顶管法施工工艺在工程设计中的应用

姜丹丹

（北京市市政工程科学技术设计研究院有限公司，北京 100123）

1 顶管法施工的原理

近年来，非开挖技术在工程中得到了广泛的应用。顶管法是非开挖技术的重要组成部分，其主要原理是借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，同时也把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。工作坑是安装顶进设备和开展施工作业而开挖的空间，也是顶管掘进机或工具管的始发地，同时又是承受主顶油缸反作用力的构筑物；接收坑则是接收和拆卸顶进设备而开挖的地下空间。通常，工作坑要比接收坑坚固，尺寸也较接收坑大[1]。

2 顶管法施工的优势及使用条件

与开槽法相比，顶管法施工不需要大面积开挖现况地面，仅需开挖工作坑和接收坑处面层，减少了对周边环境、交通的影响，建设公害少，文明施工程度高，是一种安全有效的施工方法，且能有效保护环境。

在使用范围和使用条件方面，因顶管法施工不大面积开挖地面，仅需在工作坑及接收坑处开挖相应占地面积，就可以穿越公路、铁路、河道、建筑物、地下构筑物以及现况地下管线。顶管法施工工艺可以在对周边环境、交通、建构筑物影响最小的情况下，把相应的管道铺设在预定的轨道上，或者将要改移的管道进行预定移位。老旧城区改造过程中，由于多年形成的各种地下管线相互交错，很多管线地下位置不明确，原始资料丢失或不全等因素，导致市政管网施工时无法对地面进行有效开挖。又或在城市繁华区新建市政管线，不具备阻断交通大面积开挖的条件的情况下，顶管法施工可有效地解决此类问题[2]。

在其使用的工程造价和使用成本方面，顶管法施工可以在特定的情况下适应经济技术的特点，从而可以使整个施工过程都处于较优的造价成本中。当管道埋深较大时，开槽施工已经不具备经济性的特点，反而顶管法更为经济，对于减少工程总造价有明显的优势。

顶管法施工可在距建筑基础下一定距离进行管线铺设，而不影响建筑物的结构安全。当面临拆迁问题，如遇到需要保护的文物或者面临巨额拆迁款等问题时，顶管法施工不仅可以加快施工进度，防止工程进度停滞不前，而且可以降低工程的总造价，提高工程的经济效益。

从管道的使用年限上考虑，因顶管施工不需要大面积开挖，只需在工作坑和接受坑处小面积挖除原状土，因此设计管道上至现况地面间的土层没有因为开挖施工而遭到破坏的情况，从而有利于管线延长其使用寿命[3]。

随着顶管技术的不断发展，顶管机械的性能越来越适应各种土质，而且顶进长度越来越大，顶进管径也向大小两个方向不断发展。

3 案例分析

随着社会经济的发展，北京市的人口和交通压力逐年上升。地铁作为公共交通的重要组成部分，承担着缓解城市的交通压力和促进社会经济快速发展的双重任务。北京地铁是一项异常庞杂的市政工程。因北京地铁线路贯穿整个北京城区，而城区其他市政基础设施已修建完成，导致在地铁的施工过程中，与现况地下管线及构筑物的平面或高程矛盾，故随着城市地铁线路不断完善的过程中，也面临着某些现况管线及构筑物改移的发生。下面就以北京地铁7号线工程垡头站D=1350mm污水管线的改移工程为例，探讨顶管施工技术在实际工程运用中的相关情况。

3.1 工程概况

地铁7号线西起北京西站，途径广安门外大街、广安门内大街、骡马市大街、珠市口大街、广渠门内大街、广渠门外大街、垡头西路、垡头南路，终点至焦化厂。垡头站位于现况金垡路和垡头南路交叉路口以东，沿垡头南路东西向设置，紧邻垡头南路南侧红线，车站全长193.3m，标准段宽21.1m，为地下3层车站。

垡头南路为现况路，且已实现规划，道路下市政管线均已实施。垡头南路永中南9m有现况D=1350mm污水管道，该现况污水管道与垡头地铁站车站主体平面位置及高程矛盾，为保证垡头地铁站的顺利实施，垡头车站主体施工时，已将该现况污水管道废除。因该现况污水管道承担金垡路及垡头南路东侧路段上游的污水排除任务，不能将其永久废除，需选择适当的位置重新铺设D=1350mm污水管道，以满足上游污水的排除。

3.2 工程特点

因该现况D=1350mm污水管道承担上游的污水排除任务，不能废除，仍需保证其使用功能，故需将其改移至该路段内与其他管线及车站不矛盾的路由处。而该路下现况管线较多，且都在使用中，应保证该新建D=1350mm污水管道路在施工时不至于对其他现况管线造成不必要的损坏。根据《北京地铁7号线工程-垡头站管线保护、拆除、改移设计综合（变更）》，将该现况D=1350mm污水管道改移至垡头南路永中以北3m，根据现场调查，改移后位于现况双层电力沟与垡头地铁站主体之间。电力沟与垡头地铁站车站主体外墙的净距在6m左右。因D=1350mm污水管道埋深8.5～9.5m，若采用开槽法施工，槽上口过宽，导致电力沟及垡头地铁站车站主体结构外露，对电力沟及垡头地铁站车站主体结构安全造成影响。D=1350mm污水管道改移前后横断面示意图如图1所示。

图1 D=1350mm污水管道改移前后横断面示意图

3.3 设计方案

该次设计污水起点为道路桩号（2+016）附近，经设计现场调查，现况污水检查井Y10以东与车站矛盾段D=1350mm污水管道已被拆除，故该次设计污水起点为现况污水检查井Y10。设计污水管线起于金垡路与垡头南路相交路口处Y10现况污水井，沿路由西向东绕过垡头站主体结构至道路桩号（2+249）后向南，排入现况D=1350mm污水管道。设计污水干线管径D=1350mm，干线长299.1m。

因设计污水管线两侧现况电力沟及车站主体已施工，设计污水管道埋深8.5～9.5m，若开槽施工，槽上口过宽，不具备开挖条件，故设计污水管线全线采用顶管法施工。顶管法施工采用的管材为钢筋混凝土钢承口管（Ⅲ级），橡胶圈接口。

根据地勘报告，设计污水顶管段顶部和侧壁土体主要为第四纪沉积层的粉细砂层、砂质粉土、黏质粉土层及粉质黏土、重粉质黏土层。顶管施工前，须采取有效措施保证围岩的稳定性，防止出现侧壁及顶部发生坍塌的情况。施工前须查明地下水的分布情况，做好降水、排水。如遇地下水，需降至槽底以下500mm，以保证基槽边坡稳定和施工安全。顶管施工段若降水效果不佳，施工方法应做相应调整。

顶管顶力计算与顶管天然土壁后背的安全系数核算所需的各土层设计参数参见《岩土工程勘察报告》。顶进过程中减阻措施以及土壤加固措施，应以《岩土工程勘察报告》为依据，制定合理的施工方案。

为使顶管施工得以顺利进行，顶管施工、监测均应执行《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246—2008）。顶管施工中应严格控制管下部135°范围内不得超挖；管道上部超挖量不得超过25mm，且超挖部分应在顶进完成后及时注浆填实。

4 顶管法施工工艺的注意事项

（1）工程地质和水文条件。施工前必须了解土层的变化情况，对于要经过回填土的地带，需要提前加固处理，避免施工后地表下沉的情况发生。同时，对于地质和水文的了解，也有利于选择更适合地质特点的施工方法。

（2）有毒有害气体的检测和预防。顶管施工时可能会通过淤泥层，腐烂的动植物会在地下产生有毒有害的气体，顶管施工中，要定时监测管道内有毒有害气体的含量，及时通风换气，保证工作人员的安全。

（3）现况管线的勘察。顶管施工时，应先查明与该工程相关的地下管线情况，包括埋深、走向、性质等。不仅可以保证顶管施工的顺利进行，也可对其他地下管线起到保护的作用。

（4）穿越建筑物时对建筑基础的勘察。顶管在建筑物基础下施工时，需要明确施工路线上所遇到的所有建筑物基础类型。对于部分不稳定的基础，顶管顶进前，应采取必要的保护措施[3]。

5 结论

通过上述的顶管法在实际工程中的应用可以知道，在不具备开挖条件的条件下，顶管法施工工艺可以很好地解决此类问题。同时，顶管施工具有对公路、河流、建筑物扰动小，不会影响到既有建筑物和构筑物的使用，施工噪声低，施工进度快的特点。所以，顶管施工可广泛应用在地下管道、过街隧道等市政工程中。