穿越公路顶管施工技术研究

【摘要】 阐述了穿越公路顶管施工方法和关键技术 【关键词】穿越公路 顶管

顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。

目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论；气压平衡、泥水理论、土压平衡理论。土压平衡因其具有适用范围广、可连续排土连续推进、设备简单等诸多优点而被普遍采用。

顶管施工随着城市建设的发展已由原来的下水管道施工发展到自来水管、煤气管道、动力电缆、通讯光缆和发电厂循环冷却水系统等许多管道的施工中。并正在朝着长距离大口径、微型顶管（Φ400mm以下）、曲线顶管、测量和显示系统自动化等方向发展。

顶管施工与开槽埋管相比有土方开挖量少，对交通影响小，作业人员少，文明施工程度高，工期短，经济等诸多优点。但顶管施工也存在软土层中容易发生不均匀沉降和偏差，且纠偏困难，遇到地下障碍物处理困难等缺点。

本文结合工程实例阐述了软土层中穿越公路顶管施工的方法和纠偏等关键技术。

1 顶管施工的基本原理

顶管施工就是借助于主顶油缸及管道中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法，参见下图。

1 1．混凝土管 2.运输车 3.扶梯 4.主顶油泵 5.行车 6.安全扶栏 7.润滑注浆系统8.操纵房 9.配电系统 10.操纵系统 11.后背钢板 12.测量系统 13.主顶油缸 14.导轨 15.弧形顶铁 16.环行顶铁 17.混凝土管 18.运土车 19.机头

2 主要施工方法和适用范围

2.1手掘式

只适用于能自立的土中，如果在含水量较大的砂土或黏土中，需要采用降水或注浆加固等辅助施工措施。 2.2挤压式

它必须在覆土较深且土质又比较软的黏土中才能使用，凡是工具管挤进土里的体积，与其出土口的排出体积比例在95%—100%之间的才适用。出土量太少，地面就极易隆起；出土量太多，地面就会沉降。 2.3半机械式

适用范围和手掘式差不多，如果采用局部气压的辅助施工措施，则适用范围会较广些。 2.4泥水式

适用的范围更广些，而且在许多条件下不需要采用辅助施工措施。

2.5土压式

适用范围最广，尤其是加泥式土压平衡顶管掘进机的适用范围最为广泛，可以称得上全土质型，即从淤泥质土到砂砾层它都能适用（N值从0—50之间，含水量在20%—150%之间的土它都能适用）。而且，通常也不用辅助施工措施。

3 工程实例

3.1工程概况

开发区第十一大街雨水泵站工程，其中出水管有一部分为穿越东海路的2-D2000双钢筒混凝土管，长度为84m，采用顶管的施工方法进行施工。

工程现场属渤海凹陷区，冲积---海积平原为第四纪及滨海沉

2

积层，表层为人工填土层，为松散状素土。在约2.5-3.5m范围内为新近沉积陆相层，呈轻—流塑状态高压缩性淤泥质粘土。含水率34.8%--63.3%，地基承载力[R]=60KPA。5m-15m深为浅海相沉积层，多为褐色，淤泥及淤泥质土，其力学性质极差，最高含水率达.7%。[R]=60Kpa。在这样的地质条件下进行顶管施工有很大的难度。

本工程采用土压平衡顶管掘进机进行施工，工作坑两侧设泄水盲沟和简易50#浆砌片石检查台阶。经查阅有关图纸及现场勘察，东海路西绿化带内原有电缆、光缆及东海路中雨水管道，底高程均在顶管顶部1.5m以上，所以顶管施工不会对原有线路、管道造成影响。

3.2顶进施工及主要施工程序

根据现场实际情况，合理设臵工作坑的位臵，开挖后浇筑底板混凝土基础，安装导轨，在管体尾部修筑后背，以抗衡顶进力。将行车线路基挖空至设计标高，并超挖出底板厚度，直至全部就位为止。主要工艺流程见图1。 3.3工作坑的开挖

首先对既有线路基进行加固和防护，在工作坑外围打两排Φ600mm深层搅拌桩，打入坑底3m以下，开挖工作坑采用人机结合的方法施工。在工作坑的四角设四个降水井点，井底要底于工作坑底面2米以上，做好降水工作。工作坑平面尺寸为8×8.5m，底板采用C20钢筋混凝土，厚20cm，每3m设一道地锚梁.，两侧设导向支墩，钢筋网采用Φ8钢筋以20×20cm间距布在顶面下5cm处，底板轨道中心线与钢筒管中心线一致，工作坑底板尺寸按下图中公式计算确定。

1 底板长度＝钢筒砼管长度＋顶镐长度＋横梁厚度＋后背地梁厚度＋0.3m 2 底板宽度＝钢筒砼管长度+底板宽度＋2×方向支墩宽度＋0.2m 施工中严格控制底板顶面平整度，采用方格网控制高程法，即在灌注底板混凝土时，用Φ16钢筋头埋入混凝土内，分成2. 5m

3

施工准备 开挖工作坑 基坑降、防、排水 修筑滑板 模板、钢筋加工 钢筒砼管进场 . 修筑后背 安全教育、组织机构 线路加固 安装顶进设备 设备调试、试顶 安全检查 观测、纠偏 顶 进 挖土、运土 就 位 拆除顶进设备 刃脚补长 连续顶进作业 顶管纠偏

整修、恢复线路

竣工验收

图1 钢筒混凝土管顶进施工工艺流程图

4

方格网，控制高程，按点抹平混凝土表面，使其平整度达到2m范围内小于5mm。

为了消除钢筒混凝土管进入路基前空顶阶段的方向偏差，在底板两侧设方向墩。方向墩采用钢筋混凝土结构，与底板同时灌注，间隔3m，断面尺寸为0.3×0.4m，伸入底板0.5～0.8m，与钢管混凝土管留5～10cm空隙，以便导向。

3.4安设刃脚 准确测量定位，使工作坑底板轨道中心线、钢筒混凝土管中心线重合。外表进行润滑处理，以减少顶进阻力。刃脚主要起导向和对施工人员起安全保护作用，安装时必须严格要求，不能出现向上或向下的倾角，防止顶进时出现高程偏差。

3.5修筑后背

后背主要是承受顶进时的水平顶力反力的临时结构物，它是保证顶进工作顺利进行的重要设施，直接关系到顶进质量。后背采用6排深层搅拌桩，Φ600mm，入土3.0m，桩后面的土体采用注浆进行加固。排深层搅拌桩内侧打40号钢板桩，桩长9m，内接钢制靠背墙，靠背墙的平面应垂直于顶进轴线。钢板桩和靠背墙间缝隙用混凝土填满，并振捣密实。 计算反力R:

R=αB（rH2KP2+2cH KP+rhHKP） 式中：R—总推力之反力（KN）； α—系数（取1.5—2.5之间）； B—后座墙的宽度（m）； r—土的容重（KN/m2）； H—后座墙的高度（m）；

KP—被动土压系数[tg2(450+Φ/2)] ； c—土的内聚力（KPa）；

h—地面到后座墙顶部土体的高度（m）； 反力R应为总推力P的1.2—1.6倍，以确保安全。 3.6浇筑止水墙

在管子顶进前方的坑内，浇筑一道前止水墙，墙体由C30素混凝土构成。宽度5m，厚度0.4m，高度3m，并在前止水墙的预留孔内安装橡胶止水圈。

3.7顶进设备安装及调试

5

顶进设备主要包括液压系统和传力设备两大部分。设备布臵是否恰当，关系到顶进的成效，因此，安装前，对液压系统的各部件应进行单体实验，合格后方可安装。顶镐均匀布臵,

安装好全部液压系统，包括顶镐、油泵、油箱、管路以及配套辅助设备后，进行检查调试，使其运转正常。设备安装调试完成后，进行试顶。试顶应缓慢加力，采用钢筒混凝土管自重的0.4—0.8倍顶力，逐步稳压，直至油压突然下降，表明钢筒混凝土管已移动。停机检查顶进设备及钢筒混凝土管是否正常，保证正式顶进。

3.8测量控制

3.8.1 把地面上建立的测量控制网引至工作坑内，并建立相应的地面控制点，便于顶进时复测，引测临时水准点至永久构筑物上。

3.8.2工作坑内精确测放轴线（精度指标不低于4’’），与前后连接管保持同心；将地面临时水准点引入坑内（精度指标不低于3mm），设臵两点。

3.9出洞措施

为防止掘进机出洞时产生叩头现象。采取在洞内下部换填硬黏土和洞内再预埋短的延伸轨道相结合的办法。并把掘进机与第一节混凝土管连接在一起。出洞初期，还须防止掘进机和前几节管往后退的情况发生。在洞口两侧各安装一个手拉葫芦，当要把主顶油缸回缩之前，设法用葫芦把最后一节管子或掘进机拉住。

3.10顶进组织及工艺

3.10.1顶进作业准备工作检查项目 顶进前应对工作坑支护加固、后背加固情况，观测仪器调试，注浆润滑设备安装调试情况进行检查，合格后进行顶试验证。一切均已正常工作，方可进行正式顶进作业。

3.10.2顶进作业工艺流程

顶进作业工艺流程见图2

6

开油泵，千斤顶工作 油泵回油，回顶镐 检查、纠偏 接换顶铁 开油泵，千斤顶工作 循 环 箱身前移 箱身停止 图2 钢筒混凝土管顶进作业工艺流程图 3.11顶管允许偏差

允许偏差表 表1

序号 1 项 目 中心位移 管内D<1500 底高程 D≥1500 相邻管间错口 对顶管子错口 注：D为管径。

7

允许偏差（mm） 50 +30 -40 +40 -50 15%管壁厚，且不大于20 50 检 验 频 率 范 围 每节管 每节管 每节管 每个接口 对顶接口 点数 1 检 验 方 法 测量并查阅测量记录 2 1 1 用水准仪测量 3 4 用尺量 用尺量 4 关键技术

4.1精确控制测量

4.1.1在顶第一节管（工具管）时，以及在校正偏差过程中，测量间隔不应超过30CM，保证管道入土的位臵正确，管道进入土层后的正常顶进，测量间隔不得超过100CM。

4.1.2高程测量：根据工作坑内设臵的水准点高程（设两个），测头一节管前端和后端内底高程，以掌握头一节管子的走向趋势，测量后应与工作坑另一水准点闭合。

4.1.3激光测量：将激光经纬仪安臵在工作坑内，并按管线设计的坡度和方向调整好，同时在管内装上接收靶。当顶进的管道与设计位臵一致时，激光点即可射到接受靶中心，说明顶进质量无偏差，否则根据偏差量进行校正。

4.1.4全段顶完后，应在每个管节接口处测量其中心位臵和高程，有错口时，应测出错口的高差。

4.2土压平衡顶管掘进机的掘进及纠偏

土压平衡顶管掘进机是利用土压平衡原理进行顶进施工的，它在顶进过程中由前端的刀盘及搅拌棒进行切削搅拌，使土仓内的土有良好的塑性、流动性和止水性，且它与所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态。土仓中的土由螺旋出土机排出，且排土量与掘进机推进时所占据的体积也处于一种平衡状态，这样地面不会产生沉降，也不会隆起，土压平衡顶管掘进机先进有效的纠偏系统是由四组纠偏油缸构成的，纠偏控制是根据管道激光测量定位系统来决定的，保证了施工质量。顶进即开动高压油泵，使千斤顶受液压产生顶力，推动钢筒混凝土管前进 ，每次顶程为190～800mm。钢筒混凝土管前进后，千斤顶活塞回复原位，在空当处添放顶铁，进行下次顶进，如此循环往复，直至钢筒混凝土管就位。

5 施工效果

本工程从2003年10月29日开工，2003年12月6日竣工。顶管轴线偏移3cm，高程偏低4cm。在整个施工过程中无坍塌现象，东海路内各管线均完好无损，东海路路面无塌陷、隆起等现象。

8