非开挖顶管施工技术在市政排水管网施工中的应用

摘 要：经过多年的发展，非开挖施工技术在我国得到飞速的发展。非开挖工程技术较好的解决了管道埋设施工中对城市道路的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面优势明显。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的，它将为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。

关键词：非开挖；顶管；土压平衡；管道

1 场地环境

本工程位于某城市快速路西侧、秦淮河北岸，施工场地原地貌为混凝土路面，属小区道路，为小区及沿线门面进出服务，通过南侧出口上河堤道路后通往双龙大道，车流量较小。道路宽20米，占用南侧半幅10米作为施工场地。

北侧为小区楼房，框架结构。距管道中心线约20.5米。南侧为秦淮新河，管道距河堤堤顶约40米。在南侧绿地上有一道高压线，最近处水平距离约10.6米。西侧是一小型泵站，为本工程管道出口。管道起点段地下为地铁下行线区间盾构隧道，埋深19米。

2 工程简介

管道全长208米，内径1500mm，采用顶管施工。起点处管内底标高为6.75m，位于双龙大道西侧人行道上；终点管底标高6.54m。全线管道埋深5.5m～5.8m（出水口处除外），坡度1‰。

全线设两座工作井（YA2、YA4）、两座接收井（YA1、YA3）。

工作井为钢筋混凝土矩形井，顶管完成后作为雨水检查井。井埋深约7米，采用支撑下开挖法施工，工作井开挖施工采用拉森钢板桩支护。

接收井为钢筋混凝土圆形井，顶管完成后作为雨水检查井。井埋深约6.2米，采用人工挖孔逆作法护壁直至井底，再进行井的结构施工。

共投入两套顶管设备，一套在YA2井内实施Ⅰ、Ⅱ段的施工；另一套设备在YA4井内实施Ⅲ、Ⅳ的施工。两套设备同时进行施工，先施工Ⅱ、Ⅲ段，实际顶距70m；再施工Ⅰ、Ⅳ段，实际顶距16m（34m）。

3 施工工艺

1、施工方法的选择

因管道所在土层土质情况较差，杂填土几乎占到一半以上，且以建筑垃圾为主，土体结构松散，密实度差。地下水位较高，雨季及雨天出水量大。

综合各方面因素，采用土压平衡的施工方法。

土压平衡法施工的主要特征是在顶进过程中，利用土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力。与泥水式顶管施工相比，最大的特点是排出的土或泥浆不需要再进行泥水分离等二次处理；与手掘式及其他形式的顶管施工相比较，又具有适应土质范围广和不需要任何其他辅助施工手段的优点。

2、施工工艺流程

在坑内的顶部轴线后方，布置一组行程较长的导轨。将敷设的管道放在主油缸前面的导轨上，管道的最前端安装工具管，主油缸顶进时，以工具管开始推着前面的管道挤过坑壁上的穿墙管，把管道压入土中。与此同时，进入工具管的泥土被不断挖掘排出管外（取土的方法分机械取土、人工取土）。当主油缸达到最大行程后缩回，放入顶铁，主油缸继续顶进。如此不断加入顶铁，管道不断向前延伸，当坑内上的管道几乎全部顶入土中后，缩回主油缸，吊去全部顶铁，将下一节管段吊下坑，安装在管段的后面，接着继续顶进，如此循环施工，直至顶完全程。

3、顶管机头

（1）顶管机的选择

选用DK式单刀盘土压平衡顶管机，也称大刀盘土压平衡顶管机。

（2）工作原理

先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进，同时大刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机中，并被挤压形成具有一定土压的压缩土体；经过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。

密封土仓内的土压力值可通过螺旋输送机的出土量或顶管机的前进速度来控制，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，从而保证开挖面的稳定，防止地面的沉降或隆起。

由于大刀盘无面板，其开口率接近100%，所以设在隔仓板上的土压计所测得的土压力值就近似于掘削面的土压力。

根据顶管机开挖面不同地层的特性，通过向刀盘正面和土仓内加入清水、粘土浆（或膨润土浆）、各种配比与浓度的泥浆或发泡剂等添加材料，使一般难以施工的硬粘土、砂土、含水砂土和砂砾变成具有塑性、流动性和止水性的泥状土，不仅能被螺旋输送机顺利排出，还能顶住开挖面前的土压力和地下水压力，保持刀盘前面的土体稳定。

若增加刀盘的驱动动力和变换刀盘体，还能在泥岩、强风化与中风化砂岩中掘进施工，也能用于易坍塌的含水砂层以及混有卵石的砂砾层等各种地层，这种顶管机对土层的适应性较强。

（3）土压控制范围

该机型的施工原理是建立在土压平衡理论基础上的。即：掘进机正面压力与所处土层的地下水压Pw和土压力P处于平衡状态；排土量与掘进机顶进体积的平衡。

该机面板上设有土压力传感器，可精确测量土仓内土压力P， 在理论上我们将P控制在Pa～Pp之间，这样就能达到了土压平衡。

从实际施工来看，在复土层较深时，主动土压Pa～被动土压Pp的变化范围较大，加上理论计算与实际间的误差，一般将施工控制土压设定在P0±20KPa范围内。

4、顶力计算

（1）计算内容

管道顶进时克服的各种阻力之总和为顶力。正确的确定顶进时的顶力，对决定顶进设备及后背墙的规模，使其既简易又合理，又有一定的安全储备颇为重要。其阻力包含：

①管道顶部以上的垂直土压力引起的管道与土的摩擦力；

②由水平压力引起的管道与土的摩擦力；

③管道自重产生的管道与土的摩擦力；

④顶进时管道前切土阻力（迎面阻力）。

（2）计算公式

（3）计算结果

通过代入数据计算得出P=2171.95kN。

4 顶进设备的选择

顶进设备由液压系统和传力设备两大部分构成。液压系统主要包括千斤顶、高压油泵、阀门和其他液压元件；传力设备主要包括顶铁、活动横梁、固定横梁和顶柱等。

按照计算出的顶力，根据我公司现有设备，确定每个机位使用两只DQ-200型千斤顶。

该型千斤顶顶力2000kN，活塞面积416.5cm2，工作压力40MPa，顶程100cm。使用时顶力控制在1200kN以下，千斤顶总推力2400kN，能够满足施工需要。

顶进施工时，高压油泵和千斤顶配套使用。

千斤顶的安装和使用要求：

①千斤顶固定在组合千斤顶架上整体吊装，安装时保证与管道中心的垂线对称。两只千斤顶的合力作用点应在管道中心的垂直线上；

②保证使用的千斤顶规格相同。使用时应行程同步，每台千斤顶的使用压力不得大于其额定工作压力，千斤顶伸出的最大行程应小于油缸行程10cm左右；

③千斤顶的油路必须并联。每台千斤顶都要有进油、退油的控制系统；

④顶进开始时应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进；

⑤油泵设置在千斤顶附近，油管应顺直、转角少；

⑥油泵应与千斤顶相匹配，并应有备用油泵；油泵安装完毕，应进行试运转；

⑦顶进中若发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进；

5 常见问题及处理方法

1、地面隆起与塌陷

（1）现象

①地面隆起，且有放射状裂纹。

②地面下陷，在沉降槽两边有平行的两条裂纹。

（2）原因

①不论是地面隆起还是地面下陷，都是由于没有控制好土仓压力的结果。

②如果当土仓内的控制土压力大于掘进机所处土层的被动土压力Pp时，地面就会隆起。隆起的部位是位于顶管机机头的前上方。这种隆起有两个特征：第一、反映相当迅速。即只要当土仓内土压力一超过Pp时，地面立即隆起。第二、隆起的中心有好几条放射状的裂缝向四周伸展开去。

③如果当土仓内的控制土压力小于顶管机所处土层的主动土压力Pa时，地面就会下陷。下陷最深的地面是位于顶管轴线上方的地面上。下陷的反映没有隆起反映那么快，而是有一个过程的。另外，地面下陷以后，在地面沉降槽的边缘会有两条平行的裂纹。

（3）防治措施

①严格控制好土仓内的控制土压力，不使它超出允许范围之外。

②一旦发现有隆起，应把控制土压力调低些。反之，一旦发现有较大的下陷，则应把控制土压力调高一些。调整以后，还须对地面的变化情况加以跟踪。

2、顶管机偏转

（1）现象

顶管机顺时针或逆时针偏转，给操作、排土、测量等工作带来诸多不便。

（2）原因

①在进洞之前，由于机身与导轨之间的摩阻力不足以抵抗刀盘转矩的反力而使顶管机偏转。刀盘如果是顺时针方向转，顶管机则往逆时针方向偏转，反之则相反。

②在土层中顶进过程中发生偏转。这种偏转往往不仅仅限于顶管机，而且涉及整条已顶进的管道。大刀盘可用反力来解释这种偏转。但有一点是可以肯定的：即纠偏越频繁，方向歪歪扭扭则这种偏转越大；反之则小。

（3）防治措施

①可在顶管机或随其后2～3节管子上，焊上防偏转的定位板，让它卡在导轨的两边。在顶管机进洞时，可用两只较大吨位的手拉葫芦，一头挂在前座墙的挂钩上，另一头钩在顶管机或砼管的拉环上，当管子徐徐推进时，把手拉葫芦慢慢地收紧，就可防止顶管机或砼管的拉环上，当管子徐徐推进时，把手拉葫芦慢慢地收紧，就可防止顶管机在进洞时发生偏转。

②利用大刀盘的反力来校正这种偏转。校正时必须注意：第一、顶管机向哪个方向偏转，刀盘就向哪个方向转动。第二、要适当地加大刀盘的吃土深度，以使其力矩增大，否则不易校正过来。

3、喷发

（1）现象

喷发是指土压平衡顶管机的螺旋输送机的排土口会喷出大量的泥水。

（2）原因

①是顶管机前方有较丰富的明水。如遇到了断裂漏水的上、下水管道；与河床贯通；与水塘等积水、蓄水池贯通。

②顶管机遇到了承压水或地下蓄水包。

（3）防治措施

①立刻将螺旋输送机出土口关闭；

②调查属于哪种类型的水；

③如果与河道等贯通则必须用不排土的方法“闷顶”一段距离。这时应观察土压力表，不能让它太高，否则就须顶顶停停，直到不再喷发为止。

④如果是遇到承压水或水包，喷发一段时间以后，水的压力会慢慢降低，水流渐渐减小。这时，可把螺旋输送机反转，同时把顶管机慢慢地向前推进，直到不排水时为止。

4、叩头

（1）现象

顶管机在出洞时头往下偏差较大。

（2）原因

顶管机在出洞时，或是由于洞口没有延伸导轨，或是由于土质软而产生叩头

（3）防治措施

①在洞口处应设置延伸导轨或者用砖头砌一个弧形的托，把顶管机下部托住，不让它叩头。

②如果土太软则应把纠偏油缸全部收紧，同时把顶管机与其后的三到四节管子联成一体。