浅议顶管工程施工技术

浅议顶管工程施工技术

赵维春

上海宏波工程咨询管理有限公司        上海       201700

[摘要] 通过水厂工程顶管施工案例，介绍了顶管设备安装、中继间设置、管节顶进与纠偏、顶管进出洞技术、触变泥浆减阻技术等主要施工技术。

[关键词] 顶管 施工技术 中继间 触变泥浆

1工程概况

某水厂及配套管线建设项目清水管线城区线长度10.4km，其中新兴大桥南侧穿越射阳河底部顶管长度302.5米，钢管直径1400mm，壁厚16mm，顶管工作井平面尺寸12.6米×7.6米，刃角底标高-21.000米，工作井底板面标高为-18.000米，工作井的允许顶力2200KN，顶管覆土厚度4.1～15.95m。

2顶管施工工艺

3顶管顶力计算和中继间设置

工作井或管节的允许顶力设计值应不得超过顶管的估算总顶力，否则就应该考虑设置中继间。[1]

3.1管道顶力估算

F0=πD1Lfk+NF[1]

式中：

F0：总顶力标准值，kN；  

D1：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；

NF：顶管机的迎面阻力，kN；

本工程的顶管主要穿越淤泥质粉质粘土和粉质粘土，采用的触变泥浆技术成熟可靠，钢管外壁能形成稳定、连续的泥浆套，故fk取4kN/㎡。

NF= π/4Dg2γSHS[1]

=3.14/4×1.46×1.46×17.65×10.025

=296kN；

Dg—顶管机外径，mm；

γS—土的重度，KN/m3；

HS—覆盖层厚度，m；

F0=πD1Lfk+NF

=3.14×1.42×302.5×4+296

=5691kN。

3.2钢管允许顶力计算

Fds=φ1φ3φ4/γQdfsAp[1]

式中：

Fds—钢管允许顶力设计值（N）；

φ1—钢材受压强度折减系数，取1.00；

φ3—钢材脆性系数，取1.00；

φ4—钢管顶管稳定系数，取0.36；

fs—钢材受压强度设计值，取215N/mm²；

Ap—管道的最小有效传力面积，mm2；

γQd—顶力分项系数，取1.3。

Fds=1.00×1.00×0.36/1.3×215×70536.96

=4200 kN

3.3工作井后背墙允许顶力

根据顶管工作井设计图纸，工作井后背墙允许顶力为2200kN。

3.4中继间位置布置

中继间顶力富裕量，第一个中继间不宜小于40%，其余不宜小于30%[2]。当顶力达到工作井后背墙允许顶力60%时，设置第一个中继间。第一个中继间应能克服顶管机的迎面阻力和前方管道外壁与土的摩阻力之和，后面的中继间应能克服两个中继间之间的管道外壁与土的摩阻力。

第一节中继间顶管长度：（2200×60%-296）/(3.14×1.42×4)=57.4m

第一节中继间位置设置在顶管机后方57.4m处

从第一个中继间之后当顶管顶力达到工作井后背墙允许顶力的70%时设置一个中继间，顶管长度：2200×70%/（3.14×1.42×4)=86.3m

工作井主千斤顶油缸一次最大推进长度：2200×80%/（3.14×1.42×4）=98.7m

302.5m顶管估算应设置的中继间数量为：

n=（302.5-98.7-57.4）/86.3+1=2.7个

因此，302.5m的顶管所需设置的中继间数量为3个，顶进过程中设置的中继间间距为73.2m。

4顶管设备安装

4.1顶管机导轨安装

采用HM350×250H型钢加工制作顶管机导轨，导轨安装应满足以下要求：

（1）导轨铺设在工作井底板混凝土上，要求安装稳固，顶进过程中不能产生位置改变；（2）导轨的安装高度应与穿墙管的标高相对应；（3）两根轨道安装时应相互平行，标高一致，轨道纵坡与管道设计坡度相匹配。

顶管机在安装导轨时必须将前端抬高20mm，防止顶管机进入土体时下陷。

4.2后座钢靠背安装

为保证钢靠背有足够的刚度，采用10mm厚钢板和HW300*300（截面尺寸300×305）热轧型钢焊接的整体结构，DN1400顶管钢靠背外形尺寸为3m×3m×0.3m，内部浇筑C30细石混凝土。

钢靠背安装时应使用经纬仪和水平尺对其垂直度进行调整，使钢靠背平面与顶进方向垂直。调整到位后，用C50高强度灌浆料将钢靠背与工作井井壁之间的空隙灌注密实。

4.3顶进设备安装

（1）主顶设备由千斤顶支座、主千斤顶、油压泵站及管阀、U形顶铁四部分组成。单个千斤顶设计630KN，共计4个油顶，设计最大顶力为2520KN。

（2）在工作井上口设置主顶泵站，方便操作，主千斤顶用高压橡胶软管连接，接头处不得有渗漏现象。

（3）U形顶铁放置在主顶油缸前、最后一节顶管后面的管口部位，既可以把主顶油缸的推力均匀分布在被顶管道的管口受力面上，使被顶管道的管口免遭破坏，又可以弥补主顶油缸行程的不足。

5顶管施工

顶管施工采用泥水平衡顶管机、触变泥浆减阻技术。泥水平衡顶管机是在不开挖表土的情况下，通过调节泥水仓内的泥水压力来平衡挖掘面上的土压力和水压力，稳定开挖面，弃土以泥水方式用管道排至泥浆池。所要铺设的管道利用液压顶进工作站从工作井顶出，在顶管机之后铺设和连接管道。顶进工作完成后，使用水泥浆置换出减阻泥浆。

5.1管节顶进

（1）顶进工序

管节吊装→管道顶进→管节焊接→焊缝检测→焊缝防腐→管道顶进→启动中继间……→中继间拆除。

（2）顶进过程控制

顶管施工过程中应注意顶管前进方向和顶力大小的变化，主顶推进速度不宜太快，并且要不断调整油缸纠偏。当顶管进入不良土层时容易出现受力不均匀的现象，应及时调整顶管设备保证顶进方向准确。

顶进过程中顶管机尾部的注浆口应连续注浆，迅速填充顶管机顶进后管道外围留下的空腔，形成完整的泥浆套，起到减阻和支承的效果。为了弥补减阻泥浆渗透到土层中造成泥浆套缺损，还应根据需要进行补浆。

5.2顶管纠偏

管道顶进时使用水准仪、激光经纬仪和全站仪进行测量，在千斤顶支座中间空隙处安装经纬仪，经纬仪平行于顶管轴线。在工作井内安装激光发射器，同时在首节管内安装接收靶，管道顶进过程中要不断地对首节管道进行测量。

管道顶进时应增加测量和纠偏的频次，但纠偏幅度不宜太大。应根据测量数据分析偏差的走势，采取有针对性的纠偏措施。在顶管机进入接收工作井前对顶管机位置和姿态预先进行调整，做好进洞准备工作。

顶进过程中工作井后背墙可能会出现少量的变形和偏位，应及时测量校正，保证整个顶进轴线方向的准确性。

5.3顶管机出洞、进洞技术

（1）顶管出洞技术措施

①为保证出洞口施工的顺利进行，根据图纸要求采用Φ800@500高压旋喷桩对洞口前方宽度6m、厚度3m、深度6m的土体进行加固。

②洞口安装止水圈

本工程管道所穿越地质条件较为复杂，为防止触变泥浆及层间积水进入工作井，在顶进时洞口密封必须严密可靠。如洞口密封不严，触变泥浆流向工作井，不仅影响顶管作业，还会使触变泥浆流失，对泥浆润滑和减阻效果造成影响。

穿墙止水圈由预埋钢圈、橡胶止水环、钢压板、螺栓组成，预埋钢圈与钢法兰加压板中间夹装30mm厚的橡胶止水环，螺栓应与预埋钢圈整体焊接，压板与橡胶法兰通过螺母挤压密实。

③当机头准备出洞时，为了使机头顶进安全不发生下沉现象，应在工作井内将导轨满铺至洞口，后续的管节也要及时安装。一旦发现顶管机出洞时有机头下沉的趋势，应立即使用下部的2只主千斤顶顶进，调整顶管机机头向下的趋势。

（2） 顶管进洞技术措施

①根据图纸要求采用Φ800@500高压旋喷桩对洞口前方宽度5m、厚度3m、深度6m的土体进行加固。在顶管机准备进洞前，对其位置和姿态进行检查、调整，确保顶管机按预定的方案进洞。

②根据顶管机姿态在接收井内安装接收架，接收架高度比顶管机略低，并适当设置纵向坡度，且与顶管机进洞门时的姿态相吻合，以防机头下沉。

③顶管机接近洞口时，应快速、连续顶进管节，尽量缩短进洞时间。顶管机通过接收井洞口后，在穿墙洞口处的钢管上焊接一道环状钢板，洞口的空隙通过管道内的注浆孔压注水泥浆填实。

5.4触变泥浆减阻技术

顶管管节的直径一般比顶管机外径小20～50mm，管道顶进后管节与周围土体之间会产生空隙，注浆孔注入的泥浆先将管节与周围土体之间的空隙填满，形成一个相对密实的不透水的套状物，也就是泥浆套。完整的泥浆套能阻止后续注入的泥浆渗入土层[3]，而留在管道与泥浆套之间的空隙中，可以减少管节外壁与土体之间的摩擦阻力。

触变泥浆是以膨润土为主要原料，以CMC、纯碱为辅助材料制成。拌制前先将纯碱和CMC用水化开，然后加入膨润土充分搅拌不少于20 min，拌制好的泥浆放在储浆池中经过一定时间膨化后，通过专用螺杆泵将浆液送至井下使用。

在顶管机尾部的前3节管道各设置3个主注浆口，后面每2节管道设置一个带注浆孔的管节，每个管节预留3个注浆孔。选用DN50镀锌钢管作为注浆总管，用DN25橡胶支管将注浆孔与注浆总管相连，每个注浆孔用DN25球阀单独控制。管道顶进时主注浆口同步注浆，边注浆边顶进。中继间启用时注浆孔同步开始注浆，顶进过程中连续注浆。

顶管机尾部主注浆口同步注浆宜选用粘度高、失水量小、稳定性好的材料，补浆宜选用粘度小、流动性好的材料[2]。在完成顶管后，对管道外壁及时用水泥浆填充加固，将顶进过程中注入的膨润土浆料进行更换。

6结语

（1）根据计算确定的中继间数量最终是否需要全部设置，与地质条件变化或触变泥浆减阻效果有很大关系，第一个中继间安装后应先使用一下，如果发现与计算结果出入较大时可作适当调整。

（2）管道在覆盖层较薄的河道下方顶进，注浆量不宜过大，避免造成管道上浮。顶管施工前应测量出管道顶部与河道最低点的最小距离，穿越江河水底时，覆盖层厚度不宜过小。

参考文献：

[1] CECS 246：2008 给水排水工程顶管技术规程.中国计划出版社，2008

[2] GB 50268-2008 给水排水管道工程施工及验收规范.中国建筑工业出版社，2008

[3] 顶管工程设计与施工-葛春辉主编-中国建筑工业出版社，2012