机械顶管技术在市政管道施工上的应用

石子勇

中国核工业第五建设有限公司，上海，201512

0 引言

城市中地面高楼林立、交通拥挤，使得其很多功能必须通过地下建设来完成，但当前地下建设已经非常复杂，出现故障时，地面开挖存在很多困难。但采用顶管技术可解决一些问题，对隧道施工具有重要意义。

1 顶管施工的基本原理

顶管是继盾构施工后发展起来的一种地下管线施工技术。该技术无需挖掘路面，就可以通过公路、铁路、河流、地面建筑物、地下构筑物和各类地下管道。顶管施工是利用顶油缸和管道之间的推动力，将钻头从工作井内部通过土层推进到接受井。同时，将钻头和钻头后面的管线埋入两口井中，从而达到不开挖地下管线的施工[1]。

2 城市建设中顶管技术的应用范围

顶管技术适合于市区繁华地带、中心城区、人口密集地区及城市建设过程中不能搬迁、不能进行大规模挖掘的特殊区域。当不能进行空中架线、开槽埋管等作业时，对于直径80～600mm的埋管，则可以采用顶管法[2]。在铺设市政下水道直径超过500mm的情况下，如果不能在工地上进行明渠开挖、埋管，管线附近没有其他建筑物的地基，则可以采用顶管法进行施工。当前，我国很多城市在建设城市管网时，经常会出现多次开挖路面的情况，这种情况会给道路带来很大的影响，不但会缩短道路使用寿命，而且会给居民的日常生活带来很大的不便。配套的电信设施、自来水、煤气、排水、路灯、城市坐标、候车亭、广告牌、路牌、电话亭和治安岗亭都需要拆除，这无疑会加剧城市设施的损坏，增加工程的难度。其中就包括：在老城区的改造中，由于原有的管网纵横交错、错综复杂，许多管道的具体位置都模糊不清，原始数据经常缺失，导致城市在铺设市政管道的过程中，无法进行科学、高效的挖掘；当高架线路遇到交通干线、繁华街道、文物古迹、铁路、河流等阻碍时，必须转移到地下过渡；当下水道直径超过100mm时，由于施工场地周围条件较差，受诸多限制，采用明渠开挖埋设管道是不合适的[3]。

3 在进行顶管施工之前的若干问题

3.1 工程地质与水文地质

在施工之前，要掌握土壤的变化；如果要经过填筑的区域，就需要进行加固，防止地面出现明显的塌陷。

3.2 有毒和有害气体的探测和防范

在顶管工程经过的地方，往往会形成一层淤泥，里面的植物和动物会在土壤里产生有毒和有害的气体。在顶管施工中，要定期对管道中的有毒有害气体进行监控，以保证管道的安全。

3.3 对地下管道的预先探测

在顶管施工中，其他管道的埋设深度应事先确定，这对确保顶管施工和其他地下管道的安全都是有益的。

3.4 基本调查

在建筑物地基下进行顶管工程时，应在施工线路中明确建筑地基的类型。对于局部不稳的建筑物，在顶管顶入之前，可以采用托换和加强的方法。

4 在顶管施工前的预备工作

4.1 施工前的设计审查

在施工之前，要审查设计文件、施工图纸等，了解工程特点、难点和重点；认真聆听设计师的交底，体验设计意图，了解相关的行业协作需要；检查是否符合实际情况，是否符合设计要求，避免由于设计上的疏忽或考虑不周而造成的矛盾和困难，避免在施工过程中出现各种管道、管道与电缆、桥梁、管线与建筑之间的矛盾；对于需要预留、预埋的部分，要在专业的图纸上进行查找，并改正错误，明确要求。

4.2 可选用的顶管

通常使用的是钢筋混凝土管，这种管耐腐蚀、施工方便，但如果不需要耐腐蚀，也可以采用钢管。钢筋混凝土顶管的配筋、应力验算及规范设计均须符合有关规范，并须经正规生产单位批准。选用顶进管时，应从两个方面考虑：①对顶进管长度的确定。通常采用长管，由于采用直插方式，可减少安装数量，缩短施工周期。然而，如果在施工过程中线路发生了重大偏差，采用长管道将会增大顶压坑的长度和挖坑、回填、支护和修复成本，这时，为了有效控制管线的顶入状态，必须选用较短的管道。②选用顶管的直径。顶管内径应按工程特点和要求确定，顶管外径应由其受力程度、配筋及壁厚决定。通常，为了便于挖掘人员操作，顶管内径必须大于或等于0.5m[4]。

4.3 其余顶进装置的选择

在给排水管道施工中，常用的顶进装置有顶铁、高压油泵、液压油缸、液压千斤顶等。其中，千斤顶是掘进顶管的主要设备，可分为分体式液压千斤顶、超薄液压千斤顶、螺旋式千斤顶和立式油压千斤顶等。顶铁是一种输送、分散顶力的装置，按其位置不同，可分为U型顶铁、顺顶铁、横顶铁三种。高压电油泵是一种用于向预应力千斤顶输送张力的装置，它的规格型号是ZB2x2/50，ZB是装置的名称，2表示每分钟的额定供油和供油方式，50是油压的标称，在工程中，高压电动油泵应根据规范选用，其中工具管道以作业仓和挖掘仓为主[5]。

4.4 施工前的工作

4.4.1 场地平面布局

在顶管施工之前，现场平面布局主要有：注水系统、自动控制系统、起重设备、管土堆场、料场、弃土坑、拌浆材料堆场、拌浆房等。

4.4.2 加固后靠土及顶管的进出处

在后靠土体及顶管入口处，应采取高压旋喷法进行补强，以保证顶管出孔的安全。为了有效避免顶进管钻进和钻进预留孔的泥水流失，必须在工作井口设置止水器，确保顶进管机顶进时不会发生触变泥浆。

5 顶管施工工艺

顶管施工工艺及流程：施工前的准备—测量高程和轴线—开挖顶管工作坑—铺设顶管导向装置—安装顶板—安装顶进装置和吊放管节—挖土顶进—测量及纠偏—再次挖土（管中土）顶进—测量周而复始—验收。

5.1 顶管井的合理布置

通常来说，顶管是一种以钢筋混凝土为主的接受井和工作井。如果当地的土壤状况不佳，为了避免发生顶管井坍塌和孔体的损坏，必须在井筒内设置径向外撑杆，以保证其施工质量。顶管井按其结构布局的不同，可将其划分成单排孔、单孔两种。单排孔井多采用矩形断面，而单孔井有矩形、方形、圆形等多种断面，圆形断面最大，矩形断面最小。在实际工程中，要根据不同的地形条件，合理布置和使用顶管井[6]。在排水管道施工中，接受井与工作井之间的距离应该以间隔的形式布置，这样就可以确定接受井与工作井之间的距离。施工中采用钢筋混凝土沉井法、WMS攻井法、钢板桩等施工工艺。根据工地的特点，工作坑和接收坑可以分为方型、圆型、腰鼓型。在顶管线路的前方顶部，必须有一个工作坑的预留孔；后靠后、后、后部、环形井壁、钢板桩等施工中，通常需要在井壁和后部之间增加一道后墙。

5.2 顶管施工的具体施工方法

5.2.1 穿墙

首先要将穿墙的门板打开，把工具管子从井口中顶出，并安装好安装在墙上的防渗装置。为了保证顶管穿墙施工的质量，必须采取如下措施：①使用纸筋黏土或低强度水泥黏土进行密封性填筑，避免因施工环境湿度对管线的正常施工造成影响。②为了补偿穿墙处的穿壁孔强度不足，在顶管洞外进行了灌浆。③在插入工具管时，要迅速地移动，确保通过墙壁的防水设备具有很好的工作性能。④针对顶管施工中遇到的问题，采取相应的对策，确保项目的顺利完成[7]。

5.2.2 顶管出洞

对顶管出洞环节的处理，要从下列方面着手：①在下管前，要认真观察管道的表面是否有纵向裂缝和断裂。②保证管道壁光洁平整，无气泡、凹坑，端面平整。③管道检验合格后，使用吊车将其吊至工作坑的轨道上，并由吊车进行测试和检验，确认其安全后才下管，以保证下管时无工人进入作业坑。④先把一根管子放到导轨上，对管子前端、中心和后端的管底高度进行严格的测量，并确保其安装质量[8]。

管道的阻力由前向阻力和外周阻力两个方面构成。为了减小前顶的阻力，可以将前部改为尖头。当顶管长度增加时，推力迅速增加。为了防止套管超出压力极限，在管道外进行减阻是保证工程顺利进行的重要措施。在施工中，通过在套管周边注入触变泥浆，使套管与土壤由干摩擦转变成湿摩擦，从而起到减阻作用。触变泥浆按照一定比例混合后，放置24h。施工时，由机头、三段管的注浆口经压浆装置将触变泥浆注入，形成厚度为10mm左右的钻井套，从而在钻井液中滑动，减小了钻具的摩擦力。从压力计和流量计上可以看出，压浆的受控压力是天然地下水的1.1～1.2倍左右。在施工作业中，应采取“先压浆，后顶管，边压浆边顶管，边顶管边补浆”的方法来保持井筒的工作性能。机头本身有一个纠偏部分，它的最大误差可以在1.2°～1.7°[9]。

5.2.3 灌浆减阻力

将适当数量的减阻泥浆注入输油管的外壁，在管外形成一个泥浆罩，对地层起到一定的支持作用，减小地表沉降，减小与周边土壤的摩擦，最终减小顶管顶进时的阻力；此外，实际使用的泥浆通常是原计划的四五倍，因此，要随时保持足够的泥浆。

5.2.4 顶管的纠偏

常见的纠偏方法有：①在使用先进的土压力平衡或砂体平衡式掘进机施工时，可以将设备设置为“自动”或“手动”状态，由系统根据测量系统所显示的数据和误差，进行自动纠偏，或由人工进行纠偏。②挖掘土壤的方法，也就是通过在各个位置上增加或减少挖掘量来进行修正。比如，如果管头的偏差是正的，就应该在管的底部进行超掘（但不能太多），在管节持续顶入后，利用管节自身的重力使其下沉。一开始，管节的尾部已经被泥土压住，但由于前节的重量不够大，所以会先发生向上的情况，再过一段时间，管道的重量就会降低。该方法在误差小于10mm时，修正效果比较缓慢。挖土校正方法主要是在土壤质量好的黏性土壤中进行，或在地下水位以上的沙土中进行。③强迫修正法是利用强迫手段产生的局部阻力，使管道在纠正的方向上移动。其方法有衬垫法、支顶法、支托法和顶顶法。④对纠正工具管内的偏差进行修正。矫直器是一种特殊的顶管施工设备。根据管径大小，选用不同口径的校准器。校正工具管主要包括工具管、刃脚、校正千斤顶、后管等。对齐千斤顶按照轴向排列，一头与刀具管相连，一头与后管子相连。刀具和后管子之间的空隙为0～15mm。后管子和刀具管子的连接要牢固。在进行钢筋混凝土管道的顶入时，用校正千斤顶将第一段钢筋混凝土管段作为后部，调整刀具管的方向。在顶进时，刀具管作为一个导轨，可以指导后面的管节正常运行，同时也可以作为错误发生的原因。所以，刀具管要灵活工作，尽量缩短它的长度。

6 顶管技术的施工要点和注意事项

（1）在顶管施工中，应严格按施工图纸进行顶管顶进，并能将超提刀和千斤顶编组互相协作，实现顶管作业的正确性；另外，为保证顶进轴线与设计要求一致，必须定期、定时地进行顶进轴线的测量，一般每一次顶入一根钢筋钢管都要进行一次轴线的测量，并对其进行重新测量，以保证其精度。

（2）为保证顶管顺利出孔，工作井的开孔应该大于顶管的直径，并且在顶进期间要采取有效的封堵措施，因此，在施工时，必须先在井口埋设一根10mm厚的钢管制法兰，然后在其上焊上一颗16mm厚的橡胶制法兰，再用10mm厚的钢板压紧、压实，直至无水、淤泥等杂物流入井中，方可将法兰盘和压盘放回原位。

（3）在道路工程周边建筑密集的情况下，要建立一个监控点，并随时注意地面变形，防止道路塌陷和房屋裂缝等。

（4）工程中经常会碰到一些障碍，这时最常见的有两种处理办法：一是利用破石井对突然出现的岩石进行处理，并按其尺寸进行合理的开凿，然后在地表取石后继续进行顶进；二是针对远距离微风化和风化地质问题，提出了在顶管施工设计时，必须对地质数据进行细致的分析，然后进行合理的处理。

（5）将适当数量的减阻泥浆注射到输油管的外壁，在管外形成一个泥浆罩，对地层起到一定的支持作用，减小地表沉降，减小与周边土壤的摩擦，最终减小顶管顶进时的阻力；此外，实际使用的泥浆通常比计划的要多，所以在任何时候都要确保有足够的泥浆。

（6）进、出、孔是顶管施工的关键，所以必须要保证掘进机的穿壁方向，否则会影响到后续的给水管线和连接井的连接，而且在穿墙的时候，要注意防止大量的泥水、砂石进入工作井，以免出现塌方和泥石流；在采用粉质黏性较松软的地层时，必须保证顶进方向的精确度，保证管线与轴线的一致性，并对顶进管方向及工作井附近的土壤进行改进和加固，提高其强度、黏度，从而有效避免施工过程中的坍塌。

7 结语

顶管技术一改以往乱挖、多挖的作业模式，采用少挖、不挖的方法，适应了保护环境、减少破坏、节约资源的时代要求，是未来城市管道网线施工的主要施工方法之一，在岩土工程、材料力学等领域有着广泛的应用。因此，必须对顶管进行严格的计算，合理选用顶管和设备，并积极探索新的顶管技术，做好顶管施工，以推动我国经济的快速健康发展。