摘要：随着我国经济的快速发展，城市地下工程越来越多，顶管施工作为一种非开挖敷设地下管道的施工技术，有着高效、经济、安全的特点。特别在埋深较深、作业面积狭小、横穿交通干道或离建筑物较近的情况下，最能体现出顶管施工技术的优越性，使其在市政管道管网施工中应用越来越广泛。通过本工程施工过程中的分析，进一步了解顶管施工技术，更好的应对日益复杂的市政地下网络管道敷设。
关键词：顶管施工技术；市政管道；应用
1 引言
顶管施工主要是利用主顶油缸的推力，将工具管以及其他挖掘管道设备由工作井推到接收井，接着将所有设备吊起，紧随其后的管道则埋设在两井之间，进而实现非开挖敷设地下管道。本文以成都地铁5号线一、二期工程13标排水管道迁改工程为为背景，介绍了在市政管网中顶管施工技术的应用。
2 工程概况
成都地铁5号线一、二期工程南湖立交站排水管线迁改工程是因地铁5号线一、二期工程南湖立交站实施，需将对地铁实施有影响的DN1800、DN800雨水管以及DN1500、DN500污水管进行迁改。
3 顶管施工工法的必要性
（1）迁改管道部分管段处于主体钢筋加工场下方，存在交叉施工，且工作面狭窄，不具备开槽施工所需的场地。
（2）迁改管道埋深在7~11m。管道埋深较深，明挖需放坡开挖、分层支护，其工作量大，会产生大量的土方，而施工现场没地方存放，且剑南大道上该段因南湖立交车站施工，交通导改后交通压力特别大，大量的土方外运会对交通以及环保造成较大影响。
（3）由于基坑深，明挖安全风险较大，且其工期和工程造价无明显的优势。
经综合分析考虑，选择对工程周边环境及站点施工影响较小的顶管施工工艺。
图2 工具管刃口示意图
4 顶管工艺的选择
根据地质报告揭示，本工程管线穿越土层基本为砂卵石层。本工程大于DN1200管道选用网格式工具管+手掘式顶管的顶管工艺。如下图1所示，网格前方散布强度较高的合金头，以顶进时破坏卵石层结构，通过机头的挤压使卵石及土体松散，工作坑内千斤顶顶进时，卵石等挤入机头内，通过人工取土后运出。小于等于DN1200管道选用工具管帽+手掘式顶管的顶管施工工艺。如下图2所示，工具管由钢板制作，顶进时破坏卵石层结构，通过工具管的挤压使卵石及土体松散，工作坑内千斤顶顶进时，卵石等挤入工具管内，通过人工取土后运出。
5 后背结构及抗力计算
（1）顶管顶进力的计算 （以DN1800最大单向顶进长度60m，管顶埋深6m计算）顶管的顶进力按《给排水工程施工及验收规程》（GB50268-2008），推荐式计算由公式：
F0=πDRLfK+NF 式中
F0 总顶力标准值（t）；
DR 管道的外径DR =2.16（m）；
L 管道设计顶进长度L=60m（m）；
fK 管道外壁与土的平均摩阻力（t/m2），按本规程取中粗砂的摩阻力混凝土管fK=1.2t/m2；
NF 顶管机的迎面阻力（t），NF =π/4DR *2*P
式中P 控制土压力，P＝Ko×γ×Ho
式中Ko 静止土压力系数，一般取0.55；
Ho 地面至掘进机中心的厚度，取最大值6m；
γ 土的湿重量，取1.9t/m3。
雨水DN1800总顶力标准值为510.643t
（2）管道允许顶力验算
DN1800（t＝180mm）顶管专用钢筋混凝土管，允许顶力为1094.9t。从上表计算来看，本工程DN1800雨水最长管段为60m，其总顶力标准值为顶力为510.643t。故总顶力标准值<允许顶力,其安全系数K=2.14。
（3）工作井后背墙的计算
后背受力计算公式
R=aB（rH2KP/2+2Ch√（KP）+rhHKP）（5）
式中R——总推力之反力（一般大于推力的1.2～1.6）；
a 系数（取1.5～2.5之间），此处取1.5；
B 后座墙的宽度（m）此处取5m；
r 土的容重（kN/m3）；
H 后座墙的高度（m），此处取5m；
KP 被动土压系数tan2（45°+φ/2），φ此处取18°；
C 土的内聚力（kPa），一般情况下取10kPa；
h 地面到后座墙顶部土体的高度（m），此处取3m。
按上式计算，工作井后背墙后能承受818.66t，大于实际顶力510.643t，完全能满足要求。
经计算，顶管长度满足顶力计算要求。
6 施工工艺
降水
根据地勘报告及前期探挖情况，该区域地下水位在4m左右，且地层为杂填土、粉质粘土、沙层、卵石土层，雨污水管顶管施工在5~8m，施工前需采用井点降水，降水标高必须低于开挖面标高1m。
（2）工作井
工作井选择离配电源和水源较近的地方，槽段的开挖和工作坑应满足设计和（GB50268—2008）《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定。顶管工作坑为直径7m圆形竖井、7*6m矩形竖井、5*4m矩形竖井；接收坑为3*3m矩形竖井、5*5m矩形竖井；顶坑、接收坑护壁均采用钢筋混凝土支护。
图4 顶管工作坑内主顶设备安装示意图
（3）设备的安装
① 导轨。选用型钢材料制作，两轨安装牢固、顺直、平行、等高，其纵坡与管道设计坡度一致。其允许偏差为轴线位置3mm，顶面高程0~+3mm，两轨内距±2mm。在使用中经常检查校核导轨，防止产生位移。
② 千斤顶。主顶油缸DN1800、DN1500千斤顶选用4台200t液压千斤,DN800、DN500千斤顶选用2台200t液压千斤。安装时固定在支架上，并与管道中心线对称，将其合力的作用点对准管道中心线。
③ 后背墙安装。选用现浇钢筋混凝土后背墙。后背墙用C30钢筋混凝土，为顶管的反力供一个垂直的受力面,在其正面焊一块4cm厚钢板，使各后背墙受力更均匀。
④ 安装顶管机头。安放在导轨上后，应测定前后端的中心的方向偏差和相对高差，并做好记录，机头与导轨的接触面必须平稳、吻合。设备安装详看图四
（4）顶管轴线与标高控制
本工程顶管测量均在100m以内，按直线顶管测量方法，顶管方向与高程控制可直接用置于井下测量平台起始点上的激光经纬仪对顶管机上方的光靶即可。激光经纬仪发射的激光束偏离光靶中心的距离，即顶管的偏差值，但方向相反。为消除顶管机旋转而偏差值的显示误差，光靶设计为可调式，使其始终在顶管机的垂直中心线上。
（5）下管
下管前，先严格检查管材，龄期未到、强度不够及有明显缺陷的不合格管材的严禁使用。当第一节管道放至导轨上后，用全站仪和水准仪复测管道中心轴线及管道前后端高程，确保其符合规范要求后方可顶进。
第一节管道为工作管，顶进方向和高程的准确是保证整段管道顶进质量的关键，因此对管道中心轴线，高程必须严格按规范要求控制。
（6）管前挖土
本工程施工段地质结构为砂卵石结构，管前挖土主要采用人工挖土作业方式。采用手工掘进顶进应符合下列规定：
① 工具管接触或切入土层后，自上而下分层开挖。
② 在允许超挖的稳定土层中正常顶时时，管下部135度范围内不得超挖；管顶以上超挖量不得大于15mm；管前超挖根据具体情况确定，并制定安全保护措施。
③ 根据本工程地质结构：每次管前挖土和顶进长度均控制在0.5m以内。
（7）顶进
顶时前应对全部设备进行检查并经过试运转，顶进的方法应满足设计要求及《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）的规定。顶进中应勤测、勤检、防止管中线偏差，如发生偏差应及时纠偏。顶进第一管端20～30cm时，应对中心线及其高程测量一次，在正常顶进中，每顶进50～100cm，测量一次，当顶管段顶完时，应重测一次。每个接口测1点，有错口时测2点。顶钢筋混凝土管时，管两端接口处应加衬垫，防止顶进中错口，应安装内胀圈。
当顶管前方发生塌方或遇障碍或后背倾斜和严重变形，或顶铁有扭曲迹象，管位偏差过大校正无效、较预计增大，超过管口承受能力时，方应停止顶进。
根据类似砂卵石层管道顶进施工经验。顶管顶进顶管顶进时，需采取减阻措施才能保证顺利顶管。减阻措施：a、是膨润土注浆减阻，b、在管道下前在管道外壁涂石蜡润滑，c、加设中继间。顶进时，注意控制油泵车油压，第一段顶管时，每顶进10m需记录油泵油压值，根据油压值的变化计算工作坑及管道承受压力值，以便调整中继站位置或采取其他必要措施减阻，保证顺利施工。
（8）接口处理
对管道的设置位置、标高进行检查，确认无误后，才进行各个混凝土管接口处理。接口是管道的薄弱环节，易发生渗漏，若管接口施工质量差，管道接口在外力作用下容易产生开裂。混凝土管表面应光洁、平整，无砂眼、气泡，接口尺寸符合设计规定，接口应保持清洁无油污，接口防水采用“V”形切口，用纯水泥砂浆对管进行处理，再用1∶2水泥砂浆对切口进行封抹，最后采用树脂漆和玻璃纤维进行两次封堵，直到达到闭水要求。
（9）顶管外壁注浆
钢筋混凝土顶管后，及时灌注两端管下混凝土基础和勾填管缝，浆液采用1:2纯水泥浆，注浆压力0.1～0.3MPa。
（10）顶管出洞
顶管出洞是指顶管机头和第一节管，从前墙破出洞口封门进入土中，开始正常顶管之前的过程，是顶管的关键工序，也是容易发生事故的工序。
当内、外的准备工作全部准备好后，可将机头吊放到内轨道上，调整好方向，开始顶管出洞。工作壁前墙有机头及管道出洞的预留洞口，为防止外水土从预留洞口与机头外壁之间的缝隙流入工作内，预留洞口与管道间设有密封装置。其出洞施工工艺如下：
① 洞口密封结构
出洞密封结构的作用是阻止在顶管过程中泥水从管节与洞口间的间隙流入内，同时也起定位作用。
② 根据管道中心线与壁预留孔的位置，制作一个钢结构的内套环，套环内圈高有橡胶止水带环，套环安装在预留孔与管节之间，外围焊接在孔的预埋钢板上，内圈橡胶紧贴管节。
③ 如工作周围地下水较丰富，应预先在出洞口的地层内灌注浆，使其土体固结，防止外的水渗进工作内。
7 结束语
顶管技术是一门综合性的技术，他能有效解决了城市管网施工中的难题，便于针对任何复杂地形和交通布局的城市都能提出最经济、快速、准确且可靠的解决方案。但随着城市的发展顶管技术也要不断的完善和进步，以便能更好的服务于城市管网的建设，顶管施工技术也会在不断实践中越来越成熟。
参考文献
［1］给水排水工程顶管技术规程,CECS 246-2008中国工程建设标准化协会,2008.
［2］顶管工程施工规程.DG/T J08-2049-2016.
［3］《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）.
［4］成都市市政工程设计研究院.成都地铁5号线一、二期工程南湖立交站排水工程施工设计图[S].成都，2016.4.
论文作者:王海瑞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/2
标签：顶管论文; 管道论文; 卵石论文; 工作论文; 机头论文; 后背论文; 高程论文; 《防护工程》2018年第35期论文;