大直径顶管工程施工工艺及方法研究

大直径顶管工程施工工艺及方法研究
本文以武汉市杨春湖地区高压线路迁建友谊大道隧道顶管工程为例，对大直径顶管工程施工工艺及方法进行了分析，本文通过对该类工程的设计施工过程的中遇到的各类问题进行了总结分析，希望本文的分析为大直径顶管工程施工的施工规划做出的有益的帮助。

标签工程施工；大直径；顶管工程
1、引言
随着我国城市化进程的不断推进，地下空间的利用和开发受到越来越多人们的重视。

顶管法作为一种暗挖施工技术，是一种在不挖开表层土地的基础上，完成管道敷设的技术，其技术优势独特，具有无可比拟的优点，得到越来越广泛地应用。

但是顶管法施工不可避免地会引起地下和地面土体的移动，在土中产生附加应力。

当土体位移过大时，将对周围建（构）筑物和邻近地下管线构成危害，因此，顶管工程是隧道类工程中难度较大的工程，其工程难度较大，本文以武汉市杨春湖地区高压线路迁建友谊大道隧道顶管工程为例，对大直径顶管工程施工工艺及方法进行了分析。

2、大直径顶管工程的原理及施工控制难点
2.1 顶管工程的原理
顶管施工就是借助于主顶油缸及管道中继站的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直顶至接收井内。

与此同时，也把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间。

在顶进过程中，通过工具管或掘进机平衡正面土体的压力，同时通过管道将机头内掘进的土体运出井外。

2.2顶管工程的特点
（1）设备的专用性较高，对设备的依靠程度大
每一项顶管工程均需根据其管径、壁厚和地质情况等设计制造该工程的专用设备。

即使同一直径的顶管，也会因地质条件不同而选用不同切土形式、不同循环方式和不同止水结构的顶管机。

（2）具有一定的风险性，必须技术超前
顶管工程是地下工程，一旦遇到地质与设计不符、顶管机头故障或渗漏进水等意外情况，处理起来比地面复杂，甚至不可收拾而使整个工程失败。

要求善于总结、技术超前、对可能出现的问题更有预见性，从而避免意外和风险出现。

2.3顶管工程的施工控制难点
顶管为非开挖施工，因此在施工过程中对以下几点进行控制。

（1）根据不同地质选择顶管机和刀盘。

在顶管施工中，对地质情况的了解至关重要，不同的地质对顶管机和刀盘都有较高的要求，也是整个工程施工的成败关键点。

在实施顶管工程之中，要在探明地质情况后正确的选择设备是顶管施工成败的基础。

（2）克服长距离顶管施工过程中磨阻力不断增大的影响以及顶力的损失。

（3）顶管施工穿越软硬不均土层时可能出现轴线偏移，顶管起拱、机头下沉等现象的控制。

3、大直径顶管工程施工工艺及方法
3.1 工程简介
武汉市杨春湖地区高压线路迁建友谊大道隧道顶管工程位于青山区友谊大道建设十路和王青公路之间，原设计方案为开挖土体后，施工钢筋混凝土箱涵。

后由于地下障碍物的影响和保护周边建筑物等原因，将部分地段调整为顶管施工。

本工程顶管内径为D3000mm，外径为D3600mm，顶管分为友谊大道段和三环线段，友谊大道共两段长度分别为530m和420m，由二座工作井和一座接收井相连接组成。

三环线段总长397m，由一座工作井和一座接收井相连组成。

其中，顶管管节中心线标高位于地面以下约-9.3m处，顶管管节直径为3.6m，壁厚30cm，混凝土强度等级为C50，抗滲等级为P10，顶管外接头处设置有两道环状楔形橡胶圈；工作井和接收井底标高（刃脚底部处）位于地面以下-15.5m处，底板顶标高为-12.3m，混凝土强度等级为C30，抗渗等级为P8，壁厚为1m。

3.2 主要工程施工工艺及方法
3.2.1沉井施工
（1）工程概况
本工程工作井、接受井采用沉井施工法施工，沉井施工采用水泥搅拌桩止水，同时结合深井降水法进行挖土下沉干施工。

接收井、工作井井壁分二次浇筑，二次下沉，冷缝连接采用预埋钢板止水。

（2）主要工艺流程
地基处理基坑测量放样降水井布设刃脚垫层施工立井筒内模和支架钢筋绑扎立外模和支架浇捣混凝土养护及拆模封砌预留孔凿除垫层挖土下沉沉降观察沉井到位混凝土封底绑扎底板钢筋浇捣底板混凝土混凝土养护沉井四周注浆。

3.2.3顶管施工
（1）概况
顶管管径为DN3600，管节为2.5m一根，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10，顶管外接头处设置有两道环状楔形橡胶圈。

三环线顶管总计397m，管径为DN3600，顶管施工穿越粉质粘土和淤泥质粘土，水平直线顶进。

（2）顶管工艺的选择
DN3600 管道主要穿越地质为粉质粘土层和淤泥质粘土层，根据我单位长期施工的经验和各种顶管机头的优劣来分析，三环线顶管采用泥水平衡顶管工艺，该工艺适用土质范围较广，沉降较小，进度较快。

正常顶管时，顶管机及管道内的操作均由地面操作者完成，所有的操作元件均由电缆、油管集中至地面操作室进行控制，所有运行数据由电缆传输信号至地面操作室以便操作者监控并发出操作指令。

顶管机能持续自动地记录其各种状态及管道线路的位置等数据。

自动记录系统包括泥土和地下水压力，机头倾斜、旋转，纠偏状态，前进速度，顶进长度，泥水压力、刀盘扭矩，顶进负荷，及中继间运作等。

此系统在自动系统出现故障时能手动监测，以保证管道在自动系统的修复过程中能继续前进。

（3）顶管主要的施工方法
（1）顶管出洞、进洞技术
A、顶管出洞
顶管出洞是指顶管机和第一节管从工作井中破出洞口封门进入土中，开始正常顶管前的过程，是顶管的关键工序，也是容易发生事故的工序。

顶管出洞前在洞口安装止水出口器，出口器由内径略小于管节外径的橡胶密封圈和内径略大于管节外径的钢法兰组成。

顶管机头在井内管床就位，调试完毕，作好出洞的一切准备后，便将机头穿进橡胶密封圈顶入预留的洞中，首先将洞口的砖墙切磨机头随之顶入土体中间。

同时在机头与洞口的缝隙中注满膨润土泥浆，以润滑管道，支护土体。

顶管出洞对操作者要求也很高，这是因为出洞时顶管机未被土体包裹，处自由状态，而使顶头出洞的主千斤顶顶力是巨大的，因此，控制操作哪怕出现少量不均匀或土质不均匀，使各千斤顶的行程不等，也足以使顶头和第一节管子偏离设计轴线。

此时的土体难以对机头
产生较大反力，难以对机头起到导向约束作用，故此时产生的偏差很难纠正，
甚至是纠不过来的。

因此，出洞顶进时一定要注意，用激光经纬仪随时测量监控，保证顶头和第一节管子位置正确。

采用上述洞口结构和周密的操作技巧，可避免出洞這一关键工序中可能出现的诸多问题，确保顶管出洞万无一失。

顶管机下方两侧设有止退插销，在顶管机出洞时，当千斤顶松开时应插入止退插销，防止顶管机被土压力向后推回。

B、顶管进洞
顶管进洞，是指一段管道顶完，顶管机破进洞口封门进入接收井，并作好顶管机后一节管与进洞口的密封联接的过程。

顶管机进洞前也应对洞口外土体进行防渗注浆，并留有足够的固化时间。

顶管机进入加固土体并到达洞口外侧时，割除钢封门，将顶管机顶入接收井。

（3）膨润土泥浆减阻及置换
优质膨润土泥浆具有良好的触变性与润滑性，将其压到管外壁，包裹住管子，可大大减小管外壁与土壤间的摩阻力。

若压浆技术得当，压浆管分布合理，膨润土质量好，摩阻力可大为降低。

注浆孔应合理分布，机头及其后面10节管每节都设有注浆孔，使泥浆及时填充管壁与土间的全部空隙（机头外径比管节外径大20mm，故有空隙），其后逐步过渡到每3节管加设一节带有注浆孔的管节，及时补浆，使全线管壁都包裹在泥浆套中。

注浆管节分为四孔出浆的A型管和三孔出浆的B型管两种，间隔布置。

顶力在控制值之内十分重要。

若顶力过大，会带来一系列问题，各方面的控制都会困难，故膨润土泥浆压浆绝不可轻视。

（4）中继间的应用
1）中继间工作原理
本工程顶管距离较长，且该地区土质有一定遇水膨胀性，因此顶管施工必须使用中继间。

中继间把一次顶进的管道分成若干个推进区间。

在顶进过程中，先由若干个中继间按先后程序把管子推进一小段距离后，再由主顶油缸推进最后一个区间的管子。

中继间的结构主要由壳体、油缸、密封件等组成。

中继间油缸的供油方式有两种：一是利用主顶油泵通过高压供油管把压力油供到中继间油缸，另一种是在中继间附近安装一台中继间油泵。

本工程管径较大，距离较长，采用在中继间附近安装一台中继间油泵较好，压力损失很少。

2）中继站使用数量的设计
本工程顶管距离较长，且该地区土质有一定遇水膨胀性，因此顶管施工必须使用中继间。

中继间把一次顶进的管道分成若干个推进区间。

在顶进过程中，先由若干个中继间按先后程序把管子推进一小段距离后，再由主顶油缸推进最后一个区间的管子。

目前，顶力计算公式较多，且计算值相差很大，设计中继站所使用的公式很多时候不能反映实际顶力变化情况。

因顶管的不可预见性，影响顶力的随机因素较多，如沿途地质条件发生变化，常会使顶力发生突然变化，为安全起见，设计中继站时通常比较保守，一般采取取高保险系数和设计计算时参数按较大情况考虑，综合考虑技术因素和经济因素。

设计中继站数量时，总顶力可做如下分配：工具管的迎面阻力由1#中继站承担，其余中继站各承担其前面管道的阻力。

主顶泵站承担最后一段管道的顶进。

具体如下：。