城市污水管道顶管法施工棎析

城市污水管道顶管法施工棎析

陈晓武

广州市净水有限公司广东广州510000

摘要：作为一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，顶管法施工经常用于城市市政管道的建设中。该文主要介绍了顶管法施工在地下污水管道工程上的应用，对管道顶进关键施工技术进行了论述，同时讲述了施工中应注意的问题，可为同类工程提供借鉴。

关键词：顶管施工；污水处理；施工技术

在繁华的城市施工中，管道纵横交错，技术复杂，施工条件苛刻。如用普通的施工方法，很难完成预期的目标，还可能会给周围建筑、道路带来危害。与地面开槽法施工相比，顶管法施工占地面积少，不影响地面交通运输，又不破坏原有的地下管线及基础工程等设施，能穿越铁路、公路、河道及建筑物等障碍物，还可大量减少土方的挖填量，节约资金和时间。因而，随着我国城市化进程的不断推进，在城市的雨水以及污水管道工程方面，顶管法施工取得了较大的发展。

1.工程概况

某城市污水管道为管径800mm的钢筋混凝土管，管道埋设深度4.8～5.2m，管线长度351m。从设计给出的水文地质资料可知，施工场地内的土层主要为坡积土层及残积土层。主要由人工填土、海陆交互相淤泥、淤泥质土、淤泥质砂、粘性土及冲—洪积砂土及粘性土组成。地下水稳定水位埋藏深度为1.60～6.30m。管道穿越的地层多为淤泥质土和淤泥质砂、粘性土层。污水管道施工过程中必须考虑地下水位较高的影响，以及顶管施工对平行下穿和垂直下穿原有管线的影响。结合顶管管道的材质、管径、连接方式、长度、覆土深度以及水文地质条件等，本工程采用泥水平衡式顶管机进行施工。根据DB11∕T594.2-2014《地下管线非开挖铺设工程施工及验收技术规程》，在不设中继站的情况下，一次顶进的长度不能超过93.0m，所以本标段顶管工程分4个施工段进行施工。

2.顶管法施工技术简介

管道铺设非开挖施工技术包括：采用水平定向钻施工的拉管施工、采用水平顶管技术的顶管施工、采用小型盾构开挖的微型隧道施工、采用夯管机或气动矛等夯进铺设钢管的夯管施工。其中的顶管法施工是借助于主顶油缸以及管道间、中继间等顶推油缸的顶推力，克服管道与四周土层的摩擦力，把工具管（当管径较大且无地下水影响的地层中，可以人工挖土时）或掘进机（当管径较小或有地下水影响的地层中）从工作井内顶过土层，一直顶推到接收井内，随后吊起。在工具管或掘进机顶进的同时，将欲铺设的管道紧随工具管或掘进机后面顶推埋设在两井之间的地层中，以达到非开挖铺设地下管道的目的。

DB11∕T594.2-2014《地下管线非开挖铺设工程施工及验收技术规程》，顶管法施工的管道埋设深度应≥3m，或≥1.5倍的管道直径。顶进的管道可以是混凝土管、钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢管、铸铁管、陶土管等。管道的接头必须平直、密封性良好。

顶管法施工的机械设备包括：手掘式顶管机，采用人工挖土的方法克服顶管机前面的土层阻力，达到将管道顶进土层内的目的。管道是否能够进人施工的管径分界标准一般为800mm。此机适用于无地下水影响的各种土质地层。

挤压式顶管机，在软弱土层中通过顶管机的顶力将管道前面的土体挤入顶管机前面的喇叭口中，不断进行清除，达到管道顶进的目的。此机适用于无地下水影响的软弱土层。

网格式顶管机，在大直径管道顶进开挖时，为避免掌子面土体发生坍塌，把掌子面用网格分开，对土体进行分格开挖。网格还可以作为工作平台，方便掌子面的开挖。此机适用于大直径管道、无地下水影响的各种土质地层。

斗铲式顶管机，一种内部装有挖掘机的顶管机，工作原理与手掘式顶管机相似。此机适用于大直径管道、无地下水影响的各种土质地层。

土压平衡式顶管机，一种封闭式的顶管机。开挖过程中一方面要保持掘进机在掌子面上的顶力与土压力和地下水压力平衡，还要保持排土量与刀盘切削下来的土方量平衡。此机适用于无地下水影响的各种土质地层。

泥水平衡式顶管机，将用膨润土制作的平衡介质压注到工作仓内，使仓内获得一定的压力来平衡掌子面的土压力和地下水压力。此机适用于有地下水影响的各种土质地层。

混合式顶管机，通过顶管机的重新设置来实现气水平衡、土压平衡、气压平衡。此机适用于有地下水影响的各种土质地层。

顶管施工时所用的机械设备应结合水文地质条件、管道管径、材质、连接方式、顶进长度、覆土深度等条件进行选择。由于本工程要顶进的管道管径较小、要穿过的土层较软弱、地下水位较高，决定选用泥水平衡式顶管机进行施工。

3.顶管法施工基本工艺

3.1顶管法施工工艺流程

顶管法施工工艺流程如图1所示。

3.2顶管法施工所需主要设备

采用泥水平衡式顶管机施工的主要设备如下（每个顶进施工段）：泥水平衡式顶管机1台，3台渣浆泵，2台螺杆式泥浆泵，输泥管路1套，8ｔ汽车吊1辆，后座泵站1套，整体式顶进构架1套，泥水处理系统1套，激光经纬仪1台。另外还需要配置一些通用设备，如电焊机、水泵、泥浆桶、泥浆池、泥浆车等。若多个顶进段同时施工，可以共同使用、备用设备。

图1管道顶管法施工工艺流程图

3.3顶管法三个施工阶段的技术要点

3.3.1进洞前准备阶段

除了做好编写施工组织设计、顶管机的选型、选购所用的管道等工作以外，进洞前还需要完成以下工作：轴线放样；沉降观测网点的布置和建立；对管道沿线既有管线的工作状态进行调查，与业主取得联系，必要时预先进行加固处理；工作井和接收井的设计和施工；起重设备就位；顶管设备进场；洞口止水装置安装和土体加固；安装导轨；主顶油缸组安装就位；泥水系统安装就位；操纵平台搭建；电气控制线路布置；泥水泵和压浆系统安装就位；顶管机头下井就位，以及各种设备联机总调试、触变泥浆搅拌储存。

3.3.2进洞及正常顶进阶段

打开洞门、机头顶入洞口后下设备段，转接油管、电缆及泥水管后继续顶进。油缸顶到位后，拆除泥水管和电缆，第1节管道下井，设备段与第1节管道合拢，对接好后接通泥水管和电缆继续顶进。重复上述过程。在顶进过程中每顶一节管道对顶进轴线做1～2次测量，确定纠偏的方向和时机；每顶2m管节对机头切口前10m和后20m的地面沉降监测点作1次观测，并绘制成图，以便控制沉降幅度。

3.3.3出洞及后期收尾阶段

接收导轨就位，机头偏差复测，井位复测，打开洞门，机头进洞，及时从两端开始进行置换固化压浆，管道内清理，基坑内设备拆除和吊运，管道清洗，管节偏差测量记录等。

4.泥水平衡式顶管机施工技术

4.1工作井和接收井的设计与施工

本标段顶管工程分4段进行，共需设5个工作井。由于采取调头顶进的施工方法，其中2号、4号井为顶进工作井，1号、3号、5号井为接收井。即在2号和4号井中先反向顶进第1、第3段管道，完成后调头正向顶进第2、第4段管道。施工结束后5个工作坑均作为检查井。

工作井和接收井按照无支撑的条件进行设计，井壁厚0.25m，用C30钢筋混凝土浇筑，封底用C25混凝土，厚300mm，基础用厚250mm的C30混凝土浇筑。设计工作井和接收井的沉井时要考虑预埋进、出洞口止水环。采用逆作法施工使工作井和接收井就位，水下混凝土封底后浇筑基础混凝土。

由于施工场地的土质为软弱土层，地下水位又较高，因此，采用水泥搅拌桩加固，以免在初始顶进和接收顶管机时出现泥水喷涌事故。沿管道中线布置的注浆孔从工作井外壁两端向外40cm开始布置第1排，以后以80cm的间距共布置5排注浆孔；横向中线上布置1排注浆孔，向左右两边各布置1排注浆孔。每端共布置3×5个注浆孔，注浆加固区的长度为4m，宽度为2.4m，高度为2.4m。

注浆管用40mmPVC管加工，每根管的入土深度约为7m，PVC管的底部要封死，底部以上2.4m的范围内沿四周按60mm的间距钻4个5mm的孔。

注浆用PC32.5R复合硅酸盐水泥配制的1∶1纯水泥浆，注浆压力0.8～1.8mPa。

4.2设备安装

4.2.1工作平台安装

（1）工作平台承重主梁应根据顶管机的重量及附加载荷设计，主梁两端支点要在工作坑壁以外1.2m处。

（2）支搭在工作平台上的起重支架应根据起吊设备能力计算，与工作平台的连接应牢固，上面要安装防雨棚。

（3）工作坑口应安装高1.20m的钢管护栏，并设置专用人行爬梯。

4.2.2导轨安装

导轨是在枕木上钉两根24kg／m钢轨（钢轨高107mm，轨头宽51mm，底板宽92mm，轨腰厚10.9mm），被顶管道放置在导轨上，起导向作用。导轨的基础用C25混凝土浇筑，其宽度比管道外径大40mm，厚300mm，基础顶面应低于枕木顶面10～20mm。

两根导轨轨头间净距为（计算示意见图2）：

2·

导轨安装要求：

（1）导轨安装应以管道的轴线为中线，按两根钢轨的中心距A0＝0.538m＋0.051m＝0.589m钉导轨。导轨应顺直、平行、等高、稳固，其纵坡与管道设计纵坡一致。

（2）导轨中线允许偏差为±3mm，内距允许偏差为±2mm，顶面高程允许偏差为0～＋3mm。

4.2.3后背墙设计

DB11∕T594.2-2014《地下管线非开挖铺设工程施工及验收技术规程》5.3.1.6中给出的公式（7）为后背是基坑原状土时的计算公式，而当工作井是钢筋混凝土沉井时，后背是沉井的井壁，完全能够担当后背的作用，没有必要进行后背土体的被动土压力计算。

4.2.4顶进设备安装

（1）顶进系统由主顶油泵、4×2000kN千斤顶、操纵台和油管等组成。千斤顶是管道推进的动力，对称布置在管壁四周。千斤顶由主顶油泵供油。千斤顶的推进和回缩通过操纵台控制，有电动和手动两种操纵方式。

（2）安装前应对液压缸、高压油泵、液压管路、控制台进行检查，设备必须完好。

（3）应根据工作井的尺寸合理布置高压油泵、管路和控制台。油泵要布置在液压油缸附近，油管要直顺。

（4）4台千斤顶的油路应并联。

（5）顶铁应有足够的刚度，长短搭配满足顶进需要，外形尺寸规整，顶面与轴线垂直，安装后的顶铁轴线应与管道轴线平行、对称，顶铁之间的接触面不得有泥土、油污。顶铁应放置在工作坑内的两侧，摆放整齐，方便使用。

4.3管道顶进

当全部设备经过检查和试运行确认正常后才能开始管道顶进施工。

（1）先把洞口止水环中的玻璃纤维筋混凝土凿除0.20m左右，安装一道环形橡胶止水圈，将工作头装进止水环中，首节管道下井与工作头合拢，对接好后接通泥水管和电缆开始顶进，用刀盘将剩余的井壁切除，工作头出洞。工作头与首节管在导轨上的中心线、坡度、高程应符合设计要求。管节顶进过程中必须做好管道顶进轴线的偏差控制和纠偏量的控制。

（2）顶管出洞阶段是顶管作业中一个很重要的阶段。当工作头和第1节管道出洞进入土层中时，很容易发生管道低头、偏斜的现象，可以采取工具管调零的方法，即在工具管四周井壁上加支撑，若发现偏差立即用主顶油缸进行纠偏。

（3）顶管纠偏：纠偏是指工作头偏离设计轴线后，利用设置在后部的纠偏千斤顶组改变机头端面的方向，减少偏差，使管道沿设计轴线顶进。顶进纠偏采用调整4台纠偏千斤顶组的方法进行，管道偏左则千斤顶左伸右缩，反之则右伸左缩。

（4）当工作头到达接收井时先将工作头出口处的井壁从内侧凿除0.20m左右，然后迅速用工作头的刀盘将剩余井壁切除，工作头进洞并连续顶进管节，尽量缩短出洞的时间。然后尽快把工作头和混凝土管节分离，把管节和接收井井壁四周的缝隙封堵。

4.4排沉渣系统作用

顶管机排出的泥浆经过沉淀后分为可以循环使用的泥浆和需要丢弃的沉渣。可用的泥浆用进浆泵泵入顶管机泥水仓中循环使用，沉淀后的沉渣通过排泄管排至废浆池，再用汽车运往指定地点。每套排泥浆系统配1个沉淀池、1个储备池、1个进浆池。

4.5测量系统的应用

在工作井后座位置设置测量机座，测量的诸元由地面引入。将激光经纬仪置于机座上调平，使激光经纬仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在顶管机的测量靶位上，读出顶管机的偏差（包括轴线偏差和旋转量），每顶进1m记录一次。纠偏时要增加测量频率，每顶进0.5m测量一次，正确引导顶管机纠偏。

4.6纠偏系统的应用

顶进中发现管位偏差5mm左右即应进行纠偏。纠偏应缓缓进行，使管节逐渐复位，不得过猛。纠偏方法采用顶管机自身纠偏，控制顶管机的状态，每次纠偏幅度以5mm为一个单元。当顶进1m偏位趋势仍没有减少，可以加大纠偏力度，若偏位趋势稳定或减少，保持该纠偏力度继续顶进。

5.结束语

在工程施工中，顶管法施工减少了大量的土方开挖量，减小了对周围建筑物和周边居民的影响，从社会效益与经济效益上来讲更具有优越性。笔者相信，随着工程技术的发展，将会出现更为先进的顶管施工工艺及施工机械，顶管法施工也会进一步地广泛应用于我国基础设施建设的各个领域。

参考文献：

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