市政排水工程顶管施工分析

吕雷雷李世振苗祯刘广福

中国建筑股份有限公司中国建筑一局（集团）有限公司西北分公司

中建西安快速路建设投资有限公司北京100080

摘要：市政排水工程改扩建施工过程中经常遇到明开挖施工受限、地下管线复杂、交通导改困难等情况，顶管施工在5m以上排水工程施工中具有天然的优势，与传统的施工方法相比，具有综合效益高、交通导改小、环境破坏小、工期短等优点。本文主要讲述了顶管施工的原理及分类。

关键词：顶管、平衡、泥水平衡

1、顶管施工概述

美国在19世纪末期北太平洋铁路敷设工程中第一次使用顶管法施工技术，20世纪50年代，我国最初使用的为手掘式顶管设备。上世纪60年代至70年代，我国在上海研发出小口径土压式机械顶管机，1978年前后，上海再一次成功研发出挤压法顶管设备。1984年后我国开始引进国外先进顶管设备进行应用，使得我国的顶管技术和理论上了一个新台阶，现阶段我国的顶管施工技术在大管道直径、顶进距离长度等方面，已经在国际上处于领先地位，和最初相比有了较大提高。21世纪以来，在城市交通比较发达、人口密度大的大、中城市，顶管法施工越发普遍，这又使我国顶管技术的发展更加成熟。

2、顶管施工方法分类

顶管施工方法分类方法较多[1]，对其分类多依据某一方面的性能进行划分，常见的分类如下：

（1）按照管道材料不同可以分为以下几种：钢筋混凝土管顶管、钢管顶管和其它管材顶管。

（2）按照管道口径大小可分为以下四种：小口径、中口径、大口径、以及微型顶管。500mm至1000mm之间为小口径的管道、1000mm至2000mm之间为中口径的管道、人可以在管道上进行自由行走的顶管且口径常常大于2000mm为大口径管道，口径越大，顶进时所需的顶推力也特别大，工程中最大口径管道可达4500mm。微型顶管通常埋深较浅，穿越地层复杂，口径一般小于500mm。

（3）按照推进管前工具作业形式的不同可分为以下几种；手掘式、土压平衡式、气压平衡式、泥水平衡式顶管。

3、顶管法施工的基本原理

1）顶管法施工主要设备

顶管作业主要包含以下部分：顶管机、工作坑、接收坑、顶铁、主顶设备、洞口止水圈、基坑导轨、后座墙、输土设备、推进用管以及接口、注浆设备、地面起吊设备、中继站、测量设备、辅助施工、供电系统、照明系统、通风和换气。

2）顶管法施工的过程：

在埋设管道之前，在管线的两端分别修建工作坑及接收坑，并在工作坑里的顶进轴线后方，设置一组左右成对的油缸。导轨安装是一项关键工序[2]，其位置准确与否与轨道高程的精度直接影响管子的顶进质量。先复核管道中心位置，计算导轨轨距，导轨安装一定要保持轴线与预留孔重合，并且与后靠背保持垂直状态，采用丝杠顶紧固定。导轨采用型钢加工，按轨距安放在混凝土基础面上，二根轨道必须互相平行、等高，导轨面的中心标高按设计沟底标高设置，坡度与设计管道坡度相一致。顶管机千斤顶固定在型钢制作的千斤顶支架上，千斤顶着力点应在水平管轴线上，对称布置，其合力的作用点在管道的圆心上。千斤顶的安装纵向坡度应与管道设计坡度一致，为了减少后座倾覆、偏斜，千斤顶受力的合力位置应位于后座中间，为了减少后座倾覆、偏斜，千斤顶受力的合力位置应位于后座中间，其合力位置应在管底以上1/3D处。工具管采用有足够的刚度和强度的钢板制作，其上口长度为50cm，下口长30cm。工具管管道的连接必须稳定可靠，拆装方便。工具管吊入工作井前应进行详细检查。卸工具管时应平稳、缓慢，避免冲击、碰撞，并由专人指挥，确保安全。安放在导轨上后，应测定前后端的中心的方向偏差和相对高差，并做好记录，工具管与导轨的接触面必须平稳、吻合随后在油缸前面的导轨上安放埋设管道最前端安置的工具管。油缸进行顶进工作时，位于最前方的工具管，前面的管道由于受到推进，把管道压入土中，从穿过坑壁上原来预留的穿墙孔，与此同时，将进入工具管的泥土被运输到管道以外。油缸一旦达到最大行程便会进行缩回，此时放入顶铁，油缸再次进行顶进。

3）顶管法施工工艺

凭借管道间和主顶油缸中继间的顶推力，把掘进机或工具管从工作坑内穿越土层一直推到接收坑内最后吊起，也就把掘进机后的管道或紧随的工具管。对于顶进距离较长的工程中，主油缸的推力不能够克服迎面阻力以及管道周围的土体切向力，通常把管道进行分段处理，每段之间便会安放许多的移动式的顶推站，称之为中继环，它们都是由许多中继油缸组成，还要在管道周围注减摩剂，使长距离管道的顶推顺利进行布设在两坑之间。从顶管设备最初进入场地直至整个顶进过程全部结束。

4、顶管施工的平衡理论

1、泥水平衡施工

泥水平衡[3]指的是在顶管掘进设备前端的泥水舱里面，用一定的量的土和水构成的泥水浆液充满，并且对这些泥水施加合理的压力，从而用来平衡土压力以及地下水压力。富有压力的泥水浆液随着顶进施工的进行，它可以在挖掘面上形成泥水浆膜，这样不仅防止地下水的外渗，维持了工作面的稳定，而且对其施加合理的压力就可以平衡了土压力和地下水压力。其适用于黏土层、渗透系数较小或适中的砂性土、砂砾土层。泥水加压平衡式顶管掘进机其原理有两种表现形式：单一式泥水平衡加压顶管工法、仅平衡地下水的泥水加压平衡顶管工法。在泥水加压平衡顶管机头有可调整顶推力的浮动大刀盘装置，大刀盘装置不仅对土体进行切削，还有支承土体的作用。在设定完合理的顶力之后，伴随土压力大小变化会导致刀盘发生前后浮动，在施工过程中刀盘自始至终都对土体有支承作用，来使管道周围的土体自始至终保持稳定的状态。顶推时的迎面土压力与刀盘的顶推力维持相对平衡。将一定含粘土量的泥水浆液导入到机头密封舱里，使泥水具有一定的压力。

2、气压平衡施工

气压施工是顶管施工过程中常用的一种施工手段。其基本原理是以一定压力的压缩掘进面前方土体里的空气来平衡地下水压力、营造一个较干燥的作业环境，从而保持挖掘面土体稳定。气压式顶管施工又可为全气压顶管施工和局部气压顶管施工两类。所谓全气压顶管施工是指整个管道作业的人员都在充满一定压力的压缩空气的条件下进行作业；局部气压顶管施工是在挖掘面上充满一定压力的压缩空气，作业人员不在气压条件下作业。这样看来，局部气压顶管法的安全作业条件要整体气压顶管法相对好很多。气压平衡顶管施工的优缺点表现在：由于空气在土中较易渗漏所以其只适用于渗透系数比较小的粉砂土、软黏土、其设备占地面积较大，并且噪音较大、其作业环境相对于土压平衡顶管法和泥水平衡顶管法而言，不是很安全。

3、土压平衡施工

土压式顶管施工是机械式顶管施工中的一种。其原理是凭借土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡土压力和地下水压力；排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆；与泥水式顶管施工相比，其排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理。土压平衡理论有两个方面的基本内容：在顶进过程中用顶管掘进机土仓内的土压力来平衡开挖掘进面的地下水压力和土压力；进机推进所占去的土的体积与它的排土量掘也维持平衡。

小结

本文通过对顶管施工的发展过程进行概括性的描述、对顶管的分类进行了总结，在顶管施工的主要工艺上进行了阐述，施工过程中的几种顶管施工方法的原理进行了说明的通过对顶管施工原理的说明，对后续施工管理人员进行顶管作业时进行了指导，顶管作业主要涉及地下作业，施工时必须对方案进行专家论证，对地下地上的环境进行充分了解，才能进一步的采取以上方案进行施工。

参考文献

[1]顶管施工技术及验收规范(试行)[S],中国非开挖技术协会行业标准,人民交通出版社,2007

[2]陈启明.顶管信息化施工中地面沉降的预测方法研究[D].上海.同济大学,2000

[3]高乃熙,张小珠著.顶管技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1982