浅谈大直径超深人工顶管施工工艺

浅谈大直径超深人工顶管施工工艺

李永国

（中国建筑第八工程局有限公司  重庆 400025）

摘要：以西南区域某埋深35.9米DN2400人工顶管工程为例，结合其特有的工程地质情况和施工难点，介绍人工顶管在超埋深、大管径顶管中的施工运用，对深基坑开挖支护、顶管顶进过程中安全管理进行了论述。可供类似工程借鉴。

关键词：人工；深基坑；大管径；安全措施；施工工艺

中图分类号：文献标识码：A文章编号：

1  工程概况

本文以重庆寸滩国际邮轮母港片区城市路网工程-雨水箱涵迁改工程为例，该工程是为了后期地块的开发建设，需将现状箱涵（汇水面积约71.85ha）进行改迁，改迁线路全长约524m。项目全段包含4个工作井，3个接收井，524米DN2400预制混凝土管构成且埋深20~50m不等，通过三级跌落最后流入双溪河。工作井最大开挖直径为7.9m，顶管埋深35.9m，顶管材质采用DN2400预制柔性接头C 型钢承口管Ⅲ级钢筋混凝土管，混凝土强度等级C50，抗渗等级P10。顶管穿越回填土、泥岩、砂岩，施工工艺采用手掘式人工顶管。

2  施工方法及技术要点

2.1 工程施工难度

（1）深基坑。本工程工作井及接收井平均深度超过20m，最深工作井35.9m，属于超深深基坑。采用“挂壁法”施工，沉降控制要求高，需做到及时封闭成环。

（2）大管径。预制管节单节长度2m，壁厚230mm，重量约10t。起吊量大、所需顶推力大。

（3）受限空间。随着开挖深度增加，可能存在有毒有害气体，造成人员缺氧、窒息，安全风险管控要求高。

（4）动态纠偏。最长段采用双向顶进，对开挖轴线及标高控制要求高。动态纠偏频次多，精度要求高。

2.2 工程施工工艺

根据现场实际情况，结合工程经验及设计计算参数。竖向工作井及接收井采用“挂壁法”施工，水平顶管采用“手掘式人工顶管”施工，对两种主要工艺介绍如下：

2.2.1 工作井及接收井施工

（1）锁口圈梁施工

测量定位出锁口圈梁的开挖轮廓线，井口段采用人工进行开挖，小型推车将土方运至场外临时堆土点，人工对井壁进行修整。锁口圈梁挖至设计标高后，内侧采用定型钢模板，用砂浆抹平，然后绑扎井圈钢筋，同时预埋安全防护栏杆基础预埋件、通风管、电缆管、给水管及污水管。锁口圈梁绑扎钢筋时向下预埋连结筋长度不小于10d，锁口圈梁采用C30混凝土，一次性连续灌注，浇筑高度高于地面20cm，以防止降雨等地表水漫进井里。

（2）竖井开挖及支护

竖井施工方式为“挂壁法”，采用人工分层开挖。土质地层采用人工风镐开挖，每循环开挖深度0.5m。岩质地层采用水钻开挖，每循环开挖深度1m。在开挖过程遇到较硬的松次石，则采用风镐凿岩；如果遇到坚石，则采用小型钻机（水钻）在孔周圈钻孔后人工破碎凿除。

对于土层，每次开挖分两侧分步开挖，第一次开挖右半侧，待护壁支护完成后，在开挖左半侧，以防止地表沉降。

切割下来的土石装入1.5m*1.0m*0.8m的渣土提升器具，用龙门吊提升出渣。水钻切割下来的大块石搬运至提升器内，每块最大重量不大于10kN，对于超大的需要对试块进行分割后方可装运出渣。

护壁混凝土强度等级为C30P10，采用商品混凝土。模板采用钢质模板，环向四块至八块拼装，每节1m高，每个桩孔分配1～2套模板，每天定量施工，分层开挖，拆上节、支下节重复使用，混凝土浇筑后养护拆模时间控制在24小时～36小时，拆模强度不小于3Mpa，拆模前报工程管理人员，由管理人员检查护壁支护和混凝土浇筑记录无误后方可拆除。

2.2.2 顶管施工

（1）开挖

对于Y-1~Y-2回填土区间段采用回填土采用人工风镐开挖，对于泥岩及砂岩采用人工水钻开挖。

风镐开挖：顶管前挖土视土质情况决定掏挖长度：顶管穿越回填方层时，尽可能先顶后挖。采用先挖后顶时，穿越回填方不得超过20cm～30cm，并及时顶进管道。挖土程序按自上而下分层开挖，防止坍塌伤人。穿越松散土层和水量较大时可对土层进行预先注浆再开挖，大直径管道掌子面应分部开挖、应有一定的坡度保证土体的稳定，防止掌子面坍塌。

在泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂岩等岩石硬度较高的岩层中顶进时，采用水钻开挖工艺。岩层断面开挖参数：沿着开挖轮廓线水钻开挖，深度≤600mm，直径Φ200mm；全断面开挖。

图一 水钻开挖轮廓线断面图

水钻施工主要优点是对围岩的破坏小，开挖洞成型好，缺点是施工进度缓慢。加快施工进度的主要手段之一是增加工作面，即多个作业面同时施工。

（2）后背墙设计

顶管的顶进力按《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）[下称“规范”]，推荐式计算由公式：

Fp＝πD0Lfk 十NF

式中  

Fp—总顶力标准值 （kN）；

D0—管道的外径（m）；

L—管道设计顶进长度（m）；                

fk—管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m²），根据规程，取大值11 kN/m²；                                                   

NF—顶管机的迎面阻力（KN）,本次为敞开式,挤压阻力取中值400kN/m²，刃脚厚度0.01m；

NF＝π(Dg－t) tR

=3.14（3-0.01)×0.01×400=37.55KN

代入上式，得：

Fp =3.14×2.86×80×11+37.55=7940.3KN

本工程DN2400钢筋混凝土管采用2台500T千斤顶进行顶推。

（3）顶进施工

顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、导轨等。

①千斤顶

千斤顶是掘进顶管的主要设备，本工程拟采用2台500t液压千斤顶，行程为2m。

千斤顶的工作坑内的布置与采用个数有关，如一台千斤

顶，其布置为单列式，应使千斤顶中心与管中心的垂线对称。使用多台并列式时，顶力合力作用点与管壁反作用力作用点应在同一轴线，防止产生顶时力偶，造成顶进偏差。根据施工经验，采用人工挖运土方，管上半部管壁与岩壁有间隙时，千斤顶的着力点作用在管子垂直直径的1/4～1/5处。

②高压油泵

由电动机带动油泵工作，选用额定压力为62MPa的ZB－500柱塞泵，经分配器，控制阀进入千斤顶，各千斤顶的进油管并联在一起，保证各千斤顶活塞的出力和行程一致。

③顶铁

顶铁是传递和分散顶力的设备。要求它能承受顶压力而不变形，并且便于搬动，本工程拟采用U形顶铁。

U形顶铁安放在管子端面，顺顶铁作用其上。它的内、外径尺寸与管子端面尺寸相适应。其作用是使用顺顶铁传递的顶力较均匀地分布的到顶管端断面上，以免管端司部顶力过大，压坏混凝土管端。

④导轨设置

工作井开挖至设计标高后，首先进行底板浇筑，浇筑面用于顶管基础。在混凝土内部埋设15cm×15cm枕木，埋深13cm。枕木长度应比导轨外缘两边各长出30cm，间距40cm。枕木埋入混凝土的面需包油毡。

安装好全部设备后开始进行人工掘进，对于土层，每次开挖0.3m后及时进行顶进。对于岩层地段，每循环开挖4m顶进1根管节。顶进过程中，严格控制顶进方向及高层偏差，做到随挖随顶，动态纠偏。测量的频次一般每节管道顶进完成1次，特色情况次数应增多。施工前，应在现场测出管线及检查井的设计坐标。   

2.2.3 灌浆

（1）顶管结束后及时对管体四周的缝隙和因地质原因造成的局部超挖地段灌注水泥浆，使其密实并与周边岩土结合紧密。填充水泥浆所用设备与填充触变泥浆设备相同。顶管注浆孔在工厂里预制，注浆孔每间隔20m设置一道。

（2）水泥浆液需搅拌均匀，无结块，无杂物。注浆压力为0.2～0.5MPa，注浆孔左右各设一个排气孔。灌注水泥浆必须自一个方向顺序压浆，即每个注浆孔压浆时见到前方注浆孔冒出水泥浆时才能认为充填饱满。压浆分两次进行，第一次注满土层和管壁之间的孔隙，等24小时后进行第二次压浆，第二次压浆重新布孔。注浆结束后要及时清理注浆设备，以防堵塞。水灰比采用1:1水泥浆灌注，采用42.5R普通硅酸盐水泥浆。

图二 注浆范围及断面图

2.2.4 顶管纠偏技术

（1）出顶进工作井进入岩层，每顶进300mm，测量不应少于一次；正常顶进时，每顶进1000mm，测量不应少于一次；

（2）进入接收工作井前30m应增加测量，每顶进300mm，至少测量一次；

（3）全段顶完后，应在每个管节接口处测量其水平轴线和高程；有错口时，应测出相对高差；

（4）纠偏量较大、或频繁纠偏时应增加测量次数；

（5）测量记录应完整、清晰；

（6）纠偏时开挖面岩体应保持稳定；采用挖方纠偏方式，超挖量应符合地层变形控制和施工设计要求

（7）工具管纠偏应平稳，避免用大角度纠偏。

3 安全防护措施

本工程都属于危大工程，安全防护措施尤为重要。结合深基坑、受限空间、顶管暗挖安全管理措施进行相应介绍如下：

3.1安全通道

工作井和接收井挖土施工时必须设置爬梯，供人员上下井使用，爬梯采用成品梯笼，梯步为50*30*1.8方管，每一节长3m，外围箍圈立条3*40mm，每模长度3m，随开挖深度接长，施工人员上下需佩戴安全带并悬挂防坠器。每10m安装一处休息平台。

3.2通风设施

顶管作业期间可能产生对人们身体影响不良的气体，如沼气、硫化氢等伴随顶进作业进入施工面。

人工掘进时应配备沼气检测仪与硫化氢检测仪，对空气

状况进行有效监控。沼气浓度应当保持在2.5% 以下，硫化氢浓度应保持在10 PPM 以下。易燃气体的浓度不可高于最低爆炸浓度的10%，若高于10%，要增多检测频次，且改进通风条件，保证空气新鲜。当沼气或硫化氢浓度达到警戒水平时，现场施工人员应马上撤出，通过一定时间的排风，经过佩戴防护面具的专业人员检测完毕，沼气与硫化氢的浓度都符合标准之后，才能继续作业。

3.3起重吊装

起重吊装采用成品龙门吊，杜绝采用自制桁架。成品龙门吊具有稳定性高，杆件受力良好，操作方便稳定。

3.4施工安全用电措施

对于地下工程，临时用电需要根据施工特点，电力线路的架设分两次进行:施工地段，随工作面向前推进，先用橡套电缆设临时线路;在成洞地段改用胶皮绝缘线架设固定线路。架设的方式是:高压在上，低压在下;干线在上，支线在下;动力线在上，照明线在下。具体要求如下：

（1）施工现场用电必须采用“TN-S”供电系统和“三级漏电保护”以及不低于三级的配电措施，动力与照明用电必须分路设置。全部用电设备实行“一机、一闸、一漏、一箱”，严禁“一闸多机”。严格执行JGJ 46—2005《施工现场临时用电安全技术规范》，加强用电管理，防止发生电气事故。

（2）供电线路采用 380/220V 三相五线系统。照明电压：作业地段不得大于36V，潮湿环境为12V。

（3）采用灵敏度高的漏电保护装置。

3.5 地下抽排水

在竖井底部设置一个1*1*1米积水坑，沿井底一周设置一条0.2*0.2排水沟，排水沟及积水坑均为钢筋砼结构，同底板及后靠背一起浇筑。排水沟排入积水坑内，积水坑内配置一台2.5KW及一台7.5KW污水泵，根据水量抽排至井口截水沟，在排至市政雨污水管网。水管用消防软管连接，管径同水泵口径。排水管固定在护壁上，固定件采用配套消防软管卡，间距1500mm。

4 结束语

随着 “十四五规划”中全面提升城市品质的重要要求，城市更新成为了许多地方政府的“新宠”，城市地下管网改造项目也日益增多，对于机械无法施工的区域，人工顶管为目前首选。如何安全高效保障人工顶管施工是实施单位尤为考虑的因素。

本文通过施工工艺及安全保障措施的介绍，优化施工步序，有效保障了施工安全、提高了施工质量，为后续类似工程提供参考。

参考文献

[1]GB50268-2008给排水管道工程施工及验收规范

[2] 中国非开挖技术协会 顶管施工技术及验收规范.

[3] 洪晓伟.市政给排水施工中顶管技术的应用分析[J]. 工程技术（文摘版）· 建筑，2020（17）：25.

[4] 陈克兵.大直径人工顶管施工技术【J】建筑技术开发，2020（6）；47

[5] 谭福平.市政给排水施工中顶管技术的应用【J】工艺技术，2022（1）；51

作者简介：李永国（1991年—），男，本科，工程师，主要从事市政、房建技术工作。