谈手掘式顶管施工关键技术

谈手掘式顶管施工关键技术

王亮1王强2

1中国葛洲坝集团第三工程有限公司湖北宜昌4430022黑龙江省水利水电勘测设计研究院黑龙江哈尔滨150080

摘要：手掘式作为顶管施工的一种方法，具有易掌握、好控制、成本低的特点，应用较为广泛。本文详细阐述了手掘式顶管施工的洞门止水、管线测量以及触变泥浆减阻等关键技术的内容，供同类施工参考。

关键词：手掘式顶管；施工；关键技术

1手掘式顶管（人工土顶法）施工概述

手掘式顶管施工的工具管是一种刃口敞口式工具管，进泥口大小根据土质情况确定，如遇顶含石块土层、强度较高的干土，基本上采用全敞口方式，用人工掘进先挖后顶、人工运土的施工方法，这种施工方法主要适用于无地下水并对地面沉降无严格要求的含石块土层、砂石土等，但不适用于含水量较高的土质。

工具管前端设计为斜面，其倾斜角度为70º（见图），保证土体自身稳定性，有效地防止前方土体自身滑移。

工具管设计安装了注浆系统，可对管顶土方进行加固，防止塌方，减少后继顶力，且工具管比管材周边外径各大1.5cm以形成注触变泥浆需要的空隙。管前保证足够的插入力切土顶进。

1.1手掘式顶管（人工土顶法）施工的工作原理

在一般正常的湿土，当工具管在顶力的作用下向前推进时，工具管正面的土体向压力较低的方向流动，从进泥口进入工具管，如遇强度较高的土质，必须先挖后顶，减少工具管正面阻力。要实现上述过程，需要具备以下条件：

（1）要有足够的覆盖层，工具管正面土体的最大被动土压力要大于土体挤入工具管的阻力，否则地面会隆起。

（2）工具管进泥口大小，要根据土质情况调整，否则工具管正面土体会自动流入工具管内或不会流入工具管内（先挖后顶）。造成地面变形。

1.2顶进速度控制

顶进速度的控制过程中，应注意以下几点：

（1）主顶启动时，必须检查千斤顶是否靠足，开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快。每节顶进开始时，应逐步提高顶进速度，防止启动速度过大。

（2）在先挖后顶施工过程中，千斤顶行程必须严格控制在设定范围内，防止靠背及设备吃力过猛。

（3）顶进速度的快慢必须满足每节润滑泥浆注浆量的要求，保证润滑泥浆系统始终处于良好工作状态。

根据实际施工经验，正常顶进条件下（干黄土），顶进速度应设定为1～1.5cm/min；如正面遇到障碍物或地基加固土，顶进速度应低于1cm/min。

2顶管配套设备选型

主顶进系统由油缸组、顶进环及液压泵站等组成，其主要功能是完成管节顶进，是顶管设备系统的主要组成部份。

（1）油缸组

由4只油缸分两列左右对称布置，每列各2只油缸叠积而成，并用可分式结构的支座固定，用联接梁连成一体。其最大推力根据顶力计算配置。

（2）液压泵站

由油泵和电机组成。通过调速阀可改变油泵的流量，据顶进时的工况要求及时控制主顶油缸的顶速。以满足开挖面土压平衡的条件，从而起到控制地面沉降的作用。

（3）后靠背

管节顶进时油缸的反力，通过后靠均匀地传递到工作井井壁上，避免井壁受力不均或局部受力过大造成井壁结构破坏。后靠制作时，应与顶进轴线保持垂直。

（4）导轨

导轨安装时，应复核轨道的中心位置，两根导轨必须相互平行、等高，导轨面的中心标高应比设计管底标高适当抛高（一般为0.5～1cm）。平面布置图如下：

（5）注浆设备系统

在顶管施工中能否及时有效地向管节外围注触变泥浆，以形成和维护好泥浆套，起到高效的减摩作用，往往是顶管成败的关键。

顶管施工用的膨润土触变泥浆，是在地面压浆站配制后，通过液压注浆泵压入输浆总管及管节上设置的环形分管注入至顶管机及管节的各个注浆孔形成管节外围泥浆套。

（6）顶力计算

以奉化沿海供水一期工程为例，顶管顶力计算按一次性顶距200m计。

F=F1+F2

F---总推力；

F1---机头的迎面阻力；

F2---机头的顶进阻力；

F1=（л/4×D）×Pt

D---工具管外径1.2m；

Pt---机头底部以上1/3×D处的被动土压力（kN/m2）；

其中Pt=γ×（H+2/3×D）×tg2（45º+Ф/2）；

γ---土体的容重17.5（kN/m3）；

H---管顶土层高度6m（由于覆土为2.9~32m坡状，取平均高）；

Ф---土层的摩擦角12.2º；

F2=л×D×f×L

f---采用触变泥浆润滑取管道在此层土中平均摩阻力为4kN/m2；

L---全部的顶进长度（m）；

①机头迎面阻力：

Pt=γ×（H+2/3×D）×tg2（45°+φ/2）

=17.5×（6+0.4）×tg2（45º+12.2º/2）=518kN/m2

F1=л/4×D×Pt=3.14/4×1.22×518=496kN

②机头的顶进阻力：

F2=л×D×f×L=3.14×1.2×4.0×200=3014.4kN

根据总推力公式计算：

F1+F2=496+3014.4=3510.4kN

故后座主推油缸采用了4只200吨千斤顶能够满足顶进要求。主推千斤顶安装于后座型钢支架上。

3进出洞止水

当工具管进出洞时，防止洞口的泥水流入是影响顶管工程能否顺利进行的重要环节之一。若洞口止水不好，土体中的水和泥砂将不断涌进工作坑内，对施工造成影响，严重时将造成施工的中断，可采用橡胶板、环形铁板法兰、膨胀螺丝进行密封止水，防止地下水和原土流失，造成地面沉降。

橡胶止水板的施工方法是：采用14mm厚L型橡胶板在进出管洞口周围铺成与顶管外径相似橡胶套管，L型钢丝橡胶板伸进洞口内70cm，在洞口周围用边宽20cm×14mm厚的环形铁板法兰、铁膨胀螺丝与沉井井壁固定，螺丝的间距为10cm。

4轴线测量放线技术

4.1洞门中心点的确定

该图为机头进口洞门示意图。~01为内口，~02为外口，四边形ABDC为洞门中心切面，其中AB=CD=井壁厚，所以AB、CD是洞门边最短距离。四边形ABDC为横向切面，同样，可以定出竖向切面EFHC，两个相交并垂直的切面的交线为01-02，那么01-02的中连线的中心点，就是洞门的中心点，以上的中心点为理论中心点，实际上，洞门在井的制作和砼的浇捣中不一定是一个规则的圆柱体，有可能为一不规则的圆柱体，在求中心点的工作就比较困难，但要设置轴线必须先定中心点，其方法为：在洞门的内外圆的边放上两根水平的木条，先量出两根木条的中心点，在两中心点的连线的延长线的后方架设经纬仪，再用尺量取两内外圆的腰部，看经纬仪的竖丝切取的尺上读数是否平分图中AC、BD，如果平分说明中心点正确，如不平分，则要重新调整仪器位置，直至洞门中心点确定。

4.2管线放线

顶管管线放线是保证顶管轨线正确的关键。放线准确就能保证顶管机按设计要求顺利进洞，满足施工质量要求；反之，就可能造成顶管轨线偏差，影响工程进度和工程质量，同时也会造成顶进时设备损坏，使顶管停顿。

顶管管线放线，就是将工作井出洞口和接收井进洞口的坐标正确引入工作井内，指导顶管顶进的方向和距离。

直线测量放线：从理论上讲，工作井和接收井的坐标和标高在沉井下沉时都已明确，通过计算很容易确定。然而由于沉井下沉时的误差，这样从理论上计算放出的线就不一定符合。顶管管线放线常常是根据工作井和接收井的实际位置，按设计要求，通过测量实际放出管线位置。工具管线标高的测量使用水准仪测得工作井和接收井洞底标高，按照设计坡度，计算每米偏差，这是目前顶管管线常用的放线技术。就是根据顶管工作井出洞口的中线和接收井进洞口的中线，用经纬仪在工作井后反复瞄准这两根中线直至重合，确定顶管管线，并将其引入工作井内。

详见下图：

这种放线优点是视线比较直观，减少了放线过程中的计算量，方便操作；缺点是放线过程中需反复移动经纬仪，操作人员容易疲劳，放线容易产生误差。另外，在工作井和接收井之间如有障碍物，视线不能通过，放线就很困难。

三角放线：这种放线最适用于在工作井和接收井之间有障碍物不能透视的情况。即在工作井和接收井之间任意位置0点放置经纬仪，根据0A、0B和角度∠AOB，求得C点的位置和AB段的距离，在C点将管线放置工作井内，参见下图：

为确保放线准确，0点必须放置在2个位置进行校核，同时每次视角必须用经纬仪左右盘进行读数，消除误差。

当工作井和接收井的管线轴线测量完毕后，在工作井上用铅丝将管线轴经拉出来，上吊两个线坠将管线轴线引至坑底，用以确定管线顶进轴线。

5顶管纠偏技术

顶管中，由于周围穿透土层的变化，顶力的不均匀，管道连接的误差等因素，均可能造成顶管中线偏离设计中线设置，因此在顶进过程中需不断的对工具管进行纠偏操作。

纠偏时的指导思想是“平行找顺，纠偏一半，反曲靠线，主动微调”。

发现误差时，不能急于归位，找出原因，减缓误差发展，第一步是首先找出误差大的一面进行纠偏工作，纠偏千斤顶在原基础上的伸出量不超过2～4mm，这时误差虽在增加，但已有回归趋势，第二步经过一段顶程后（3米左右）出现顶进轴线于设计中线平行时，可多顶一段距离（5～10米），管体在顶进中会接顺一些已弯曲的土洞，第三步向设计中心靠拢，仍将千斤顶继续伸出2mm左右，本着稳慢原则，每顶2～3米可向设计中心线靠近5mm，当总误差已校正1/2时，反向纠偏千斤顶开始伸出2mm，这时的工具头仍然向设计中心靠拢，但其轨迹可能已向反方向演变，故称为“反曲靠线”，只有这样才能避免“矫枉过正”，轨迹忽左忽右。

纠偏工作操作要点：

⑴纠偏前，要根据工具管本身已存在的斜率和轨迹，综合分析确定校正方向及纠偏千斤顶的伸出量。

⑵纠偏时要坚持勤测、勤调、微动的原则，每次纠偏一般情况下不大于0.5度，切忌猛纠、硬调。

⑶纠偏操作必须在顶进中进行，严禁在停止时纠偏。

6触变泥浆减阻技术

6.1压浆孔布置

顶进施工中，减阻泥浆的运用是减小顶进阻力的主要措施。每间隔6m设置一组注浆孔，每组3只注浆孔，不断注浆，使浆套在管子外面保持得比较完整，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆环套，减小管节外壁和土层间的摩擦力，从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。

为了做好压浆工作，同时在工具管尾部环向均匀地布置3只压浆孔，用于顶进时及时进行跟踪注浆。顶进时，工具管尾部的压浆孔要及时有效地跟踪压浆，确保能形成完整有效的泥浆环套。管节上的压浆孔是供补压浆用的，补压浆的次数及压浆量根据施工时的具体情况确定。

6.2泥浆配制

减阻泥浆的性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。触变泥浆的主要成分是膨润土，掺入碱（碳酸钠）和水配制而成。

触变泥浆的配合比可参考下表：

触变泥浆配比（重量比）

6.3压浆方法

顶进施工时主要是进行同步压浆，通过工具管尾部的3个压浆孔压注触变泥浆、压浆压力应以浆液能压出管壁外而压力最小为宜。压力太大，则管壁外土体要受到扰动，造成局部坍塌，反而不利于减阻，也影响了轴线控制；压力太小，则浆液无法压出管壁外，不能形成浆套。顶进时可以通过观察总的压浆量与顶进距离的关系来估算压浆压力是否恰当。

随着顶进距离的延伸，应定期进行补压浆，补压浆通过管道内每6m布置的压浆孔进行，补压浆可能在每节管节顶进的间隙进行，必要时在顶进过程中也可穿插进行。

顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大很多，一般可达理论值的4-5倍，但在施工中还要根据土质情况，顶进状况，地面沉降的要求等做适当的调整。

7结束语

手掘式顶管施工作为一种技术较为成熟的顶管施工方法，相对于开槽埋管从社会效益和经济效益上来讲都具有很大的优越性。通过顶进前合理选定配套设备，控制管线测量放线；顶进过程中优化纠偏技术，实行触变泥浆减阻等一系列有效手段，能确保施工质量符合要求。

参考文献：

[1]王飞.浅谈顶管法的应用与技术措施[J].科技信息（科学教研），2008，（22）.

[2]何耀涛.市政工程中顶管施工技术要点.中国市政工程[M]，2008，（12）.

[3]中国地质大学（武汉）等合编.顶管施工技术及验收规范（试行）.2006.