市政管道顶管施工分析

李世振刘迪

摘要：顶管施工作为非开挖施工技术是指在不开挖地表的条件下铺设、修复和更换各种地下公用设施的任何一种技术和方法。与传统的施工方法相比，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、安全性好等优点。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、顶管施工的基本原理：

顶管法施工是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，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，这称之为顶管法的施工工艺。顶管法施工的过程是：埋设管道之前，必须要于管线的一端修建一个工作坑，并在工作坑里的顶进轴线后方，设置一组左右成对的油缸。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。

2、顶管法的分类：

顶管有很多种分类方法，对于顶管分类至今都只是依靠其某一方面的性能来进行划分，以便从分类的角度去认识这些特征，常常划分成以下几类：

（1）按照管节口径大小来分成以下四种：小口径、中口径、大口径、以及微型顶管。小口径的管道直径一般介于500mm和1000mm之间。中口径管道在市政工程中采用较多，其口径通常介于1000mm和2000mm之间。大口径管道是指通常人可以站到管道上进行自由行走的顶管，口径常常大于2000mm，大口径顶管设备通常非常庞大，管子自重也相当大，顶进时所需的顶推力也特别大，工程中最大口径比小型盾构还大，可达4500mm。微型顶管通常埋深相对较浅，穿越的地层往往也比较复杂，口径一般小于在500mm，极小口径，有的甚至是75mm

（2）按照推进管前工具管或掘进设备作业形式的不同分成以下四种；手掘式顶管、土压平衡式顶管、气压平衡式顶管、泥水平衡式顶管。

（3）按照推进管的管材种类的不同来划分可分为以下几种：钢筋混凝土管顶管、钢管顶管和其它管材顶管。

（4）按照接收坑与工作坑之间距离的长短进行划分可分为以下两种：长距离顶管和普通顶管。目前，注浆减摩技术水平的不断提高和顶进设备的不断改进，长距离顶管通常指的是一次顶进距离超过1000m的顶管。

3、顶管施工的平衡理论

1、泥水平衡施工

泥水平衡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，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：（1）单一式泥水平衡加压顶管工法，即泥水舱中的加压泥水来平衡挖掘面上的水压力和土压力；（2）仅平衡地下水的泥水加压平衡顶管工法，即顶管机头泥水仓中的加压泥水只用于平衡地下水压力，而挖掘面上的地层土压力则由工具管内机械作用加以平衡。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，不仅平衡了切削面的地下水压力，并且又将刀盘削下来的泥土转运出去。进泥泵和排泥泵的作用分别是把泥水浆液送入或者排到施工现场的泥浆池或泥水分离的装置中，通过进入和排出泥水浆液的流量来合理控制密封舱内的泥水压力。泥水平衡顶管施工的优缺点表现在：①在各种不同的土质中广泛使用，比如适用于许多工程中，地下水压力较高、变化范围浮动也较大的条件下。②由于它是全断面开挖，使挖掘面周围的土体保持稳定，在施工时对管道周围的土体扰动也较小，从而引起地表沉降的变形也较小。③与其他顶管方法进行对比，泥水平衡施工时顶力相比其它施工方法较小，在粘土层中表现极为显著，因此，在顶进距离较长的工程中被广泛使用。④施工人员在工作井中进行施工安全、方便，不存在吊土、搬运土等危险的作业，不会危及施工人员的个人安全。⑤泥水施工时弃土被连续的运输出去，因此，施工进度较快。⑥其施工所需场地较大，并且设备的成本较高也比较复杂；设备的噪声大，对环境有一定程度的污染。⑦施工时相互的影响较突出，若是哪个施工构件出现故障，则可能导致整个施工过程暂停。若是遇上顶管的超浅埋土层，或遇上渗透系数特别大的砾砂、卵石层，施工作业常常受阻，如泥水的外温和渗透，则建立泥水加压平衡机制较为困难，造成延误工期。

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。因此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：①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。②其设备占地面积较大，并且噪音较大。③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。④不管是是局部气压还是全气压施工，所引起的地表沉降都比土压平衡和泥水平衡顶管施工大很多。这是由于空气对掘进面前方土体中的孔隙水压力进行疏远时，也会引体土体产生压密沉降，在顶进时又会对土体造成扰动从而又产生一定的沉降。

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。土压平衡理论的基本内容：第一，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；第二，进机推进所占去的土的体积与它的排土量掘也维持平衡。

3、小结：通过对顶管施工原理的说明及对顶管施工平衡理论的阐述，对顶管施工进行原理上的阐述，为顶管施工做出理论上的解释，对施工从业人员顶管施工时有指导性作用。

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]余彬泉，陈传灿著.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，1998，35

[3]郭院成，刘海涛，张浩华.无砂砼小桩处理软土和黄土高填方路基的对比分析[J].河南科学，2003，21（5）：524-527