浅析市政顶管施工工艺技术探讨

左宇超

(山西八建集团有限公司,山西 太原 030027)

顶管施工技术的适应性强，在不稳定的及饱和土层中均可有效应用，在顺利顶管的同时还可减小对周边环境的破坏。但同时，顶管作业复杂度高，顶管期间涉及到岩土力学、弹塑性力学、流体力学等多个学科的相关知识，对施工人员的技术水平提出较高的要求，因此需加强技术探索，把握技术的原理和方法，妥善落实顶管施工的各项工作，保证最终的顶管效果。

1 顶管施工技术的应用优势和基本要求

顶管是一项无需对面层开挖的管线敷设方法，作为一种非开挖管道敷设手段，相比传统的开挖敷设技术有着扰动性小、施工效率高、节能环保、投资少等优势。顶管施工技术可减小管道敷设时的噪音和粉尘量，对施工场地周边的生态环境和居民生产生活环境较为友好，属于一项高效率、低污染的优质管道敷设技术。得益于顶管施工技术的多项优势，其在市政给排水管线工程中取得广泛的应用。概括而言，顶管施工技术的优势主要体现在如下几方面。

1)施工面的占地面积较小，不会由于顶管作业而对周边环境造成过多的影响;2)顶管施工的扰动性较小，地面的车辆行驶、人员通行等活动基本不会受到顶管施工的影响，在繁忙的城市中具有突出的应用效果;3)顶管施工技术的噪音较小，无过强的震动作用，可减小对居民日常工作、生活的干扰;4)顶管施工期间，周边的管线及构筑物可维持稳定，避免了传统开挖敷设方式下既有设施失稳、受损等问题;5)由于顶管施工技术的扰动性小、效率高，可减少工程成本投入，具有经济效益优势。

1.1 顶进的方法

顶管施工技术的应用优势突出，但若要有效应用该项施工技术，需加强对施工条件的分析，判断顶管施工技术是否具有适应性。除了考虑现场地质、地下水位、管径等因素外，还需要兼顾到如下几项条件。

1)现场为黏性土层或砂性土，同时无地下水的干扰，可以采取手掘式顶管或机械挖掘式顶管的作业方法；2)现场软土层厚度较大，周边不存在障碍物，可以考虑挤压式或网格式顶管的方法；3)现场分布黏性土层时，若要有效控制地面的平整度，可考虑土压平衡顶管的方法；4)现场有粉砂土层时，若要控制地面平整度，可考虑泥水式平衡法；5)顶进的金属管较短或管径较小时，较为适宜的是挤密式土层法。

1.2 顶管井的布设要求

顶管井的基础由碎石或钢筋砼构成，现场土质较硬时，可用方木作为基础，土质缺乏稳定性时，在其周边架设支撑，提升稳固效果。顶管井的地基修建需根据管线位置和坡度做灵活的控制，要求地基维持稳定，不可发生沉降，配套的导轨和顶管位置也均要足够准确。

1.3 管道的顶进要求

顶管井设置到位后，安排管道顶进。先在管的前端开挖深度约为30～50cm、形状与管道形状相似的坑道，用千斤顶将管道顶进，按照此方法重复作业，沿着预先规划的路径向前顶进。

1.4 顶管接口的处理要求

顶管的接口以电弧焊接的方法为宜，保证连接部位的严密性与稳定性。为避免混凝土管的接口部位发生渗漏，用橡胶垫、麻丝油毡或是其它可行的材料嵌缝，管道顶紧后，两管间的空隙需控制在1～1.5cm。

1.5 管道的压浆要求

管道顶进和检查井的施工均完成后，经检查若无质量问题，用管道预设的压浆孔进行压浆，期间加强现场观察与控制，避免地面出现沉降。

2 市政顶管施工技术的应用要点

2.1 顶进管的选择

2.1.1 顶进管的直径

以工程性质和工程要求为导向，确定顶进管的内径；根据管道受到的荷载作用，合理设计混凝土管的壁厚，并明确配筋方式，以此来确定外径。根据顶管施工要求，工作面上应配备挖土工人，为给人工作业提供充足的空间，管内径不小于800mm。

2.1.2 顶进管的长度

不同长度的顶进管所对应的顶进难易程度和成本投入均有所差异。直线段顶进时，较长的管道可减少装管的次数，但若管道过长，管道姿态的可控性降低，易偏离原设计路线，并且此时纠偏难度较之于短管而言明显更大，从这一角度来看，直线段顶推的管道不宜过长。但需注意，管道过短也将面临着局限性，例如短管易进入周边土层，导致管道呈蛇形弯曲的形态，此时也不易控制管路顶进姿态。

2.2 顶管的准备工作

2.2.1 现场平面布置

以顶管施工要求为准，安排现场平面布置，主要考虑到起重设备、自动控制室、管材堆场、注浆系统、弃土坑等，合理规划位置，提升协同性。始发工作井内的配套设施丰富，需将发射架、反力架、主推千斤顶、顶管机等配备到位。为给员工的上下通行提供便捷的通道，在工作井边侧设置下井扶梯。

2.2.2 顶管机进、出洞土体的防护

以高压旋喷桩、堆土反压等方法加固进、出洞范围内的土体，使土体具有稳固性，以便顶管机安全地进、出洞。在工作井安装洞口止水装置，避免顶进期间压注的触变泥浆大量流失，同时也可以有效缓解顶管机进、出预留洞的泥水流失问题。

2.2.3 顶管施工的设备配套

顶管施工技术通常被应用于淤泥质砂和黏土层中，管道直径需在800mm以上，在确定管道直径以及管材、现场土体摩擦力等各项条件后，进一步适配顶进机具、千斤顶等顶管施工所需的设备。

2.3 顶管施工工艺(如图2所示)

图2顶管施工流程图

2.3.1 注浆止水(穿墙前)

注浆止水方法主要应用在顶管工作井穿墙洞口前方，注入的浆液与自然土结合，经过固结后构成完整且稳定的整体，既能够使工具头顺利穿墙，又可发挥出挡土、止水的作用。浆液的配合比为石灰∶水泥∶黏土=2∶1∶3，做充分的拌和，得到均匀性较好的浆液后，及时用于注浆止水施工。

2.3.2 穿墙

穿墙的施工技术要点，如下。

1)穿墙管内填入低强度水泥黏土拌和土，通过此类材料的应用，起到临时阻水挡土的效果;2)穿墙孔外侧土体可能由于施工扰动而失稳，为保证该部分土体有足够的强度和稳定性，以注浆的方法处理穿墙管外侧土体，在此前提下方可安排工作井工具管穿墙;3)穿墙前注重对现场施工条件的分析，判断是否存在不利于施工的因素，若有则采取处理措施，加强源头防控后，竭力营造安全、稳定的施工环境;4)闷板开启后，随即顶推工具管，设置止水法兰加压板，中间设置拉伸率较大、耐磨性较好的天然橡胶止水板环，随着管道的有序顶进，逐步使橡胶板形成逆向止水装置。加强工序协调，尽可能缩短穿墙管外侧土体的暴露时间，否则将由于外部因素的影响而出现流变现象。

2.3.3 顶管出洞

顶管出洞是顶管施工全流程中的重点环节，需要加强施工控制。例如，及时检测管线的姿态，判断是否偏离设计要求，若有偏离现象则用工具管调零，实现对管线的精细化调整；于工具管的井壁处设置支撑装置；结合管线顶进情况，为工具管预先设定一个初始角，以此来弥补管线出洞时的下跌量，使管线出洞的位置达到设计要求。

2.3.4 注浆减阻

顶管期间，管道周边的空隙以压注触变泥浆的方法予以填充，建立泥浆保护套，用于支撑地层，维持地面的稳定性，并通过触变泥浆的注入减小顶进阻力，以便管道的顺畅顶进。注浆减阻的方法在长距离顶管施工中具有适用性，先对顶管机头尾部压浆，再同步顶进，而后根据实际顶进情况在中续间和混凝土管道的适宜部位跟踪补浆，在补充适量的浆液后，弥补顶进期间的泥浆损失。

3 顶管施工的关键技术控制

3.1 顶管测量及纠偏

顶进偏差的成因错综复杂，例如：主顶油缸的后背墙表面缺乏平整性；导轨未准确安装到位，存在较大的偏差，不利于精准顶进；主动油缸顶力的分布缺乏均匀性；迎面土阻力缺乏均匀性；管外摩擦力的分布缺乏均匀性。部分顶管工程的纠偏具有被动性，通常是管段头部偏离轴线后才安排纠偏，而此时的管道已经存在偏差，有效纠偏并非易事。因此，需化被动为主动，在顶进时便采取防控措施，例如加强对顶进系统的检查，保证顶力的均衡性，以便将管道沿着特定的路线顶进。条件允许时，在计算机的辅助下纠偏，向计算机内输入原始数据，计算机综合判断管道偏差轨迹、工具管端部位置及外力分布状态，自动分析并显示如何纠偏，技术人员根据显示的信息妥善纠正偏差。

若顶管施工中已经存在轴线偏差，则根据实际偏差量采取适宜的纠偏方法，轴线偏差在10～30mm时，采用挖土纠偏法；超过30mm时，采用顶木纠偏法。除前述两种方法外，千斤顶纠偏也是常见的纠偏方法，其思路是在超挖的一侧管端壁上配置小千斤顶，由该设备提供适量的顶力，用于纠正管端部的方向。在整个顶管施工中，按照“勤顶、勤测、勤纠”的方式进行偏差控制，要求全程偏差均在20mm以内。

3.2 地表变形以及地面沉降的控制

顶管施工有一定的扰动性，易导致地表变形，具体又分为地面沉降和土的纵横向移动两类。经验表明，工具管前方的土体有移动的迹象，易影响到地表现有建筑物，例如出现建筑物局部破坏的情况。顶管的作业形态复杂，既有开挖又有顶进，同时随着深度的改变，对应的土体轴线位移量也不尽相同，在多重作用下，工具管周边土体的运动具有三维特性。地层发生移动的诱发因素也错综复杂，在各类因素中，以地面沉降最为关键，易由于施工控制不当而导致地层损失。

地层损失包含如下两类。

一是正常地层损失，属于顶管期间难以避免的地层损失，包含开挖面的地层损失、工具管与管道外径差异而产生的地层损失等，针对此类问题，需从技术措施的优化着手，尽可能减小地层损失量，但无论如何优化顶管技术，均难以完全消除正常地层损失。

二是不正常地层损失，例如管节止水圈的严密性不足而导致顶管周边土体流失，洞口止水装置失效而导致周边局部土体失稳，此类地层损失在合理应用施工技术后可避免。在顶进施工中，为保证地面建(构)筑物的稳定性，需要加强对地面沉降量的监测与控制。顶管工程中，可根据规范和现场施工条件设定最大沉降量允许值，经计算后对比分析地面沉降量和实际沉降量，根据实际偏差采取控制措施，具体可考虑如下几项方法：取适量黏土、熟石灰、水泥，并掺入适量的水，拌和均匀后制作砖坯，将该材料填入穿墙管；以压密注浆的方法处理工作井的内、外侧，保证严密性；若顶进距离较长，可采用外套或止水栅栏，确保在施工期间可灵活更换止水盘根。

4 顶管施工质量控制措施

全面的现场勘察、施工工艺的合理优化、顶进参数的有效控制、顶进偏差的监测与纠正等均是重要的顶管施工质量控制措施，下文对关键的顶管施工质量控制措施展开分析。

4.1 施工工艺的合理选择与优化

在施工工艺的选择中，需要充分兼顾到设备进场至顶进完成全流程中的各环节，具体涉及到顶进机械的配套、顶进路线的规划、进出洞方式等。顶管直径属于重要的参考对象，可根据顶管直径选择网格加密式、顶部前伸式或是其它形式的工具管。塌方是顶管期间的常见问题，与暂停顶管后未采取防坍塌措施、开挖量超标等原因有关，此时地面的稳定性不足，可能发生沉降。因此，为从源头上避免顶管期间的各类问题，需在前期设计阶段便确定合适的施工工艺，并遵循因地制宜的原则，根据现场施工条件合理优化顶管工艺，提高可行性。

4.2 顶推动力控制

合理设计顶推的反力墙，使顶推后座有足够的稳定性；制备泥浆，以压力注浆的方式注入管体与岩石间，从而起到减小管体偏移量、维持顶进系统稳定性等效果。顶进过程中，及时检查管道接头的密封情况，保证该部分的严密性，以免由于密封性不足而发生渗漏。针对管道密封问题，首先需选择合适类型的管道，要求管材的材质较佳；正式顶进时，严格控制顶进的速度，不宜过快，否则易导致地面隆起；顶进后，随即安排注浆，此方法既能够填充管体与岩土间的空隙，又可以发挥出注浆减阻的作用，有利于顶管作业的有效进行。

4.3 顶管穿越密集建(构)筑物的施工控制

顶管埋深应合理，以便在开挖时产生拱效应，用于维持开挖面上方土体的稳定性，确保在地面荷载作用下地面不出现坍塌。部分管线临近地表建筑物或既有的地下管线时，可能由于顶管而导致此类建筑物和构筑物受到影响，为保证建筑物和构筑物的稳定性，需针对管线下方的土体做加固处理。土体加固可采用压密注浆的方法，制备优质的浆液，将其注入土中，在浆液的固结作用下，改善土体的力学性质，提升土体的稳定性，保证顶管安全。

4.4 顶管偏差的预防与纠正措施

综合考虑机头折角、机尾地面沉降等现场监测数据，经综合分析后，判断顶管是否存在偏差，若有则安排纠偏。实际纠偏过程中，若纠偏动作后无折角变动，需随即停顶，连同机械工、电工深入现场进行检查，判断电路和液压管路的运行状态，识别故障并妥善处理，使设备恢复正常，确保轴线达到设计要求。纠偏应具有及时性，尽可能在源头上纠偏；观察倾斜仪读数的纠后趋势，将实际情况告知地面和地下压浆作业人员，必要时可适当加大压浆量；顶进偏差用千斤顶纠偏，管道左侧千斤顶采用左伸右缩的方法，反之亦然；遇到高程和方向均存在偏差的情况时，先确定偏差量较大的一项，予以调整，再调整另一项；较大偏差的纠正采取的是“少量多次”的方法，直至实际偏差被控制在许可范围内为止；顶进偏差超出许可范围时，随即暂停顶进，探明实际情况，采取针对性的处理措施。

5 结语

综上所述，顶管施工技术具有扰动性小、效率高等特点，是一项极具应用价值的管道施工技术，在市政给排水及其它的管网工程中取得广泛的应用。但顶管施工技术应用期间涉及到的要点较多，工程人员需予以高度的重视，例如管道的选择、进出洞的安全防护、偏差的调整等各项工作均要有效落实到位，在安全的前提下高效完成顶管作业。