顶管施工的技术管理

1 前期准备

顶管工程开工前，一方面要勘查场地条件，另一方面做好人员安排和材料采购。场地条件勘查主要包括作地质钻探分析地质环境；作地下管线和地下障碍物探测了解地下管线的分布；现场勘查高空障碍物的分布。人员安排和材料采购是指要安排好项目部管理架构和根据各项计算采购材料。

1.1 场地勘查

（1）地质环境即通过设计院提供的地质报告和补充地质钻探来分析地层的组成、分层抽取试样作土工试验和确定地下水的分布形式与地下水的水位标高。其中最为重要的是确定软弱地层（这里主要指淤泥、淤泥质粉土、粉砂、细纱和中粗砂等饱水后具有流动性的地层）的顶层界限、厚度、饱和度和抗剪强度。

（2）地下管线和地下障碍物地下管线一般包括煤气、供水、电信、供电、排水、公安交通和军用电缆等。地下障碍物一般包括废弃的地下构筑物、抛石、木桩和建筑垃圾等等。煤气、电信、供电公安交通和军用电缆一般埋深较浅，从平面上影响顶管施工，剖面向一般不影响，因此大部分情况下，只影响工作井和接收井施工。供水和排水管线对顶管施工障碍很大，平面和剖面向都有影响，施工前，要将供水管线迁移或通过设计变更避开供水管；如果顶进要碰到排水管及其基础，而排水管又不能废除，则要将排水管迁移或通过设计变更避开排水管。如果做工作井或接收井碰到排水管，破除排水管前要做好导水和止水措施。

探测地下管线和地下障碍物的主要步骤分为资料调研、仪器探测和明槽探测三步。资料调研可通过管线交底会议来实现，该会议一般由业主组织。也可以采取向规划局购买施工区域的管线平面图和剖面图的方式。对需要进一步明确的管线资料，要到相应管线管理部门进一步了解。资料调研得出的对施工可能造成影响的管线需要用仪器进行探测。仪器探测适用面广，一般可分为地质雷达、电磁和电法探测。地质雷达可以探测砼管、PVC管、金属、玻璃管等各种管材和各类构筑物，但由于其工作原理是通过不同物体或地质层面反射率地不同来探测管材，所以常常会把圆柱型或条带状的地质地层界面也判断为地下管线。这种探测方法的优点在于各类管线和构筑物都可以探测出来，探测深度不受限制。电磁和电法探测只能探测深度小于6米的金属管和金属物，且平面位置探测准确，但剖面位置（即埋深）会有偏差。

对于施工可能造成重大影响的管线，有条件的情况下一定要通过开挖明槽进一步探测。明槽探测即开挖明槽将管暴露出来，用常规量具测量管线的几何尺寸。这种探管方法最直接最准确，有条件时明槽探管，所以该法常作为一种辅助方法。“点式挖孔探测”是一种“软”开挖的明槽探测，即避免挖机或其他“硬”开挖对管线的不小心损害，是采用真空吸泥进行挖孔的方法。

（3）高空障碍物在城市内施工，高空障碍物一般会有道路路灯、电车电缆、高架桥、交通指示牌等，制定顶管方案时，一定要调查清楚。

1.1 人员安排和材料采购

1.1.1人员安排

即项目部管理架构的组织，这一点和其他建筑项目基本相同，本文只强调顶管工程的不同点。

（1）施工技术人员应该包括土建和机械两方面的人才。土建类应该具备岩土、测量等技术人员，机械类应该具备机械和机电技术人员。

（2）项目部的架构可以是多种多样，但得围绕一个原则来组织，即土建和机械两方面的技术人员必须互相制约，紧密的联系在一起，共同参与和指导施工。这样一方面可以从根本上减少机械损坏的几率，另一方面有效保护了地质环境，使得施工可以正常进行，提高施工质量和加快进度。

1.2.2材料采购

目前，顶管施工还是一种新工艺，没有一个统一的管材加工标准或规范。所以采购管材前，施工单位不但要根据工程量计算出定购的管材数量，还要做好以下几点：

（1）根据设备的要求，确定管材的长度和厚度；

（2）一定要到管材厂家抽检管材，严格按照规范验收管材的轴向抗压、环向刚度和密水性等性能。

根据埋设的管道闭水要求确定管材的止水部位和止水带的材料。例如，污水管道的闭水要求高，可以用止水性能好的F型接口，在接口位置要加遇水膨胀橡胶和密封胶如图1。

据顶管穿越的地质地层和总顶推力的大小确定注浆管的布置方案和数量。顶进距离长，总顶推力大，要相应加多注浆管。一般注浆孔按照120°品字形均匀分布在管材上，小管径一般为三个，大管径三到五个。淤泥、细砂或人工填土因土质条件差，成孔性差，所以要多布置注浆管，以保证注浆效果。

2 总体布置方案

总体布置方案分为工作井和接收井布置、顶进方案选择和机械投入方案。

2.1 工作井和接收井布置

（1）首先从场地条件选择工作井和接收井的位置。按照交通和建筑物、地下管线和构筑物、高空障碍物、顶进设备总推进力和地质环境几个条件依次筛选。

A 交通和建筑物工作井和接收井的位置不能障碍交通，工作井和接收井基坑的构筑不能影响邻近道路和建筑物的稳定性。

B 地下管线和构筑物工作井和接收井的位置不能有任何地下管线影响，工作井到接收井的顶进路线上不能有建筑物的基础或其他构筑物，不能和其他管线交叉。

C 高空障碍物工作井和接收井尽量不要布置在高空障碍物下。如果现场条件限制，要在高空障碍物下作工作井或接收井，则一定要确认所使用的挖掘机、吊管设备和吊车等有足够的工作空间。

D 顶进设备的总顶推力要根据顶进设备的总顶推力、所能投入的中继间个数和导向测量系统的工作半径确定单坑顶进的最大距离，根据这个距离调整工作井和接收井的位置。

E 地质环境工作井或接收井要设在地质条件较好的地段，尽量避开淤泥、流砂等软弱地层。这样可以使用成本较低且工艺简单的施工方法。

2.2顶进方案的选择

（1）顶进路线原则上尽量选择从工作井到接收井同时顶进的方案，这样可以减少工作井个数，节约成本。顶进路线要按照地下构筑物、地下管线、地质条件权重依次减小的方式选择。

（2）在接收井和工作井的设置不受其他条件影响的前提下，优先将工作井设在流水位的下游。从下游向上游顶进，有利于顶管管道内积水的排出。

（3）中继间的设置如果能通过选择推力强劲的主顶装置或注浆润滑减阻满足推进力，则尽量不要使用中继间。因为一旦中继间不能正常工作，则维修比较困难，会延误工期。

2.3机械投入方案

有关如何根据土质情况选择人工顶管、土压式机械顶管或泥水平衡式顶管机，如何根据土质情况选择顶管机刀盘，在许多文章中都有详细的叙述。本文着重强调以下几点：

如果使用泥水平衡式顶管机，则一定要根据土质情况计算进水泵和排泥泵的功率。看进水泵是否能够提供足够的水量和水冲力，将土块充分崩解和带出；排泥泵是否有足够的能力带出泥砂。一般来讲，进水泵的功率要小于排泥泵，因为进水泵的工作循环基本是密封的，而排泥泵抽水的空间——土体断面和泥水仓之间是有空隙的，会有水头损失和空气进入。一般顶进长度超过150米都要加设中继泵，加强排泥和进水能力。

要根据总体工期要求投入足够的设备数量，合理安排顶进次序，设备的推进能力要按设计的70～80％计算。

3 顶管施工方案

3.1工作井和接收井的施工方案

工作井和接收井的施工工艺种类基本相同，不同的是因接收井受力简单，且几何尺寸要较小，所以接收井常采用较简单的施工工艺。具体的讲，工作井和接收井的施工工艺有人工挖孔附壁法、沉井法、打钢板桩再内衬砼墙、地下连续墙和先作挖孔桩再内衬砼墙等。关于这些施工工艺的施工流程和技术措施本文不作祥述，仅仅说明如何根据地质环境、工期要求、结构质量要求和造价，从宏观上确定使用何种施工工艺较为恰当。下面分别从这几个方面阐述：

A工期沉井法的工期最长、次之地下连续墙和先作挖孔桩再内衬砼墙、人工挖孔附壁法和打钢板桩再内衬砼墙。如果地质条件差，则打拉森钢板桩是最快的方法。

B地质环境如果工作井或接收井几何尺寸大，深度较深，且地质地层土质差（淤泥或砂层的厚度大于2米，且地下水位较高，为土质差的地层），则无法使用单独人工挖孔附壁法施工，必须同时辅助挖孔桩等其他挡土止水工艺施工。如果存在岩石、不同程度风化的岩层、2米以上的砂层或淤泥，则沉井法施工困难。如果地下水位很高，且地层的渗透率很大（砂层>粉砂层>粉土>淤泥>粘土），且属于淤泥或流砂等流性地层，则先作挖孔桩等挡土止水构筑物，再内衬砼墙的施工方法。除了坚硬岩层外，打拉森钢板桩法都能适用，但深度受到限制，因为市场上很难找到15米及其以上的钢板桩。地下连续墙广泛适用于地质条件差的地层。

C结构的质量要求相对而言，工作井的施工质量要求较接收井高，地下连续墙的施工质量高于其他工法，单纯人工挖孔附壁的施工质量较差。通过打拉森钢板桩施工的工作井密水性较差。

D造价人工挖孔附壁法成本最小，次之沉井法，打拉森钢板桩再内衬砼墙和人工挖孔附壁结合其他挡土止水的施工法成本较高，地下连续墙成本最高。

3.2工作井和接收井的止水方案

如果地下水位较高，则工作井和接收井的要止水，达到决不流水，基本不滴水。使得工作井和接收井井位不发生水土流失，从而周围路面不塌陷。这里不祥述工作井和接收井的止水工艺和方法，只强调顶管工程在这方面的重点。

（1）出洞口和进洞口止水出洞口和进洞口一定要做好止水，相对而言，出洞口的止水要求比接收井高。如果出洞口或进洞口止不住水，则洞口会发生水土流失，原状土被扰动破坏，承载力降低70-80%，顶管机进洞或出洞时，都会发生“磕头”，轻则流水位标高局部超过规范允许偏差，重则产生严重质量问题，甚至找不到机头的确切位置，无法继续顶进。顶管行业流传一句话“出洞成功，则顶管就成功了一半。”，所以做好出洞口和进洞口，特别是出洞口的止水至关重要。

（2）如果地下水位低于出洞口和进洞口的洞底面标高，则对于土压平衡式顶管法，只需要做好出洞口和进洞口的挡土；但对于泥水平衡式顶管法，出洞口和进洞口不但要做好挡土，更重要的是要做好止水。

（3）泥水平衡式顶管，工作井整体的止水相当重要，一方面可以预防注浆时浆液外漏，另一方面有利于形成泥水循环。

（4）止水措施：工作井出洞口出洞前用砖墙封堵，并设置双层止水橡胶圈，橡胶止水装置和混凝土墙之间的空隙用快干高强水泥砂浆封堵。接收井进洞口可以用砖墙封堵。当工作井混凝土墙或土层出现漏水小孔时，采用砖砌墙墩，内灌高强度快干水泥；或使用“五矾”浇灌体进行浇灌堵漏。

3.3顶进施工方案

3.3.1顶进流程

泥水平衡式顶管的顶进总流程和土压平衡式顶管的顶进总流程基本相同，不同的只是出土方式的差别。不同厂家的机械设备在顶进流程的局部也有少许差异。

3.3.2质量控制方案

顶管质量的控制一直是顶管施工的一个难题。要提高质量，首先要处理好地质环境和机械设备的适应关系。机械设备要适应地质条件，地质环境限定了机械设备的选型[4]。本文试从地质环境和机械设备系统管理的角度对此问题深入分析。

3.3.2.1 技术控制

(1)技术参数预测

①地质分析即在分析地质资料和计算的基础上，得出顶进纠偏参数预测，以做到心中有数，制定措施，提前预防质量问题。本文就几种典型土质，浅议如何提高顶进质量。A.淤泥层在淤泥层中顶进，机头易于发生下沉。B.当在上下两层软硬不同的地层分层带顶进时，若为软／硬（即软弱地层在上，坚硬地层在下），机头易于上走，顶管走高；若为硬／软，机头易于下走，顶管走低。C.细砂和淤泥不易成孔，易于发生坍塌。在细砂层中，如果排泥不当，这种坍塌会造成顶管走高。

②机械分析本文根据大多数顶管机机头的长度和纠偏能力，以及普通顶管管材允许的纠偏角度，再总结工作经验得出右表，可供参考。

(2)技术措施

①如果顶进段主要为淤泥或淤泥质粉土，则：A在机头出洞前，一方面在保持顶进架整体大体水平的前提下，顶进架前端比后尾略高，这样机头出洞后，不易“磕头”。B在顶进前三节混凝土管时，将第一节管和机头，前三节管材全部用钢筋焊接起来，以加大机头的受载面积，防止机头下沉。C人为提高机头出洞标高，即机头出洞的标高比设计标高提高1cm，这样机头和管材发生少许下沉后，将和设计标高接近。

②在淤泥层中，有时会发生虽然已经向上纠偏，但机头还是下沉的情况。这是因为土质太软，按正常情况纠偏，机头纠偏的效果小于计算结果，所以需要加大纠偏幅度。在砂层中顶进，有时会发生虽然已经向上纠偏，但机头还是上升的情况，这时需要一方面加大进水量，一方面开始注浆护孔。

③不能只根据激光点的绝对误差纠偏，而是要结合机头的“倾斜角”（可以判断机头上仰或下斜）进行有预见性的纠偏。因为机头的倾斜仪装置在机头前端1.0米处，而激光接收靶装置在离机尾1.0米处。所以依靠激光点测出来的偏差位置总是滞后于机头的偏差位置。而管材是否符合设计标高，主要取决于机头前端的标高是否根据设计，所以一定要根据倾斜角的数值，进行有预见性地纠偏。

④坚持“勤测微纠少纠”。即多测量，“勤测”以便精确掌握情况，及时采取措施。即发现偏差“微纠”后，不能一步到位，要慢慢的纠偏，参考表1设置纠偏参数。“少纠”即如果偏差值在1～2cm范围内，且机头的走向是在减小这个偏差，倾斜角的值在±10’范围内，则尽量少纠偏。

3.3.2.2 测控制度

对于顶管工程来说，制定严格的测控制度非常重要。即制定详细的测量制度；统一管理和控制机械，并用严格的制度来制约非常重要。测控制度可以是多种多样的，但要围绕三个原则：a测控制度的制定必须有岩土工程、机械、机电和测量等技术人员参与；b测控制度要把土建和机械两类的管理人员密切联系在一起。C测控制度要有效的把测控方案传递到操作层，要求操作人员严格按照测控方案操作。本文初步提出几点建议，可供参考。

(1)测量制度

测量主要由施工员负责，但专业测量人员每天至少复核测量不少于一次。由专业测量负责人员和施工员每天开工前，共同校核激光经纬仪的误差。

(2)控制管理制度每个班组的顶进操作手必须按照顶进记录表详细记录各个时段的顶进记录。

顶管队组长详细分析顶进记录，仔细听取大家的意见，并确定新的顶进参数建议。顶进参数建议记录于班组交接记录本，分析人需要在顶进参数建议上签字。

班组间设立交接记录本，每班开始顶进时，严格按照前一个班组的顶进参数建议顶进，如果确实对前一个班组的顶进建议持有不同看法，及时和顶当班管理人员取得联系，共同研究方案，绝不能靠自己模糊的看法设置参数。每个班组下班前，需填写对下一个班组的顶进建议，并由当班管理人员签名。

4 结论

顶管是一个涉及岩土、测量和机械等专业知识的非开挖技术。顶管施工应该由岩土、测量和机械等专业技术人员组成的技术小组共同管理。技术小组针对地质环境和机械设备组成的整体系统，详细地进行分项分析，从细节入手，制定较细的顶管方案。顶进过程中技术人员严格按照操作规范和测控制度进行操作施工，才能取得成功。