摘 要 城市轨道交通是有效解决拥堵重要方法之一，目前各大城市轨道交通都在密集规划及建设，规划在中心城区的轨道交通项目多受地下管线影响，又因其地面交通繁忙地下管线众多特点，个别深埋管线不具备开挖迁改条件，非开挖顶管施工恰能解决该问题，非开挖顶管施工技术优点在于不影响周围环境或影响较小，因此成为市政工程中埋设过路雨污水管道的常用施工方法。本文结合成都地铁6号线牛王庙站污水顶管施工方案为实例，简要介绍非开挖顶管施工工艺技术，为今后类似工程施工提供借鉴。
关键词 非开挖 顶管 顶力 工艺量 通病 原因 预防
Analysis of trenchless pipe jacking construction technology
Wang Jixian
(China Railway 14th Bureau Group Tunnel Engineering Co. , Ltd. , Jinan, Shandong Province, 250013)
Abstract Urban Rail Transit is one of the important methods to solve congestion effectively. At present, all major urban rail transit projects are intensively planned and constructed, and most of the planned rail transit projects in central urban areas are affected by underground pipelines, and because of the numerous characteristics of the underground pipelines with heavy surface traffic, some deep buried pipelines do not have the conditions for excavation and relocation. The non-excavation pipe jacking construction can solve this problem exactly, the advantage of trenchless pipe jacking construction technology is that it does not affect the surrounding environment or has little influence. Taking the construction scheme of sewage pipe jacking in Niuwangmiao station of Chengdu Metro Line 6 as an example, this paper briefly introduces the construction technology of trenchless pipe jacking.
Keywords Trenchless, pipe jacking, jacking force, technology
1[收稿日期：2020年4月15日
作者简介：王继宪（1983—），隧道公司市场开发部 城市轨道交通施工技术管理] 工程概况及水文地质情况
1.1 工程概况
成都地铁6号线一、二期工程牛王庙站位于成都市一环路东五段，为地下三层岛式站台车站，建成后与既有地铁2号线换乘，受制周边环境车站采用半幅盖挖方式实施。站址周边多为高大建筑及沿街商铺，地面交通流量大，地下管线众多。其中有一DN1400污水管道位于车站范围内，管道埋深7.27～7.88m不等，需迁改至主体结构外侧约6.6m处，并扩容为DN1800，根据周边环境和工程实际共设置工作井17座，其中顶管井10座、接收井7座。
1.2 工程概况
场地范围内上覆第四系人工填土层（Q/4ml/）；其下为第四系系全新统冲洪积层（Q/4al+pl/）粉质粘土、粉土、细砂、中砂、卵石；第四系中、下更新统冰水沉积层（Q1+2fgl）粉质粘土、含粉质黏土卵石；下伏基岩为白垩系上统灌口组（K2g）泥岩和白垩系上统夹关组砂岩（K2j）。
牛王庙站顶管施工所需穿越的主要地层为卵石2-9-2Ⅲ地层，顶管工作井自上而下依次穿越杂填土、黏土3-1、卵石2-9-2Ⅲ地层。
1.3 水文地质
根据成都区域水文地质资料及地下水的赋存条件，场地地下水主要有三种类型：一是赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水，二是第四系砂、卵石层的孔隙潜水，三是基岩裂隙水。
根据地勘报告并结合区域水文地质资料，周边地下水位埋深约为5.4～6.6m，顶管施工作业需设置临时降水井。
2 非开挖顶管施工
2.1 工艺流程
顶管施工工艺流程图见图2.1-1：
图2.1-1 顶管施工工艺流程图
2.2 降水井施工
根据本工程污水迁改顶管施工要求，设计降水的目的为：通过降水及时疏干污水迁改范围内的地下水，保持污水顶管施工在无水状态下，并增加作业面的稳定性，防止开挖面失稳，改善土体开挖运输性能；降低顶管施工过程中的地下水位，保证顶管施工的顺利进行。根据工程场地的水文地质条件及工程地质条件，计算涌水量打设降水井。
2.3 顶管工作井施工
（1）本工程工作井和接收井的结构为钢筋混凝土井（300mm厚C30P8混凝土），圆形工作井直径7000mm，方形工作井5000mm*7000mm，接收井为4000mm*4000mm。井内设置垂直爬梯，外挂安全网。
（2）为防止地表水流入工作井内，侵蚀井底基础及墙体四周的土方，工作井的护壁墙体高出地面200mm，并在工作井口采用C20混凝土施作600mm宽、200mm厚的散水，最终将散水汇流至附近市政雨水排流系统。
（3）顶管井施工不宜采用大开挖，故拟采用倒挂井壁法施工顶管井。施工时采用分段下挖的方法，开挖时应从上到下逐层进行，首先采用风镐对路面结构层或人行道结构层进行破除，然后再采用人工开挖工作井土方，先挖中间部分的土方，然后扩及周边，有效地控制开挖的截面尺寸。每节的高度应根据土质好坏、操作条件而定，控制在0.9～1.2m。井内挖土采用人工开挖装入土斗内，采用吊机提升至地面。护壁模板采用拆上节、下节重复周转使用。模板之间用卡具、扣件连接固定，在每节模板的上下端各设一道用井字架做成的内侧支撑，防止内模因受涨力而变形。浇筑井壁混凝土采用商品混凝土。混凝土下料入模采用人工制作料斗至溜槽入模，插入式振动棒进行振捣。
2.4 管道顶进施工
管道顶进施工工艺流程图见图2.4-1：
图2.4-1 管道顶进施工工艺流程图
2.4.1 工作井内顶管设备安装
顶管设备主要包括后背、油缸支架、主顶油缸、主顶泵站、导轨、穿墙止水等。如图2.4-2所示：
图2.4-2 工作井内顶管设备安装示意图
导轨用型钢和P38以上钢轨制作，钢轨焊于型钢上，型钢用螺栓紧固于钢横梁上，以便装拆。钢横梁置于工作底板上，并与底板上的预埋铁板焊接，使整个导轨系统成为在使用中不会产生位移的、牢固的整体。导轨安装示意图详见图2.4-3.
导轨安装在顶管中至关重要，其安装精度甚至决定管道是否可顶好，故须达到两个要求：a、两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致；b、导轨轴线偏差≤3mm；顶面高差0~＋3mm；两轨间距±2mm。
图2.4-3 导轨安装示意图
（2）油缸支架
油缸支架是用来支撑并固定主顶油缸的构件，用16#槽钢加工而成。
（3）主顶油缸安装
主顶千斤顶选用2台，固定在型钢制作的千斤顶支架上，支架焊在底的横梁上，千斤顶着力点应在水平管轴线上，对称布置，其合力的作用点在管道的圆心上。每个千斤顶的安装纵向坡度应与管道设计坡度一致。
（4）主顶泵站
主顶泵站是给主顶油缸供油以及主顶油缸回油的设备，该泵站安装在工作旁，可远程控制。
（5）后背墙浇筑
选用现浇C30钢筋混凝土作为后背墙，后背墙厚600mm。在后背墙施工前先将已顶的管道用砖砌堵头将管道封堵严实，待施工完成后采用手持式风镐破除。为保证后背墙受力均匀，正面衬一块40mm厚钢板，混凝土与钢板间刷水泥浆，以便其结合紧密。
（6）穿墙止水
穿墙止水是安装在管节外壁与壁之间的构件，其主要作用是在顶进过程中防止工作井外的泥、水沿管壁流入内。前墙止水圈的组成部分为：预埋法兰底盘、橡胶板、钢压板、垫圈与螺栓，法兰盘应预先埋设在混凝土沉内，中心正确，端面平整，安装牢固，螺栓丝口应妥善保护，水泥浆应预先清除。穿墙止水密封示意图详见图2.4-4：
图2.4-4 穿墙止水密封示意图
（7）安装顶管机头
机头吊入工作前应进行详细检查。卸机头时应平稳、缓慢，避免冲击、碰撞，并由专人指挥，确保安全。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。机头必须对电路、油路、气压、泥浆管路等设备进行逐一连接，各部件连接牢固，不得渗漏，安装正确，并对各分系统进行认真检查和试运行。
2.4.2 工作井地面设备安装
（1）液压系统
包括高压油泵、油管、油箱、限压阀、溢流阀和压力表等指示保护装置。
每座工作选用2台50MPa高压油泵，液压系统设备安装完毕后，要进行试车，使用过程中定时检修维护，及时排除故障。
（2）注浆系统
包括压浆泵、搅拌机、泥浆池、管道、压力表以及阀门等，用以向管道内供应减阻泥浆。
（3）空压站
选用电动空压机，生产的压缩空气应经过净化，由空压管道送至机头作业舱，使管内作业人员在通风条件下作业，保证他们的呼吸安全，每座工作配置6m3空压机1台。
（4）起重设备
工作须配备垂直运输设备，拟设置汽车吊，起重能力不小于15t，以满足：吊运混凝土管下和顶铁装拆、顶管机头和顶进设备的装拆、土方和材料的垂直运输。
2.4.3 管道顶进施工
（1）施工工序：
设备调试试行→下管→管道就位→管道顶进→校正
①设备调试运行：当设备安装完成后，在管道顶进前应对设备再次进行调试试运行，并对设备安装精度进行再次校核，保证在规范允许精度范围方可正式进入管道顶进施工。
②下管：本工程下管采用不小于12T吊车汽车吊下管。
a.下管前应首先对管道进行外观检查，主要检查管体有无破损、裂缝，端面是否平直，管壁有无坑陷、鼓泡，管壁是否光洁。
b.经检查合格的管道，用吊车直接将管吊至工作井井底。管道起吊时，吊绳固定牢固，并保证管道一直处于水平状。
c.下管时工作井内严禁站人，当吊至距井底高度小于50cm时操作人员方可进行工作，协助将管道准确放置于导轨上顶进位置。
③管道就位：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。
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④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，当遇坚硬土层时，采用风镐破碎人工配合的修边整型。碴土管内水平运输采用平滑料斗拖运至工作井，使用吊车垂直运至地面直接装车或坑边临时堆放及时外弃。
a.管前挖土是在管内作业，作业面安排1人作业，每班3-4人，每小时一轮换，24小时作业，每天4班。
b.顶进长度控制：根据本工程地质结构，每次管前挖土和顶进长度均控制在300mm以内,。
c.管周起挖控制：当工具管接触或切入土层质，即可挖土。挖土自上而下分层进行。管前挖土的超挖量应视土质条件确定，人工挖土范围在工具管或工具头区域挖土，严禁超出工具管范围超前挖土，以减少管顶土体的垮塌，从而控制超挖量，保证了顶管掌子面的安全。
⑤管道顶进
a.顶进施工的一般要求：
管道顶进时需用千斤顶进行顶进；在每节管道的顶进过程中，必须测量和控制管道的管底标高和中心线，工作井内应设置临时水准点，并应在交接班时进行校核；顶进测量一起放设时，其视准轴应与管道顶进中心线相互一致，以测定顶进管道的中心线偏差，同时整平仪器，以测定管道的管底标高误差；在顶进过程中，应贯彻勤顶勤测的原则；工具管入土时，应严格控制顶进偏差，中心偏差不得大于0.5厘米，高低偏差宜抛高0.5～1厘米，若达不到上述要求，应拉出工具管，作第二次顶进，严格控制前5米管道的顶进偏差，其上下、左右偏差均不得大于1厘米；在顶进过程中若产生偏差，应随时纠正。在既有高低偏差又有左右偏差时，应把偏差较大的方向作为主要突破口，先予以纠正；顶进的操作顺序为：挖土--出土--顶进--测量。当沟管顶进到离坑边还有50厘米左右时，应立即吊管。
b.质量标准
顶向不偏移，管节不错口。每一顶程管低坡度不允许倒落水，管道接口腰箍须嵌打密实，逆顺不起壳，不渗不漏；管内若有小于0.2毫米的裂缝，可用环氧砂浆或其他涂料修补。修补后不得有渗水现象；若裂缝大于0.2毫米，则应另行研究处理。
c.管道顶进允许误差
项目 单位 允许偏差
中心线 mm 50
相邻管间错口 mm 15%壁厚且不大于20
管底标高 mm ±40
内腰箍 无渗漏
注：管道接口石棉水泥嵌实后，须检查渗水情况，待接缝无渗漏后，方可打砂浆腰箍。
⑥管道纠偏
顶管施工中，为了使管道按照规定的方向前进，在管道轴线上安装一台激光靶，定期核验激光靶位置，在顶进过程中必须不断观测管节的轨迹，当出现了偏离设计位置时，要及时地进行校正。管线位置发生顶进偏移，称为顶管误差。顶管误差过大校正就困难。因此，必须在误差很小时进行校正。就要求顶管自始至终都在测量工作的严格控制之下进行。
a.顶进前的测量工作：把地面桩引入工作井内，在坑内设置管道中心桩和高程桩，以校测顶进管道位置，同时安置激光水平仪导向；安装导轨时严格控制中线和高程。顶进过程中的测量工作主要是对首节管进行测量，首节管在顶进过程中起导向作用，要求质量高，需频繁观测。正常顶进每顶进30-40cm测量一次，顶进第一节时，每20cm左右观测一次。以确保首节管道开始顶进5～10m的范围内，允许的偏差为：轴线位置3mm，调和0～＋3mm。
b.顶进过程中容易产生误差的原因：地质构造变化，基础土层软硬悬殊；局部障碍物偏向施力；顶进液压顶机用力不均；挖土操作时开挖尺寸不合适。
c.产生顶管误差后的校正方法：挖土校正法：当误差范围在10-20cm时，采用在不同部位增减挖土量的办法，以达到校正的目的；强制校正法：当偏差大于20cm时，用挖土法已不易校正，这时用圆木或方木顶在管子偏离中心侧的管壁上，另一端半在垫有木板的管前土壤上，支架稳固后利用顶机给管子施力，使管子得到校正；衬垫校正法：对淤泥、流沙地段的管道，因地基承载力弱，常出现管子低头现象，这时在采取顶木强制校正法的同时，需在管底下部补垫砂石、木板等物，以加强地基的承载力。
d.顶进过程中的方向控制应满足下列要求：有严格的放样复核制度，并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度，坚持三级复测：施工组测量员→项目管理部→监理工程师，确保测量万无一失；必须避免布设在工作井后方的后座墙在顶进时移位和变形，必须定时复测并及时调整；顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度应保持在10’～20’,不得大于0.5°并设置偏差警戒线；初始推进阶段，方向主要是主顶千斤顶控制，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和工具管纠偏；开始顶进前必须制定坡度计划，对每一米、每节管的位置、标高需事先计算，确保顶进时正确，以最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。
⑦减阻措施
根据地质剖面图显示，牛王庙站顶管施工所需穿越的主要地层为卵石2-9-2Ⅲ地层，顶管工作井自上而下依次穿越杂填土、黏土3-1、卵石2-9-2Ⅲ地层。本工程中需顶管施工的污水管埋深较深，管径较大，根据过往类似工程经验，采用注浆减阻的方式不能满足顶管的顺利进行，在具体实施过程中，采用在管外壁打蜡的方式以减小管道顶进过程中产生的阻力，使顶管施工正常进行。
2.4.4 碰管施工
（1）沟道清理及抽水
在碰管前需对管道进行抽水、清理至可操作水位，以保证碰管安全。
（2）管道施工段两头封堵
作业前，应至少提前一至二天打开工作面及其上、下游的窨井盖，进行通风，并经硫化氢试仪等气体检测后方可下井。下井操作人员委托专业的施工队伍下井封堵作业，作业人员必须需佩戴压缩空气的隔离式防护装具，佩戴安全绳，并在井口安排至少2名安全监护人员，操作人员下井后，井口需继续排风。堵头采用砖块及M7.5水泥砂浆封砌，1：2水泥砂浆抹灰，砖砌不得同缝，砂浆必须密实挤紧，特别是上圆部分要用楔形的砖片，敲紧挤实。
（3）新管接入老井
在管道两头封堵的管段间施工，由潜水员佩戴好防毒用具下井封堵后，用简易生物检测法，即在管段内放鸽子或小鸡等小动物，三十分钟后，若小动物无异常，且经硫化氢测试仪测试合格，施工人员方可在井上作业。施工期间每隔半小时用硫化氢测试仪检测和随时观察小动物是否正常，以判断作业环境有无毒气等情况，有异常情况时须采取必要的应急措施。
新管接入老污水井采用老管背新管检查井的方法，新管靠近老管后设检查井，待老管两头封堵后，将老管与新管间为开挖部分打通，新老管接管工作。
（4）拆封堵
委派专业施工人员下井拆封头，敲封头时必须遵循“先下游、后上游”的原则，严禁同时拆除两只封头。拆除头前应做好抽水准备。拆除的杂物应全部清除出井，以防止出现杂物堵住井口，而导致排水不畅。
（5）堵头施工方法
封堵头子后必须达到不渗漏、不倒塌，拆除时方便，目前常用的方法有：
①干封：操作较简单，小口径管道φ400以下有定型的橡皮夹板塞头，为双面铁板夹橡皮板，橡皮圈，中间有出水管孔加扁担形夹紧螺栓所组成，安装时掌握塞头四周与管壁接触，保持垂直旋紧螺栓即可，水量较大时可先留管孔口出水，然后再旋紧孔口压盖螺栓；管径在φ600以上可用砖块及1：3水泥砂浆封砌，1：2水泥砂浆粉刷，砖砌不得同缝，砂浆必须密实挤紧，特别是上圆部分要用楔形的砖片，敲紧挤实，砖墙封砌厚度根据不同管径及封砌后承受水压力大小决定。
②带水封堵头子，当水位不高，流速不大时也可用砖墙封堵，但不能用水泥砂浆砌筑，一般用无杂质的黄粘土拌高标号普通水泥，搅拌均匀，软硬适度不含僵块，（水泥：粘土为1：2～3），随用随拌，封砌时先清除管口雨泥杂质，用烂泥水泥打底，砖块顺序踏实3～4皮后，在中心位置设出水管孔，根据管径，较大的（φ1200以上）可予埋φ230或φ300混凝土短管，当管径不大时，也可埋入φ75～φ150铁管，当水量很大时可安放二个或二个以上出水管，但与砖块都需挤紧，排列不同缝，待烂泥水泥粘结牢固后，再用橡皮塞或木头塞，塞住预留出水管孔。
③如流量较大而非涡流时，可在其上游1～2节检查井内采取降压措施，一般在检查井内插入木板，用麻袋灌泥吊放入检查井内阻流，降低其流速后再用上法封砌砖墙；
④小口径沟管带水封堵，不能下井操作时，往往用刨成平头圆锥形木塞头，用竹杆钩住沉入下游上端头子即可封住拆除时钩出木塞头会自动上浮，或单纯用麻袋包泥也能堵封小口径沟管；
⑤水中封塞头子，原管经常满流，管径大，无法降低水位时，则必须由潜水员下井封堵头子，除遵守潜水操作规程外，所使用材料、方法基本上同。
2.4.5 闭水试验和验收
（1）本工程的雨水管道所有井段都需作闭水实验，含井在内同时闭水（即闭水），闭水水头为2.0米，具体按照《给水排水管道工程施工及验收规范》 GB50268－2008来执行。闭水试验程序：
（（2）试验前，管道及检查井外观质量已验收合格，管道未回填土且沟槽内无积水，封堵全部预留孔，管道两端堵板承载力经核算应大于水压力，同时对管道内部进行检查，要求无裂缝、小孔等缺陷，并清除管内残渣、垃圾、杂物等。试验前检查合格后，方可进行闭水试验。
（3）首先对管段进行分隔，管道分隔长度一般不大于lkm，分隔成几段后，带井进行注段试验。对所需试验的管段两端进行封堵，封堵好后向管道内注水，管段注满水后，需至少浸泡24h。
（4）压力管道严密性试验需确定试验压力，无压力管道严密性试验则需确定试验水头，试验水头应按如下规定进行确定：
①当试验段上游设计水头不超过管顶内壁时，试验水头应以试验段上游管顶内壁加2m计；
②当试验段上游水头超过管顶内壁时，试验水头应以试验段上游设计水头加2m计；
③当计算出的试验水头小于l0m，但已超过上游检查井井口时，试验水头应以上游检查井井口高度为准。
（5）试验水头确定后，继续向管道内注水，达到试验水头后开始计时，观测管道的渗水量，直至试验结束时，应不断地向试验管段内补水，一直保持试验水头恒定。渗水量的观测时间不得少于30min。
3 结束语
随着城市总体规划建设的实施，越来越多的市政管网工程开工建设，为有效避免管网施工对城市环境和交通的影响，应用非开挖顶管施工技术有着较高的施工效率和性价比，有一定推广价值，以其独特优势，将得到广泛的应用。顶管施工过程中还需重点注意以下事项：
（1）要根据场地周边工程地质和水文地质情况综合分析设置降水井的必要性，确需设置的要确保降水效果，以减小顶管施工风险。
（2）要根据顶管地质情况和周边环境情况合理设置顶管长度和工作井位置。
（3）根据相关规范、公式和施工经验准确计算顶力大小，对称均匀布置千斤顶。
（4）要在顶管施工影响区域设置必要的地面沉降和建构筑物及管线沉降观测点。
（5）对顶进管道渗漏要求高的，可先分节顶进钢管内套分节混凝土管方式，钢管焊接处和防腐蚀等措施要做好，钢管和混凝土管之间做好浆液填充。
（6）顶管开挖过程中要严格控制单次开挖长度，严禁超挖，避免引起塌方。顶进机头或首节顶进管设置“帽檐”可有效控制塌方。
（7）顶进管道内要做好必要的管道通风、照明和通话设备等，顶进管道内作业工人需每间隔2h左右轮换一次。
（8）管道顶进完成后一定时间内持续监测分析监测数据，顶管影响区域存在滞后沉降可能。
4 参考文献
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[3] 曹文.浅谈非开挖顶管泥水平衡法的施工工艺控制[J]. 现代物业（中旬刊），2018（05）.
论文作者:王继宪
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月第5期
论文发表时间:2020/4/30
标签：管道论文; 顶管论文; 工作论文; 作业论文; 偏差论文; 导轨论文; 水头论文; 《城镇建设》2020年2月第5期论文;