顶管工程施工及技术措施

摘要：根据多年的顶管施工经验，结合文章所述的南水北调城市引水配套工程的一项在城市繁华街道，且周边复杂性，实施的长距离顶管施工所采取的关键工艺和技术控制措施。

关键词：繁华街道；顶管施工；技术措施；线路布设；工艺流程；工作井；顶管

中图分类号：TV52文献标志码：A文章编号：

1672-1683（2015）001-0234-03

Construction and technical measures of the pipe Jacking

YANG Lei

（Water conservancy bureau in hebei province，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：The paper based on years of pipe jacking construction experience，combined with the article described the form a complete set of city water diversion project of a busy street in the city，and around the complexity，the implementation of long distance pipe jacking construction key technology and technical control measures.

Key words：busy streets；pipe jacking construction；technical measures；line layout；process flow；work well；pipe jacking

顶管施工就是非开挖方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管施工之忧是在工作坑（井）内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的磨擦力，将管道按设计的轨迹顶入土中，并将土方（泥浆）运（排）到一定地点。一节管子顶入土层之后，再接下一节管子并对接口进行工艺处理继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道中继间的推力，把工具管（掘进机头）从工作坑内穿过设计深度的土层一直推进到接收坑，拆卸工具管（掘进机头），埋设在两工作坑之间的管道为非开挖施工技术。

在经济社会迅猛发展的今天，城市人口快速增加，业产发展快速增长，城市供水需求已成为经济社会发展的瓶颈。大口径管道供水己成为城市供水管网主线的骨干，石家庄市南水北调配套工程水厂以上输水管线工程宫北路顶管工程，采用非开挖工程技术彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。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非常重要，在施工过程中将仍然保持着城市的洁净、舒适和美好环境。

1工程概况

本工程为石家庄市南水北调配套工程水厂以上输水管管道工程（第二设计单元），西南-东南水厂输水管线宫北路段顶管工程。外套管材采用2 000 mm钢筋混凝土顶管专用管材，内穿DN 1600螺旋钢管，全长为754 m（6+546至7+300）。螺旋钢管外防腐采用二布油环氧煤沥青加强级防腐，除锈采用喷砂除锈Sa 25级，管内壁防腐采用无毒环氧防腐涂料。该路段为东西方向，管线走向靠路南侧人行便道中线。此次输水管线地下埋深为45 m。

2主要施工方法

2.1顶管施工线路布设

根据街道路段两侧居民楼房、院校、商铺店面布设情况，顶管铺设两端点场地实际情况，决定设两个工作井（坑），即东端点场地略宽敝，通行车辆少，作为顶进工作井（坑）。西端点为道路交叉处，车辆通行流量大，作为接收工作井（坑）。因管道顶进线路长，为减少顶进磨阻力，拟在管道顶进长度均匀布设4个中继间。

2.2工作井的支护措施

顶进井的错台及井口琐口措施，顶进井按井深在1/2处设1 m宽平台，平台口处为现浇钢筋混凝土30 cm×40 cm锁口梁，井口处锁口梁为现浇钢筋混凝土30 cm×40 cm锁口梁。

顶进井井壁支护措施，井壁采用钢格栅挂网锚喷支护，在井深处4 m以下竖向间距为05 m，井深处4 m以上竖向间距075 m，其洞口上方1M范围内设三榀。

锚杆采用32螺纹钢筋，间距1M成梅花形布置。锚杆敷设采用打孔注浆插入法施工，锚杆孔径120 mm，锚杆设计俯角15°锚杆孔中支撑架为6 mm钢筋，锚杆孔口加焊两根16钢筋，当锚杆孔完成后，向孔内压入M20水泥砂浆后再插入锚杆，锚杆固结强度达到70%方可挂网喷混凝土。

钢格栅外层净保护层40 mm，内层净保护层30 mm，喷射混凝土作业及混凝土养护等有关要求遵照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》85条的规定。当喷射混凝土加速凝剂时，初凝时间为5 min，终凝时间为10 min。有关配合比中砂、石、水灰比、砂率等严格按照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中81和83条执行。

在工作井井壁侧顶管高程（管中心）处，竖向钢格栅自开洞口拱顶起竖立，处于洞口部位的水平钢格栅在切割前，应用环型钢筋实施串连焊接加固措施，使横竖钢格栅形成整体性。

在工作井内顶进及接收部位开口处，应预设止水环预埋件。在管道顶进前安装止水，形成管道外壁与洞口之间的止水作用，防止在管道顶进时的泥浆和固结灌浆时浆液外渗。沿洞口外缘150～200 mm处预埋设螺栓，螺栓间距沿弧长200 mm为宜。

工作井在顶进与接收井壁开洞口之前，先进行超前支护措施，沿洞口打入一排超前注浆小导管实施注浆，以保证洞口的整体牢固性能。

2.3顶管供电安全措施

动力电源、接力泵使用单独配电箱。

管道内的照明采用36 V安全电压，电源由顶进端专项供电箱及中继间供电箱分布供电。管道内每10 m安装一只照明灯，功率60 W。

为防止电缆接头松动，接触电阻增加而影响供电质量，配部分活动接线箱，既保证了电缆接头质量，又可避免接头包扎受潮产生漏电事故。

备用电源采用一台M足施工功率要求的发电机，一旦外部电源断电时，能够及时以保证管道内的照明、通风、施工正常进行。

2.4管道内供风措施

由于该路段管线长度为754 m，在施工过程中，随着管道不断向前延伸，管内空气流通不畅，管内温度逐渐增高，管内氧气会逐渐减少，同时管内湿度也在增大，对管道内的作业人员会产生极大的危害，甚至会造成恶性事故。在顶管施工的全过程中采取通风措施，加大管道内空气流通，营造良好的作业环境。

用压入式通风，用硬质PVC通风管从地面上空压机连接至顶进井底部，用相同直径的软袋通风管连接至机头操控室处，管道内通风管固定在钢筋混凝土管内壁顶，遇中继间处采用风琴式软管连接，以利供风管的伸缩。随着顶进管道的长度增加，通风管同步增加，以确保管道内的通风需求。

2.5顶管设备的选择

根椐提供的地质条件，该项目拟采用MEP2000型泥水平衡管机（日产伊势机公司）。该机的刀盘可根据前方土压力的变化自动伸缩，进泥浆量随之变化，以平衡压力，使刀盘前方平衡土压力始终保持定值，该机型是目前平衡土压力最精确的设备，可保证地面沉降量最小。

泥水平衡顶管的基本原理：泥水平衡顶管掘进机是以泥水压力平衡地下水压力，以机械方式平衡土压力的具有双重平衡功能的顶管机，当土压力p作用在刀盘上时，刀盘会往后缩。然而刀盘的主轴是一个油缸的活塞杆，当刀盘后缩时，只要把油缸后腔的油压提高到一定的高度Pa就能使油缸不致于后缩而达到平衡。因此，只要把油缸的压力调到与土压力处于平衡状态时，就能使其达到平衡土在力的作用。

2.6泥水平衡顶管施工的优点

泥水平衡顶管施工的总推力较小，长距离顶管可设置若干个中继间，可相对保证顶力和后背墙的安全。可有效保持挖掘面的稳定，对顶进管道周围土体扰动较小，对地面及周边建筑物影响小。由于泥水输送弃土作业是连续地进行，所以施工速度快，精确度高。适用的土质范围比较广，在地下水压力很高及变化范围较大的条件下，也能适用。

2.7主顶装置

主顶进系统由底架轨道、油缸组、顶进环、钢后背及液压泵站等组成，是管节顶进的主要功能。

底架轨道起承托顶管机、顶进环、管节的作用。底架设有水平支撑，同时可调整底架高程，底架上部设内、外两道主副轨，内道轨作为顶管机、管节的承托及行走导向，外道轨则为顶进环往复行走之作用。

油缸组，油缸组由4只油缸分两列左右对称布置，同可分式钢结构支座固定，用连接梁连成整体。油缸选用等推力双冲程液压千万顶，单只油缸最大推力约为4 000 kN，总推力约为14 000 KN，油缸行程3 m。

液压泵站，选用型号BZ315-25×2的液压泵站，根据顶进时的工况要求及时控制主顶油缸的顶速。

顶进环（垫铁），顶进环焊接固定在顶座上，顶座底部设有滚轮，可沿底架上外轨道往复运行，顶进时油压千斤顶将顶进环与管节端部环垫板相贴，将顶力均匀作用在管壁上。

钢后背，本工程由于顶距长，顶力大，因此顶管后背采用钢筋混凝土后背墙和钢板结构后背的双重后背。双层钢筋混凝土后背墙宽为顶进井墙宽度，高度一般为3 m，用C30混凝土浇注。钢后背结构尺寸为：4 m×25 m×03 m。顶管时顶力通过钢后背、混凝土后背均匀传递到工作井壁上，防止井壁受力不均或局部受力过大造成井壁结构破坏。钢后背安装时，要确保与顶进轴线相垂直，并与混凝土后背产生的间隙用素混凝土充填实，确保整体面的接触。

泥水自动输送装置，在地面和顶进井中分别安装送水泵1台，排泥泵及输泥接力泵各1台。减阻剂采用厚浆型，根据管道顶进距离，在顶管机后方约100 m处的顶进管道内设置接力泵。

减阻注浆及固结灌浆采用螺杆泵，压力为06 MPa，流量为12 m3/h，注灌浆管采用2几止堋

测量仪器装置，测量仪器支架位置在距后背铁约13 m处，仪器支架与测量中心线边距约100 mm。在工作井底板混凝土浇筑时预留400 mm×400 mm的预留孔，仪器支架按设计轴线及相对高程，采用100钢管制作，高度和左右位置根据测量到靶点实际位置确定，埋入预留孔并灌注混凝土。支架埋入前应准确定位，并进行加固。

3主要技术措施

3.1工艺流程

施工准备，施工人员进场―场地布置―测量放线、引测施工控制点―工作井、接收井制作―施工机械设备进场。

顶进设备安装―联动调试―顶管机进洞―吊放第一节管―顶进―依次循环顶进―顶管机出洞―顶管结束―设备拆卸。

3.2工作井顶进洞口处理

为阻止顶进时产生的泥水及减阻触变泥浆从管外壁与土体间的缝隙流入工作井，环管外经安装止水圈，止水圈主要由二片厚度为14 mm钢制法兰盘和一片橡胶盘垫组成，与原预埋螺栓形成固定，封闭止水中心与管道中心一致，并保证橡胶盘垫与管壁接触有一定的接触面积，以确保止水止浆效果。

顶管机头入洞，先将工作井顶进侧洞口范围内的挂网锚喷混凝土切割拆除，然后安装顶管机头，机头入洞时，随时观测机头的状态，及时指导用主顶油压千斤顶组编进行纠偏，保证顶进轴线的准确。

为防止掘进机入洞产生扎头现象，应采取以下预防措施：机头入洞前，在轨道前端设置引轨并与轨道连接；机头顶进前，在机头尾部压放配重铁，机头L度的2/5入洞后，卸掉配重铁，及时连接第一节管进行配重。随着顶进，机头后3至4节混凝土管节均需用30专用丝杠连成整体，连接点为4个并与注浆孔错开，以确保在顶进时机头不产生下扎（沉）。

3.3顶进

本工程分为初始顶进和正常顶进两个阶段，掘进机从顶进开始到第一节管节与掘进机连接好后的顶进称为初始顶进，在此以后的顶进称为正常顶进。

初始顶进阶段缓慢进行不可以进行纠偏，要始终注意观察掘进机与工作井内导轨的接触情况是否正常，如果不正常或有大的变化，必须停止顶进，经分析原因后，再决定是否继续顶进。

正常顶进，泥水平衡顶管施工在正常顶进中，开顶前先打开螺旋输送机排土，运行30 s后再启动切土刀盘，在仪表盘上观察刀盘的扭矩和正面土压力值，两数值都在设定范围内时才能顶进。在掘进机正常顶进中，泥水仓的进水阀和排泥阀均打开，只要调节好进、排泥水的流量，就可以使掘进机的泥水仓保持一定的压力，从而平衡地下水的压力。停止顶进时，先关闭顶进系统，然后关闭刀盘驱动系统，再关停给水排泥系统。

顶进过程中，正面土压值的变化是通过仓前的土压表来观察的，顶进前根据理论计算设定一个土压值，顶进时通过调节出土量和顶进速度保证正面的土压力维持在设定值的范围内。操作者应始终注意观察各电流表及电压表是否在正常范围内，并通过改变推进速度，出土速度使土体压力始终控制在上下限之内。

3.4中继间的使用

中继间（中继站、中继环），是安装在一次顶进管子的某个部位，把这段一次顶进的管道分成若干个推进区间。在顶进过程中，先由若干个中继间按先后程序把管子推进一小段距离以后，再由主顶油缸推进最后一个区间的管子，这样不断地重复一直到把管节从工作坑顶到接收坑的一种顶管施工手段。管子顶通以后，中继间需按先后程序在拆除其内部油缸以后再合拢。

3.5泥浆排放及处理措施

泥水平衡顶管施工，由泥水平衡掘进机进行破土及输送泥土。清水管、排泥管均采用100钢管或泥水输送用软管，用快速接头进行连接。通过排泥泵把泥水排到沉淀池，经过一段时间循环后达到一定的浓度，通过抽泥车运到指定地点进行沉淀处理。

3.6注浆孔布置

顶管机机尾部均匀设置3个注浆孔，顶进时及时跟进注浆，确保顶进管节外壁及时形成完整的泥浆套。顶管机后端的三节混凝土管的每节端部布设135°后对中的三个注浆孔。通过2蓟沸胃止芗案哐构杞和该鞴埽接通三个注浆孔与输浆总管，每个注浆孔均安装阀门进行独立控制，并在第一节混凝土管的注浆孔前安装注浆压力表。

3.7测量与纠偏

泥水平衡顶管掘进机有效的纠偏系统是由四组纠偏油缸构成的，纠偏控制是根据管道激光测量定位系统来决定的。在顶进过程中，激光经纬仪从始至终进行跟踪测量，激光纠偏系统随时根据激光点的左右上下进行纠偏。顶进第一节管时，每顶进02～03 m即对中心线和高程测量一次，顶进正常时，每顶进05～10 m测量一次，发现偏差时及时调整纠偏，并加以修正控制。

3.8顶管收尾工作

清洗及拆除排泥管和注浆管，并将混凝土管道内的泥土冲洗干净，将拆除的管件存放在地面指定地点。

注浆管嘴的拆除及注浆孔封堵，注浆孔在注浆完成后依次拆除，并采用螺丝帽封堵原预埋在混凝土管壁上的螺栓孔，封堵帽拧紧后外表涂防锈漆。

4结语

顶管施工技术控制主要掌握以下几项要点：（1）地质条件及地下掩埋物体；（2）工作坑、接收坑的布置及实施；（3）顶管机进出洞措施；（4）顶管机各种顶进参数的确定；（5）弃土输送方式及处理方法；（6）注浆方法及措施；（7）中继站的设置及管理；（8）测量与纠偏控制。

本工程采用顶进D2000混凝土管后，内穿DN1600钢管。用顶管施工方法，解决了该管道铺设线路在较繁华的街道中，不影响车辆通行，不影响学校正常上课、居民正常出行、店铺正常营业，环境不受影响。减少了大量的协调工作和拆迁、拆移补偿费用，施工速度快等优势。广泛应用于穿越公路、铁路、河道、城市街道等特殊地带的施工，经济效益、社会效益显著。顶管穿越技术也不断创新发展，将会得到广泛的推广应用。

参考文献：

[1]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，1998.