顶管作业物料运输技术研究

何明冬

中国电建集团贵州工程有限公司

摘要：随着城市化建设的速度加快，我国城市市政管网建设获得了良好发展，城市交通道路网不断完善，城市运行效率得到较大提升。但在城市建设过程中，一些市政道路因管道施工经常出现反复开挖等现象，严重影响了城市交通，干扰了城市正常生活秩序。作为一种非开挖管道施工技术，顶管施工技术不用对管道敷设线路全面开挖，和传统施工技术相比，可以有效减少工作量，缩短施工周期，减轻工作压力，促进工程建设效率提升，减少对周边环境的影响，同时能获得良好的社会效益和经济效益。

关键词：顶管作业；物料运输技术；研究

引言

在市政工程中应用顶管施工技术进行施工，不需要开挖地面层，可让管道穿越地面建筑物、公路、铁路、地下管线等。因此，应用该项技术能减少对交通的影响，保护地面建筑物，缩减工期，节约投资和管理成本，有效减少扬灰对周边城区环境的破坏，降低施工过程中的噪音对周围居民生活的影响。顶管施工技术对地质条件以及采用的工程材料、施工流程有着较高的要求。

1市政道路排水工程顶管施工概述

顶管施工技术指的是不开挖或仅开挖小部分的管道工程施工技术，目前主要用于道路排水工程的施工中。该施工技术的优势较多，例如，无须大面积开挖路面，对城市周围环境的影响较小；工期较短，管道内壁光滑，密封性良好等。但和其他管道施工方法相比，顶管施工需要投入更多的成本，施工费用较高。近年来，随着顶管施工应用的成熟，其技术水平明显提高，同时各种施工工艺与方法也得到了创新，一定程度上提高了我国城市排水工程的质量。目前，顶管施工的施工工艺主要分为开放型和密封型两种，施工前需要先做好充分的施工准备，对于施工中需要使用到的工具、器材、物资、材料等，应严格按照标准进行挑选，并对施工人员进行全面培训，提高施工人员的专业能力；其次要将导轨制安、接收井、千斤顶、工作井等安装到位，最后进行顶管施工。在顶管施工过程中应遵循“先挖后顶、随挖随顶、控制进尺”的原则；勘探与测量时应进行全面检查与校正，及时发现偏差并进行完善；顶铁安装时应保证其平顺性。此外，应当安放完最长顶铁后再回收相应的活塞，从而减轻工作量与连接的顶铁数量，提高施工的效率。在顶进施工过程中，若遇到阻碍，应当先将阻碍完全清除再进行施工。若发生管前油泵压力表指针骤增或偏差较大、土方坍塌、后背倾斜等异常情况，应立即停止顶进，发现原因并解决后方可继续施工。每次循环进尺时应严格测量，保证进尺的精确性。对于施工中所使用的设备，相关参数与数据应进行多次核对，并做好相应的记录。在进行管沟施工时，应采用自下而上的方式进行开挖，或遵循先深后浅的原则。部分工程在管沟施工过程中可能会受到结构物的阻碍，此时需要先对结构物做一定的保护措施，再综合施工环境与方案，制定具体的施工流程。平行流程是目前的主要方法之一，能够有效解决施工现场土方堆积的问题。

2市政给排水施工中顶管施工技术的影响因素

施工材料、施工设备等基础条件对施工效果存在决定性影响。一方面，若钢材、混凝土等材料的性能或质量较差，以其为基础制成的工作井、管道等构筑物势必存在基础性的质量隐患，继而容易出现工作井井壁开裂、管道受力形变等负面问题。另一方面，吊装、顶管、掘进等施工设备若存在性能不稳定、推力不足、耐磨性差等问题，不仅难以满足顶管施工的应用需求，还可能在投用运行中出现严重的设备故障或部件损耗，进而对施工的安全性、稳定性、连续性造成消极影响。所以，必须在施工前期做好设备、材料的合理选择与检验调试，并全程实施材料、设备的监测管理。工艺缺陷也会对顶管施工的实际效果产生影响。例如，若单纯采用顶管设备开展推进作业，并未在方案设计、施工实践中引入注浆保护、轴线纠偏等辅助机制，将很容易引发钢管破损、地质扰动、管位偏移等问题，导致施工风险的形成。所以，必须合理安排工艺流程、科学运用辅助手段，以全方位地提高施工质量。顶管施工具有施工线路长、涉及范围大的特点，所以，难免面临复杂多变的环境条件。在此背景下，若未及时做好环境分析与施工调整，也容易引发不必要的施工质量与施工效率风险。一般来讲，顶管施工中常见的土质包括淤泥质黏土、砂性土、强风化岩等。其中，淤泥质黏土质地较软、顶管难度较低，但存在较大的土基形变风险。砂性土的黏结性、凝聚力较差，在顶管扰动作用下易发生流沙现象。强风化岩结构相对脆弱，通常在较小的作用力下便会粉碎崩解。实际施工时，需要根据土质选择合理的顶管施工设备，淤泥质黏则宜选用偏心破碎泥水式的顶管机械。

3顶管法基本内容介绍

3.1施工流程

实际开展顶管施工前，要检查工作井施工情况，同时结合现场地质情况、地理条件明确施工支护井施工方案、开发方案，随后对建筑底板与顶部地板混凝土开展抽样检验、验收，随后再次引管。完成上述检验工作后，检查建筑基层强度、负荷及底板靠背混凝土，进而确定混凝土、建筑钢板厚度，以评估管节材料能否引进。安装每管节前均要检验，只有提升检查效率、检查质量，方可保障顶管施工顺利完成，规避不必要的施工问题。若检查期间发现管节外观存在明显缺陷，不可直接使用。调节、摆放管道前，要事先准备防水保护圈、专用胶，同时将管节安装应用的环形接头安装在管道施工轨道中，随后准备专用环形管节钢铁，缓慢推进；应谨慎对接管节接头，若发现管节接头出现出槽、翻转、破坏问题，要及时退出，并重新安装、更换管节，进而调节止水圈，完成调节后再次对接安装。

3.2适用地质条件

以市政给排水管道施工为例，市政给排水管道最大直径大于800mm，常规明挖方案埋管施工难度较高，且管道沿线区域无障碍物，因此可选择顶管法改造市政管道。人工顶管开挖对土质要求较高：应用顶管法施工期间，顶进面土地要具有良好自立性；顶进面的土壤地下水压力应较低，以避免由于压力过大引发正面土体塌方，这一要求增加了对顶进方向的管控难度。一般顶管法施工期间，常利用顶进面局部超挖形式纠正人工顶管偏差，但若顶进面存在流砂问题，则无法继续开展局部超挖，且纠偏工作难以推进。因此，实际施工前要细致了解地勘资料，同时在开顶前预先处理不利地质，进而规避顶管施工安全事故风险。如处理某市雨水管渠项目、截流污水项目时，选取顶管法施工，可采取粉喷桩或地质注浆等形式处理不利地质，以保障顶管施工在预计工期内完成。市政顶管施工对荷载地面和土质强度提出了较高的要求。特别是在对地面承载力要求较高的城市区域，顶管施工显示出明显优势，但相对于传统的施工方法，可能会导致总体造价增加。例如，对于河流、水塘或其他土质松软区域，开展顶管法施工，既能保障施工科学性、合理性，又可降低建筑施工造价。总结分析，对照开槽埋管施工，顶管施工速度更快、自动化程度更高，对邻近环境与城市交通的影响更小，且施工精度更高、地面沉降率更低。顶管法施工依据设计方案，在管道沿线设置始发井与接收井，同时在工作井中设置坚固后座，然后将需顶进钢管、混凝土管、油压千斤顶等置入井内，并连接照明及油管管线，随后利用油压千斤顶向前顶进，同时经压浆系统在管节周围生成泥浆套，以在管道内滑行。实际顶进期间，要利用经纬仪监测顶管前进方向，边顶边调节排土，直至将钢管、混凝土管顶至接收井。

4顶管技术应用特点

首先，对地面影响小。借助顶管技术敷设给排水管道，不用开挖沟槽，可直穿地下，进而顺利完成管道敷设，不会给市政给排水管道所经过路段的地面造成较大影响，防止施工过程中出现安全问题。最大化发挥顶管技术应用优势，使原有的线状地面开挖向点状施工处理转变，为施工提供方便，确保市政给排水管道的施工和应用状态良好。其次，提高环保效益。环保性是顶管技术的一个显著特征，其能够最大程度避免破坏地面环境，显著提升市政给排水工程施工中的环保效益。实际应用过程中，产生的噪声不大，不会给周围环境造成较大的影响。针对市政给排水工程施工，若想提升环保效果，就应注重科学运用顶管技术。最后，具有广泛的适用范围。顶管技术相较于以往的沟槽开挖施工方式来说，其在各种环境条件中均适合运用，从技术层面能够极大地支持市政给排水工程施工，有利于有效制定和实施施工计划。与此同时，借助顶管技术，可以拓宽给排水管道施工思路，即使在复杂环境下，也能够做到高效施工，避免影响到给排水系统在市政工程建设中的最终应用效果。

5市政道路排水顶管施工完善措施

5.1提高施工人员的综合素质

市政道路排水工程的施工涉及因素较多，但施工人员是施工的主导，大量的机械设备、仪器也需要施工人员进行操作，因此施工人员的能力与施工质量密切相关。从我国目前市政道路排水工程顶管施工的情况来看，施工人员普遍存在流动性较大的特点，同时多数管理在对施工进行管理时存在不规范、形式化等情况，导致顶管施工质量不佳，难以有效发挥市政道路的排水作用。因此，施工单位必须重视对施工人员综合素质的培养，针对施工中的重点环节进行实践教育，从而保证顶管施工的质量。同时，施工前管理人员还应当对施工过程中潜在的安全隐患进行调查，及时纠错、完善，从而为后续的施工奠定基础。

5.2工作井施工

根据排水管道的平面位置、高程和坡度、顶管设备的尺寸和大小，建筑材料管道的拼装距离，现场的环境条件，工作井的深度和挡土墙支护类型等因素，确定工作井的形状和尺寸大小。在市政给排水管道施工中，工作井一般采用围护结构，考虑到工作井的造价比较昂贵，因此在现场踏勘后应尽量对顶进线路进行优化，采取尽可能安排中间工作井向2个方向顶进，避让建构筑物基础和不利土层等措施，达到减少工作井数量目标，节约工程造价和缩短工期。一般情况下，顶管施工是在地面以下一定深度进行，覆土厚度不小于3m或者不小于1．5倍的管道外径。属于深基坑工程，以WB25－WA37工作井施工为例，本段工作井管底深度6．3m，接收井管底深度6．8m，顶管工作井采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩支护，钻孔灌注桩600@1100mm，桩长14m，高压旋喷桩800@900mm，桩长9m，2种桩隔一打一，跳桩法施工，顶管接收井采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩支护，钻孔灌注桩1000@1200mm，桩长18m，高压旋喷桩600@400mm，桩长13m，2种桩并排围绕顶管井，钻孔灌注桩在内，高压旋喷桩在外侧，顶管工作井为8m内径圆形，井壁厚度300mm，底板厚度400mm，接收井4．6m×6m，井壁厚度500mm，底板厚度600mm，顶管井壁后座最大顶管允许顶力标准值不得大于7000kN，井壁预留2．55m顶管顶进孔。工作井要对反力墙的支座反力进行验算。反力承受设备包括承压墙、组装管道等，顶管机在向地层推进时，顶管机的推力经钢制的后座、反力墙、混凝土临时墙等，通过后方的竖井墙壁传递到土体。承受千斤顶作用力的结构在承受反作用力时应具有一定的刚度，不能产生变形。承压墙的厚度和临时支护的面积，应根据始发时土砂的运出及使用用器材的搬运方便等因素考虑确定。

5.3设备安装

完成工作坑的施工后，需要依据顶管施工的需求安装相应的施工设备。首先，将钢材制成导轨，依据相关规范要求安装，对钢轨的位置合理设计和安排，保障钢轨平行、顺直，为后续工作提供支持和帮助。对钢轨的纵坡采取全面、综合检查的方式，使得管道设计坡度符合市政给排水工程施工要求。后续的施工中要随时对钢制导轨的位置进行检查和校准，防止导轨位置出现偏差，造成顶管施工质量受损。其次，千斤顶的安装过程，一方面应将千斤顶固定在专门的支架上，将千斤顶与给排水管道的中心垂线保持对称的状态，使得千斤顶与千斤顶之间能够形成有效合力，并将其作用到垂线中。另一方面则应做好千斤顶的配置工作，为其提供合适的油泵以及备用泵，为施工的持续性奠定良好的基础。当设备千斤顶以及相关设备安装完成后，则应进行后续的检查工作，针对设备的运行状态、安装效果全面检查，反复核验合格后方可正式施工。

5.4顶管施工工序

穿墙。打开穿墙闷板，将工具管顶出井外，同时对穿墙止水装置进行安装，在技术施工策略方面涉及以下几点：将低强度水泥黏土拌和土，抑或夯压密实的纸筋黏土等，填入穿墙管内，以临时阻挡水土；为了使穿墙孔外侧一定范围内土体的稳定性得到保证，工作井在工具管穿墙之前，需采取注浆固结的方式，加固穿墙管外侧；穿墙前分析可能出现的问题，同时运用科学合理的解决措施；将闷板打开之后，应及时推进工具管，并将穿墙止水工作做好，应借助止水法兰加压板，在中间位置安装止水板，材质为厚度2cm的天然优质橡胶，应确保其拥有良好的耐磨性以及拉伸率，进而在管道顶进的作用下，与安装好的橡胶板共同形成逆向止水装置，应避免因为穿墙管外侧的土体长时间暴露在外，进而形成扰动流变。顶管出洞。顶管出洞指的是首节管道与顶管机头由工作井洞口破出进入土体，然后向接收井推进的相关过程。对于导管出洞施工而言，容易出现管道变形以及线路偏斜的状况，原因为管道材料在压力下引起的。所以就顶管出洞来说，需要对工具管道展开纠偏或调零，可以运用加大出洞端口的支撑力度的方式实现此目的。如果存在偏离路线的状况，为了防止偏差范围进一步扩大，可以采取预先加垫下跌角的方法，保证顶管坡度，抑或是选用纠正主顶偏差的方法。因为在顶管施工过程中，顶管出洞是尤为重要的一环，所以应对顶管出洞施工过程中的操作方式进行准确控制，进而确保施工质量。再次，注浆减阻。注浆减阻是顶管技术操作中的重点之一，运用触变泥浆。若是在顶管机头的末端展开压浆，在管道外围，泥浆会形成一个泥浆套，泥浆套的存在可以减小顶进时受到的阻力。与此同时，泥浆套还可以起到一定的支撑作用，防止施工中出现地面下沉的情况。在施工中需要注意：必须同时开展管道顶进与压浆动作，否则便会存在漏洞。在此过程中使用的泥浆势必多于预计量，在补浆时，需要确保位置选择准确，促进工程质量提升。最后，顶管纠偏。纠偏，即机头和设计轴线偏离后，借助在后部所设置的纠偏千斤顶组，将机头端面的方向改变，最大化控制偏差，让管道顺着设计轴线顶进。顶进纠偏指的是通过对四台纠偏千斤顶予以调整的方式，如果管道偏左，那么千斤顶则运用左伸右缩的方式，反之亦然。若是同时存在方向与高程偏差，那么便应先将偏差大的一边纠正。在纠偏过程中，应在顶进中运用小角度分级逐渐纠偏，多次调整，慢慢校正。

5.5止水施工

市政工程针对给排水的要求极为严格，为保证荷载量科学，在顶管施工环节施工方通常选择增加管道外径并预留洞口数值，以保证施工质量与安全性。考虑管道外径普遍大于标准值，极易因尺寸空隙出现渗漏，给养护及保护工作带来不利影响。针对上述情况，施工方提出了以下解决方案：重点关注洞口止水情况，在开展沉井作业前，准备施工所需钢法兰、钢板，保证钢法兰、钢板，保证其规格符合要求；提前处理洞口结构，再通过焊接方式进行连接；用钢板固定橡胶法兰前需核实法兰厚度，保证法兰厚度约16mm，以降低渗漏发生概率；待该环节结束，再根据现场情况调整工作井，以免泥沙渗入洞口，导致洞口堵塞或污染。

5.6施工准备

施工准备阶段，需要做好工程区域的全面调查，并根据实际情况进行所需顶力F的计算，基本公式为F=F迎+F顶（其中，F迎为顶管施工相对方向的阻力；F顶为顶管施工顶进方向的阻力）。案例工程中，主要进行如下计算：首先，F迎与土压力有关，因此，需要按照公式P=KγH（P为土压力；K为土压系数；γ为土壤湿密度；H为地面高程与顶进设备中心位置的最大间距）进行土压力的计算。结合工程调查与常规标准，所得土压系数为0.55，土壤湿密度为1.9×103kg/m3，地面与设备高程的最大设计间距为6.55m。由此，得到土压力为6.8×103kg/m2。其后，按照公式F迎=πDP/2（D为顶管施工中管道的外径尺寸，即1.8m）对F迎进行计算。由此得到顶管对向阻力为192.1kN。最后，按照公式F顶=πDfL（f为摩阻力；L为单次顶进施工的最大距离）对F顶进行计算。案例工程中，施工段土层摩阻力取800kg/m2，施工设计的单次最大顶距为96m，由此得到顶管顶进方向阻力为4340.7kN。最后，对F迎与F顶进行相加计算，即可得知案例工程实际施工所需的最大顶力为4532.8kN。基于此，在选择顶进设备时，将总推力定为5000kN，以满足管道顶进的施工需求。同时，做好经纬仪、起吊机、龙门架、泵机等设备工具的完善配置，并落实材料、能源、组织、安全等基本的工程管理准备工作。

5.7注重环境保护措施

市政道路排水工程顶管施工质量可能受到多方面因素的影响，例如劳动环境、工程技术、工程管理环境等。但同时市政工程的顶管施工也会对周围环境造成影响，因此要注重对周围环境的保护。施工现场的袋装水泥应当存放在制定的地点，对施工中所用的设备、设施进行封闭性的保护，避免外界因素的破坏。同时，还需要对施工中产生的污染物进行回收、分类处理，从而减少对周围环境的影响。此外，顶管施工不当，可能会对水资源造成破坏，因此施工时应保证废弃物的规范排放，严禁有毒污染废弃物就地掩埋，并回收处理施工时产生的废弃油料，在施工现场加设防渗漏措施，避免地下水受到污染。

5.8地下综合管线控制措施

在进行给排水顶管施工过程中，本项目会穿越国防光缆、天然气管道、给排水管道等综合管线。一旦出现问题，将会造成重大的社会影响和经济损失，因此在施工前应获得产权单位的基础图纸，再通过现场探测进行确认，以便确定综合管线的保护方案。保护方案应和产权单位共同制定，保护方案中要同时制定相对应的现场处置方案;处置方案应包括事故特征描述;明确相关单位和人员职责，责任要落实到具体的人员，人员要有联系方式;明确应急处置的程序、处置要点和需要准备的物资。

5.9泥浆管理

泥浆管理方面，首先需要做好泥浆的配置工作，主要应用到的材料为膨润土，对泥浆配比的合理性有着积极的作用。配置比例一般为1:8，即一份的膨润土和八份的水。在泥浆制作过程中应对其采取充分搅拌的方式，预防离析问题的发生。泥浆在压入之前，应做好二次的搅拌工作，确保注浆施工质量满足工程施工要求。其次，注浆的施工过程中，对注浆压力合理控制，将其超过管道上部静止土的压力，对地表和地下水位的变化采取实时观测的方式，对注浆压力、注浆量予以科学把握。最后，顶进达到指定位置后，适度增加一定的注浆量，此时的触变泥浆套的完整性更好，避免临时停泵导致注浆压力受损。

5.10合理选择顶进管

合理选择顶进管是市政给排水施工项目中运用顶管施工技术的关键一环，只有选择适宜的顶进管，才可以使施工效果得到保障。详细而言，在选择此类顶进管的时候，应切实把握好以下几点：加大对顶进管质量的把控力度。顶进管的质量在顶管施工技术中尤为重要，其自身质量状况必定会对整个顶管施工技术的应用效果造成影响，所以，不管选择哪一种型号的顶进管展开施工建设，均需要确保其质量与相关要求相符。对顶进管直径进行合理选择，选择的顶进管直径会对顶管施工效果造成极大的影响，通常而言，需要和施工现场的实际要求相结合合理选择顶进管直径，根据给排水工程项目的施工特点与性质，确定其内径尺寸，之后依据相应的壁厚要求和受力特点，确定相应的外径尺寸。对顶进管的长度进行合理选择，顶进管的长度和整个顶管施工技术的应用效果息息相关，特别是直接影响着施工中的可控性。对此，在顶管施工中，应合理选择顶进管的长度。通常而言，在确定顶进管长度的过程中，不仅要把施工的可行性纳入考虑范围，还应基于顶进管的管径进行确定，如此才能确保工程施工质量与施工效果。

5.11进出洞

若顶管掘进方向出现偏差会影响管道拼装作业的开展，导致项目无法如期竣工。因此，在顶管进出洞环节，施工方应以穿墙施工的特性为抓手，对施工效果进行管控，具体做法为：按比例混合水泥、黏土并填充穿墙管，保证管道结构与注浆加固施工要求相符。施工期间，施工方应重点关注穿墙板特点，以免土地强度受到影响，进而引起塌方。若顶管沿线土层为粉质黏土，其流速易受水位冲击影响而发生变化，故需对该区域进行二次加固，以免进出洞期间出现问题。

5.12管道顶进施工

在管道顶进施工中，全程化、实时性地对顶管轴线、顶管速度、顶管推力、设备状态进行监测控制，持续保证匀速、稳定作业。本工程中，主要依托全站仪实现顶管施工的轴线控制。实践时，先使用全站仪对管道的中线进行测定，再在工作井上部的前后两端各装设一块钢板，并用全站仪在钢板上放出轴线点。其后，使用钢丝在钢板下方悬挂吊锤，吊锤质量为10kg，并调整其悬挂方向与轴线相重合。最后，使用经纬仪以垂直角度向顶管机标靶处发射激光，由此实现顶管轴线的偏差确定。在施工过程中，一旦发生轴线偏角过大、顶管推力波动、油缸参数变化等情况，及时进行停工检查，并通过调整设备伸缩量实现偏移纠正，使实际顶管轴线与设计轴线实现高度重合。检修纠偏完成后，方可再次开展后续的管道顶进施工。做好这方面的技术控制，既能充分避免位移量累积导致的图实不符问题，保证管道的安装位置、连接效果与工程预期相一致。同时，也能防止顶管设备出现带病运行的问题，从而确保施工活动的稳定性、安全性与经济性。在此基础上，在管道顶进的同时开展注浆作业，从而在施工管壁与外部土层之间形成泥浆护套。如此一方面有助于降低土层对管道顶进的阻力影响，继而提升顶管施工的顺利性，并对管道、机头起到有效保护作用。另一方面，也有助于降低顶管施工对周围土层的扰动影响，从而淡化地质事故的形成风险。

结语

在开展市政给排水工程中的顶管施工时，施工建设质量、技术应用效益会受到材料、设备、工艺、环境等诸多因素影响。对此，在顶管施工的前期准备环节中，应切实做好工程需求顶力的计算，并将此作为选择顶管设备的重要依据。同时，还需要做好基础性的环境分析与施工管理，围绕工作井构建、顶管设备就位、给排水管道安装、顶进施工等环节做到全程化、精细化把控，既要保证顶管作业始终处在匀速、稳定、规范的状态当中，也要尽量降低土层环境与工程活动之间的相互影响，并做好施工结束后的质量验收工作。只有这样，才能最大化发挥顶管施工的技术作用，为给排水管网的优质构建提供助力。

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