顶管在市政管道工程施工中的应用

摘 要：顶管是城市地下管道施工中广泛应用的一种非开挖施工方法，具有施工便捷、对环境影响较小等特点，在穿越河道、铁路、高速公路等特殊地段具有极大的优越性。本文以某市政排水管道工程为例，从施工准备、顶管进出洞、顶进施工以及长距离顶进等方面研究泥水平衡顶管施工的应用，希望可以通过总结和优化，推动顶管工艺的发展和应用。

关键词：顶管；市政管道工程；长距离顶进；施工应用文章编号：2095-4085（2024）09-0082-03

0 引言

顶管是一种非开挖的地下管道施工方法，先建成工作井和接收井，再借助顶推装置，将预制管节顶入土中。与传统的开槽施工方法相比，顶管施工可以显著减小对邻近建筑物、管线和道路交通的影响。随着城市化进程的推进，市政管道和地下通道工程日益增多，顶管越来越多地被应用到工程项目中。

1 工程概况

本顶管工程为某市排水管道工程的一部分，顶进距离约为860m，穿越当地一条河道，由3段曲线顶管和4段直线顶管共同组成，是长距离顶管工程，计划工期为60d。根据地质勘察报告，工程位于淤泥质粘性土层，其含水量高，强度低，渗透系数小，设计采用泥水平衡顶管掘进施工，管材选用φ300的钢筋混凝土管。工程所在区域为中心城区，地下管线密集，工作井及接收井20m距离范围内，有已建成的给水、燃气、电信、电缆等共计7种不同管线。

2 顶管施工

2.1 顶管施工准备

2.1.1 施工顶力估算与控制顶力确定

施工顶力主要考虑土层迎面阻力及土层与管壁间摩擦阻力两方面。其中，摩擦阻力与顶进长度成正比关系。本工程所在土层大部分为淤泥质粘土，确定土层物理学参数后进行了顶管顶力估算。土层迎面阻力为1 471kN，土层与管壁间摩擦阻力为20 232kN，摩擦阻力远大于土层迎面阻力。因此，拟采用触变泥浆减阻、中继间等技术措施，克服长距离顶进的阻力。根据工程设计方案，选用的顶管设备总推力为20 000kN，工作井最大允许顶力为10 000kN，管节最大可承受顶力为17 900kN。基于施工安全考虑，确定本工程控制顶力为8 000kN。

2.1.2 顶管机及刀盘选择

本工程选用大功率可变刀盘转速的泥水平衡顶管机，其适用于淤泥质粘土土层，刀盘配对大齿轮箱，并用变频电机实现无级变速，该设备顶进速度快、操作便捷，且具有较高的沉降控制精度。

2.1.3 顶进设备安装

顶进设备安装主要包括主顶站、后座、导轨和顶铁。

（1）中控室安装了主顶系统的操作台，实现了PLC可编程序计算器控制。

（2）液压动力机组由两台泵供油，可根据施工需要选择单动或联动。

（3）主顶进系统由10个推力油缸组成，油缸组装在油缸架内，中心误差小于10mm，使得顶进受力作用和后座受力与管道轴线位置相符。主顶进系统行程为1 700mm，总推力为20 000kN。

（4）后座设计承压面积为4.2m×4.0m，选用钢筋混凝土加衬50mm松木板再加δ=70钢板，其安装位置与顶进轴线垂直，并确保接触良好。

（5）导轨选用型钢和钢板焊接，钢板预埋在工作井底板基础之上，焊接符合锚固强度。导轨两侧用型钢支撑，并浇筑混凝土加以稳固，要确保在使用中不得产生位移。导轨中心线、高程符合设计要求，坡度和管道设计坡度一致。

（6）施工顶铁有环形和U型两种，在顶进中受力不变形，接触面平整。环形顶铁宽度为300mm，外径和管道直径相符，U型顶铁宽度分别为800mm和1 200mm。

2.1.4 管材检验

本工程使用φ300的钢筋混凝土管，管材进场后必须对管材外观质量、橡胶圈粘贴质量以及传力衬垫粘贴质量进行严格检查，需确保全部符合国家质量标准要求，才能进入施工环节。管材运输与吊装要做好保护措施，确保管口、密封圈和传力衬垫板的完整性，且严禁使用不合格的管节。

2.2 顶管出进洞

2.2.1 土体加固和止水装置施工

本工程洞口加固采用高压旋喷桩施工，采用直径为φ800二重管高压旋喷桩，出洞口和出洞口加固范围分别为8m×4m和6m×2.4m。工程位于淤泥质粘土土层，该土层渗透系数较小。根据洞口底部抗承压水头稳定性验算的结果，工作井洞口底部不会发生突涌，因此进出洞不采取降水减压相关措施。工作井预埋L型钢板安装止水装置，以防地下水和流砂进入工作井，并防止触变泥浆外流。预留洞口的止水装置中心和管道中心线保持一致，误差小于2cm。

2.2.2 顶管出洞

出洞的施工步骤为：调试设备——顶管机靠近洞口——拆除工作井封门——顶管机切削加固土体——顶管机头进入原状土，土压力值调整。

出洞段的顶进速度控制在10mm/min之内，施工过程确保管道轴线控制符合设计要求，并严格控制顶管出洞20m范围内的轴线控制精度。顶管机靠近洞门的过程中，逐步降低土压力设定值，在距离封门约6m的位置，土压力降为最低值。在确定顶进设备运行情况正常的前提下，顶管机靠近洞口，迅速拆除封门，同时做好应对发生漏水的准备措施。顶管机进入洞口并在土体加固区顶进，密切关注刀盘和螺旋出土机的运转情况，要注意控制顶进速度保护刀盘，如有需要可加水软化以保证顺利出泥。顶管机进入原状土层后，可加快顶进速度，提高正面土压力值至理论计算值。出洞过程中要控制好顶管机姿态，维持开挖面土体稳定，形成泥水仓压力，结合测量数据及时纠偏，以防止顶管机“磕头”现象。顶管机出洞后，及时用环形钢板焊接预留的钢套，并在钢板上设置注浆孔，填充建筑空隙，防止泥水流失［1］。

2.2.3 顶管进洞

进洞的施工步骤为：调试设备——顶管机头顶至进洞段——铺设导轨——拆除接收井封门——顶管机脱离洞口，进入接收井。

进洞段顶进速度控制在10mm/min左右，注意控制土压力值，非加固区和加固区出泥量分别控制在95%和105%，顶管顶进超过允许偏差时，要及时纠偏。进洞之前，接收井进行导轨安装，其标高略低于顶管机，并有一定纵向坡度设计。洞门拆除前进行放样开凿，设置观察孔，确认加固土体符合要求，才能进行封门拆除，具体要求和出洞施工一致。进洞前，将和顶管机相连的前五节管节的相邻管口全部用拉杆连接牢固，以防止由于正面土压力突降造成的管节松脱和顶管机“磕头”现象。拆除洞门后，顶管机迅速进洞，洞口尽快进行封堵，并向管节底部预留的注浆孔注入水泥浆，填充空隙［2］。

2.3 顶进施工

2.3.1 质量保证措施

在顶进过程中，注意控制顶进速度、进泥管和排泥管流量，将泥水压力控制在合理区间，以发挥泥水平衡的作用，最大程度降低对土体的扰动。

顶进轴线控制以顶管自动测量系统为导向，人工测量为辅助。在施工过程中，综合利用导向系统的轨迹记录、倾斜仪数据情况、纠偏油缸压力监控数据等信息作为依据，灵活使用刀盘转向、控制顶进速度、调整土压、远程监控装置、增设液压千斤顶等方法进行纠偏施工。切实做到勤测勤纠，禁止大角度纠偏。为消除纠偏导致顶进机头发生旋转造成的负面影响，可选用刀盘逆转进行纠偏，以及加压重块辅助纠偏。针对曲线顶管，在顶管机头纠偏装置的基础上增加一套纠偏装置，设置在曲线管道之间，可确保顶管曲线段的顺利顶进。

施工所在区域地下管线密集，必须采取有效的地面沉降控制措施，来确保施工安全。在进场施工前，已对施工沿线地下管线情况进行摸排，制定有效的保护措施。在顶进初期，管道轴线上方间隔3m设置沉降控制桩，把监测数据和顶管设备参数进行比对和优化。同时，选择性能优良的材料，强化膨润土泥浆套和顶管机顶进同步的稳定措施。顶进结束后，立即用水泥浆置换膨润土泥浆。施工过程中，强化对管线的监测，顶管距离20m为监测范围，每2h监测一次，必要时进行连续监测。汇总数据形成图表，沉降量控制在±10mm之内，一旦发现沉降量接近限值，立即停止顶进，并采取系列措施。如有紧急情况，召开专题论证会，调整施工方案［3］。

2.3.2 顶进测量

（1）自动测量设计。使用的仪器包括水准仪和自动引导测量系统，水准仪用于管道高程检测和工作井下水准联测，自动引导测量系统用于管道中心线线型控制。充分利用自动测量系统的自动报警功能，结合人工定期测量，以保证顶进的顺利进行。顶管贯通前50m和20m，安排一次工作井定向测量，以及接收井预留洞口中心坐标测量。根据数据调整测量次数，以确保顺利贯通。

（2）人工测量设计。使用的仪器包括全站仪、经纬仪、铅垂仪和水准仪。在工作井和接收井埋设地面导线点，使用双井定向测量，建立平面控制网。利用施工所在区域的已知水准点，布设二等水准路线。工作井下布设2个地下高程控制点，每顶进2m测量1次顶管机头高程，发现问题及时纠偏。顶管机头纵向设置了一对水平横尺，结合预设的三维坐标控制点进行测量读数，得到中心高程、中心方向偏差值、转角、坡度等数据。通过动态数据的观测，调整相应的施工参数，以确保顶管顶进轴线控制在偏差允许范围之内［4］。

2.3.3 长距离顶进措施

本顶管工程顶进距离为860m，是长距离顶管。施工中需采取长距离顶进的相关措施，确保施工顺利进行。

（1）选用膨润土润滑泥浆减阻。泥浆在输送和灌注过程中呈胶状液体状；经过一段时间静止，泥浆固结呈胶凝状；顶进施工时被扰动，破坏胶凝结构，又再呈胶状液体状。在管外壁注入膨润土润滑泥浆，会在管道外围形成泥浆套，减少土层与管壁间摩擦阻力，可有效增加一次顶进长度。本工程设2根泥浆总管，分设2套泥浆管路系统，分别用于顶管机尾部同步注浆以及补浆。为确保泥浆输送，设置2个压浆接力站，约隔400m设1站，接力输送泥浆。经试配确定，润滑泥浆配合比为：膨润土∶水∶纯碱∶羧甲基纤维素=400∶850∶6∶2.5。

（2）设置中继间分段接力顶进。根据顶管工程施工规程的条款和计算方法，结合本项目施工实际，设计布置6个中继间，每个中继间顶力为6 000kN。第一个中继间直接设置在顶管机后方，其启动顶力为8 000kN，利于辅助机头纠偏，同时，该中继间伸缩时可释放机头的扭转力矩，防止机头偏转。顶管机头后方，每隔120m设置中继间1个，其启动顶力均为7 200kN。

（3）采用安全可靠的通风系统。本项目通风管选用硬质PVC管，风管直径为600mm，管道作业人数为6人，工作井深为18m。通过计算确定采用BSH-150型罗茨鼓风机，进风量为19.23m3/min，排出压力为58.8kPa，功率为22kW。设计采用压入式通风，在工作井井口附近的地面安装通风机，在工作井侧壁和砼管内壁侧边固定通风管，在管口和中继间处安装利于风管伸缩的软管，在风管末端安装减压消音装置，风管随顶进管节延伸接长。顶进完成后，在拆除中继间等相关设备时，加设小型鼓风机通风［5］。

（4）确保供电与通讯。工程采用380V低压供电，并安装自动增压装置保证施工用电电压。照明采用36V安全电压，并在顶管机机头和中继间处安装应急照明装置。设置通讯和监控系统，保证信息渠道畅通，并充分利用监控手段防止安全事故的发生。本工程配备具有防潮和防爆功能的矿用电话机保障施工联络。设置两台监视器，对顶管操作面和主顶操纵台分别进行监控，以利用及时了解施工情况和解决问题。针对因长距离输送导致传输信号衰减的问题，设置信号放大器，以保证监控图像质量。

（5）保障泥水系统的良好运行。泥水系统使用Telemole管路系统，设置4台泵，分别为送泥泵、排泥泵、进水接力泵和出水接力泵。管

路采用4寸无缝钢管，管节接头为卡箍式活络接头，地面布设8个沉泥箱。泥水外运通过密封罐车进行。

3 结语

本文对顶管工艺在市政排水工程上的应用进行了研究，分析了施工准备、出进洞施工、顶进施工等环节，重点介绍了长距离顶进的相关措施。随着城镇化的发展，地下管线已经成为城市市政设施的重要组成部分，各类建设工程也越来越多。顶管施工便捷、对环境及交通影响小，应用领域广阔，但也还存在成本较高、纠偏技术复杂、会引发施工区域不均匀沉降等问题。因此，还应不断进行总结和优化，推动顶管技术在城市建设事业中继续发挥积极作用。

参考文献：

［1］给水排水管道工程施工及验收规范（GB50268-2008）［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］程和美.管道工程施工［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［3］汪瑞峰.室外给排水工程施工［M］.上海：上海大学出版社，2016.

［4］顶管工程施工规程（DG/TJ08-2049-2008）［S］.上海，2008.

［5］王梅泰.市政给排水施工中的非开挖顶管施工技术思考解析［J］.居业，2022（7）：4-6.