手掘式大直径短距离顶管施工工法勾俊峰

勾俊峰

摘要：新疆石河子天富热电厂2*135MW拆迁技改工程位于西三路与北四路交叉口东北角，北侧紧临312国道，交通繁忙。场地内地上有大量建物，地下有较多的管网、电缆设施，工程环境条件复杂，干扰较大，管道无法开挖施工，场地内地基土主要由杂填土和第四系冲洪积的黄土状粉土、粉砂，卵石层组成，地下水位低，土质致密、坚实。循环水管道施工段埋深较深，管顶覆土4.8米（四排，每排60米），石河子天筑建设集团结合设计要求，根据地质条件，大管径矩距离的特点，经技术经济比较，确定采用非开挖埋管施工技术，（即采用手掘式顶管施工），并对施工工艺环节进行认真研究和改进。手掘式大直径（管径DN2400×2000）钢筋混凝土顶管施工工艺，由专业承包资质的乌鲁木齐伟业掘进工程有限公司完成施工任务，顶管施工完毕后由建设方安排穿管单位安装内套钢管。

关键词：顶管；施工；特点

1工法特点

（1）施工方法简便灵活，机械设备投入量小，施工进度较快，综合成本低。

（2）施工方法有效保持挖掘面的稳定，对管体周围的土体扰动很小，因此施工引起的地面沉降很小。

（3）与其它顶管方法相比较，施工砼管径较大（管径DN2400mm），方向控制精度高，施工精度控制在30mm以内。

（4）不影响所穿越的各种类管线，不影响道路交通及地面建筑物安全且无环境污染。

（5）施工工艺简单，能够保证安全、优质、高效地完成在粘性土、砂土，戈壁土及两层土体之间的顶进施工任务。

2适用范围

（1）本工法适用于粘性土、黄土状粉土、卵石戈壁土，且无地下水影响的大直径顶管施工，适用于地表沉降要求严格的部位顶管施工。

（2）管径DN1500～DN2400的钢筋混凝土管或钢管，距离在100米以内的顶管施工

3工艺原理

（1）利用人工在顶管前端使用手工工具的方式按方案确定的管径尺寸和距离来破碎工作面的土层，借助工作坑内的多个液压千斤顶系统的共同推力，把敷设在导轨上的砼顶管按设计的中线及高程顶入，破碎下来的泥土可以通过手推车或轨道式的运输车运输至工作井内，吊运设备吊出装车运出现场，挖土工作与顶进工作循环往复进行，直至顶管到达接收井内。顶进正常工作时，顶管按预先设定的开挖面紧贴在被切削成的土体断面，在后方顶力作用下一面切削土体一面向前推进维持土体的平衡。

（2）通过顶管外表面涂抹石蜡及在管壁外侧压注触变泥浆形成一定厚度的泥浆套减小阻力，使外表面涂有石蜡油的顶管在泥浆套中顶进，以减少顶进阻力。

4施工工艺

4.1工艺流程

4.2测量放线

布设临时水准点、井内控制高程点用于控制管线高程；布设管道轴线控制桩、井壁井底控制线用以控制管线轴线，施工放线时，引入可多个高程控制点，可每隔20m设中心桩，另外在检查井处应设置中心桩，必要时应设置控制桩。

4.3工作井设置

工作井（接收井）根据现场条件一般采用占地小、安全性高的逆做法钢筋混凝土浇筑方式制作，大小、深度、配筋及混凝土强度需满足设计要求，逆作法每台深度根据现场土质条件确定，一般每台深度不易超过两米，上下两台钢筋需搭接浇筑，按设计要求及施工需要制作井底板及预埋铁件。

工作竖井的尺寸计算见式(1)、式(2)。

B=D2＋2b＋2c(L)

L=L1＋L2＋L3＋L4＋L5(2)

式中:B-工作竖井底部开挖宽度，m;

D-管道外径，m；

b-管两侧的操作空间,一般为1.2～1.6m；

c-撑板厚度,一般为2m；

L-工作竖井的底部开挖长度;

L1-管节长度；

L2-顶镐长度;

L3-出土工作空间长度；

L4-后背墙的厚度；

L5-顶管掘进机长度，当采用管道第一节管作为顶管掘进机时，对于钢筋混凝土管，稳管时已顶进的管节留在导轨上的最小长度,一般为0.3～0.6m。

4.5导轨安装

（1）导轨采用复合型导轨（钢质材料料制作），由于混凝土管自重较大，摩擦力相应较大，导轨安装时和工作井底板预埋钢板焊牢，并用型钢支撑或用混凝土围牢。导轨安装前要先复核管道中心位置，确保导轨的高程、轴线位置准确。导轨定位必须稳固，在顶进中承受各种负荷时不位移、不变形、不沉降。

（2）导轨安装应顺直、平行、等高，轴线与管道轴线重合。导轨必须符合中线、高程的要求，且在安装后和顶管前，其轴线位置、高程等必须进行验收，轴线位置偏差不超过3mm，顶面高程偏差不超过3mm，两轨内距偏差不超过2mm。

（3）导轨端不能距工作壁太远，一般应控制在500mm左右，导轨安装时预留缝高度以100～150mm为宜，导轨以水平安装为佳，特别在软土中顶进，不能带坡操作。

（4）每进完一节管子应校对导轨高程、中线及水平，并随着管道顶进荷载的变化及时校正导向轨。

（5）后背：在工作坑内，后坐墙是承受和传递全部顶力的基础，必须具有足够的强度和刚度，并有足够的顶力安全度。将δ=25cm钢制后靠背紧贴在工作井后座墙壁上，用同强度的砂浆灌缝使之紧密接触，以保证承受最大顶力，安装靠背需保证其铅垂度及其与轴线的垂直度。

后背墙的受力分析

反力R应为总推力F的1.2～1.6倍，以确保安全。

R=aB(γH2Kp/2＋2cH√Kp＋γHKp)

式中总推力之反力（kn）

α-系数（取1.5）

B-后座墙的宽度（m）

γ-土的容重（KN/m3）19KN/m3

H-后座墙的高度（m）

KP-被动土压系数为tg2（450+θ/2）（θ=200）

c-土的内聚力（取200kPa）

h-地面到后座墙顶部土体的高度（m）

4.6顶力估算顶力计算是顶管的关键，依据下式计算

F=F1十F2

式中F---总顶力

Fl---迎面摩阻力

F2---顶进摩阻力5

迎面阻力计算

F1＝P×π/4×D2

P＝Ko×γ×Ho

Ko---静止土压力系数，一般取0.55

Ho---地面至掘进机中心的厚度

γ---土的湿重量，取2.3t/m3

D---管外径

顶进阻力计算

F2＝πD×f×L

D---管外径

f---管外表面平均综合摩阻力，一般取5～12KP，采用触变泥浆时可取8KP

L---顶距

4.7主顶千斤顶安装

（1）千斤顶必须符合中线和水平要求，且要以管道中心线为轴对称布置。主顶油缸架安装要定位准确，保证油缸受力点的位置正确，其高程和平面安装误差控制在3mm以内。安装在油缸架上的油缸中心误差控制在3mm以内。

（2）千斤顶固定在支架上，其合力的中心点在管道中心线上；千斤顶的油路应并联，每台千斤顶应有进油、退油的控制系统。

（3）千斤顶的位置宜位于管道垂直直径的1/3～1/4处，使千斤顶合力位置和顶进抗力的位置在同一轴线上，避免产生顶力偶，导致管道发生高程误差。

4.8油泵安装

（1）油泵设置在千斤顶，油管宜顺直、转角少保证油路畅通；油泵应与千斤顶相匹配，并有备用油泵；油泵安装完毕，进行试运转。

（2）顶进开始时缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进；顶进中若发现油压突然增高，立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进；千斤顶活塞退回时，油压不得过大，速度不得过快。

4.9顶铁安装

（1）顶铁应有足够的刚度，宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型；

（2）单行纵向顶铁中心线与管道轴线一致；双行纵向顶铁的两条中心线要平行，并与管轴线距离相等，且要垂直于管端平面。

（3）顶铁的相邻互相垂直，顶铁上有锁定装置，顶铁放置时应能保持稳定。

（4）纵向顶铁与管端面相接触时，必须使纵向顶铁着力点高度位置位于外直径1/3～1/4处，以防止着力点太高造成前管低头。

（5）当顶力较大时，管端面应加弧形顶铁钢板，以增大管端的受力面积，改善其受力情况，防止管子在顶力过大时损坏。

（6）更换顶铁时，先使用长度大的顶铁，顶铁拼装后应锁定。

（7）顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫，当顶力接近管节材料的允许抗压强度时，管端应增加环形顶铁。

（8）顶进时，工作人员不得在顶铁上方及侧面停留，并随时观察顶铁有无异常迹象。

4.10进出洞施工及密封

（1）设备安装完毕后应对全套顶进设备做一次系统调试，在确定顶进设备运转情况良好后，开始顶进工作。

（2）顶进时，为减少顶进阻力，在洞门处制作密封圈以使灌入的触变泥浆发挥减阻效果。

4.11管道顶进施工步骤及操作要点：

（1）第一节管（工具管）进入洞口后，加强检查，边顶进、边测量，严格控制第一节管走向与坡度。

（2）第一节管顶进1.5~1.7m（以每节管2米为例）时停止顶进，下第二节管。

（3）开挖时严格按规程操作，正常情况下周围方向底部135。范围内不得超挖，其他范围不得超过10mm。

（4）为确保地面及地下设施的安全，每次掘进进尺严格控制在30cm以内，及时测量，发现偏差及时校正。

（5）顶进前管道外壁涂抹石蜡，顶进中及时顶进，同时根据顶力大小采用管内注触变泥浆减阻和填充，使顶力限制在较小范围，遇土质较差段应进行锚杆土体加固，保证上方管线及道路安全。

（6）每节混凝土管承插接口处应加衬垫（弹性较好的五合板或薄木板），防止管节刚性连接，挤裂混凝土管。

（7）顶管施工过程中，管内照明采用36V安全电压供电，特殊土质需采取强制通风。

（8）顶管完毕，应及时将两井端管下混凝土基础做好，以免管端下沉。管节接口内侧间隙填打石棉水泥砂浆封水，全线注水泥浆加固，保证上方管线及道路的永久安全。

（9）测量方法：

①中线偏差测量：采用先进的激光经纬仪进行导向测量，每次测量前与工作坑前后井壁上设置的两点复核。

②一般高程测量：用水准仪及高程尺，根据工作坑设置的水准点标高，测头一节管前端与后端管内底高程，以便掌握头一节管子的走向趋势，测量后与工作坑内另一水准点闭合。混凝土管纠偏在顶进中进行，边顶进、边纠偏、边测量，不能猛纠硬调，以防较过，发生相反的结果。

4.12出土

下管及出土设备：根据管径、管重采用相匹配的吊车下管，采用相匹配的桁车配合出土。顶管工作过程中人工所挖掘的土，先经人力推车推出工作井，最后垂直吊运至地面运输车运出现场。

4.13测量

初始顶进时每300mm测量一次，并做记录。正常顶进时在工作井可随时用全站仪测量，每顶进500mm做一次记录。遇有纠偏时每300mm做一次记录。测量记录上分别绘制高程、中心曲线图，随时掌握管端顶进趋势。

4.14纠偏措施：顶管误差校正缓慢进行，通常有三种方法：

（1）留坎纠偏法：即挖土纠偏法，采用在不同部位增减挖土量。当偏差不超过10mm时负值时在偏向方土层留坎，迫使管头爬坡，正值时反方向适时超挖，利用土层的侧压力及管节自重将混凝土管慢慢挤向反方、下沉。

（2）圆木纠偏法：当偏差超过10mm时，发现上法不起作用进可用此法，根据圆木与混凝土管端面的不同角度，不同距离，顶进过程中，圆木可产生向上（下）和向左（右）的分力，这样混凝土管就会向所需纠偏方向缓慢调头，逐渐正位。

（3）千斤顶纠偏法：原理与上法相同，当顶距较短时，（≦15m）,如发现管中心线有误差，可以利用主千斤顶进行校正。

（4）混凝土管纠偏在顶进中进行，边顶进、边纠偏、边测量，不能猛纠硬调，以防较过，发生相反的结果。

5主要材料及施工机具

5.1主要材料

顶管、泥浆、石蜡

5.2主要施工机具

全套设备包括：掘进机(工具管)、纠偏装置、液压千斤顶、油泵、基座导轨、顶铁、注浆系统、测斜仪、水平仪、激光经纬仪、红外线投线仪、全站仪等。

配套设备有：吊车、桁车、运输车辆、拌浆注浆系统。

5.2.1顶管管材要求

依据计算的顶力进行管道厚度、接头等设计，并委托经验丰富、信誉好、质量佳的厂家生产管材。

（1）必须对运进现场管子进行严格质量检验，不合格的管子严禁用于顶管施工。

（2）顶管用混凝土管宜采用钢承口的接口形式，管材质量应符合下列要求：

混凝土管节表面光洁、平整、无砂眼和气泡；接口尺寸符合规定；钢套环尺寸符合设计规定，接口无疵点，焊接接缝平整，肋部与钢板平面垂直，且应按设计规定进行防腐处理。密封橡胶圈安装前保持清洁，无油污；混凝土管接口处加衬垫，防止管口受力不均而被顶坏。

（3）顶管用钢管时应符合下列规定：

应根据设计要求进行钢管防腐绝缘，检验合格后，对绝缘防腐层采取保护措施。顶进钢管接口焊接后，接口处应补作防腐绝缘层及钢丝网水泥保护层，抹钢丝网水泥时，宜加速凝剂。采用钢丝网水泥保护层时，应焊制钢丝网水泥的保护肋板，顶进设备与管口接触部位应设特制护口边圈保护管壁。

5.3机具设备（以DN2400顶管为例）

6．质量控制

（1）大直径顶管施工质量应满足《给排水管道施工及验收规范》要求。

（2）接口必须密实、平顺、不脱落，密封材料完好、均匀。

（3）管内不得有泥土、石子、砂浆、砖块等杂物。

（4）管壁处与土体间的空隙，应填充处理完毕。

（5）有严密性要求的管道应经闭水试验合格。

（6）顶管允许偏差如表4所示

（7）地面隆沉值在设计允许范围内。

（8）具体指标如下表所示：

7安全措施

（1）建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。

（2）特种作业人员应当持证上岗。

（3）现场临时用电，应符合《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ46-2005)。管道内照明用电应使用安全电压。

（4）工作井周围必须设置安全防护栏杆，并有防止附物的措施、工作井内作业必须戴安全帽、下井应设安全爬梯，并应有可靠的应急措施。混凝土管吊运时，管下严禁站人。

（5）龙门行车设计与安装应符合《龙门架及井架物料提升机安全技术规范》（JGJ88-92）

8环保措施

（1）合理布置施工现场，做到文明施工。为防止泥浆流失污染环境，泥浆经泥水处理系统后及时外运。

（2）泥水处理的方法可采用沉淀法。在场地允许的情况下可设置沉淀池处理。

（3）及时监测地面，调整工艺参数，防止地面隆起或沉陷。

9效益分析

（1）将顶管的工作井、接收井、顶管管材、减阻措施、土体加固措施等所有顶管的施工成本进行核算。大直径顶管的成本降低了105元／米。

（2）此工法可行性强，施工进度快，工期短，可节省工期15%。

（3）分段长度长，可节省征地拆迁，减少对居民与周边道路交通影响。

（4）该工法具有显著的经济效益和社会效益。

结束语

现代化城市的发展离不开管道的建设，越来越多的深埋设管道，过路管道、穿越建筑物的管道、旧城市政改造工程采用顶管施工技术，可减少破路、拆迁等的工程量，减少施工对交通的影响，减少对周围居民及行人车辆的影响。大直径顶管从结构上能够保证安全、优质、高效地完成在砂土，粉质粘土及戈壁土或两层土体之间的顶进施工任务。

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.

[2]叶建良，蒋国盛，窦斌.非开挖铺设地下管线施工技术与实践[M].武汉：中国地质大学出版社，2000.