长距离小管径人工顶管施工技术

长距离小管径人工顶管施工技术

长距离小管径人工顶管施工技术

李亮

中国水电建设集团十五工程局有限公司   陕西西安  710065

1、前言

随着城市建设的快速发展，采用非开挖管道铺设的技术越来越受到人们的青睐，由于其不需要大面积开挖地面，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线，交通不中断，对周围的环境影响能减少到最小，在大中型城市的市政建设中，顶管技术独具优势，将会被更广泛的采用。

2、工程实例概况

西咸新区百顷沟水库至第二水厂供水管道，起点设在百顷沟水库左岸，经泵站加压取水后，沿过坝路向北穿越X331县道后折向东，约200m后平行于规划田园路向北布置，至二水厂东侧围墙外，沿东侧围墙向北至水厂预留阀井。管线沿途过路两次（X331县道、北大路）、穿越输油管道两次。水厂接入点管中心高程471.19m，管道全长3542.3m，全段压力输水，设计流量1.16m³/s，管线为单线布置，全线管道采用DN1000球墨铸铁专用顶管，管道压力1.0MPa。

2.1 周边环境条件

根据本工程顶管段管线的走向和定位，正式施工前，组织测量部对管线井室施工范围的地下障碍物进行排查，包括雨水污水井、公安专用线路、输油管道、临时路牌等，结合甲方提供的地下管线图纸，将有影响的井室标注后与设计沟通调整位置。减少或避免与地下管线冲突造成拆改，影响施工进度。

2.2顶管施工工艺选择

目前，顶管施工工艺主要有土压平衡法、泥水平衡法、人工顶管法3种方式施工，本项目顶管采用直径DN1000mm球墨铸铁管，属于小口径管道，最大顶管长度为191m。土压平衡顶管掘进机可适用于淤泥土到砂砾土等不同地质，由于土压平衡顶管掘进机需要安装螺旋机出土，因此其口径不能过小，一般口径为1800mm以上宜采用土压平衡法施工；根据本工程地质情况，项目输水管线地貌为黄土台塬区，管基属于中等压缩性土，管线场地为湿陷性场地，浸水后土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低，极易产生塌方、滑坡等地质灾害，因此本项目不宜采用泥水平衡法进行施工。综合上述原因，本项目顶管方式选用人工顶管。

3、人工掘进顶管工器具选择

3.1 工具管的选择

3.1.1构造、分类及其工作原理

根据其构造，人工掘进顶管使用的工具管可以分为两类：有纠偏装置和无纠偏装置，其次刃口又分无格栅和有格栅两种。

人工掘进顶管法施工是先用人工全断面开挖出一个洞穴，再将管子一节一节地顶进洞内。顶进时，工具管主要起保护和导向作用，刃口主要起削土的作用。

3.1.2适用条件

工具管的选择通常要考虑以下几个方面，综合考虑选择工具管的可行性，一是地质：土质、地下水情况、有无有害气体等；二是工程本身：工期、沉降要求、管径、顶进长度等；三是施工安全和经济效益。

由于采用人工开挖，人工掘进顶管法工具管不适应于小口径顶管，小口径主要是指小于DN800的顶管。长距离顶管，技术要求比较高，人工挖掘出土速度慢，采用简易工具管与其它工具管相比经济效益明显不如，因此，长距离顶管很少有采用人工掘进顶管施工法。

3.2 顶力分析及千斤顶选择

为了更经济、更快速、一次性完成人工顶管施工，施工前综合考虑人工顶管所穿越的地质条件和环境因素，分析人工顶管受力特性（人工顶管主要包含管口正面阻力和管道外壁的摩擦阻力），选择最佳的千斤顶型号，避免施工中顶力不足或管材破坏，避免施工风险。通过对人工顶管正面阻力及管壁摩擦阻力的分析，在通常情况下，总顶力由两部分组成：顶进正面阻力和管周摩擦阻力，即F=PA+Pf。本工程人工顶管在最不利地质条件下产生的总阻力为F=3905kN，为了防止地质变化的不确定因素，人工顶管工程采用2台300t的千斤顶，左右对称分布，额定最大顶力合计6000kN，千斤顶顶力实际利用率估算为70%，即最大顶力为4200kN，根据计算总阻力=3905kN<顶力=4200kN，满足要求。千斤顶放置时，顶推部位设置在管道中心线下1/8～1/10（管径）处。

3.3 顶铁选择

顶铁是传递和分散顶力的设备。要求它能承受顶压力而不变形，并且易搬动。根据顶铁旋转位置的不同，可分为横顶铁、顺顶铁和U形顶铁三种。

 （1）U形顶安放在管子端面，顺顶铁作用其上。它的内、外径尺寸与管子端面尺寸相适应。其作用是使用顺顶铁传递的顶力较均匀地分布的到顶管端断面上，以免管端局部顶力过大，压坏管端。

（2）顺顶铁（纵向顶铁）放置在U型顶铁与千斤顶之间，将千斤顶的顶推力传递给两侧的方顶铁上。在顶管过程中起调节间距的垫铁，因此顶铁的长度取决于斤顶的行程、管节长度等而定，通常有50cm、100cm、150cm、200cm等多种长度。横截面300×300mm，两端面用厚25mm钢焊平。顺顶铁的两顶端面加工应平整且平行。防止作业时顶铁发生外弹。

3.4 背墙的设置

后背墙主要有功能是在顶进过程自始至终地承担千斤顶工作时顶管前进时的后坐力。后背墙的最低强度应保证在设计顶进力的作用下不被破坏，要求其本身的压缩回弹量最小，以利于充分发挥千斤顶工作站的顶进效率。在设计和安装时，应使其满足如下要求。

（1）要有足够的刚度

当受到主顶工作站的反作用力时，后座墙材料受压缩而产生变形，卸荷后要恢复原状。如压缩回弹量大，会导致大量行程消耗在后座墙压缩变形，从而降低千斤顶的有效冲程，使顶进效率降低。故后座墙必须具有足够的刚度。

（2）后座墙表面要平直

后座墙表面应平直，并垂直于顶进管道的轴线，以免产生偏心受压，使顶力损失和发生质量、安全事故。

          (3)结构简单、装拆方便

装配式或临时性后座墙都要采用普通材料、装拆方便。

本工程后背墙采用3m*3m*0.4m厚度的C30钢筋混凝土背墙（计算得）。后背墙平面与掘进轴线应保持垂直，表面应坚实平整，确保能有效地传递作顶推用力。

4、主要施工技术

4.1 顶管掘进

人工掘进顶管法施工一般要全断面开挖。开挖工具的选择适于土质掘进和人工操作尤其重要，开挖工具适宜可以大大加快掘进的速度，提高施工的效率，创造更好的经济效益。因此选用人工掘进顶管法施工时，要特别重视洞内土层开挖工具与挖土外运工具的选用和改进。

4.2 顶管顶推

顶管顶进之前，需先将顶管出洞和进洞的洞口回填土全部挖除，以便管道正常施工。管道接口采用T型承插接口，橡胶圈嵌缝，橡胶圈应采用配套产品，安装时所需润滑剂。

管道接口采用T型承插接口，橡胶圈密封圈部位涂抹凡士林，有较好的长效润滑作用，且对橡胶圈无腐蚀作业，不易造成橡胶密封圈跑偏情况的发生。

4.3 测控技术

首先将设计中心线做好现场转移工作。当工作坑挖好以后将中心线移到工作坑内，控制好轨道方向及管中心线，注意高程变化，在施工中，随时检查偏差情况，工作坑一定要准确无误。顶进轴线与设计轴线一旦发生偏差，及时采取纠偏措施，减少偏差数值。在出洞、进洞及纠偏过程中，适当增加测量次数。

5、应用前景

人工挖掘法特别适用于无地下水，适宜于人工开挖的短距离顶管施工；对于工程量小，不宜于采用其他工法施工的工程尤为合适；其构造简单、操作方便、施工成本低，经济效益也相当可观。随着市政管网工程的建设和改造，人工挖掘顶管技术也将会在许多城市建设中发挥其不可替代的优势，而得到广泛的应用。