矩形頂管下穿運河施工安全管理與措施研究

［摘 要］隨著國家基礎設施建設的不斷推進和城市化進程的加快，矩形頂管技術在城市地下空間開發中的應用愈來愈廣泛，其憑借著節能高效、對周邊環境影響小等優勢，大大提高了工程建設的施工效率，有效降低了施工成本。但是矩形頂管在施工過程中存在的安全風險也不容忽視，基于此，本文以任城經濟開發區綜合管廊及高壓線路遷改-A段項目為例，通過對本項目頂管下穿運河施工過程中存在的問題和管理措施進行分析，希望能對今后頂管施工安全有所幫助。

［關鍵詞］大斷面矩形頂管；下穿運河；安全生產管理；措施

［中圖分類號］TU99文獻標志碼：A

近年來，隨著城市地下道路、管線等基礎設施建設的不斷發展，頂管機的使用越來越普遍。但市政工程作業環境的復雜性、施工作業場所的局限性，對頂管施工安全管理提出了更高要求。如何保障項目建設“零事故、零傷害”，是值得所有安全監督管理人員深思的問題。

1 項目背景

任城經濟開發區綜合管廊及高壓線路遷改-A段項目位于山東省濟寧市任城區，該項目以柳行路與安順路相交處北側為起點，向東先后下穿老運河、京杭大運河（梁濟運河），終點接居和路。主要建設內容包括3.4km高壓雙艙管廊和160km長的電纜布設和電氣安裝。

該項目頂管施工為單倉雙線頂進（頂完一側后再進行另一側頂進），全線共存在頂管地段4段，依次分別為下穿既有市政公路、國道、老運河、京杭大運河。其中，下穿運河段落共分為兩部分：下穿老運河頂管段長度291m，單節管廊為3.7m×3.7m矩形結構，長度2m，覆土厚度為10.25～12.31m；下穿京杭大運河頂管段長度625m，單節管廊為4m×4m矩形結構，長度2.5m，管廊覆土厚度為9.104～22.486m。

2 頂管施工方法

2.1 泥水平衡式頂管機工作原理

泥水平衡式頂管機在泥水艙內注滿膨潤土泥漿，在開挖面上形成不透水的泥膜，利用泥漿作為開挖面的支護材料，并通過控制泥漿壓力以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力來保證開挖面的穩定。泥漿的壓力控制取決于氣壓腔內的氣體壓力。氣壓腔的泥水平衡式頂管機可以在設定好泥漿進出口流量后，單獨調整氣壓來實現控制泥漿壓力，便于操作。刀盤切削下來的土砂在刀盤旋轉和攪拌機的作用下與新鮮泥漿均勻混合，并以泥漿形式輸送到地面，然后通過泥水分離設備進行分離，形成可運輸的渣土和可重新利用的泥漿。分離后的泥漿在經過質量調整后重新輸送到開挖面的泥水頂管機中來保持壓力平衡。

2.2 土壓平衡式頂管機工作原理

土壓平衡頂管機在土艙和螺旋輸送機內充滿切削下來的渣土，依靠頂管機推進油缸的推力給土艙內的渣土加壓，進而使土壓作用于開挖面以保持其穩定。土壓頂管機的支護材料是渣土本身。土壓頂管機適用于黏土、中軟巖到卵石等地層。

3 頂管施工安全風險分析

3.1 地質水文條件復雜

京杭大運河頂管施工段地下水的補給來源以大氣降水入滲和附近河流的地表水體的滲漏以及地下水的側向補給為主，排泄方式以人工開采為主。地下水位隨季節及氣象周期呈周期性變化，水位年變幅一般在2～5m。老運河頂管施工段，土細砂黏聚力小，透水性強，頂進施工時若采取合理措施極易發生流沙、管涌及塌方現象。

河下頂進時密封不當滲漏水、地下障礙物處理難度大；頂管機壓力控制不當易造成冒頂；管頂覆土深度較淺時，頂管機易上浮，甚至會在頂進過程中引起管涌，導致人員淹溺、設備報廢，造成不可估量的損失。

3.2 危大工程時間跨度大

頂管施工自開始至結束先后經歷土方開挖、基坑支護降水、起重吊裝、頂管頂進、基坑回填等施工步驟，時間跨度大，暴露時間長。頂管施工的順利進行離不開工作井、接收井的穩定性，在方案實施階段，基坑開挖、支護、降水、監測工作失誤，會直接導致坍塌事故的發生。工作井、接收井完成后，臨邊防護、人員上下梯籠的缺失，會導致高處墜落、物體打擊。頂管機選型不合理、施工組織不協調、場地布設無章法將更會直接導致整個施工過程的延長。

3.3 特種設備、大型機械設備集中

一方面，大斷面矩形頂管機頭、管節吊裝通常采用大噸位起重設備，在下放、起吊過程中由于空間有限、視線受阻，若無信號工指揮操作，容易發生起重傷害。另一方面，頂管長距離頂進需設置中繼間，頂管機設備性能可靠是施工重點，施工過程中若出現異物纏繞、刀盤磨損嚴重等情況，人員需打開刀盤進入工作面進行維修，增加了施工安全風險。

3.4 有限空間作業

頂管施工穿越淤泥層、舊河道等不良地質區域，易形成甲烷、一氧化碳等有毒有害、易燃易爆氣體積聚或者含氧量不足的空間。頂管內部與外界相對隔離，出入口較為狹窄，自然通風不良，若未能進行有毒有害氣體監測，做好強制通風措施，作業人員進入頂管內部易造成中毒和窒息事故。

3.5 影響市政管線、構筑物

在城市更新過程中，市政管網愈加復雜，臨近管線作業是頂管施工不得不面對的一個嚴峻問題，影響或破壞既有管道可能會導致城市居民生活帶來不便，甚至可能會釀成安全責任事故。頂管路徑下穿或臨近建（構）筑物基礎時，若不采取精準科學的加固措施，容易造成地面道路塌陷導致交通事故、構筑物的開裂甚至倒塌。

3.6 臨時用電

頂管施工工作井及其周邊臨時用電設施主要包括起重機械、頂管機、基坑降排水設施、照明等。工作井底部、管廊內不可避免地存在積水和潮濕環境，如不采取相應措施容易導致觸電事故發生。

4 頂管施工過程中采取的安全措施

4.1 推進“6S”管理

頂管施工作業場地固定、人員相對穩定，是推行“6S”管理的首要選擇?！?S”管理是指在生產作業現場環境開展整理、整頓、清掃、清潔、素養和安全為內容的管理活動，是標準化管理的重要組成部分，能更好地改善現場生產的環境、規范工序流程、提高作業效率、確保作業安全。

第一，整理：通過前期規劃，科學合理布局，確保現場整潔開闊，暢通有序。做到規范施工區域的整理，施工中產生的余料及閑置設備要明確區分，及時將無用的物品清除現場，做到空間活用，塑造整潔有序的工作場所。本項目頂管作業場地在施工前進行合理的規劃，按照不同功能劃分地面和地下分區。地面分區包括管節存放區、起重吊裝區、頂管操作室、泥漿制備區、泥漿沉淀池等；地下分區包括管節暫存區、頂進區、應急物資區、小型機具區等。

第二，整頓：區分功能，定置擺放，進行統籌歸類管理。一是進行功能區分，周轉材料、工具、設備以及其他物資分類存放，確保物資出庫互不干擾；二是對成品、半成品等物資標識清楚，減少積壓，標準是能迅速找到所需物品；三是做到“三通一平”，標識明顯，確保施工現場整齊規范。

第三，清掃：分區負責，齊抓共管，營造安全文明施工環境。一是自我約束，從個人做起，堅決制止現場亂倒、亂放、亂停的行為；二是建立清掃制度，劃分責任區域，明確責任人，安排輪流值日；三是做好監督獎懲，做到每日檢查，反饋督促，共同打造良好的施工作業環境。

第四，清潔：保持整潔，形成標準。將頂管施工段落打造為項目的安全標桿示范區域，樹立“逢檢必查，逢查必過”的典范，化被動為主動。做到建筑垃圾、生活垃圾不隔夜，每日工完料凈場地清，使現場始終保持完美和最佳狀態。

第五，素養：培養習慣，塑造精神。培養高素質員工，強化執行力。一是有效利用每日“晨會”制度，加強員工文明素養教育，施工現場人員要統一著裝、佩戴胸卡，規范儀表和言談；二是結合生產經營的實際，抓好管理制度等內容的學習，增強員工綜合素質，使現場安全、質量等各項制度得到嚴格落實，從而提高整個項目的綜合管理水平。

第六，安全：安全第一，預防為主，綜合治理。一是定期開展風險辨識，明確頂管施工各個階段、各個部位的各類風險，制定并落實相應的控制措施；二是加強對過程中隱患的排查治理，按照“五定”原則，及時消除各類隱患，實現項目安全管理正向循環；三是開展應急演練，提高全體人員自救互救能力，在做好事前控制的同時做好事后處置的準備。

4.2 掌握地質水文條件，做好全過程監測

根據勘察報告內容，結合現場實際情況，對頂管路徑進行綜合分析，如有需要及時進行補測，作為編制專項施工方案的重要依據。工作井和接收井洞口破除前，應在始發井和接收井端頭設置應急降水井。洞口破除后洞口位置要及時安裝止水圈，管節承插位置設置止水膠條。頂進過程中同步注漿，保證防水效果。京杭大運河頂管段工作井深27m，是高壓管廊項目最低部位，工作井上、下部和四周設置排水系統尤為重要，提前設置排水溝、積水坑，配備充足水泵、堵漏材料。遇到突發涌水情況，可通過應急降水井抽水緊急降水及時封堵或進行人員撤離。

4.3 制定專項施工方案，組織專家論證

根據《危險性較大的分部分項工程安全管理規定》（中華人民共和國住建部令第37號）要求，工作井、接收井等基坑開挖、支護降水工程屬于超過一定規模的危險性較大的分部分項工程，必須編制專項施工方案并經專家論證通過后實施?，F場嚴格按照方案施工，在工作井基坑施工過程中，要加強監測，如發現異常立即停止開挖，根據基坑支護體系和周邊環境的監測數據，調整施工順序和施工方法［1］。同時應采取有效的降排水措施，開挖至基底后要及時封閉，不得長時間暴露。工作井、接收井周邊設置排水溝、擋水坎，安裝防護欄桿、人行通道，并在現場重點區域設置電子圍欄，發生人員誤入等異常情況立即啟動聲光報警，確保安全監管切實落地。頂管施工中嚴格控制施工荷載，控制周邊堆載，并應符合《建筑深基坑工程施工安全技術規范》（JGJ311-2013）等規范要求，避免超載及局部超載對頂管坑造成的失穩影響。項目在老運河工作井頂進過程中持續觀察出渣情況，發現出渣中存在建筑垃圾、淤泥質土等于地質條件不符情況，通過調整頂進壓力、刀盤速度等方式，有效防止了刀盤卡死、機頭偏轉。

4.4 做好頂管機械選型

頂管機的性能及其與地質條件、工程條件的適應性是頂管施工成敗的關鍵，所以采用頂管機法施工就必須選擇最佳的頂管機施工參數和最適宜的頂管機［2］。

由于該段管廊在施工時需橫穿現有京杭大運河、老運河，考慮其通航條件、場地限制及地質原因，分別采用了泥水平衡、土壓平衡頂管機兩種機型進行頂進施工。其中，下穿大運河頂管段兼具“土壓+泥水”兩種施工工藝，施工工藝可根據地質情況進行隨時切換，實現了“一機兩用”。

4.5 大型（特種）機械設備專人管理，不留死角

設置專職機械設備管理人員，大型（特種）機械設備作業人員必須持證上崗，作業過程中保持信號明確，上下協同。頂管吊裝起重機械宜采用可視化吊鉤，具備預警與報警功能，能夠根據設定的安全標準與預設參數，自動發出警報信號。一旦發現吊鉤出現異常情況，如超負荷、偏離軌道等，系統將及時發出警報，提醒操作人員采取相應的措施，避免事故的發生。頂管始發前、單幅貫通后需對頂管機進行全面維護檢查，視情況更換刀盤刀片。

4.6 有限空間作業防范措施

頂管施工作業必須嚴格執行“先通風、再檢測、后作業”的原則，檢測時間不得早于作業開始前30min，未經檢測或檢測不合格的，嚴禁作業人員進入有限空間進行施工。隨著智慧工地應用推廣，除人工手動檢測外，有條件的應在頂管機頭部位設置有毒有害氣體監測儀隨時監測，并隨頂進距離逐步增加儀器數量。頂進超過50m必須采用強制通風措施向始發井及管內工作面連續送風，以保證工人及其他經許可入內的工作人員需要。本項目應用了智能定位系統，一方面能及時定位人員位置、跟蹤人員行動軌跡，另一方面通過智能探頭（智能安全帽）的全過程視頻錄像，共同實現可視化遠程監控，實現施工全過程的監管。

4.7 做好下穿構筑物、市政管網防護工作

施工前應從產權單位得到構筑物的基礎圖紙，再通過人工探挖確定構筑物的位置、基礎結構和大小，結合現場實際情況和產權單位的要求，制定構筑物基礎保護方案。在頂管施工過程中，精確控制其設備，尤其是其頂進方向、角度和力度，確保將對構筑物的影響降到最低。規范布置沉降觀測點，受影響的構筑物周圍遵照《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497-2019）等技術規范布置沉降觀測點，并動態觀察，依據沉降情況及時調整保護措施。

施工前應沿頂管徑路進行詳盡的管線調查，明確各條管線與新建頂管管道的相對位置，必要時應采取硬隔離措施，對于無法繞開的管線應組織遷改。對于危險性較大的管線，如高壓天然氣管道，應邀請產權單位一并進行現場確認位置，并共同制定下一步實施方案。對于施工過程中遇到的不明管線，在探明情況之前嚴禁茫然破壞［3］。下穿大管徑管道，必要時應采取托舉、加固措施。

4.8 臨時用電低壓、高壓分設

地面電纜采用穿管的形式敷設，進入工作井后，電纜采用沿墻敷設，在墻體上設置電纜橋架，橋架與電纜間采用絕緣材料包裹后固定。頂管內部照明采用36V低壓LED燈帶進行照明，并采用明線綁扎方式對燈帶進行固定。洞內電纜線自洞口隨著頂管頂進方向，每隔一段距離接長一次，并設置支撐電纜用電纜橋架，電纜按動力、照明自上而下分別敷設?？紤]到工作井底部潮濕、積水環境，為防止觸電事故發生，在過道處下墊方木、絕緣板材，基本做到干濕分離。

5 結語

目前越來越多的城市在市政建設過程中更加注重整體形象，高壓電塔、通信線路下地已成為城市發展的新趨勢，頂管技術的應用為現階段市政管網的不斷完善提供了解決辦法。該技術雖然具有一定的安全風險，但只要做好風險分析，措施得當，相信在不久的將來，頂管施工將會有更加廣闊的發展前景。

參考文獻

［1］莫萬練. 頂管施工安全管控措施［J］. 智能城市，2021，7（16）：77-78.

［2］余界明. 南昌軌道交通1號線過江隧道盾構施工方案比選［J］. 鐵道建筑技術，2011（3）：37-40，52.

［3］朱榮. 淺析頂管施工安全風險及管控措施［J］. 機電信息，2020（5）：68-69，71.

［作者簡介］吳多坤，男，山東泰安人，中交建筑集團有限公司投資建設運營事業部，中級工程師，本科，研究方向：市政安全。