顶管法简介和施工实例

广东地质2006年9月GUANGDONGGEOLOGY第21卷顶管法简介和施工实例陈永光1韩利光2（1广东省地质建设工程勘察院，广州510080；2广东省核工业地质局二九三大队，广州510800）摘要介绍了顶管法的工作原理、特点、适用条件和广州市白云区污水处理工程截污管道的顶管施工工艺，以及对顶管法的认识和建议。关键词顶管法顶进力施工工艺非开挖铺管法早在19世纪末就已经开始使用，如：顶管法、水平钻进法，只是当时没有使用“非开挖”这一术语。自20世纪70年代以来，又陆续出现了几种新的非开挖地下管线铺设方法，如：水平螺旋钻进法、水平定向钻进法、导向钻进法、小口径顶管法、气动矛法、夯管法等。每种施工方法都有各自的适用范围和局限性，所适用的管径、管材、施工长度、岩土条件等各有所不同。顶管施工法是继盾构法之后而发展起来的一种地下管道施工方法，也是使用得最早的一种非开挖施工方法，起源于美国。1顶管法的工作原理顶管施工就是借助于主顶油缸以及中继间的顶进力，把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时，把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。一个完整的顶管施工主要包括以下几个部分：混凝土管、运输车、扶梯、主顶油泵、行车、安全扶拦、润滑注浆系统、操纵房、配电系统、操纵系统、后座、测量系统、主顶油缸、导轨、弧形顶铁、环形顶铁、机头等（图1）。2顶管法铺设截污管道实例2.1工程概述该工程是广州市白云区污水处理系统某段横穿广从公路铺设90m长，管径600mm的玻璃钢管。该路面车辆流量大，路面为混凝土，厚约30cm。混凝土垫层以下为填土，层厚1～3m，地下3～10m主要以第四纪的砂层及粉质粘土为主，局部淤泥质土；地下水较丰富，管道埋置深度5～7m。采用非开挖技术，管前人工挖土、顶管方式铺设管道。本文2006年8月收到，8月改回。2广东地质第21卷2.2施工工艺顶管施工的基本工艺为:测量放线—做顶管工作坑—设置平台—安装后背—铺设道轨—顶镐、顶铁、油泵就位—复测高程及中心线—安装钢管—开挖管前土方—顶进—复测、矫正管道中心线—工作坑回填。2.2.1工作坑布置本工程根据管道布置、检查井的设置、地形及地表建筑物分布，设置1个顶管工作坑和1个接受坑。工作坑确定为4m×4m×6m，坑底两侧设置1m×1m×1m焊接工作坑，坑内设集水坑。工作坑基础使用碎石道床、道床厚度不少于350mm，装枕木，枕木规格150mm×200mm×2500mm，间距500mm，以防止工作坑下沉和顶进位置的偏差。道轨采用38kg/m重轨，左右各一根，轨长6m，轨高134mm，管道底部距枕木顶按40mm设置，轨距392mm。本工程采用1台300t液压千斤顶，最大顶距不超过50mm，管道由于受工作空间的限制每节长为2.0m。2.2.2顶进设备选择顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、工具管及运土设备等。千斤顶是掘进顶管的主要设备。根据理论计算和实际情况，本工程选用的千斤顶为300t。工具管即导向头，采用人工直接挖土和运土。2.2.3顶进施工工作坑内设备安装完毕后，经检查各部分处于良好状态，即可进行开挖和顶进。管前挖土是保证顶进质量及地上建筑物安全的关键，管前挖土的方向和开挖形状，直接影响顶进管位的准确性，因为管子在顶进中是循环已挖好的土壁前进的。因此，管前周围超挖应严格控制，对于密实土质，管端上方最好留有小于等于1.5cm空隙，以减少顶进阻力；管端下部135°中心角范围内不得超挖，保持管壁与土壁相平，也可预留1cm厚土层，在管子顶进过程中切去，这样可防止管端下沉。在不允许顶管上部土壤下沉地段顶进时，管周一律不得超挖。管前挖土深度，一般等于千斤顶出镐长度，如土质较好，可超前0.5m。超前过大，土第3期陈永光，韩利光：顶管法简介和施工实例3壁开挖形状就不易控制，容易引起管位偏差和上方土坍塌。由于本工程地层含水比较丰富，容易引起土方塌陷，因此，在每掘进50cm时顶进一次，确保施工安全。管前挖出的土用牵引小车及时运出管道，用工作平台上的卷扬机送到平台，然后运出工作场地。2.2.4管道顶进误差调整在工作坑内设有水准点和预设的方向线，采用激光水准仪直接测量前端管底高程和方向。每顶进50cm时，测量一次，如果在顶进中发现偏差，利用纠偏千斤顶进行校正，使其复位。在顶进过程中，顶管前面的第一节管道作为工具管，不和后面的管道焊接在一起，有利于在顶进过程中调整管道的顶进误差。3顶进力的计算根据《非开挖铺设地下管线工程技术》上海科学技术出版社2005年1月第1版中有关计算公式，顶进力的计算是顶管施工中最常用的、最基本的计算之一；顶进力为初始顶进力与各种阻力之和。LBcCwBcqFoF]'')[(式中：F顶进力（kN）；F0初始顶进力（kN）；Bc顶进管外径（m）；q顶进管周边的均布载荷（kPa）；w每米顶进管的重力（kN/m）；'顶进管与土之间的摩擦系数，'=tanψ/2，ψ为土的内摩擦角；'C顶进管与土之间的粘聚力（kPa）；L顶进管度（m）。4顶管法的特点和适用条件4.1顶管法的特点顶管施工与开挖施工法相比，具有以下优缺点（表1）。4.2顶管法的适用条件（1）管径：一般在200～5000m；（2）管材：一般为混凝土管、钢管、玻璃钢管等；（3）管线长度：一般为50～300m，最长可达1500m；（4）岩土类别：各种岩土，包括含水层。4广东地质第21卷表1顶管法与开挖法比较优点缺点（1）开挖部分仅仅只有工作坑和接收坑，而且安全，对交通影响小，不破坏地面建筑物；（2）在管道顶进过程中，只挖去管道断面部分的土，挖土量少；（3）作业人员少，工期短；（4）建设公害少，文明施工程度高；（5）在覆土深度大的情况下，施工成本低。（1）曲率半径小而且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难；（2）在软土层及可液化砂层中容易发生偏差，而且纠正这种偏差又比较困难，管道容易产生不均匀下沉；（3）推进过程中如果遇到障碍物时处理这些障碍物非常困难；（4）在覆土浅的条件下显得不经济。5认识和建议5.1认识（1）采用顶管机和卷扬机进行非开挖铺管施工，成本低廉、设备简单、运输方便、占用空间小，适合在建筑物周围或空间较小的地方施工。（2）适合在土质比较均匀、土质稳定较好的地层进行施工。（3）采用圆锥形导向头可以减少铺管时的阻力，具有很好的导向性能。（4）利用十字板拖盘拖动铺管，可以防止在铺管时由于管道承受的拉动过大损坏管道。（5）操作简单，效率较高。5.2建议（1）施工前应详细了解工程地质状况，根据地层情况制定相对应管段的施工方案，确定施工参数，尤其是地质变层处，应提前制定方案，调整施工参数，确保变层处能顺利顶进。（2）管道施工段经过砂层时，在顶管前应核算千斤顶的顶力及相应设备的施工能力，对于顶管机械的施工可能性应先充分了解。（3）据本工程情况，顶管工作井与接收井之间的距离建议不大于100m，建议增加工具管的长度并于顶管机后壳相联。（4）砂层（包括粉细砂、中粗砂）由于顶管机的震动，可能会造成饱和砂土的液化，会降低其承载力，造成“叩头”事故，同时砂土过多的置换亦会造成地面的沉降，建议施工时对砂层制定切实可行方案。（5）工作井和接收井的开挖，应根据井位所在位置的地质条件，采用相应的井壁支护与止水结构，并同时做好施工过程的监测工作和基坑的封底处理。