非開挖頂管施工技術在市政排水管網施工中的應用

李克鵬

摘 要：經過多年的發展，非開挖施工技術在我國得到飛速的發展。非開挖工程技術較好的解決了管道埋設施工中對城市道路的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩定土層和環境保護方面優勢明顯。這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復雜的城市是非常重要的，它將為城市創造一個潔凈、舒適和美好的環境。

關鍵詞：非開挖；頂管；土壓平衡；管道

1 場地環境

本工程位于某城市快速路西側、秦淮河北岸，施工場地原地貌為混凝土路面，屬小區道路，為小區及沿線門面進出服務，通過南側出口上河堤道路后通往雙龍大道，車流量較小。道路寬20米，占用南側半幅10米作為施工場地。

北側為小區樓房，框架結構。距管道中心線約20.5米。南側為秦淮新河，管道距河堤堤頂約40米。在南側綠地上有一道高壓線，最近處水平距離約10.6米。西側是一小型泵站，為本工程管道出口。管道起點段地下為地鐵下行線區間盾構隧道，埋深19米。

2 工程簡介

管道全長208米，內徑1500mm，采用頂管施工。起點處管內底標高為6.75m，位于雙龍大道西側人行道上；終點管底標高6.54m。全線管道埋深5.5m～5.8m（出水口處除外），坡度1‰。

全線設兩座工作井（YA2、YA4）、兩座接收井（YA1、YA3）。

工作井為鋼筋混凝土矩形井，頂管完成后作為雨水檢查井。井埋深約7米，采用支撐下開挖法施工，工作井開挖施工采用拉森鋼板樁支護。

接收井為鋼筋混凝土圓形井，頂管完成后作為雨水檢查井。井埋深約6.2米，采用人工挖孔逆作法護壁直至井底，再進行井的結構施工。

共投入兩套頂管設備，一套在YA2井內實施Ⅰ、Ⅱ段的施工；另一套設備在YA4井內實施Ⅲ、Ⅳ的施工。兩套設備同時進行施工，先施工Ⅱ、Ⅲ段，實際頂距70m；再施工Ⅰ、Ⅳ段，實際頂距16m（34m）。

3 施工工藝

1、施工方法的選擇

因管道所在土層土質情況較差，雜填土幾乎占到一半以上，且以建筑垃圾為主，土體結構松散，密實度差。地下水位較高，雨季及雨天出水量大。

綜合各方面因素，采用土壓平衡的施工方法。

土壓平衡法施工的主要特征是在頂進過程中，利用土倉內的壓力和螺旋輸送機排土來平衡地下水壓力和土壓力。與泥水式頂管施工相比，最大的特點是排出的土或泥漿不需要再進行泥水分離等二次處理；與手掘式及其他形式的頂管施工相比較，又具有適應土質范圍廣和不需要任何其他輔助施工手段的優點。

2、施工工藝流程

在坑內的頂部軸線后方，布置一組行程較長的導軌。將敷設的管道放在主油缸前面的導軌上，管道的最前端安裝工具管，主油缸頂進時，以工具管開始推著前面的管道擠過坑壁上的穿墻管，把管道壓入土中。與此同時，進入工具管的泥土被不斷挖掘排出管外（取土的方法分機械取土、人工取土）。當主油缸達到最大行程后縮回，放入頂鐵，主油缸繼續頂進。如此不斷加入頂鐵，管道不斷向前延伸，當坑內上的管道幾乎全部頂入土中后，縮回主油缸，吊去全部頂鐵，將下一節管段吊下坑，安裝在管段的后面，接著繼續頂進，如此循環施工，直至頂完全程。

3、頂管機頭

（1）頂管機的選擇

選用DK式單刀盤土壓平衡頂管機，也稱大刀盤土壓平衡頂管機。

（2）工作原理

先由工作井中的主頂進油缸推動頂管機前進，同時大刀盤旋轉切削土體，切削下的土體進入密封土倉與螺旋輸送機中，并被擠壓形成具有一定土壓的壓縮土體；經過螺旋輸送機的旋轉，輸送出切削的土體。

密封土倉內的土壓力值可通過螺旋輸送機的出土量或頂管機的前進速度來控制，使此土壓力與切削面前方的靜止土壓力和地下水壓力保持平衡，從而保證開挖面的穩定，防止地面的沉降或隆起。

由于大刀盤無面板，其開口率接近100%，所以設在隔倉板上的土壓計所測得的土壓力值就近似于掘削面的土壓力。

根據頂管機開挖面不同地層的特性，通過向刀盤正面和土倉內加入清水、粘土漿（或膨潤土漿）、各種配比與濃度的泥漿或發泡劑等添加材料，使一般難以施工的硬粘土、砂土、含水砂土和砂礫土改變成具有塑性、流動性和止水性的泥狀土，不僅能被螺旋輸送機順利排出，還能頂住開挖面前的土壓力和地下水壓力，保持刀盤前面的土體穩定。

若增加刀盤的驅動動力和變換刀盤體，還能在泥巖、強風化與中風化砂巖中掘進施工，也能用于易坍塌的含水砂層以及混有卵石的砂礫層等各種地層，這種頂管機對土層的適應性較強。

（3）土壓控制范圍

該機型的施工原理是建立在土壓平衡理論基礎上的。即：掘進機正面壓力與所處土層的地下水壓Pw和土壓力P處于平衡狀態；排土量與掘進機頂進體積的平衡。

該機面板上設有土壓力傳感器，可精確測量土倉內土壓力P， 在理論上我們將P控制在Pa～Pp之間，這樣就能達到了土壓平衡。

從實際施工來看，在復土層較深時，主動土壓Pa～被動土壓Pp的變化范圍較大，加上理論計算與實際間的誤差，一般將施工控制土壓設定在P0±20KPa范圍內。

4、頂力計算

（1）計算內容

管道頂進時克服的各種阻力之總和為頂力。正確的確定頂進時的頂力，對決定頂進設備及后背墻的規模，使其既簡易又合理，又有一定的安全儲備頗為重要。其阻力包含：

①管道頂部以上的垂直土壓力引起的管道與土的摩擦力；

②由水平壓力引起的管道與土的摩擦力；

③管道自重產生的管道與土的摩擦力；

④頂進時管道前切土阻力（迎面阻力）。

（2）計算公式

（3）計算結果

通過代入數據計算得出P=2171.95kN。

4 頂進設備的選擇

頂進設備由液壓系統和傳力設備兩大部分構成。液壓系統主要包括千斤頂、高壓油泵、閥門和其他液壓元件；傳力設備主要包括頂鐵、活動橫梁、固定橫梁和頂柱等。

按照計算出的頂力，根據我公司現有設備，確定每個機位使用兩只DQ-200型千斤頂。

該型千斤頂頂力2000kN，活塞面積416.5cm2，工作壓力40MPa，頂程100cm。使用時頂力控制在1200kN以下，千斤頂總推力2400kN，能夠滿足施工需要。

頂進施工時，高壓油泵和千斤頂配套使用。

千斤頂的安裝和使用要求：

①千斤頂固定在組合千斤頂架上整體吊裝，安裝時保證與管道中心的垂線對稱。兩只千斤頂的合力作用點應在管道中心的垂直線上；

②保證使用的千斤頂規格相同。使用時應行程同步，每臺千斤頂的使用壓力不得大于其額定工作壓力，千斤頂伸出的最大行程應小于油缸行程10cm左右；

③千斤頂的油路必須并聯。每臺千斤頂都要有進油、退油的控制系統；

④頂進開始時應緩慢進行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進速度頂進；

⑤油泵設置在千斤頂附近，油管應順直、轉角少；

⑥油泵應與千斤頂相匹配，并應有備用油泵；油泵安裝完畢，應進行試運轉；

⑦頂進中若發現油壓突然增高，應立即停止頂進，檢查原因并經處理后方可繼續頂進；

5 常見問題及處理方法

1、地面隆起與塌陷

（1）現象

①地面隆起，且有放射狀裂紋。

②地面下陷，在沉降槽兩邊有平行的兩條裂紋。

（2）原因

①不論是地面隆起還是地面下陷，都是由于沒有控制好土倉壓力的結果。

②如果當土倉內的控制土壓力大于掘進機所處土層的被動土壓力Pp時，地面就會隆起。隆起的部位是位于頂管機機頭的前上方。這種隆起有兩個特征：第一、反映相當迅速。即只要當土倉內土壓力一超過Pp時，地面立即隆起。第二、隆起的中心有好幾條放射狀的裂縫向四周伸展開去。

③如果當土倉內的控制土壓力小于頂管機所處土層的主動土壓力Pa時，地面就會下陷。下陷最深的地面是位于頂管軸線上方的地面上。下陷的反映沒有隆起反映那么快，而是有一個過程的。另外，地面下陷以后，在地面沉降槽的邊緣會有兩條平行的裂紋。

（3）防治措施

①嚴格控制好土倉內的控制土壓力，不使它超出允許范圍之外。

②一旦發現有隆起，應把控制土壓力調低些。反之，一旦發現有較大的下陷，則應把控制土壓力調高一些。調整以后，還須對地面的變化情況加以跟蹤。

2、頂管機偏轉

（1）現象

頂管機順時針或逆時針偏轉，給操作、排土、測量等工作帶來諸多不便。

（2）原因

①在進洞之前，由于機身與導軌之間的摩阻力不足以抵抗刀盤轉矩的反力而使頂管機偏轉。刀盤如果是順時針方向轉，頂管機則往逆時針方向偏轉，反之則相反。

②在土層中頂進過程中發生偏轉。這種偏轉往往不僅僅限于頂管機，而且涉及整條已頂進的管道。大刀盤可用反力來解釋這種偏轉。但有一點是可以肯定的：即糾偏越頻繁，方向歪歪扭扭則這種偏轉越大；反之則小。

（3）防治措施

①可在頂管機或隨其后2～3節管子上，焊上防偏轉的定位板，讓它卡在導軌的兩邊。在頂管機進洞時，可用兩只較大噸位的手拉葫蘆，一頭掛在前座墻的掛鉤上，另一頭鉤在頂管機或砼管的拉環上，當管子徐徐推進時，把手拉葫蘆慢慢地收緊，就可防止頂管機或砼管的拉環上，當管子徐徐推進時，把手拉葫蘆慢慢地收緊，就可防止頂管機在進洞時發生偏轉。

②利用大刀盤的反力來校正這種偏轉。校正時必須注意：第一、頂管機向哪個方向偏轉，刀盤就向哪個方向轉動。第二、要適當地加大刀盤的吃土深度，以使其力矩增大，否則不易校正過來。

3、噴發

（1）現象

噴發是指土壓平衡頂管機的螺旋輸送機的排土口會噴出大量的泥水。

（2）原因

①是頂管機前方有較豐富的明水。如遇到了斷裂漏水的上、下水管道；與河床貫通；與水塘等積水、蓄水池貫通。

②頂管機遇到了承壓水或地下蓄水包。

（3）防治措施

①立刻將螺旋輸送機出土口關閉；

②調查屬于哪種類型的水；

③如果與河道等貫通則必須用不排土的方法“悶頂”一段距離。這時應觀察土壓力表，不能讓它太高，否則就須頂頂停停，直到不再噴發為止。

④如果是遇到承壓水或水包，噴發一段時間以后，水的壓力會慢慢降低，水流漸漸減小。這時，可把螺旋輸送機反轉，同時把頂管機慢慢地向前推進，直到不排水時為止。

4、叩頭

（1）現象

頂管機在出洞時頭往下偏差較大。

（2）原因

頂管機在出洞時，或是由于洞口沒有延伸導軌，或是由于土質軟而產生叩頭

（3）防治措施

①在洞口處應設置延伸導軌或者用磚頭砌一個弧形的托，把頂管機下部托住，不讓它叩頭。

②如果土太軟則應把糾偏油缸全部收緊，同時把頂管機與其后的三到四節管子聯成一體。