手掘式液压顶管法在市政工程中的应用分析

手掘式液压顶管法在市政工程中的应用分析

冯全福 谢道玄 肖柯雨 姚茂连

中国十九冶集团有限公司市政交通分公司

摘要：在川南某市政产业集群连接线建设项目施工中，其下行市政管道需穿过现有左侧人行道，地面下方管线众多，市政管线、通信电缆和国防光缆，地面上方交通是岷江新区与老城片区联系的重要通道，交通转换困难，为缓解交通通行压力，避免大量管线迁改，采用了手掘式液压顶管法进行地下管线施工，在平交口车辆流量大，地上地下施工条件复杂的情况下，通过路面注浆加固和地下有序施工，保证了施工期间地表沉降符合要求，减小放坡开挖带来的不变以及对周围环境的影响，快速恢复交通，协同地表施工，缩短了施工周期。

关键词：手掘式液压顶管法 路面注浆 回填 测量 注浆加固

1 工程概况

该项目起于三江厂平交口，起点桩号 BSK0-001.12，终点止于规划横二路，终点桩号BSK4+346.1，线路长4347.22m，整个项目包括川云中路主线、川云中路辅道、环城路改造、三江厂立交、观斗山立交与岷江桥南节点。采用放坡开挖需要的工作面较大，管线迁改工程量大。为缓解交通通行压力，避免大量管线迁改，YD1～YX1采用顶管施工，将顶管工作井计划在YD1位置（现围挡区域内）。

2 地质情况及管道施工工艺选择

因该管段位于交通要道上，车辆通行量和荷载较大，且本段顶管管径较大，覆土较薄且为填筑土或杂填土，管道范围内为填筑土和细砂，管底为细砂和填筑土。在顶进过程中具有极大的安全质量风险。勘察期间为丰水期，根据钻探记录，可得管道施工段稳定水位埋深6m～14.6m，标高为307.44～315.16m。本次顶管管底流水面最低标高为315.000，西侧现有沟渠流水面标高为307.82，顶管施工不受地下水位影响。

根据物探图及现场人工开挖探坑提供的信息显示，地下管线主要包括强电、监控、照明、通信、燃气、给水、排水、国防光缆等，地上构造物含人行道绿化树、监控杆线、路灯、电力电缆控制箱等。根据物探图本次顶管施工区域内，原有市政管线埋置最深为市政雨水管，管道底标高318.63m。本次顶管管道顶标高最高为317.77m，顶管与市政管线最小高差约为0.86m，顶管施工对原有市政管线不会造成破坏。             

结合工程水文地质资料、物探图以及坑探信息表明，施工范围不受地下水位影响，且不影响其他原有市政管网，顶进距离短，因而本项目管道顶进施工工艺采用手掘式液压顶管法[1-2]。

3顶管施工顶力计算

 本项目管道顶进施工工艺采用手掘式液压顶管法。本工程总顶力、工作井允许顶力和管材承受顶力根据公式计算[3]，具体计算如式（4-1）、（4-2）、（4-3）所示。

（1）后座墙土体允许施加的顶进力：

后背受力计算公式：

          )               (4-1)

式中:—总推力的反力，为推力的1.2~1.6）；

 系数（取1.5~2.5之间）此处取1.5

 后座墙的宽度，此处取4m；

  土的容重（KN/m3） 19.6（KN/m3）

  后座墙的高度  此处取4m；

 被动土压系数tan2(30°+/2)， 此处取9°

 土的内聚力（kPa),取10kPa；

 地表到后座墙顶部土体之间的高度差（m），本项目取2m.

由式（4-1）计算，可得工作井后背墙允许施加的顶进力为1217.95T。

（2）管道许用顶力：

                            =                  （4-2）

式中:  混凝土管道允许顶力设计值；

混凝土受压强度折减系数，取值0.9；

偏心受压强度提高系数 ，取值1.05；

混凝土材料脆性系数，取值0.85；

混凝土强度标准调整系数，取值0.79；

顶力分项系数，取值1.3；

混凝土受压强度设计值；取值14.3 N/mm2；

管道最小有效传力面积； 取值1.8 m2。

根据公式（4-2）可得管道许用顶力：10066.044KN=10271（T）。

  （3） 总顶力计算： 

                                     (4-3)

由于采用人工挖掘，管道迎面阻力

式中： 总顶力（T);

管外径（m），取2.88(m）;

管道设计顶进长度（m），取 38 (m）;

管外壁与土层摩阻力,取0.4/m2;

由式（4-3）计算得本段顶管总推力为168.96（T）；

本工程总顶力168.96（T），工作井允许顶力1217.95（T），管材承受顶力10271（T），拟采用油泵站推力为2个320（T）千斤顶，即：管材承受力>后背墙承受力>千斤顶推力>所需总顶力，满足施工要求。

3 施工流程

管道顶进施工总体工艺流程，如图1所示，

图1管道顶进总体施工工艺流程

管道顶进施工工艺采用手掘式液压顶管法，本次施工钢筋混凝土管径为DN2400，顶管采用2台320t千斤顶并联，每节管道2m长，顶管动力使用电动液压顶管机，顶管管节采用汽车吊，先吊放进顶管井内就位，再通过经纬仪将管道中线控制桩引至工作井内，顶进过程中利用激光发射器的激光束进行控制点延申，以便随时对控制点进行复测， 最后进行顶管顶进设备安装，包括导轨安装：主顶装置顶铁（传力柱）、传力板、工具切屑管的安装。顶进施工时，通过风镐掘进取土，在施工作业中，为了防止误差累计过大，影响后续施工的精确度，施工过程中需要保持随挖随测，做好持续纠偏工作。

4 管道顶进施工要点

 YD1～YX1段采用顶管施工，工作井设置在YD1，然后向YX1顶进，整个施工顶进长度为38m。顶管管径为DN2400，以解决泵房DN500压力管排水问题。为防止顶管造成地面沉降，影响地面道路正常运行，顶管施工前在顶管上部进行小导管压力注浆。    

本节点采用人工顶管的方式进行施工；在YD1处施工设置顶管工作井1个，工作井采用内井直径6.5米的圆形井，护壁厚度50cm，使用C30钢筋砼结构。顶管井深度7m，管底埋深5.8m，工作井采用逆作法施工，顶管施工完成后，逆作法井内再单独设置永久检查井，永久检查井与顶管井之间采用天然砂砾石分层回填，分层回填厚度≤30cm，压实度≥0.95。考虑道本项目的实际出口情况，在出口不设置接收井，直接顶出后采用八字式出水口。

4.1 路面注浆

为防止顶管施工时造成地面沉降[4]，影响路面道路正常运行和施工安全，顶管施工前需在顶管上部进行小导管压力注浆，加固土体。注浆采用常规注浆方案，注浆深度约6米，注浆孔为Φ60@500×500，选用重复性注浆管施工。通过计算确定注浆范围，为管底以下1.0m～管顶以上2m和管道两侧各2m，注浆加固体28天无侧限抗压强度不小于1.0MPa，抗剪强度应大于0.2MPa。

4.2 测量控制及纠偏

在工作井中布置好测量仪器，通过顶进过程中的作观测记录，计算方位高程值，进而在顶进过程中实时纠偏[5]，纠偏的程序和结果必须符合规范要求。在道路下顶进，当路面沉降量≥10mm时，需要进行钻孔取样，通过检查土体孔隙比的变化判断施工是否安全可控。

（1）水平监测

第一节管（工具管）施工作业和校正偏差过程中，为了保证管道入土位置的准确性，前后测量距离间距小于300mm；管道进入土后的正常顶进段，前后测量间距不宜超过500mm；纠偏时，需要加强测量频率，每进深0.5m测量记录≥2次；出洞前每进深0.5m测量记录≥2次；

（2）高程监测

利用透明胶管在工作井内设置水准点，测头一节控制前端管内底高程，通过前端管内底高程变化确定前一节管道的水平和竖向走向。

（3）随挖随监测，小角度、高频率纠偏

常用的方法有超挖纠偏方法、顶木纠偏、千斤顶纠偏法[6]，具体操作原则应随挖随监测，小角度、高频率纠偏，防止累计偏差，造成误差过大。

第一节管在顶进过程中受到不均匀外力的影响，头部偏离了轴线及设计标高，需要对第一节管进行纠偏操作，纠偏角度一般不宜≥0.5°，纠偏频率在管道所处施工阶段有所不同，在管道顶进阶段，每进深0.5m不宜少于1次，在纠偏阶段不宜少于2次，管道运行轨迹，并快定纠偏大小。每次纠偏角度严格控制在10′～20′，小于0.5°，纠偏操作要求平稳准确，安全牢靠，如果偏差过大，需要将偏差分角度、分批次进行，做到纠偏角度小、纠偏过程连续，保持适当的曲率半径返回到轴线上来，避免管道顶进时产生过大的侧应力，对于短距离纠偏作业，可采用后座液压油缸进行纠偏，根据偏差情况，确定后座油泵的开启和关闭。

4.3注浆减阻

顶进管与地层间的空隙密实，可以确保顶进管段时施工安全，上部不沉陷，管节不渗水，对已经顶进施工完成的管道进行管背注浆。注浆孔间距1m，直径为3.5cm。注浆孔由顶管生产厂家在管道预制的时候进行预留螺纹管，要求减阻后管道侧摩阻力≤15kpa。

注浆液采用双液浆（水泥+水玻璃浆），注浆材料为普通硅酸盐水泥，每0.5立方米水玻璃浆液配合比（重量比）水玻璃﹕硫酸﹕碳酸氢钠﹕水=150﹕39.32﹕1.02﹕368.3；水泥浆配比：水﹕水泥=0.5﹕1；水泥浆﹕水玻璃浆液=1﹕1。注浆压力：0.4Mpa～20.8Mpa。注浆孔上均设管螺纹、管箍及丝堵，将制作好的注浆管头预先拧紧插入管道上。注浆过程中，控制注浆量及注浆压力，待下一注浆孔中出现压浆液并且注浆压力≥0.6MPa时，每孔稳压时间≥2min，及时关闭注浆孔上控制阀，进行下一个孔注浆。

4.4壁后注浆

本次顶管采用人工掘进的施工工艺，对于管节与岩土层之间存在的空隙和顶进过程中使用的减阻泥浆，采用水泥砂浆进行壁后注浆填充加固[7]，以避免后期道路沉降。采用自带注浆孔的管材，注浆孔的设置：需注浆段在每根钢筋混凝土管节中部设置2根注浆管，相邻的钢筋混凝土管注浆孔布置按逆时针方向依次旋转90°。

采用挤压式注浆机将购置的水泥砂浆，通过φ32mm高压胶管连接顶管用钢筋混凝土管注浆孔眼，向管外注入M20水泥砂浆。注浆压力控制在0.2～0.3Mpa之间，以保证水泥套管与岩土层间无孔隙，从而确保地表不发生沉降。

4.5八字式出水口与检查井施工

YX1处顶管顶出后，立即施工八字式出水口。顶管施工完成，拆除顶管设备后，工作井内利用工作坑内平面另做检查井，检查井按设计图纸与规范要求施工。

矩形检查井，利用1220mm×2440mm×15mm制作模板，模板外侧选用截面为10×5cm木枋作为模板竖向支撑，环向间距0.5m，紧贴木枋外侧采用双拼φ48×3.5mm钢管双拼作为横向支撑，环向间距0.5m，选用φ8mm螺杆作为对拉杆，蝴蝶扣锁紧加固。外侧设置Φ48×3.5mm扣件式双排脚手架作为操作架，间距0.6m，内侧利用Φ48×3.5mm扣件式脚手架进行支撑，间距0.5m。井筒安装完成后拆除脚手架，利用吊车吊出材料。

盖板采用现场预制与人工吊车安装方式，井筒采用厂家预制，人工配合吊车安装方式进行施工。对于操作井与工作井之间的空隙，利用细沙回填，分层夯实，每层厚度为30cm。

4.6井周回填

闭水试验合格后，利用天然砂砾石对检查井与工作井之间进行分层回填，车行道位置回填至水稳层顶，后按既有道路面层结构进行沥青混凝土铺筑。

结论：

项目采用手掘式液压顶管法，日掘进量在 6m～ 7ｍ，安全快速。通过科学高效的管理和有序组织施工，实现了工期和成本的高效提升，在既不影响路面交通，且对施工周围构筑物影响小的基础上，又为地面施工增加工作面，缩短了建设工期，整体建设周期缩短了一个月，项目节约了成本，也为以后市政工程改扩建项目管道施工提供了参考。

参考文献：

[1]宏喆. 顶管技术在北京市天然气管道施工中的适应性评价方法研究[D].北京建筑大学,2020.34-45.

[2]周君波,黄超.手掘式顶管在城市排水管网改造工程中的应用[J].四川水利,2022,43(02):102-105+159.

[3]王再斌,李彪.市政顶管工程常见施工技术问题研究[J].云南水力发电,2022,38(07):11-15.

[4]蒲仕勇,吴林松.市政排水管道手掘式顶管施工效率及影响因素分析[J].工程技术研究,2021,6(08):180-181.

[5]王瑞杰,段文贵,饶才强等.手掘式顶管施工轴线偏差测量及纠偏对策[J].建筑技术,2016,47(07):642-644.

[6]杨姝.浅析顶管施工实践中的常见问题及纠正措施[J].智能城市,2020,6(24):113-114.

[7]史钦华.手掘式顶管挖掘面稳定的探讨[J].浙江建筑,2015,32(02):19-22.