强度和稳定性直接影响顶管施工的顺利进行。后背的强度应满足顶管推进最大推力要求，且后背墙面要垂直于顶推方向，整个顶进过程中保证后背不发生明显形变。根据顶管施工现场实际情况进行后背结构的选择和施工，当工作井埋深较浅或周围土体松软时应人工构筑后背结构，当覆土较深时可采用天然土体夯实的方法构筑后背结构，在混凝土工作井内，可采用混凝土现浇的方式构筑后背结构。

4.5 顶进设备与管节安装施工

顶进设备由高压油泵和千斤顶组成，高压油泵为千斤顶提供动力，千斤顶安装在后背和顶进管段中间，并在千斤顶和管段连接处设置钢护圈和橡胶垫以保护顶管。管段外部应涂润滑剂以减少顶管顶进的阻力，通过千斤顶的推力逐步将管段顶入土体中。

4.6 挖土顶进与测量纠偏施工

设备安装后经试运转无异常即可掏顶进，掏土一般可分为人工掏土、机械掏土和挤压式掏土，人工和机械掏土如图2所示。

图2 顶进掏土施工

管道顶进过程中应随时测量监控，每次顶进均需要进行偏差测量，发现偏差及时纠正。顶管距离较长或曲线顶管最好采用自动测量系统，自动测量系统如图3所示。

图3 自动测量系统

5 结语

顶管法作为一种良好的、安全有效的、经济适用的暗挖施工技术，已逐渐成为解决当前市政道路“开膛破肚”“拉链路”等城市化问题的有效手段，可用于市政管线穿越铁路、市政道路、河流、地上建筑物、地下构筑物等不允许开挖地段，具有显著的经济社会效益。作为城市“生命线”的市政管线工程，应结合工程实际水文地质条件、施工环境和设计要求，选用与之适应的顶管施工方式，正确选择顶管机具、配套辅助设施和相应的技术保障措施，对于市政管道顶管施工十分关键。