市政给排水工程的顶管技术研究

唐尧

（赣州昌顺工程建设监理有限公司江西赣州　341000）

市政给排水工程的顶管技术研究

唐尧

（赣州昌顺工程建设监理有限公司江西赣州341000）

随着城市化建设的发展，原地下管网越来越满足不了未来城市人口的需求。在不断修建地下管网过程中，为了减少对现有道路和其它管网的破坏，减少环境污染，顶管施工技术被得到了广泛应用并显现出其强大的生命力。本文介绍了泥水加压平衡式顶管施工过程中施工方法的选用、机型和管材的选型、泥水加压平衡法的工作原理、顶力计算和后背设计、轴线测量、管节顶进和纠偏、等施工方法和注意要点。

泥水平衡；顶管；施工方法

1　工程概况

赣州市章江新区污水干管管网工程A段：建春-路-2#泵站（赣州大桥）-章江大桥的截污干管（不包括2#泵站）。

直径1000mm钢筋混凝土污水检查井5座，直径1250mm钢筋混凝土污水检查井7座，1500伊1100钢筋混凝土污水检查井21座，1500伊1500钢筋混凝土污水检查井14座，直径7600mm钢筋混凝土顶管工作井圆18座，直径4500mm钢筋混凝土顶管接收井23座，消能井1座，截污井2座，dn400HDPE缠绕结构壁管75m，dn500HDPE缠绕结构壁管47m，d800三级钢筋混凝土F管270m，d1200三级钢筋混凝土F管2630m，修复混泥土路面1200m，修复绿地3600m2，修复人行道2400m2。该工程轴线位置是原状土采用泥水平衡施工工艺顶管，泥水平衡顶管有顶进进度快，对原地面沉降小等优点。

2　泥水平衡顶管工作原理

泥水加压机械平衡顶管机设有可调整推力的浮动式大刀盘进行切削和支承土体。推力设定后，刀盘随土压力大小变化前后浮动，始终保持对土体的衡定支撑力，使土体保持稳定，即刀盘的推力与切削面的水土压力保持平衡。在机头土仓中加入有一定含泥量的泥水，保持一定的压力，一方面对切削面的水土压力起补充平衡作用，另一方面又能起到运载切削下来的泥土作用，加入土仓中的泥水压力，根据切削面的水土压力变化，通过旁通阀来调节。

3　顶力计算和后背设计

式中：

P：计算的总顶力，kN；

r：管道所处土层的重力密度，kN/m3；

f：顶进时，管道表面与周围土层之间的摩擦系数；

D1：管道的外径，m；

H：管道顶部以上覆土土层的厚度m；

准：管道所处土层的内摩擦角；

棕：管道单位长度的自重，kN/m3；

L：管道的计算顶进长度，m；

Ps：顶进时顶管掘进机的迎面阻力，kN。

4　轴线测量、导轨和止水圈安装

根据设计图纸，用全站仪放样管道中心线和检查井的位置，作为施工控制点。现场设置临时水准点并经常闭合校核，测量放样的误差应满足规范要求。

顶管机头内设有坡度板和光靶，并在机头上安装摄像头传递信号至控制室，坡度板用于读取顶管机的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量（见图1～2）。顶进施工测量是用激光经纬仪置于顶进轴线上，照准顶管机内光靶测尺。顶进时，在控制室操作台操作员通过屏幕上显示测量激光点在网格状光靶测尺中的位置，来判断顶管机头偏差情况和行进方向，以便及时地采取措施进行纠偏和控制管节的线形。

图1　操作显示台、机头内设置

图2　激光测量仪

5　顶管施工技术措施

导轨是在工作井内混凝土底板上安装的轨道，管节在顶进前先放在导轨上。在管节顶进入洞前的行走过程中，导轨承担导向功能，以保证管节按设计高程和坡度前进。导轨安装时应注意：两导轨要顺直、平行、等高，其坡度与管道设计纵坡一致；安装后的导轨必须稳固，在顶进中承受各种负荷时不产生位移、不沉降、不变形；导轨安放前，应先仔细核对管道中心的轴线位置，并在施工中经常校核。

洞口止水圈一般有前止水墙、预埋螺栓、橡胶止水圈和压板四部分组成。其中预埋螺栓可用膨胀螺栓取代，如图3。

5.1顶进穿墙措施

图3　洞口止水圈构造

顶进前所有顶进设备必须全部安装就位，并需试运转。在穿墙前通过沉井墙上的预埋螺栓安装好帘布橡胶板、圆环板、扇形后板等止水装置。将掘进机机头顶进至工作井墙面，拆除封门板后，马上启动主顶千斤顶和顶管掘进机顶进工作。

5.2顶管轨迹控制措施

初期顶进顶管掘进机先行入土，然后在其尾部拼接特殊纠偏段。初期顶进应均匀出土，控制好初始偏差，并及时调整后座千斤顶合力中心来控制初始偏差，确保工具头初始状态稳定和轴线顺直。

5.3顶进时管道防扭转措施

在安装设备及管材的另一侧配以相同重量的配重，使管道顶进时左右重量保持平衡。消除人为造成管道扭转的因素。

5.4地下防治措施

（1）管内设置排风管道，由数台轴流风扇通过皮带接力输送到工作井口，一旦报警装置显示管内有有害气体，即启动排风系统，迅速抽取管内有害气体，并通过程控电话通知供气房，加大对管内净化气体的供气量。

（2）建立建全管内动火制度。管内施工人员不允许吸烟，管内动用明火施工必须开具动火证明且专职安全员在场监督。

（3）如果发现开挖土体含大量沼气，且浓度较高、面积较大时，立即停止顶管施工。会同工程技术人员制定详细、周密的施工方案，报监理、业主同意后方可继续施工。

5.5顶管接收井进洞措施

在顶管掘进机接近接收井洞口10～15m时，作一次全面的轴线及高程复核，在确认无误后，在接收井内做好接收的一切准备工作，包括接收平台的搭设。工具头顶进到井壁后，停止压浆，拆除接收井的封门，顶管掘进要穿进井墙上接收架，马上采取临时止水措施，并继续顶进，待完全上架后采取永久性止水封堵措施。

5.6采取减少地层移动的施工技术措施

5.6.1工具管开挖面的稳定措施

（1）在开挖和顶进中，必须采取措施防坍塌、防涌水，确保正面土体稳定，并尽量使正面土体保持或接近原始的应力状态。

（2）采用泥水平衡式工具管时，为平衡正面土体，须注意根据土质特性在密封舱中施加性能适当的护壁泥浆。泥水平衡的密封舱中的泥浆压力，宜保持l～1.1倍正面土体的静止土压力，并通过关于地层移动的测量反馈资料及时合理调整。查明和封堵顶进路程中的漏浆通路。严密检查工具管尾部的密封性，以防漏浆影响正面泥浆压力。

5.6.2向顶管外周空隙中精心注浆

由于顶管工具管与管道外径相差以及工具管纠偏形成的管道外周空隙，必须精心压注触变泥浆有效地予以填充。压浆一定要及时、适量，压力、点位要适当，方法要正确，以使全部管道外周空隙在整个顶进过程中始终充满着有一定压力的触变泥浆。

5.6.3控制顶管顶力的偏心度

随时监测推进中该管节接缝上的不平均压缩情况，推算接头端布应力分布状况及顶推合力的偏心度，并据以调整纠偏幅度，防止因偏心度过大而使管节接头压损或管节中部出现环向裂缝，从而无法保证管道外围泥浆套的支承润滑作用，因而造成推进困难并引起地表沉降。

5.6.4确保顶管承压壁的后靠结构及后靠土体处于稳定状态

除了保证工作井结构工程的施工质量以外，尚须在工作井下沉到位封底及底板施工完毕填实沉井侧面与地体之间的空隙，验算沉井后靠土体稳定性确定顶进的极限顶力，并适当安排中继间的间距。

5.6.5采取严密的防止泥水流入管道的密封措施

在顶管施工前须严格检查工具管尾端与管道搭接处，各管节接头中及中继间与管节端头搭接处的环形橡胶密封装置、管节本身和管节中预埋注浆孔的防水性。钢筋混凝土管节要有检验合格的质保书。务必防止管节在搬运中碰撞损坏，以及在顶进纠偏中引起管节的压损开裂和过大的接缝张开。

5.6.6加强施工监测：对需保护的建筑物进行施工监测

（1）在工作井、顶管和埋管施工阶段，对邻近建筑、道路及地下管线水平和垂直位移进行跟踪监测，以信息指导施工，确保工程和环境的安全；

（2）如监测数据超过预警值，应及时通知建设、监理、设计和施工单位，并研究和采取应急措施，防止发生工程和环境事故。

5.7顶管正常顶进施工

5.7.1顶管顶进与地层变形控制

顶管引起地层变形的主要因素有：工具管开挖引起的地层损失，工具管后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面流失，管道在顶进中与地层磨擦而引起的地层损失，管道接缝中泥水流失引起的地层损失。要求坡度保持相对的平稳及时控制纠偏量，减少对土体的扰动，尽量不超挖。根据顶进速度，控制出土量和地层变形的信息数据，从而将轴线和地层变形控制在最佳状态。

5.7.2压浆工艺及压浆操作规程

（1）对于长距离顶管，为了减少土体与管壁间的摩阻力，应在管道外壁压注润滑泥浆。为确保减少管道外壁的摩阻力，需要有切实可行的技术措施来保证润滑泥浆，在施工期间不失水沉淀、不固结，合理布置压浆孔。在管节断面一侧安装压浆管，每6m处接三通阀门至管节注浆孔。总管与阀门用软管连接。制定合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行。为使顶进时形成的建筑间隙及时润滑泥浆填补，形成泥浆套，达到减少摩擦阻力及控制地面沉降。压浆时必须坚持“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则，泵送注浆压力控制在0.1～0.6MPa（1～6kg辕cm2）。

（2）压浆工艺流程

地面拌浆寅总管阀门打开寅开启管节阀门寅启动压浆泵-送浆（顶进开始）寅管节阀门关闭（顶进停止）坑内快速接头拆开寅下管节寅接总管寅循环复始。

（3）压浆配比（见表1）

表1　

5.8顶管纠偏

纠偏操作方案应是顶管司机交接班讨论的重点。方案的依据为测量提供的机头折角、倾斜仪基数和走动趋势、前后尺读数比较、机尾处地面沉降量等等。0.5度以上的大动作纠偏须尽量避免并慎重讨论，不得已时也应争取在非重要地段进行并加强观测。纠偏动作后如无折角变动应即停顶，会同电工、机修工检查电路和液压管路，尽早排除故障，严防轴线超差。纠偏应在下管后尽早进行，注意观察纠偏仪读数的纠后趋势及光点滞后变化，同时通知地面和地下压浆人员加大同步压浆量。

6　结束语

城市地下空间的限制及各种已存管线的布置，对于埋深大的地下管道工程采用以往大开挖的施工方式必将受到很大制约，有的地段受地面建筑物、构筑物限制，更无法实施大开挖施工，非开挖顶管施工成为不可回避的课题，顶管施工技术必将在城市建设中得到更大的应用和发展。

该工程施工安全、质量、工期均处于可控状态，同时取得了良好的经济效益。完工半年来，路面沉降值仅5mm，远少于预期值。实践证明，泥水加压平衡式顶管施工方法是安全可靠，具有众多优点的一种非开挖施工技术。

[1]韩选江.大型地下顶管施工技术原理及应用.建筑工业出版社，2008（2）. [2]安关峰.顶管顶力计算公式辨析.2002（3）.

[3]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术.人民交通出版社，2003（8）.

TU991.05

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1673-0038（2015）49-0052-03

2015-11-1