论顶管工程的施工技术

1 引言
 随着现代施工地质及自然环境的条件恶化，现代化城市对城 市环境的要求逐年增加，不开槽施工方法在城市管道施工中越来 越受到人们的重视。本文就顶管施工的类型及适用条件以及施 工中应注意的要点进行了阐述。
 1 顶管工程工作原理
 顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施 工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面 建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶 油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿 过土层一直推到接收井内吊起。与此同时,也就把紧随工具管或 掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道 的施工方法。
 2 顶管施工的分类
 1) 按顶管直径大小可分为:大直径顶管、中直径顶管、小直径 顶管。
 2) 按顶进距离可分为:短距离顶管、长距离顶管和超长距离 顶管。
 3 ) 按管材可分为:钢管顶管、混凝土管顶管、玻璃钢管顶管和 其他管材顶管。
 4 ) 按有无地下水可分为:干法顶管和水下顶管。
 5) 按管轴线可分为:直线顶管和曲线顶管。曲线又分为水平 曲线和垂直曲线，不同材质的管材和管节长度有不同的曲率半径 的要求。
 3 工作井和接收井的设计与施工
 3.1 形状的选择
 工作井平面形状一般分为矩形、圆形及多边形几种。由于矩 形工作井内部空间能较好的被充分利用，且井壁可直接作为顶管 后背墙使用，故矩形工作井为最常用的工作井形式。
 3.2 工作场地选择
 工作井选址应远离房屋、地下管线、架空线路等不利于施工 的场所，同时应满足堆放管道、注浆材料和泥浆沉淀池、渣土运输 设备及运输线路的要求。
 3.3 工作井的尺寸确定
 工作井的尺寸应满足管道下放所需长度、机头进出洞所需安 全距离、人员上下及施工操作所需空间，以及排放泥浆或弃土设 施的位置等。
 工作井按深度可划分为浅工作井和深工作井,当井底至地面 高度大于1〇 m 时称为深工作井，反之称为浅工作井。其深度涉 及吊装的工作量及工作井的大小尺寸要求。
 1) 工作井长度。
 a. 按设备长度计算：
 L≥L1+L2+K 
 b. 按管段长度计算：
 L≥L2+L2++L3+K 
其中,L为工作井最小长度为顶进设备长度 ;L2 为管段长度 ;L3 为千斤顶长度;L4 为境内保留管段最小长度 K为后座、钢 顶铁、环形顶铁厚度之和。
 2 ) 工作井宽度。
 B=D+(2.0~2.4)
 其中为工作井宽度 ;D为管道外径。
 3) 工作井深度。
 H = Hl +D + h 
其中，H1为管顶覆土厚度;D 为管道外径;h 为管道连接操作空间高度。
 4 顶管设备的选择
 1) 气压平衡顶管机:其原理是使挖掘面与一定压力的压缩空 气相接触,以疏干挖掘面土体内的水分，同时达到稳定挖掘面的 要求。该工法缺点是:劳动条件较差，施工速度较为缓慢，同时施 工安全性较差。
 2 ) 泥水平衡顶管机:其原理是通过带压力的泥浆与开挖面接 触 ，通过泥浆与接触面的压力平衡达到施工顶进目的。该工法缺 点是:a.泥浆的存放和运输较困难。b. 由于为泥水施工，对环境 影响较大，故在市区内不宜采用。c.不适用于有大块石或障碍物 的土层。d.对渗透性较大的土质需加人一定数量的稳定剂，否 则 ，易出现塌方。
 3 ) 土压平衡顶管机:其原理是通过土仓内压力和排土来平衡 地下土压力和水压力。该工法缺点为:a.在粒径较大或砂砾石土 质中必须添加粘土或土体改良剂。b.遇较大障碍物则无法施工， 开工前需对地质进行详细调查。
 5 顶管工程施工主要施工设备
 1) 工作井轨道。
 主要起到对管道的导向及控制平面及高程位置的作用，同时 对钢管还起到托架作用，主要由轨道支撑、导轨、整平螺栓组成。
 2) 后靠板。
 也称为“后靠背”，主要起到传递油缸反力，同时使其均匀分 散至后背墙，不让后背墙因为应力集中而遭受破坏。 安装时要注意与油缸轴线保持垂直，同时后背板与后座墙之 间要紧贴，若有空隙则需用素混凝土或细砂填实。
 3) 油缸及千斤顶。
 小直径顶管油缸规格推力以 150 t ~ 200 t 为宜，油缸行程以 1500 mm ~1800 mm为宜。大中直径顶管油缸推力以200 t ~ 300t为宜，油缸行程以3000mm ~ 3500mm为宜。
 选择油缸推力太小则油缸布置数量过多 ,油缸推力过大，推力过于集中，则管材易破碎。
 4 ) 顶铁。
 顶铁的目的是保护顶进管材管口不受破坏，同时可弥补油缸行程不足，因此，顶铁必须有足够的强度和刚度。
 泥水平衡顶管时顶铁大多是倒扣在导轨上，土压平衡顶管时 顶铁开口都是朝上的。 
5) 输土和输泥设备。
 土压平衡顶管时是用螺旋输送机排土的，当距离短时可用人工手推车进行弃土工作，距离较长时采用电瓶车牵引运土车将土 运至坑外。当土质塑流性满足要求时，可用土砂泵直接将弃土通 过输送管道排至地面上。
 泥水输送设备主要由排泥栗、进水泵、中间泵、管道、阀门等 组成。切除土体通过泥土仓不断粉碎、加水、揉和 ,其中被粉碎的 进人泥水仓，通过输泥管道排至地面。
 6 ) 注浆润滑设备。
 注浆设备包括盛浆设备、拌浆设备、注浆设备三类。一般注浆泵工作压力仅在1MPa以下，即使长距离顶管注浆泵压力亦不会超过2MPa ~ 3MPa。如果注浆压力过高将会增大管道顶力。
 7 ) 长距离顶管的通风与换气设备。
 一般可选压人式或抽吸式通风、换气装置。常用通风设备有 轴流式抽出式风机和罗茨鼓风机等。
 8) 长距离顶管的供、配电设备。
 长距离顶管的供、配电设备可分为两种方式:一种是用全自 动补偿式电力稳压器来稳定电压，另一种是用1000V 高压向管内供电，再用干式变压器降为380 V。
 6 顶管工程施工要点
 1)减阻技术。
 最常用为膨润土触变泥浆减阻。其作用机理是根据管径不 同，后续管节直径一般比顶管机直径小20 mm ~ 50 mm，管道与周 围土体之间存在间隙;纠偏对土体一侧产生挤压作用，而另一侧 由于应力释放也会形成空隙，因此在顶管过程中会产生许多空 隙。注浆时，从注浆孔注人的泥浆首先填补管节与周围土体之间 的空隙，抑制地层损失造成的地面变形。泥浆与土体接触后在压 力作用下向地层内渗透和扩散，短时间泥浆会变成凝胶体，充满 空隙,在注浆压力的挤压下，会形成相对密实、稳定的泥浆套从而 减少顶进过程中的摩擦阻力,减少地面变形，增加施工安全性。
 2 ) 顶力估算。
 施工过程中的阻力由两部分组成:a.顶管机迎面阻力；b.管 体外壁与土体之间的摩阻力。顶管距离越长管壁所受的摩阻力越大。
 顶进钢筋混凝土管时，顶力按下式计算:P=其中，P为顶力;i为计算顶进长度为管道长度单位自重 ; ™ 为土质系数。 3)顶管进出洞施工技术。
 a. 出洞施工要点。
 对埋深小于 10 m 的沉井，可在沉井外侧设置钢板桩,同时在洞口进行砖封堵，顶管机出洞时先拆除临时砖封堵，待顶管机进 洞后再拆除钢板桩。
 为保证出洞口施工顺利进行，可对土体进行加固措施，控制 土体的均匀性和强度，必要时在出洞口两侧采用将水法疏干地下水,以稳定土体。
 机头出洞时，要将机头和前几节管道上端用拉杆连接好，并调好油缸编组，以防机头出洞后磕头。
 b. 进洞施工要点。
 覆土深度较深或土质较软时，应防止顶管机和前几节关节后 退的情况发生。一旦发生后退现象，管道前方土体会发生塌陷。
 通常可在洞口安置电动葫芦，在油缸回缩时用葫芦拉近顶管 机不让其产生后退现象。对于含水量较大的土质,在机头进洞前 必须做好必要的加固和降水工作，确保土体稳定，在有含承压水 的土质中，还应做好深井降水措施。
 4 ) 测量。
 顶进前需检查基础导轨的高程、平面布置尺寸，确定后背位 置,需不断对管节的轴线、高程进行测量。同时需对管线经过区 域地表变化进行及时测量，提供精确数据，对地面沉降及时分析， 才能对可能发生的不确定情况做出精准判断，及时控制。
 7 结语
 顶管工程作为地下管道非开挖施工的一种，对交通繁忙、人 口密集、地面结构较多及管线较为复杂的市区施工有很重要的实 际施工价值。在施工中需严格施工工艺、控制风险源、加强施工 单位技术力量、创造安全文明的施工环境。