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顶管施工论文

顶管施工论文

非开挖施工技术

——顶管施工

孙达志

中铁十六局集团第二工程有限公司开发区项目部

摘要：

非开挖技术是近几年才开始频繁使用的一个术语，它涉及的是利用少开挖和不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换的知识、工艺和应用。

而顶管技术是非开挖技术重要的组成部分。

由于该技术适用范围较广，故本文着重讨论顶管技术在技术和经济效益上的优点。

关键字：

顶管管网施工 

1、前言

我们生活在一个日新月异，科学技术高度发达、又紧张忙乱的都市生活方式的世界上。

随着人们生活水平的提高，城市的发展也在加速。

城市建设中的管道铺设也繁杂多样，包括自来水、煤气、电力和通讯设施及雨污水排水系统管道，为了保证这么多管道安装不被破坏，顶管施工将完全能解决这些难题，提供安全及经济的施工方法顶管施工在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境等方面解决了城市施工中的难题，并在应付最恶劣的地下土壤条件中有丰富的经验，任何地方都能提供最经济、准确、健全、快速而可靠的解决问题的方法。

顶管技术的出现为城市管道的铺设提供了安全保障。

顶管施工在天津地区应用较多，针对天津地区的顶管施工进行讨论。

2、工程概况

天津市南港工业区津石高速联络线排水管道工程是南港工业区排水工程的一个重要组成部分。

正常排放管总长1414m，管道内径Φ2400mm，从标高底处检查井位置向高处顶进，出洞口管内底标高-2.836m，全段坡度为0.75‰，终点管内底标高-3.826m。

采用"F-B"型钢承口式钢筋砼管，楔形橡胶圈接口，多层胶合板衬垫。

3、天津地区工程地质和水文地质情况

尽管顶管机械性能超凡，技术先进。

但是在采用该施工技术进行施工时，首要做的事情是深刻了解天津土质特点。

针对土质选用合适的机械。

天津地区地质条件复杂，主要原因是天津地区地处渤海边，属于沿海地段，地层比较多，在管线线路上地层经常发生变化，这无疑增大了顶管施工的难度并常常使技术人员措手不及。

针对地层变化的情况，首先归纳总结出天津地区的地层特点，然后选择适应多种土质的顶管设备。

3.1工程地质

本次勘察施工场地原为盐碱荒地，局部为坑塘，场地地势较平坦，各孔空口标高介于4.20~3.70m之间。

根据地质勘察资料，提供该场地埋深25.00m深度范围内，地基土分布大致如下：

①人工填土层（Qml）

全场地均有分布，厚度1.00~3.30m，底板标高为2.80~0.52m，主要由素填土（地层编号①2）组成，呈褐色，软塑状态，粉质黏土、黏土及淤泥质土土质、含少量石子，属高压缩性土。

人工填土为新近填垫。

②全新统中组海相沉积层（Q42m）

厚度14.70~17.50m，顶板标高为2.80~0.52m，该层从上而下可分为3个亚层。

第一亚层，粉质黏土（地层编号⑥1）：

厚度一般为1.70~4.00m，呈灰色，流塑~软塑状态，有层理，含贝壳，属中压缩性土。

局部夹粉土透镜体。

本层地基承载力95kpa。

第二亚层，淤泥质黏土（地层编号⑥2）：

厚度一般为10.00~11.00m，呈灰色，流塑~软塑状态，无层理，含贝壳，属高压缩性土。

局部夹

无层理，含铁质，属中压缩性土。

局部夹黏土透镜体。

本层地基承载力140kpa。

第二亚层，粉土（地层编号⑧2）：

本次勘察未穿透此层，揭露最大厚度3.50m，呈褐黄色，密实状态，无层理，含铁质，属中（偏低）压缩性土。

本层土在揭示范围内水平方向上土质较均匀，分布较稳定。

本层地基承载力170kpa。

3.2水文地质

勘察期间测得场地地下潜水水位如下：

初见水位埋深1.50~1.80m，相当于标高2.32~2.12m。

静止水位埋深0.70~1.10m,相当于标高3.05~2.92m。

表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，地下水位随季节的变化有所变化，一般年变幅在0.50~1.00m左右。

4、顶管的技术特点

这种技术具有许多优势，但如今我们所了解的仅是其中的一小部分，其潜力是无法预测的，设备的施工能力和应用在不断发展。

顶管技术在经济、生态和环境上又有许多优点，但仍有许多待人们认识，这正是为什么必须使用顶管方法来进行地下管线施工的原因。

与其它技术相比，顶管技术起步较晚。

但是值得注意的是在最近20多年中，顶管施工技术无论在理论上，还是在施工工艺方面，都有了突飞猛进的发展。

顶管技术是极为重要的一种都市铺设管道施工和深基坑管道施工的手段，采用顶管施工法铺设管道具有如下得天独厚的优势：

4.1顶管施工是顶管铺管技术的一种，其在国外已广泛使用，在国内也己逐渐普及。

于不开挖地面，所以能穿越公路、铁路、河流，其至能在建筑物底下穿过，是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法，堪称为环境保护施工时的环境保护。

4.2顶管施工不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管寿命亦大于开挖法埋管。

4.3采用房下顶管施工法能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大的经济效益。

4.4顶管工艺不仅仅用于管线铺设，它还具有灵活的排管施工方式。

更为重要的是顶管施工作为一种工艺，它不仅仅铺设管线，它在管棚施工方面也具有优势。

管棚施工是指在地下构筑物施工前，先利用密排的钢管作成各种断面形状的管棚，对地面建筑物在施工过程中起到保护作用或者是为了达到某种特殊要求而采取的一种辅助施工措施。

下图是采用顶管施工的常用各种横断面的管棚[1]

4.5顶管施工范围的扩大，顶管机械的性能越来越适应各种土质。

顶管特别适用中小型管径管道的非开挖铺设。

与其它非开挖设备相比，其具有独特的优点，参见表l。

表1顶管与其它非开挖技术的对照表

比较项目

气动矛

水平定向钻

机械顶管

盾构施工

管材

钢管

钢管、PVC管、PE管

钢管、钢筋混凝土管、复合管、PE管、陶管

盾构管片

管径

50—300mm

50—600mm

200—3000mm

3000mm以上

一次施工距离

20—40m

一般100m左右，特大型1km左右

管径＜800mm；130m左右，管径≥800mm；1km以上

500m以上

适用土质

软土，在混合层中困难

一般土，在砂砾，岩层中困难

粘土，砂砾至岩层全土质均可

软土为主

平衡地下水

不能

困难

好（且不用井点降水）

能

控制地面沉隆

不能

不能

好（顶进面有压力管理）

能（需有相当的深度）

机械原理

采用压缩空气、冲击型

先钻进，后扩孔回拖

前面刀盘切削土体，后方顶进

前面刀盘切削土体，顶进机头后设置管片

施工速度（同土质比）

500mm—2m／min

2m—5m/min

70mm—200mm／min

10mm—50mm／min

施工精度

施工中无诱导

地面方向有诱导

激光定位，机头纠偏（绝对偏差；上下±50mm，左右±30mm以内）

机内测量

曲线施工

不能

用钻管前方导向板

任意曲线，曲率半径可小于50m

任意曲线

占地面积

小

较小

管线两头需分别设置工作井和到达井

大

穿越对象

穿一般通路

穿路，过河（须设置管内导向）

穿路、过河、市区房下顶管

过河、市区穿越

用途

电缆、通信、煤气、自来水支管

电缆、通信、天然气、自来水管

所有管线，包括重力流的下水、污水，雨水管线

地下铁道、隧道

设备价格

10一40万元

100一300万元

约100万元以上

约500万以上

顶管发展新方向是更新旧管道技术，例如由于人口量的增加，原有的河水管道需要在原来位置的基础上进行扩径，而且不能影响正常的居民排污，这时需要采用更新旧管道技术。

另外，在顶管机前方安设探查前方管线或障碍物的探查仪，使得顶进施工时可提前采取防范措施。

5、工具管选型

由于津石高速联络线工程的地质情况。

经多次比选论证，最终决定采用密封式大刀盘泥水加压平衡工具管施工。

5.1泥水加压平衡工具管工作原理

泥水加压平衡工具管设有可调整推力的浮动式大刀盘进行切削和支承正面土体。

推力设定后，刀盘随土压力大小变化前后浮动，始终保持对土体的恒定支撑力，使土体保持稳定，即刀盘的推力与开挖面的土压力保持平衡。

机头泥水仓中加入有一定含泥量的泥水，保持一定的压力，一方面对切削面地下水起平衡作用，另一方面又能起到运载切削下来的泥土作用，加入泥水仓中的泥水压力，通过旁通阀来调节。

5.2结构特点

本机采用二段一铰承插式结构，在铰接处设置二道密封装置，并设有4只注浆孔，便于施工时同步注浆，泥浆套厚度20mm。

有4只双作用油缸编组进行纠偏，纠偏角度α=±2o。

浮动的大刀盘由4台液压马达驱动，二段壳体之间设有止转装置，可防止壳体相对转动。

设有3只土压传感器，显示正面土体压力值，工具管的运转情况、各种仪表值，测量信息、纠偏油缸动作状况均通过电视摄象机反映到操作台屏幕上，操作人员可以根据这些信息进行遥控操作。

5.3适用范围

泥水加压平衡工具管与其他工具管相比，具有平衡效果好，结构紧凑，技术先进，由于出土方式是用水力机械化连续出土，所以顶进速度快，对土质的适应性强。

无论是粘性土还是砂性土，均能收到良好的效果。

6、顶进技术措施

6.1出洞的技术措施

由于出洞出覆土很厚，且地下水位高，此次出洞特采用了井内外封门。

出洞时将封门里的密封槽钢一根根拔出，然后将封门上口及时封闭，拔完槽钢后工具管即可安全出洞。

采用这种出洞措施确保了出洞是的安全，并提高了工具管在出洞阶段的稳定性。

6.2泥浆减阻技术

顶管掘进施工加注减阻泥浆，对于长距离顶管施工中，减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。

泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆，是由膨润土、CMC（粉末化学浆糊）、纯碱和水按一定比例配方组成。

不同的土质，应采用不同的配方，才能满足不同的需要。

触变泥浆配比，根据不同土质和某些特定的需要通过试验确定。

本顶管出洞200m范围内为砂性土，含水量高，渗透性强。

因此要求该段的浆液粘度要高，失水量要小，并对土层要起一定支承作用。

顶管出洞后管节周围能迅速形成泥浆环套。

触变泥浆减摩效果的好坏，除了与上述选用的浆液材料和配比有关以，还与注浆孔的布置、注浆泵的选用、注浆压力及注浆量有关。

顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围的空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的4~5倍，但在施工中还要根据土质情况、顶进状况、地面沉降的要求等做适当的调整。

根据规范，使用减阻泥浆后，管壁的侧向摩阻力为3~5Kpa，经过计算，本工程顶进施工时管壁的侧向摩阻力远小于上述值，泥浆的减阻效果十分明显，为顶进施工的顺利进行创造了有利的条件。

6.3轴线控制

在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。

顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。

在施工过程中，应贯彻"勤测、勤纠、缓纠"的原则，不能剧烈纠偏，以免对管节和顶进施工造成不利影响。

顶进时应及时掌握工具管的走势，顶进时可以通过观察工具管的趋势指导纠偏。

6.4水力机械化施工

Φ2400mm顶管正常排放管顶进距离为1414m，采用大刀盘泥水加压平衡工具管施工，因此泥水系统的配置是工程成败的关键之一。

由于本次顶进距离长达1414m，泥水管理显得极为重要。

工具管切削下的土体中会有颗粒较大的石块，当其粒径大于排泥管内径的三分之一时，有可能发生管路堵塞。

另外，如果泥水管内泥水的流速过慢，泥浆就会沉淀在泥水管内，引起回路不畅，严重时会发生管路堵塞，因此泥水管内的流速必须大于一定速度，防止产生沉淀。

在发生管路堵塞后，可采用特殊点法及二分法进行管路清理。

6.5工作坑设置

6.5.1工作坑支护

⑴工作坑测量放线后，在距工字钢支护外边400mm位置为中心打双排水泥搅拌桩做止水帷幕，顶管后背打设4排水泥搅拌桩，洞口处打设2排水泥搅拌桩，水泥搅拌桩采用￠700，桩长13m，咬合250mm，水泥掺量12％。

⑵水泥搅拌桩施工完毕后，制作工字钢支护。

工作坑后背采用12米长I36a工字钢竖排密打，其它侧采用一横一丁咬打。

工字钢支护施工完毕后即可进行工作坑的开挖，工作坑采用人机配合开挖，挖到1.5米处时采用I36a工字钢双拼焊接第一道矩形支撑框架，支撑四周加焊三角支撑，第二道支撑距离管道顶0.1m处。

挖至设计钢筋混凝土基础时，在其上设置一道临时支撑，待基础铺设完毕后拆除。

6.5.2本工程投入的钢板桩的参数

本工程投入的钢板桩采用I36a工字钢，宽136mm，高360mm，厚10mm，理论重量60.039Kg/m，要求I36a工字钢无穿孔，修边调直后方可使用。

I36a工字钢之间用I36a工字钢双拼进行连接，连接采用电焊焊接。

明开槽支撑采用φ300×10钢管进行内支撑，内支撑水平间距为4.0m，管道安装需调整对撑间距并及时回顶。

7．顶管施工应注意的问题

在顶管施工过程中常会遇到如下值得注意的问题：

7.1工程地质和水文地质条件

沿管线土层变化频繁，所以在顶管施工前必须了解土层的变化情况：

此外对于要经过回填土地段，需要提前加固处理，以防顶管施工后地表有过大的下沉。

7.2有毒气体的检测与防护

顶管施工的地层一般会通过淤泥层，腐烂动、植物体会在地下形成有毒气体聚集体，危害施工人员的健康和生命，所以有人员在顶管内操作的情况下，需要定时监测管内有毒气体含量，采用通风装置予以解决。

7.3超前探查地下管线

尽管先进的顶管设备具有在施工时探查前进路线不远距离管线的能力，但是采用在地面提前查明地下管线仍是值得开展的，这对于保证通讯、电力、上水、排水、煤气等其它管线安全运营，确保公众正常生活仍有必要。

7.4穿越建筑时对基础的探查

顶管在建筑物基础下施工时，需要明确施工施工路线上所遇到的基础类型，对于部分基础顶管顶进前可采取托换、加固措施。

7.5顶进计算

顶进计算其一包括准确计算顶进推力，根据计算结果选定相应的油缸类型和确定中继间的分布；其二是工作井设计，根据计算得到的最大顶力，提出工作井的加固方案。

8、结论

鉴于以上顶管技术分析、天津地区地质特点分析，并且在天津南港工业区津石高速联络线工程中进行的顶管施工，我们认为在天津地区选择合适顶管机械进行顶管工艺的施工从技术上讲是完全可行的，从社会效益与经济效益上来讲是巨大的。

我们所需要做的工作无非是针对天津土层特点选用相应的非开挖技术进行施工。

不可更改的是历史，着意刻画的是未来。

通过本次顶管施工经验，无论从技术、社会效益、经济效益、保护环境等方面，我们认为顶管施工技术作为非开挖技术的重要组成部分，其在特殊地质条件下的应用价值是无可比拟的，我们可以想象未来的管线铺设技术将以顶管工艺为主，并在以后将加大推广顶管施工技术。

参考文献

期刊：

[1]魏纲,徐日庆,屠玮;顶管施工引起的土体扰动理论分析及试验研究[J];岩石力学与工程学报;2004年03期

[2]冯海宁,龚晓南,徐日庆;顶管施工环境影响的有限元计算分析[J];岩石力学与工程学报;2004年07期

[3]魏纲,余振翼,徐日庆;顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析[J];岩石力学与工程学报;2004年15期

[4]黄宏伟,胡昕;顶管施工力学效应的数值模拟分析[J];岩石力学与工程学报;2003年03期

[5]房营光,莫海鸿,张传英;顶管施工扰动区土体变形的理论与实测分析[J];岩石力学与工程学报;2003年04期