頂管施工關鍵技術概述

趙軍帥 吳仕紅

中國水利水電第八工程局有限公司 湖南 長沙 410000

1 概述

湘潭大道位于湘潭岳塘區總體規劃內，道路起點與鐵牛路相交，終點與岳塘路相交。為避免湘潭大道與岳塘路交叉口深達10m的開挖對交通正常通行、國防光纜、原人防地道、湘鋼的高壓電纜埋管等造成影響，采用頂管施工技術進行道路污水管施工。本工程頂管埋深在7.6～9.63m之間。頂管采用III級鋼筋混凝土管，管節長度2m，直徑D1200mm，全長200m，頂管施工采用人工掘進頂管工藝。

2 水文地質條件

根據地質勘查，該部位原始地貌屬侵蝕堆積崗地、河流階地地貌，第四系主要由沖積成因的粉質黏土層構成，上部覆蓋有一層雜填土，局部覆蓋有一層耕土，沿線民居房屋較多。地層自上而下為：雜填土、黏土、粉質黏土、圓礫等組成，且厚度不均、分布不連續。地下水主要見上層滯水及潛水，管道頂進時需穿過粉質黏土和圓礫層，局部區域有地下水。

3 地下管線分布情況調查

為避免頂管施工時破壞現有市政地下管網，施工前，應詳細調查分析施工區域地下管網分布情況，包含地下管線的尺寸、位置、標高、走向、用途等。

（1）深入現場勘察，認真做好管線的摸底復核工作，掌握各種管線的尺寸、位置、走向、材質、用途，并實地用GPS測量儀器進行定位測量，并將管線位置標識在施工圖紙中。

（2）結合現場勘察，聯系各類管線的所屬單位或個人，詳細了解管線對頂管施工的影響，并結合現場實際情況，制定各種管線的保護措施及方案。

（3）頂管施工時，應嚴格按照已指定的管線保護方案、措施的要求對各類管線進行有效的保護，遇到未探明的管線時，暫停施工，待探明管線并制定了保護措施后方可繼續頂管施工。

4 工具管選型及相關計算

4.1 工具管選型

工具管是頂管的關鍵，不同的工具管有不同的特性，應依據工程特點、地質管道埋深以及地面建筑物等情況，進行設計加工。

（1）工具管的設計需考慮其整體強度、韌角鋼度、土倉容量、澎潤泥漿反流阻止等要素。

（2）由于本工程頂管管道大部分處于粉質黏土中、部分處于雜填土中，需在工具管上部加焊20～25cm前沿，以防管內取土時管前土層坍塌。

4.2 頂管推力計算

頂管過程是一個復雜的力學過程，它涉及巖土力學、材料力學、彈塑性力學、流體力學等，頂管計算關鍵是計算頂管推力，頂管的推力等于頂管過程中管道所受阻力。

頂管總推力計算的經驗公式：（D=1200mm）

F=F0+F1

F0=a*Pe*Bc2π /4

F1=RSL

F0-----初始頂力（KN）

F1-----管壁摩擦力（KN）

a-----綜合系數，本工程取系數值2.0

Pe-----土倉的壓力（kpa），Pe=150Kpa

Bc-----管外徑（m），取1.4m

R-----綜合摩擦阻力（kpa），本工程取值8

S-----管外周長（m），S=3.14×1.2=3.77m

L-----推進長度（m），L=78m

初始頂力：F0=2.0×150×1.4×1.4×3.14/4=461.58KN

管壁摩擦力：F1=8×3.77×78=2352.48KN

總推力：F=461.58+2352.48=2814.06KN=290T

結合現場實際情況，擬采用2個200T千斤頂（F’=400T）進行本工程頂管的頂進。

4.3 后座墻穩定驗算

后座墻作為液壓油缸頂升的支撐，需要有足夠的剛度和強度，且要保證壓縮變形均勻。本工程采用倒掛井作為頂進井，后座墻采用鋼筋混凝土整體現澆結構。頂進井能夠承受的最大頂推反力R等于基坑側壁摩擦力R1、基坑底板之間的摩擦力R2及后座墻的反力R3之和。由于R1、R2較小，所以再本次計算過程中忽略，假定頂進支架的推力是通過后座墻均勻作用在頂進井后方土體上，后背土體的反力計算如下：

R3=αβ(γH2Kp/2+2cH√Kp+γhHKp)

R3-----后座墻之反力；

α----系數（取1.5-2.5之間），計算時取1.5；

β----后座墻的寬度（m），取4m；

γ----土的容重，按粉質黏土20.6；

H----后座墻的高度，按6m計算；

Kp----被動區土壓系數（tg2（450+θ/2），θ按粉質黏土26.50，Kp=2.61；

h----地面到后座墻頂部土體的高度，取0.5m；

C----土的內聚力，按16.2Kpa計算；

由上可得R=R3=1.5×4×(19.5×4×4×2.61/2+2×34.3×4×1.61+19.5×0.5×4×2.61)=5704KN≈570T.

R=570T＞400T（設計最大推力）。

4.4 管道受壓計算

頂管施工擬采用2個200T千斤頂（F=400T即4000KN）。

頂管采用III級鋼筋混凝土管，直徑D1200（即管內徑1.2m），壁厚0.12m，混凝土強度等級為C50。

故頂管的承受壓力的面積為

S=π（D/2）2-π（d/2）2=3.14×（1.44/2）2-3.14×（1.2/2）2=0.50m2

F=4000KN；

頂管承受的壓力P=F/S=4 0 0 0/0.5 0=8 0 0 0 K N/m2=8000KPa=8MPa。

頂管混凝土為C50，其可承受的壓力為50MPa。

根據計算，頂管承受的壓力8MPa＜頂管混凝土可承受的壓力50MPa。

故頂管鋼筋混凝土管在受到400T千斤頂的頂力作用時，混凝土受力滿足要求。

5 管道頂進施工

5.1 工具管進出洞施工

采用半封閉機頭擠壓頂進，能克服開放式開挖中存在的超挖、塌落問題，在施工安全性、觸變泥漿注漿所需壓力、頂進方向準確性等方面得到保證，另外其簡易的機頭結合傳統的頂進動力，施工中調整靈活性較大。

頂管出洞是指機頭和第一節管子從工作井中進入土中，開始正常頂進前的過程，是頂管中的關鍵工序，也是容易發生事故的工序。

由于出洞時頂管機未被土體包裹，處自由狀態，而使頂頭出洞的主油壓頂頂力極大，頂管出洞對操作者熟練技術要求很高。若操作不當，會使各油壓頂的行程不等，導致頂頭和頂管偏離設計軸線。此時的上部土體難以對機頭產生較大反力，對機頭不能有導向約束作用，因此出洞頂進時需保證頂頭和每節管子位置正確。

頂管進洞指一段管道頂完，頂管機頭進入接收井，并作好頂管機后一節管與進洞口的密封連接的過程。頂管進洞前應檢查工具管的位置，在接收井內側定出工具管的位置，及時封堵管與接收井之間的空隙。

5.2 頂管施工工藝流程

頂管施工工藝流程見下圖。

圖1 頂管施工工藝流程圖

5.3 頂管主要工序施工方法

（1） 頂管進洞

①準備工作：頂進前準備工作。把臨時水準點、中線定好位置，準備測量校核使用。液壓系統、頂進系統安裝試運運行正常。檢查后背加固是否牢靠，檢查軌道安裝是否牢固，吊裝設備運行正常，吊具、吊索準備齊全。管內運土軌道、小車及連接螺栓備齊。②回鎬下管：下管前，回鎬至起點，斷開管道內相關管路，切斷管坑內所有電源，施工人員撤離危險區。注意插口朝前，承口朝后。在插口安裝膠圈時要涂抹凡士林，以確保開鎬頂緊管道接口時膠圈被均勻壓縮，不扭曲、翻轉，防止漏漿漏水。③采用25T吊車將機頭吊至井內，平穩放在導軌上，保證管道與導軌之間接觸嚴實，并接近洞口。開鎬將導軌上的機頭頂到洞口，使機頭正面和洞外的土體緊密接觸，即可頂機頭進洞。④開鎬頂進測量。頂管時測量數據及其關鍵，定期測量，實時校正，一般在下管前和下管開1 鎬后都應測量。正常頂進時每頂進1m測1 次，測量采用激光經緯和水準儀配合進行。⑤將機頭吊至地面上，運回到主頂坑，開始施工另一排頂管。順序同上。

（2）正常頂進

①先頂后挖：即先將工具管頂進土層30～50cm，再將工具管內的土體破碎并裝車外運。②頂進一節混凝土管后，回縮千斤頂，拆開水、電、氣、通風，吊入下一節管段，調直對中，安裝接頭及止水材料，安裝各頂鐵，接通各管線，開動油泵頂進一個行程，測量，糾偏，安放頂鐵頂進，直至放一節混凝土管，重復上述動作。③不頂不挖：在工具管內已無土體時，不得在工具管前超挖土層。④慢頂緩挖：如工具管前地層出現變化或遇障礙物則不得強行頂進，也不得將工具管內土體全部挖除。

6 特殊情況施工措施

6.1 防止地面沉降措施

（1）施工前應對工程地質條件和環境情況進行周密細致的調查，制定切實可行的施工方案，并對距離管道近的建筑物和其他設施采取相應的加固保護措施。

（2）應在頂管施工沿線按一定間距布設沉降監測點，用于監測頂管頂進施工期間的地面沉降量，根據監測情況及時采取相應的措施對路面的沉降進行處理。

（3）需要掌握頂進壓力，保持頂進壓力與前端土體壓力的平衡。

（4）頂管頂進時，要嚴格遵守操作規程，及時進行測量，避免大角度糾偏。

（5）將頂管經過位置路面設置圍欄，避免車輛經過或停留，橫穿馬路區域，在路面上放置鋼板，降低振動，在不影響交通的前提下安全施工。

6.2 遇到地下管線等設施的保護與加固措施

本工程地下有給排水管，電力管線及電信管等縱橫交錯管線穿過，進行頂管施工之前需要探明各種地下管線，采取措施預先進行處理，以便于頂管工具管通過。

（1）對于沿線地下管線，在施工前應熟悉其具體位置及里程，實際施工時可能會發生地表沉降現象，所以施工到該位置時應放慢頂進速度，出現涌水流沙等會導致地表沉降的現象時，及時處理，以妥善保護沿線地下管線。

（2）遇到未知名的管線，應及時通知相關單位，并采用管線探測儀進行實地探測，對管線進行遷移之后才能繼續頂進。

（3）注漿加固管線：對穿越地下管道的位置提前進行注漿，使地下管線周圍土體固結，避免因頂管擾動引起管線下沉，損壞。

（4）減小頂管對土層的擾動：一是向管道外壁注泥漿，減少混凝土管道與土層之間的摩擦振動和達到泥漿支護土體的目的；二是掌握控制好頂管的軸線和高程偏差；頂管偏差越小越平順，對土層的振動越小，反之就越大。

6.3 遇到地下障礙物的應對措施

由于施工現場的地質和地理情況，土體中可能埋有殘留孤石、木樁基礎、廢棄混凝土基礎等，一旦施工時遇到這些地下障礙物，將影響到頂管施工。

（1）施工前應先查明孤石、舊基礎情況，是否發生沖突，以便根據實際情況提前制定出相應的處理措施。

（2）在施工中如果遇到孤石和廢棄混凝土舊基礎，采用風鎬破除之后，繼續頂進。如舊基礎中有鋼筋采用乙炔氣割掉。

6.4 通過不穩定流沙的處理

①加密格柵網的布置；②不抽水，保持流沙的相對穩定；③少出土、多頂進；④在頂進過程中，應該隨時注意工具管前端的土壓情況，盡量保證工具管前端土體不發生流沙流泥和坍塌。

6.5 管道整體不均勻沉降的預防措施

如果遇到地質很差的地段，將可能出現管道不均勻沉降，這時必須在每段管道頂進完成后，從泥漿注入孔注入填充料，增加管外壁土體密實度，防止管道出現不均勻沉降的現象。

7 結束語

目前國內頂管技術地區差異明顯，水平參差不齊，整個行業的規范化程度仍存在不足，并且缺乏專業人才?，F有的管理與操作人員大多是從土木工程施工中轉化而來，缺乏專業知識，缺少專業訓練。本文作者呼吁管理單位和從業人員加強管理，重視推廣先進技術的工作，努力提高施工水平、改善施工工藝。