顶管在管道工程中的设计与施工技术

刘长勇

摘 要：顶管技术具有降低噪声、减少粉尘、减轻对交通条件和环境状况的干扰和破坏等诸多优点，在管道工程中具有重要的应用价值。本文主要对这一技术的应用进行具体阐述。

关键词：顶管技术;管道工程;顶进力

Abstract： Pipe jacking technology has many advantages， such as reducing noise， reducing dust， reducing the interference and damage to traffic conditions and environmental conditions， and has important application value in pipeline engineering. This paper mainly expounded the application of this technology.

Keywords： pipe jacking technology; pipeline engineering; jacking force

随着城市化建设的不断深入，市场对管道工程的需求量不断增多。但传统的管道工程需要大规模开挖施工，会在一定程度上影响周边的生态环境，工程效率也相对较低。近年来，顶管施工技术逐渐被应用于城市管道工程，它不需要开挖面层，直接穿越地面公路、河道、建筑物、地下管线等，不会干扰交通，也不会影响地面活动，大大缩短了工程工期，降低了工程成本。但是，顶管施工技术的应用具有技术难度高、工程地质勘测要求高等难点。为充分发挥顶管在管道工程中的作用，需要充分掌握其设计与施工技术。

1 顶管技术施工原理

顶管技术施工原理如下：根据施工方案在管道沿线设置工作井和具有坚硬后座的接收井，将要顶进的油压千斤顶、钢管、混凝土管等利用工作井的后座逐步顶进，再利用油压千斤顶将油管、泥浆管、照明等管线慢慢顶进，利用压浆系统在管节周围形成泥浆套，使管道在内滑行[1]。钢管或混凝土顶进的过程中，需要一边顶，一边排土，一边利用激光经纬仪测量并调整顶管方向，直到将其全部顶进接收井里。

2 顶管施工工艺设计

管道工程中顶管施工工艺的设计要建立在对工程所在地质情况准确勘测的基础上，并结合具体工程概况进行设计。设计前，要清楚掌握顶管沿线的地质情况和底层结构，明确水文地质情况、土壤特质和空间分布，以及地下埋设物、障碍物的具体情况，从而确定管线埋设的深度和分布范围。本文以某市排水工程为例，分析顶管技术的设计和施工。

2.1 准备工作设计

2.1.1 设置工作坑。设计的钻孔灌注桩围护结构工作坑长10～11.5 m，桩径600 mm。将桩径为600 mm的旋喷桩双排设置于工作坑外围，构成止水帷幕，采用压密注浆对工作坑坑底以下进行加固，注浆孔的设置应呈梅花形，设计1 m的间距，并设置两道支撑装置于工作坑中。

2.1.2 工具管选型。在工具管选型过程中，要确保顶管掘进机的性能与效果。实际设计中，应充分结合工程地质、施工条件、顶管管径等情况进行工艺设计。例如，在雨水管管径为1 500 mm的情况下，顶管施工可使用平衡性良好的泥水平衡顶管掘进机。该设备具有自动平衡功能，能对泥水室的泥水进行加压处理，平衡地下水的压力。为确保顶管工艺顺利应用，该设备还应该具备主顶倾斜测试功能、速度监测功能等，并将地表隆沉控制在±10 mm范围内，以确保工程的可靠性和安全性[2]。

2.1.3 顶进系统。可采用四缸推力为800 t，系统行程达到3 200 mm的四缸200 t双冲程等推力油缸，将其组装于油缸架上。为承受住顶进施工的后座受力和顶进受力，必须严格根据油缸设计图确定油缸的中心位置，油缸中心误差必须在10 mm内。另外，向主顶液压动力机组的供油可使用大流量斜轴式轴向柱塞泵，该机组对减少顶进过程的阻力具有重要作用。最后，从顶管工艺的实际需求出发选择主顶系统[3]。

2.2 顶管间距及覆土设计

在顶管间距及覆土设计过程中，必须考虑地下管线之间的相互干扰和影响，需要充分考量顶管顶进时的管道分布情况，确定管道的垂直净距和水平净距。若管道相互平行，需要充分结合管道埋深情况、顶管管径、土层的具体性质等来确定管道间的水平净距。一般情况下，管道水平净距应在管道外径的1倍以上，管顶的覆土层厚度应大于1.5 m，并控制在管道外径的1.5倍范围内。覆土工程沿线一般为污水管道、雨水管道、电力电缆、通信电缆、给水管道等管线，其深埋存在一定差异，覆土设计过程中，必须确保不会对其造成影响，充分结合地下管线的具体情况进行设计。

2.3 管材与接口设计

首先，应确保管材的质量达到相关标准，重点考量管材的抗渗性、外压荷载、密實性等，并结合实际工程要求选择管材。顶管接口的设计可采用F型钢套环，并搭配承插式橡胶圈柔性接口，确保接口设计的合理性。

2.4 顶力计算

顶管顶进过程中所受到的阻力即顶力，工程施工技术、管道弯曲水平、土质等因素都会对顶力产生影响。同时，工作坑后座墙结构设计、千斤顶规格、顶管管材等后续内容都会受到顶力的影响。为确保顶力计算的合理性，要严格按照顶管施工的总推力、顶进阻力、迎面阻力进行计算。

2.5 沉降观测与沉降控制

沉降观测对避免造成建筑物沉降、确保建筑物的安全性有着重要的作用。顶管工程施工中，管线沿线土壤会与顶管产生摩擦，在管道顶进时使工作井发生位移，从而损坏地层，引起地面沉降，进而会破坏管道，对建筑物的安全产生影响。因此，需要加强对水平位移和沉降量的观测。沉井周边及管道沿线为水平位移的主要观测对象，可采用埋设侧斜管的方式来观测顶管施工中土体侧向变形情况、沉井情况及对周边环境的影响。相关规定要求，将每天水平位移速率控制在2 mm以内，并保持连续3 d，控制累计水平位移不超出0.5%。沉降量的控制是沉降量观测中的重点。沉降观测点应沿管道走向布置，在设置过程中，还应充分结合地下管线分布。同时，还要时刻关注顶管施工过程中的隆起和沉降问题。相关规定要求，以工程开挖深度的0.5%为沉井周边沉降的控制范围，每天的沉降速率应控制在2 mm以下，并保持连续3 d，沉降问题不得超过15 mm[4]。

3 顶管在管道工程中的施工技术

3.1 穿墙前注浆止水处理

利用压浆止水的方法在顶管工作井穿墙洞口前方进行处理，利用黏土、水泥和石灰，以3∶1∶2的比例搅拌而成的注浆液体与自然土混合，固结后不仅能确保顺利穿墙，而且具有挡土和止水的效果。为确保工具头顺利出洞，应将洞口的搅拌范围控制在4 m×4 m处。

3.2 穿墙

穿墙工艺主要是，将穿墙闷板打开，顶出工具管，安装穿墙止水装置。具体操作为：穿墙管内填夯压密实的纸筋黏土或低强度水泥黏土拌和土，以起到临时性阻水挡土的效果。穿墙前利用注浆固结措施处理穿墙管外侧，确保穿墙孔外侧土体的强度和稳定性。开启闷板后立即将工具管推入，同时利用止水法兰加压板做好穿墙止水，利用具有较高耐磨性和延伸率、厚度为20 mm的天然优质橡胶止水板环防治穿墙外侧土体产生扰动流变。

3.3 顶管出洞

顶管作业中，尤其要注意控制顶管出洞。首先，第一节管子要从井中破出洞口的封门进入土中，并开始正常顶管前的质量控制工作。其次，为了防止管线出现偏斜，应采取工具管调零，并在工具管下的井壁上加设支撑，工具管出洞前预先设定一个初始角弥补下跌等。在该过程中，要注意观测顶进轴线，若发现出现偏差，应及时用主顶油缸进行纠偏。

3.4 注浆减阻

对于管道周围的空隙，要利用压注触变泥浆进行填充，使之形成能够支撑地层的泥浆保护套，减少地面沉降及顶进阻力。在长距离顶管施工中，适合采用注浆减阻的方法，在顶进工作开展的同时进行顶管机头尾部压浆，然后在中继间和混凝土管道的适当位置进行跟踪补浆，以补充在中继间的泥浆损失。

3.5 校正顶进偏差

注意控制顶进过程中的管位偏差，一旦发现偏差超过10 mm，需要立即校正。这一校正过程也就是纠偏，即机头偏离设计轴线后，通过后部的纠偏千斤顶组缓慢地使机头端面的方向发生改变，逐渐往中心靠近，从而减少偏差。纠偏过程不可猛纠硬调，需要缓慢进行，逐渐促使管子复位。若高程和方向偏差同时出现，应优先对偏差较大的一方进行纠正。在整个顶管施工中，需要不断进行调整和校正，可采用趋势图的方式来校正和调整偏差。施工过程中，每0.5 m测量一次相关数据，并做好数据整理和分析，编制偏差趋势曲线图，以作为分析和纠正机头偏差发展趋势和管道偏差的依据。在不断调整过程中，如果发现达到了相应的峰值标准，则说明偏差值已经开始减小，即前部管道机头已经逐渐靠近中心。一般情况下，顶进纠正最常用调整四台纠正千斤顶组法，利用千斤顶牵制管道偏差，牵制的方向正好与管道偏差方向相反。若顶管机头出现旋转，一般通过管内反作用力在中间站或在管内加压进行旋转纠正[5]。

4 顶管施工技术要点

4.1 顶管长度

顶管法施工的顶力会随着顶进距离的加大而不断增大。顶管的管径与其所承受的压力成正相关，在一次顶进过程中，顶管设备的承受力有限，因此，顶进管的长度不可过长。顶管过程的经济性和可控性都与顶进管的长度有直接关系。例如，在直线推顶的情况下，使用长管可以减少装管次数。另外，在预压坑的建设过程中，增大预压坑的长度，能减少直线上推顶管线的阻力，防止管列出现弯曲变形，保障管路顶进的可控性。最后，施工时，管线的长度应结合管径的大小来确定，参考标准为：当L/D外≥2.10则为长管;L/D外=1.15则为标准管;L/D外≤1.10则为短管[6]。

4.2 利用触变泥浆进行顶管

利用触变泥浆进行顶管能有效降低30%～50%的顶力，具有良好的润滑性、稳定性和触变性，对减小顶管时的阻力有重要作用。在使用顶管技术时，需要在管壁外部留一些孔洞向外压送触变泥浆，使得管外壁和土层间的摩擦作用减小。同时，将触变泥浆套裹在管子外壁上，产生一定的浮力，减少顶力。触变泥浆由水、碱、膨胀土以一定的比例调配而成，在没有外力影响的情况下为黏稠状态，对其搅拌后会变得稀薄，状态发生改变。

4.3 顶管工具的规格及中继间的设置

常用的顶管工具有顶管机、高压油泵系统、千斤顶等。为了更好地发挥顶管技术的效果，在施工过程中，要对相关工具的数量、规格等做好调整。另外，明确中继间的设置要点。所谓“中继间”，就是当顶管段太长或者顶力过大时，为了减少顶力可将管道分成数段，使每一段成为一个独立的顶进单元，在每单元间有可伸缩的工具管，工具管内设置千斤顶及高压油泵等设备，前段以后段为后背，分段接力顶进。

4.4 工作井和支承后背的要求

严格按照相应的施工建设标准和规定处理工作井挡土板。为确保顶管技术的效果，最好在充分考虑中心线、水平或坡度、高程等因素的情况下，在坑底的道木顶上设置导轨来提高管道的润滑度。支承后背的两种形式为人工后背和原土层后背。通常来说，150 kPa为原土后背及一般土质所能承受的顶力，为了让后背更加均匀，可利用顶管的反作用力进行处理，后背的设置应按照顶管的直径设置在垂直于管线的方向上，从而减少阻力。若为小直径管道，在施工时间充足的情况下，可设置钢筋砼或砌石后背，如果施工时间紧迫，则可设置简易后背。

5 结语

顶管施工技术在管道工程中具有重要的应用价值，具有多方面的优势，是一项兼具高效性和环保性的施工技术。在顶管施工技术的实际应用过程中，工组人员要了解顶管施工工艺设计、施工流程、重点施工工艺等，提高顶管施工的质量和效果。

参考文献：

[1]游作华.顶管施工技术在实际市政工程中的实践探究[J].江西建材，2014（16）：57.

[2]王圣成.市政工程给排水施工中顶管技术的应用分析[J].中华民居（下旬刊），2014（3）：350-351.

[3]张振.超大矩形断面顶管隧洞开挖引起的地表沉降研究[D].郑州：华北水利水电大学，2016：74.

[4]徐洪強.双通道矩形顶管下穿城市道路施工技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2020：130.

[5]刘永忠.城市重建道路与建筑给排水管网的选择与施工[J].中国高新技术企业，2010（12）：151-152.

[6]蒋志刚.大直径钢顶管非线性屈曲及结构优化研究[D].南京：南京林业大学，2015：84.