两种顶管工法在市政工程中的应用

顶管法施工方法经常用于城市市政管道的建设中，使用该方法占地面积少，施工控制严格，可保证交通畅通；在穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量，降低工程造价。因此，对顶管施工技术及其引起的环境效应进行深入分析、探求解决对策具有重要的实际意义。

1工程项目概况

为了推进长沙地区顶管施工的发展，经湖南省建设厅批准，长善坑污水处理厂外截污干管一火炬路、康乐路段采用顶管施工，污水管道总长度为1000m，在土层下9m~2m处采用直径为2400mm的钢筋混凝土防护涵管，防护涵管采用泥水平衡和气压平衡顶管工法进行试点顶进施工，顶管长度为965.6m，顶管完成后在防护涵管内铺设DN1200玻璃钢夹砂污水管。尽管在河边施工时遇到一些困难，但经过试点，两种工法都取得了圆满的成功，取得了较好的经济效益和社会效益。

1.1岩土工程地质情况

根据本工程岩土勘察报告，拟建场地内与截污干管有关地层的主要性能评述如下：

人工填土①和植物层②，厚1m~2.5m：位于截污干管的顶部，对顶管施工基本上无影响；

粉质粘土③，厚1m~2m：分布于截污干管的上部，为拟建截污干管良好的隔水层；

粉细砂④，厚2m~5m：截污干管局部在该层中，为本工程良好的顶管作业层；

卵石⑤，厚2m~5m：为拟建截污干管主要的作业层和地基持力层；强风化泥质粉砂岩③，厚大于9m：为良好的拟建截污干管的地基下卧层。

1.2水文工程地质情况

勘察及施工期间，场地内各钻孔均见地下水，其主要赋存于粉细砂和卵石层中，略具有承压性，水量大，渗透性强；地下水补给主要来源于大气降水和生活用水，同时本场地的地下水位和相邻的浏阳河水位有密切的水力联系。

2顶管施工的基本原理

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个工作坑之间。在顶管施工中主要有三种工作面平衡理论：气压、土压和泥水平衡理论。本工程主要采用泥水平衡顶管工法和气压平衡顶管工法结合使用。

2.1泥水平衡顶管的工作原理

通常把用水力切削泥土，采用机械切削泥土而采用水力输送弃土，同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水平衡顶管施工。

在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上可以形成层不透水的泥膜，以阻止泥水向挖掘面里渗透。同时，该泥水本身又有一定的压力，因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力，这就是泥水平衡顶管最基本的原理。

2.2气压平衡顶管的工作原理

气压法顶管是在顶进管道的前方工具管（机头）内设置两道气压密封门，关闭第一道门，向前舱充入压缩空气，由于压缩空气向正面土层的空隙中渗透，将工具管前方土层中的地下水从土壤的孔隙中排挤到远方，给工具管作业提供一个无，水稳定的环境，同时，气体的压力也支撑着机头前的土体开挖面维持稳定而不坍落。当第二道门关闭且增压，使后舱前舱压力相等后，打开第一道门，管道向前顶进同时将机头前挖出的土运到一、二道门之间的转运舱内：然后关闭第一道门，气压继续稳压机头前舱再将后舱逐渐减压为零，再打开第二道门，使后舱与管道相通，将转运舱的土运到工作井。管道是边挖边顶，开挖量与顶进长度相匹配，这是全气压人工挖土顶进法，工人需带压作业。

2.3顶管施工的主要设备和作用

一个完整的顶管施工工艺主要包括以下几个部分：

工作坑和接收坑：工作坑是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机的始发场所。有时在多段连续顶管的情况下，工作坑也可当接收坑用。

顶管掘进机：顶管掘进机是顶管用的主要设备。

主顶装置：主顶装置由主顶油缸、主顶油泵和操纵台及油管等四部分构成。

顶铁：顶铁的主要作用是把主顶油缸的顶进力较均匀地分布在所顶管道的端面上。

基坑导轨：基坑导轨是由两根平行的箱形钢结构焊接在轨枕上制成的，它的作用是使推进管在工作坑中有一个稳定的导向，并使推进管沿该导向进入土中。

后座墙：后座墙是把主顶油缸推力的反力传递到工作坑后部土体中去的墙体。

顶进用管：顶进用管多为钢筋混凝土管，管节长度在2m~3m之间。按其接口形式可分企口、平接口（T型））和F型接口三种。

输土装置：在手掘式顶管中，大多采用手推车出土；在土压平衡式顶管中，有蓄电池拖车、砂泵等方式出土；在泥水平衡式顶管中，都采用泥浆泵和管道输送泥水。

地面起吊设备：地面起吊设备有门式行车，起重机。

测量和校正系统：顶管过程中，每隔一定时间（一般是每顶进0.5m）应测量标高和中心线一次。使用得最普遍的测量装置是激光经纬仪。

注浆系统：注浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。

供电及照明系统：动力电用380V，照明电源照明一般都是采用36V。

通风与换气系统：换气采用专用的抽风机或者鼓风机。

辅助施工：顶管常用的辅助施工方法有井点降水、高压旋喷、注浆、冻结法等。

3顶管施工主要技术措施

3.1顶管掘进机选型

根据本工程的地质资料显示，顶管管道通过的地层主要处于淤泥、粉质粘土、细砂层、卵石层等，根据以上地质情况，本工程主要选用的是具有破碎能力的泥水平衡的顶管机，分叉管路采用气压平衡顶管工法施工；切削下来的泥土在泥土仓内形成塑性体，以平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力10~20Kpa的泥水、泥浆，以平衡地下水压力。通过把进水添加粘土等成份的比重调整到一定的范围内，即使挖掘面是砂的土质，也可形成一层结实的不透水泥膜，同时平衡地下水压力和土压力。

顶管机的刀盘前面切割面安装有合金滚动滚刀及固定刮刀，刀座和刀盘焊接采用耐磨焊条。滚刀及刮刀在刀盘的4把刀杆上的布置是全段面切割布置，刀盘每转动一周，滚刀和刮刀对前面土体是全段面的滚动和刮动。顶管机在主顶装置的推动下，刀盘上的滚刀刀尖对前面坚硬的土体进行滚动挤压，致使坚硬的土体破裂；刮刀对破裂的土体进行切割，掏空前方土体，使顶管机向前推进。

顶管机的刀盘和泥土仓是个多棱体，且刀盘是围绕主轴作偏心转动，经过刀盘对前方土体切割，当有大块土体或块石进入顶管机泥土仓，经刀盘转动时就会被轧碎，碎块泥土小于顶管机的隔栅孔就进入泥水仓被泥水循环管输送走。

3.2主要施工技术处理措施

3.2.1泥浆减阻

用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要环节之一。在顶管施工前，先用水润湿混凝土管材，然后用黄油或机油外涂。在顶管施工过程中，如果注入的润滑泥浆在管子的外围形成一个比较完整的浆套，则其减摩效果将是十分令人满意的，一般情况下，摩阻力可由12~20kN/m²减至3~5kN/m²。本工程采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式进行减阻。

补浆管一般布置于中继环后面第二节管段及中断环与工具头及后座中间的位置，注浆孔按120°设置。注浆孔采用PE封闭螺栓。润滑泥浆材料主要采用钠基膨润土，纯碱、CMC、物理性能指标：比重1.05~1.08g/cm³，粘度30~40S，泥皮厚3mm~5mm。施工时按具体情况设置。

顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压住。压浆体凝结后（一般为24h）拆除管路换上封盖，将孔口用环氧水泥封堵抹平。

符合物理性能要求的润滑泥浆用BW-200压浆泵通过总管、支管、球阀、管节上的预留注浆孔压到管子与外管土体之间，包住下班钢夹砂管

3.2.2偏心破碎顶进技术

施工开始时顶进工具头（进洞），采用6支320t千斤顶顶进，油表最大压力22MPa，最大顶力850t。半月内顶进24节（每节2.5m），累计进迟64.7m（其中工具头4.7m长），工具头已经穿过火炬路，工具头位置在公路边坡挡墙下。本段顶进施工顺利，平均每天进尺5m，地质主要为淤泥质黏土、细砂土质情况与设计图纸吻合。

从16天顶进第25节管开始，顶进系统排浆出现碎石，有堵管现象发生，排浆泵可听到石子与叶片撞击声，清理堵管管道和从泥浆沉淀池中捞碴可见粒径4cm ~5cm碎石（花岗岩），棱角分明，此时千斤顶油泵油压表明显增大（24MPa），顶力约1000t。顶进第26节时，排浆泵被碎石卡住，不能正常工作，拆除修理排浆泵时发现泵体内全部为粒径5cm左右碎石，此时工具头位于广园东路边坡绿化带范围内。排浆泵故障处理完成后，开启顶管机并在管道内工具头附近可听到刀盘旋转与坚硬物发出的磨擦声。以上种种现象都表明：顶管工具头在绿化带下遇到障碍物，初步分析为遇到了碎石层。为了防止继续发生碎石堵管、堵泵而损坏设备，我们制作了两个“碎石拦截箱”，分别安装在工具头后和排浆泵前，利用它拦截排浆管排出的碎石，同时采用膨润土造浆、循环泥浆出碴和减缓顶速的方法，防止堵管和损坏设备。在继续顶进过程中，“碎石拦截箱”经常被堵塞，安排专人清理，箱内全部为5cm~8cm左右的花岗岩碎石。

从顶进第27节开始，时有堵管、堵泵现象发生，油泵油压明显增大（28~30MPa），顶力在1100~1200t间，顶进进尺缓慢。第17天开始下第28节管顶进，累计进尺74.7m，工具头位于车行道下方，工具头内的排浆管路被堵塞，清理管道内碎石，粒径5~8cm。通过正反转、加大泥浆比重、循环泥浆等方法，工具头才重新启动、工作。碎石对工具头格栅磨损严重，导致格栅脱落，必须对其维修、加固。

维修人员对工具头脱落的格栅重新制作安装后，对其余格栅进行加固，由于加固后的格栅能够很好地解决碎石问题，因此，在每次顶进均进行观测和施工记录的基础上，保持顶力顶进，顶管施工最终顺利完成施工任务。

4两种工法在顶进中的实际效果分析

火炬路、康乐路段顶管项目泥水平衡顶管工法在顶进过程中，每天顶进8~10节钢筋混凝土管，每节管子长1.86m，单节管子顶进过程大约需15~20分钟，顶进效果非常理想。

火炬路、康乐路段顶管项目气压平衡顶管工法在顶进过程中，每天顶进3~4m，顶进速度相对慢一些，主要原因是因为卵石层漏气性强，整个顶管过程中加气压的时间相对较长。由于本项目离浏阳河非常近，地下水非常丰富，在作业过程中要完全平衡住地下水，需要的压力比较大，在过高的气压下操作人员将无法作业，施工过程中还是有一些地下水，所以在顶进过程中影响了总体进度。

5两种工法在顶管施工中的比较

通过施工后对两种工法进行总结，两者各有所长，也可互补，可根据实际情况灵活应用。

5.1泥水平衡顶管工法的优缺点

泥水平衡顶管施工的主要优点有：适用的土质范围较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，也能适用；可有效地保持挖掘面的稳定、对所顶管道周围的土体扰动比较小；所需的总顶进力较小，尤其是在粘土层，适宜于长距离顶管：作业环境比较好，也比较安全。由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，作业进度比较快。

泥水平衡顶管施工的主要缺点为：弃土的运输和存放都比较困难；设备成本高。由于设备比较复杂，一旦哪个部分出现了故障，就得全面停止施工作业。这种相互联系、相互制约的程度比较高。如果遇到覆土层过薄或者遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作业就会因此受阻。因为在这样的土层中，泥水要么溢到地面上，要么很快渗透到地下水中去，致使泥水压力无法建立起来。

5.2气压平衡顶管工法的优缺点

气压平衡主要优点：气压平衡法优点是能在前面有障碍物的地层中施工，排障能力强：适宜于大口径施工，设备成本低。

气压平衡主要缺点：不适用于工作面不稳定地层：作业环境较差，作业进度相对较慢。

结语

综上所述，在顶管法施工过程中，必须根据土质条件、设计要求，认真选型、专项设计、合理配套，才能取得良好的效益。在大、小口径超长距离顶管施工中，一定要设计方案完善可靠，参数均要验证，严格按技术规程运作，精心施工操作，确保工程质量优异。

 

本文由唐兴装备整理自《两种顶管工法在市政工程中的应用》胡远辉 ，邓继华，转载请注明出处，如有侵权请联系删除。