頂管工程施工工藝技術(shù)探究

易 歡

（郎溪郎川水環(huán)境治理有限責(zé)任公司，安徽 宣城 242100）

隨著城市化進程的加快，地下管道的建設(shè)越來越受到重視，而頂管工程作為一種無需開挖地面的敷設(shè)方式，具有不破壞地面、施工周期短、施工成本低等優(yōu)點，因此在城市地下管道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，頂管工程施工過程中存在著一些技術(shù)難點和問題，如頂管機的安裝、調(diào)試、頂進、糾偏、注意事項等，這些問題直接影響著頂管工程的施工質(zhì)量和效率。因此，對于頂管工程施工工藝技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 工程概述

本工程為我司投資的城區(qū)建筑工程項目頂管段部分，施工范圍設(shè)計起點為：WBH3 號井；設(shè)計終點為：WBH6 號井。新建頂管管道下穿市政道路延伸至兩側(cè)民居道路內(nèi)，局部穿越2-3 層民居。埋深9.48m～9.99m，頂管管線全長349m，共分為3 個頂管段，WBH6-WBH5頂管段185m，WBH4-WBH5 頂管段21m，WBH4-WBH3頂管段143m。管徑為DN1800mm，流向自東向西。主要解決上下游河道連通后整段河流貫通問題。本工程采用泥水平衡卵石破碎頂管法施工，工作井凈尺寸分別為WBH6：5.5*8.0m*10.49m方井、WBH4：6.5m*10.77m圓形井，接收井凈尺寸分別為WBH5：4.5m*10.4m 圓形井、WBH3：4.0*5.0m*9.98m 的方形井。

2 施工準(zhǔn)備工作

根據(jù)實際現(xiàn)場勘查，頂管穿越深度范圍內(nèi)主要涉及礫砂層，局部夾有粉質(zhì)黏土。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）判定場地環(huán)境類型為Ⅱ類。設(shè)計位置存在地上2-3 層建筑物和地下管線，環(huán)境較復(fù)雜。新建管道位于市政路兩側(cè)民居道路內(nèi)，局部穿越民居，沿線也穿越該市政路。

施工前需進行推力計算及考慮中繼間設(shè)置，根據(jù)設(shè)計圖紙，工作井后背墻設(shè)計為整體式后背結(jié)構(gòu)，錨噴墻+鋼筋混凝土后靠背+后背鐵。后背為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與錨噴墻及底板澆筑一體，寬度為5.0m，高度4.6m，厚度0.5m。后背墻主筋采用Ф16@200 鋼筋網(wǎng)格（雙層），混凝土強度C30。在混凝土后靠背前垂直地面放置后背鐵，后背鐵采用2cm 厚鋼板，尺寸與混凝土后背墻相當(dāng)。后背墻外土體的總被動土壓力（KN/m）計算式。

將各項參數(shù)帶入式中，求得總推力之反力R=9909 KN。安全系數(shù)取值1.3，經(jīng)計算得出頂管采用5.0m*4.6m后靠背允許使用的最大總推力7622KN，即762T[1]。

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50268-2008，式6.3.4 進行推力理論計算：F=F1+F2；F1=πD2γP/4；P=γH0；F2=πDfkL。對于采用觸變泥漿減阻技術(shù)的宜按綜合摩擦阻力取值參考表選用，當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟可靠，管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套時，fk值可直接取16.0～20.0KN/m2。經(jīng)計算WBH6-WBH5 井段所需的總推力為 2077.7T，工作井能承受的最大頂力為762T，選用的頂管機主頂缸為8臺80T級油缸，可提供640T 頂力。頂管總推力大于設(shè)計的主頂缸總推力，因此需設(shè)置中繼間繼續(xù)頂進。頂進時為確保安全，當(dāng)頂力達到中繼間設(shè)計頂力的80%時，即需設(shè)置中繼間，中繼間設(shè)計總推力f=800T（由16 只50T 小千斤頂組成）。L1=（f*0.6-F1）/10.85=37.77m，L2=f* 0.8/10.85=58.98m。故本段頂管需設(shè)置中繼間2 套。中繼間設(shè)置位置為機頭后40m 處一套，第一套中繼間向后60m 處設(shè)置第二套。同上計算WBH4-WBH5 井段不需設(shè)置中繼間。WBH4-WBH3 井段需設(shè)置中繼間2 套，設(shè)置位置與前述一致。

施工計劃依據(jù)監(jiān)理單位審批通過的計劃實施?，F(xiàn)場指揮由施工單位項目經(jīng)理擔(dān)任，并抽調(diào)各部門精銳力量組成項目班子進行科學(xué)管理。人材機準(zhǔn)備依據(jù)現(xiàn)場實際需求提前安排。管理人員需提前熟悉施工圖紙，完成圖紙審查及專項施工方案的專家論證工作。施工前應(yīng)了解現(xiàn)狀地下各種管線及障礙物的規(guī)格、位置，并與有關(guān)管線單位聯(lián)系，要求其派員現(xiàn)場監(jiān)護，需要時采取應(yīng)急保護措施。

3 頂管施工工藝技術(shù)

3.1 施工整體安排

根據(jù)設(shè)計要求及工期需要，對本段頂管施工采用DN1800mm 管徑泥水平衡卵石破碎式機械頂管。待工作井施工完成后，在WBH6 井單向頂進，待WBH6 至WBH5 段頂進完成后，再在WBH4 工作井向WBH3、WBH5 方向雙向頂進。管材采用承插式Ⅲ級鋼筋混凝土鋼承口管，橡膠圈接口。

3.2 泥水平衡頂管施工

3.2.1 泥水平衡頂管施工原理

泥水平衡卵石破碎頂管工藝基本原理：泥水平衡卵石破碎頂管機在電動機轉(zhuǎn)動下通過減速機、變速箱帶動刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，其中的滾刀由正反旋轉(zhuǎn)的刀盤帶動自轉(zhuǎn)，靠滾刀的切削擠壓，對卵石進行切削破碎，同時頂管機被主頂缸向前推進，被切削破碎以后的卵石進入泥水倉內(nèi)，在泥漿的帶動下隨著管道排出，通過泥漿系統(tǒng)的排泥管，由排泥泵輸送到泥漿水分離設(shè)備中。分離后的殘石需處理，泥水被送至輸水系統(tǒng)進行再循環(huán)利用。頂管機前端設(shè)有與工程土質(zhì)相符的刀盤和破碎大粒徑漂白礫石的切削滾刀。刀盤與機械動力腔之間設(shè)有破碎腔，能充分承受破碎碎石的壓力和切割壓力[2]。頂管施工時，由于部分頂段頂進長度長，需要設(shè)置中繼間，具體位置由理論計算確定。

3.2.2 平面布置

施工范圍內(nèi)應(yīng)安裝圍擋封閉、隔離，且需設(shè)置辦公場所、監(jiān)控室、倉庫、配電間等設(shè)施。布置需結(jié)合現(xiàn)場實際情況要合理。管道頂進時，采用汽車起重機將管道吊起緩慢勻速下放。井內(nèi)主要布置有后靠背、導(dǎo)軌、主頂缸、油泵動力站、鋼扶梯等。

3.2.3 工作井加固

為保證工作井在頂管進、出洞處附近的土體穩(wěn)定，對工作井壁外側(cè)1.6m 內(nèi)土體進行全斷面注漿加固，采用由井外向內(nèi)注漿的方式。注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿，漿液配比由現(xiàn)場試驗確定，注漿后的土體無側(cè)限抗壓強度不小于0.8MPa。洞門處設(shè)置DN32，長度3.25m 的注漿導(dǎo)管，導(dǎo)管之間間隔0.2m，加固范圍寬度6.0m、高度6.0m。向小導(dǎo)管內(nèi)注入水泥+水玻璃漿液，注漿壓力維持到 0.15MPa～0.20MPa。注漿24 小時后，使用風(fēng)鎬將洞門處的混凝土鑿除，洞口為圓形，直徑為2660mm。洞門處使用Φ22 鋼筋將鋼格柵內(nèi)、外連接焊接牢固，然后切斷鋼格柵。在洞口處人工向前挖土400mm 左右，最后將鋼筋、混凝土等雜物清理干凈。

3.2.4 頂管設(shè)施安裝

導(dǎo)軌安裝工作尤為關(guān)鍵，安裝的精度直接影響頂管施工質(zhì)量。在工作井底部設(shè)置150×150mm 預(yù)埋鐵，間隔100cm，需測量每根方木標(biāo)高，使其與頂進坡度一致。將鋼導(dǎo)軌焊接到預(yù)埋鐵上，測量標(biāo)高與導(dǎo)軌中線的偏差，頂標(biāo)高允許偏差為0mm～3mm，中線為3mm，導(dǎo)軌內(nèi)距為±2mm。用工字鋼（30#）穩(wěn)定導(dǎo)軌，工字鋼一端與導(dǎo)軌焊接，另一端牢固地抵在工作井的側(cè)壁上。

工作井施工完成后即可安裝頂管設(shè)備，首先進行后背鋼板的安裝。頂管后背結(jié)構(gòu)為：基坑錨噴混凝土+混凝土后背墻+后背鋼板。后背鋼板放置于后背墻前垂直地面上，鋼板與后背墻之間的空隙用C30 混凝土澆筑填充。后背墻應(yīng)垂直于頂管軸線，表面平直，可有效傳遞作用力避免偏心受壓。后背安裝最大偏差值為：水平扭轉(zhuǎn)度：0.1% *后背寬度，垂直度：0.1% *后背高度。

現(xiàn)場吊裝配置50T 汽車起重機，將頂管機緩慢吊入導(dǎo)軌上，前端距洞門墻400mm 左右。到位后，檢查掘進機軸線與主頂缸軸線、頂進井軸線、導(dǎo)軌軸線是否一致。如發(fā)現(xiàn)偏位，需即刻調(diào)整，調(diào)整完成后進行系統(tǒng)連接調(diào)試。頂進過程中管道上方增加2.5T 配重，采用吊車進行吊裝穩(wěn)固。

3.2.5 頂進

初始頂管是頂管施工的關(guān)鍵階段，其成敗將決定整個頂管過程的成敗。初始頂進分為以下幾個步驟：（1）破洞。破洞前，在洞口設(shè)置防止土或砂層坍塌（注漿）的措施。（2）將頂管機入土。當(dāng)封門破除時，啟動頂管機的刀盤，用主油缸將頂管機慢慢推入土中。（3）將機頭后面的混凝土管與機頭管連接成一個整體，用于控制頂進段的標(biāo)高和中線。此時，初始推進完成，需進行一次全面的測量，最終將測量數(shù)據(jù)繪成曲線，便于分析[3]。

在頂進施工需注意：（1）連續(xù)頂進不可長時間停頓。如果頂進間隔過長，地下水將會滲出，土拱也會坍塌，這將增加頂力。（2）檢查第一段頂管標(biāo)高、中線、坡度。頂升過程中連續(xù)測量。用水準(zhǔn)儀測量標(biāo)高，用全站儀測量中線。（3）如頂進時偏差過大，應(yīng)立即停止頂進，糾正偏差。（4）頂進時控制頂進速度、掘進機工作效率，通過理論出土和實際出土的對比，核算出頂進中是否有土體超挖。（5）頂進時控制掘進機泥倉壓力和潤滑泥漿注漿壓力不超過計算壓力或規(guī)定值，不造成地面隆起。

在頂進過程中，操作人員可利用機頭方向誘導(dǎo)裝置進行糾偏，從而確保激光點位始終處于光耙中心位置。頂進前須嚴格遵循放樣復(fù)測制度，同時做好原始記錄，以確保測量無誤。在頂進時，為避免工作井后面的儀座發(fā)生位移和變形，需及時復(fù)測和調(diào)整。頂進糾偏工作需勤測、勤微調(diào)，糾偏角度不得超過±3°。在初始推進過程中，主要由主頂缸控制方向，故需減緩主頂速度，且需不斷調(diào)整油缸編組和機頭糾偏。

糾偏——頂管工程關(guān)鍵工序。只有掌握糾偏方法，頂管軸才能達到設(shè)計要求。軸偏的原因多數(shù)為：泥水循環(huán)控制不當(dāng)，使掘進面空化，導(dǎo)致機頭掘進方向改變。

進洞前機頭方位定位不準(zhǔn)確等?？衫冒惭b在機頭的糾偏油缸伸縮，改變機頭前端的前進方向后，在頂進過程中逐漸修正原設(shè)計的位置，從而獲得糾編效果。根據(jù)光靶上激光點偏離的方向，向該方向延伸糾偏[4]。

管道頂進20m 后在管壁與石壁的縫隙間注入觸變泥漿，形成泥漿套減阻。觸變泥漿從前向后依次加入，頂進一段距離后及時進行補漿。為了使膨潤土充分分散，泥漿拌合后停滯時間在12 小時以上。管道頂進時向管外壓注觸變泥漿，降低管道延程摩阻力。根據(jù)經(jīng)驗采用觸變泥漿減阻，預(yù)計可減少頂力的30%。

3.2.6 出洞方案

為預(yù)防泥漿在出洞口和頂進過程涌入工作井，在洞口內(nèi)提前安裝穿墻套管一個(套管一側(cè)帶有法蘭)，用于安裝止水封板和橡膠止水圈。因在頂進過程中會造成橡膠止水圈磨損，須頻繁更換橡膠止水圈。為有效防止更換外部橡膠止水法蘭時地下水流入井內(nèi)，可于洞口內(nèi)側(cè)設(shè)置一道橡膠止水圈[5]。

3.2.7 頂后處理

頂管結(jié)束后應(yīng)及時進行泥漿置換。泥漿置換回填注漿加固完成后，立即進行地探雷達檢測，檢測頂管施工對土體是否擾動，確定松散土體、空洞的位置與規(guī)模。對雷達檢測有空洞的位置，應(yīng)及時進行補充注漿。補充注漿方式同泥漿置換方式。宜進行多次補漿以使沉降趨近于0，相鄰混凝土管道之間的縫隙可使用石棉水泥填實。

4 保證措施

施工準(zhǔn)備階段由公司、項目部及班組三級成立安全小組，以加強現(xiàn)場安全管理。施工過程中，明確職責(zé)，落實責(zé)任，強化安全意識。通過安全作業(yè)措施、安全教育、交底、培訓(xùn)、應(yīng)急預(yù)案等有效管理措施，使本工程杜絕重傷和死亡事故。施工前編制頂管施工質(zhì)量保證措施，施工時嚴格按照規(guī)范及保證措施要求組織施工。因施工場地較小，工程性質(zhì)及施工環(huán)境特殊，資源調(diào)配復(fù)雜、交叉作業(yè)等工程特點，編制針對作業(yè)形式、特殊工藝的文明施工管理方案，統(tǒng)籌部署文明施工。

5 結(jié)語

頂管工程是一種新型的管道施工技術(shù)，具有施工周期短、對地面破壞小、施工效率高等優(yōu)點。通過對頂管工程施工工藝技術(shù)的探究，研究確定了頂管工程施工的關(guān)鍵技術(shù)，包括頂管機的安裝、調(diào)試、頂進、糾偏、注意事項等。對頂管工程施工控制進行了研究，提出了相應(yīng)的控制措施，以期為提高頂管工程施工的質(zhì)量和效率提供借鑒。本文的研究成果對于頂管工程的施工具有一定的參考價值，也為類似工程提供參考依據(jù)，為我國建筑行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持和理論支持。