顶管技术基础要点与工程原理

顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。

顶管机的工作原理

图顶管工作原理

顶管施工法是先在工作井内设置支座和安装主千斤顶，所需铺设的管道紧跟在工

具管后，在主千斤顶推力的作用下工具管向土层内掘进，掘出的泥土由土泵或螺旋输送机排出或以泥浆的形式通过泥浆泵经管道排出.推进一节管道后，主千斤顶缩回，吊装上另一节管道，继续顶进。如此往复，直至管道铺设完毕。管道铺设完毕后，工具管从接收井吊至地面。

工作井和接受井维护结构形式应根据水文地质条件、临近建（构）筑物

地上与地下管线情况，结构受力及施工安全等要求合理选型。当工作井埋置较浅、地下水位较高时，宜选用钢板桩或SMW工法；在顶管埋深较深区域，工作井宜采用沉井或地下连续墙。

图某顶管施工现场

顶管施工介绍

（1）顶管按管子直径大小分：大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指直径2m以上的顶管；中口径顶管多为1.2～1.8m；小口径顶管直径为500～1000mm；微型顶管的直径通常在400mm以下，最小的只有75mm。目前顶管施工的最大管径3.6m。

（2）按一次顶进的长度（指顶进工作井和接收井之间的距离）分：普通距离顶管和长距离顶管。顶进距离长短的划分目前尚无明确规定，过去多指100m左右的顶管。目前，1km以上的顶管已屡见不鲜，可把500m以上的顶管称为长距离顶管。顶管包括直线顶管和曲线顶管。

（3）按平衡原理理论分：顶管机可分为泥水平衡式项管机、土压平衡式顶管机、多功能顶管机等；

（4）顶管材质有：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、其他管材的顶管。

（5）顶管机型式的选择是根据工程地质、水文地质条件、管道断面尺寸等因

素确定，因此，一般不能任意将在其他管道施工用的顶管机重复使用。

顶管关键技术

1沉降控制

由于顶管施工穿越路径通常为公路铁路、房屋、地下管线等下方，对地面沉降的控制显得尤为重要。

在推进过程中，顶管引起地层移动的因素主要有：顶管掘进机开挖面引起的土体变化；掘进机纠偏引起的土体变化；掘进机后面管道外周因注浆填充引起的土体变化；管道在顶进中与地层摩擦而引起的地层变化；管道接缝及中继间接缝中泥水流失而引起的地层变化。上述的各种因素所引起的地层变化导致土体向开挖面及管道外周移动，从而引起地面沉降。

主要控制措施：对管道顶进轴线两侧及周围建筑物沉降进行实时监测，依据监测数据及时调整进浆压力、顶进速度等。

图某顶管工程管道顶进轴线的沉降

图某顶管工程周边建筑物沉降

2洞口土体加固及封门

2.1洞口土体加固

在顶管机顶出洞口时，如果洞口土体强度不够，大量土体和地下水将涌入工作坑，将导致洞口周围地表大面积沉降，塌陷。影响大时将无法继续施工，管道覆土降低造成管头上翘或偏移。

不论是松散的砂土还是饱和含水软粘土，自身均缺少自立性和防水性，一旦出现临空面时，土体将产生大量的滑坡坍塌，出现涌水、涌泥等。

要使顶管出洞进洞安全可靠，需要对洞口土体进行加固处理。加固方法包括：高压旋喷桩技术、搅拌桩技术、注浆技术和冻结技术等。

2.2封门

洞口封门是土体加固的辅助措施。封门起着防止水渗漏和挡土的作用，顶管工具管在进洞或出洞时需首先穿越工作井或接收井井壁上的封门，这就要求封门能够方便地拆除或打开。根据工程地质和水文地质情况及选用工具管的类型，封门在工作井施工时，均应能支撑侧向的水土压力。

采用沉井施工时，工作井和接收井的临时封门可采用外钢封门、内钢封门、砖砌封门、钢筋混凝土封门、型钢封门或以上几种的组合形式。

钢板桩外封门是应用比较广泛的一种封门形式。在沉井制作完成准备下沉前，在井壁洞口外侧设置密排钢板桩，并固定在其上部，使钢板桩与沉井一起下沉，钢板桩抵抗侧向土压力，侧向水压力可以在洞口内做砌块加外粉刷来抵抗。通常，在埋深比较浅时，钢板桩通常采用普通槽钢；当深度超过10m以上时，要考虑采用拉森钢板桩。

图外钢封门

3洞口止水

洞口止水装置的设计对顶管能否顺利地进出洞、保证顶进过程中洞口的密封的可靠性至关重要，这通常是顶管施工的薄弱环节，应引起重视。

工作井、接收井的穿墙孔应设置止水装置。止水装置可采用盘根止水和橡胶板止水，也可采用组合式止水。砂土、粉土土层宜采用盘根止水，黏性土土层宜采用橡胶止水，长距离或承压水土层中宜采用组合止水。

图盘根止水

图橡胶板止水

4注浆减阻

泥浆减阻技术是顶管施工关键技术之一，泥浆主要起到润滑减缓顶管阻力作用，另一方面又可以起到稳定周边土层的作用。泥浆减阻效果不好，会导致顶力增加，严重会导致工作井承受不了较大顶力井壁破坏，顶力增加会使中继站数量增加，施工速度减慢，成本增加。出洞口注浆可以防止顶管机被土裹握情况出现。

注入的泥浆又称触变泥浆，由彭润土、高分子聚凝剂、氧化镁/片碱、水按一定比例配制。不同的土质采用不同配方，触变泥浆性能指标要求见下表。

顶进施工前应做触变泥浆配合比试验。泥浆应充分搅拌使其水化，泥浆搅拌完成宜放置24h后再行使用。

注浆间距，通常混凝土管取3~5管节，每组注浆孔在同一截面上设2~4个，管底不宜设置注浆孔。在掘进机尾部应设置一组主注浆孔；在每个中继站处应设注浆孔。

顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多。通常，对于黏性土和粉土不应大于理论注浆量的1.5~3倍，对于中粗砂层应大于理论注浆量的3倍以上。

由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要设置泥浆接力站，接力输送。

图注浆施工示意图

非开挖工程技术彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的，它将为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。

非开挖技术是近几年才开始频繁使用的一个术语，它涉及的是利用少开挖，即工作井与接收井要开挖，以及不开挖，即管道不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换，它的技术要点在于纠正管子在地下延伸的偏差。特别适用于大中型管径的非开挖铺设。具有经济、高效，保护环境的综合功能。这种技术的优点是：不开挖地面；不拆迁，不破坏地面建筑物；不破坏环境；不影响管道的段差变形；省时、高效、安全，综合造价低。

该技术在我国沿海经济发达地区广泛用于城市地下给排水管道、天然气石油管道、通讯电缆等各种管道的非开挖铺设。它能穿越公路、铁路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物。采用该技术施工，能节约一大笔征地拆迁费用、减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。