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摘要：顶管技术由于其在市政工程施工中的众多优点而逐渐被广泛应用，本论文在简单介绍顶管技术的施工特点的基础上，重点分析了顶管技术在市政工程建设中的应用，对顶管施工技术要点作了全面介绍。
关键词：顶管技术;市政工程;应用;施工工序
Abstract: Pipe jacking technology gradually been widely used because of its many advantages in the construction of municipal works, this paper introduced pipe jacking construction characteristics of the technology, focusing on the application of pipe jacking technology in the construction of municipal works, put out a comprehensive description of the pipe jacking techniques.Key words: pipe jacking technology; municipal engineering; application; construction process
中图分类号：TU99 文献标识码：A
1顶管施工的特点
顶管法又称为非开挖管道敷设技术，它具有不需要开挖面层，就能穿越地面构筑物和地下管线吸公路、铁路、河道的特点，相比开挖敷设技术，投资和工期将大大节省。同时，顶管施工技术可以降低噪音，减少粉尘，减轻对城区的交通条件和环境状况的干扰和破坏，属于真正的无污染、高效率的施工技术。顶管施工法由于其上述多方面的优点，在市政工程中尤其是在市政管线工程中得到了广泛地应用。概括起来，项管施工技术具有几大方面的优点：施工面由线缩成点，占地面积小：地面活动不受施工影响，对交通干扰小：噪音和震动低，城市中施工对居民生活环境干扰小，不影响现有管线及构筑物的使用：可以在很深的地下或水下敷设管道，可以安全穿越铁路、公路、河流、建筑物，减少沿线的拆迁工作量，降低工程造价。
2 顶管技术在市政工程中的应用
2.1适用范围
(1)在城市中心地区，或商业繁华街道，以及城市建设中遇到无法迁移或不能实施大型开挖的文物古迹遗址等特殊地段，对不能进行空中架线、开槽埋管来实施作业施工时，一般是采用管径Φ80一Φ600mm的地下埋管工程可使用顶管法施工。
(2)在敷设城市污水管道直径大于Φ600mm时，施工现场无法采用明沟开挖埋管施工而管道沿线又无其它建筑物基础时，可使用顶管法施工作业。
2.2顶管技术在市政管网中的应用
目前，在城市管网施工时，许多城市都存在马路反复开挖的现象，严重防碍了市区的交通，困扰了居民生活，缩短了路面的寿命。配套的电讯、自来水、煤气、排水、路灯、城市坐标、候车亭、广告箱、路牌、电话亭、治安岗亭等都要发生反复拆建才行，这无疑增加了对城市设施的破坏和施工的难度，城市这方面的问题显得尤其突。
顶管施工技术在市政管网中的应用主要包括：
(1)旧城改造过程中，由于多年形成的各种管网相互交错，很多管线地下位置不明，原始资料丢失或不全等因素，市政管网铺设时无法对地面进行有效开挖。
(2)城市架空线路遇交通干线、繁华街道、文物古迹，铁路或江河阻截，需转入地下过渡。
(3)当污水管道直径较大(Φ600mm以上)，而施工现场周边环境受限，无法采用明沟开挖来埋管施工管道。
3 顶管技术施工要点分析
3.1 顶进管的选择
顶进管一般选用钢筋砼管，如没有腐蚀要求可选用钢管。钢筋砼管的规格设计、配筋和应力验算应遵守有关钢筋砼的标准和技术规程，特别是有关钢筋砼管的标准和技术规程。①顶进管直径的选择：顶进管的直径选择是首先根据工程性质、工程需要确定内径，根据项进管所受荷载确定砼管的配筋及壁厚，进而确定外径。因为顶管工程工作面上需要配备挖土工人，所以一般管内径不小于500mm；②顶进管长度的选择：项进管的长度对顶管过程的可控性和经济性有很大的影响。在直线推顶的情况下使用长管可以减少装管的次数，取得良好的效果，但随着管长度的增长，如果偏离原定的路线，使之恢复正确路线要比使用短管更加困难。建造顶压坑时顶压坑的长度也要增大，挖坑、支护、回填、修复的费用将相应地增加。
一般情况下，管长度须相对于管径来衡量，当L/D外≤1.10时，为短管；当L/D外=1.15时，为标准管；当L/D外≥2.10时，为长管。
3.2顶管线路确定及井位设计
顶进距离由设备条件及周围环境来综合决定。考虑到工作井的造价比较昂贵，应少一些工作井，尽量安排往两个方向顶进。由于现行设计院设计管道大多按照明挖方式设计，在现场调查后尽量优化线路设计，避开不利顶管的土层、尽量让顶管线路避开结构物及树木。最好在每个工作井或者接收井内设计成检查井位。线路与附近结构物的距离设计必须考虑到以后作检查井的方便和空间，尽量避免冲突。检查井间距按照现行规范可以和设计单位研究适当加长。顶进深度范围内土层较为复杂时，与设计部门协商考虑抬高或者降低标高。
3.3顶管施工的顶力设计
顶管在施工中，影响顶管顶力的的主要因素有：①地质条件，主要包括含砂量，粘聚力，内摩擦角，地下杂质和地下水位；②管径，顶力随着管径的增大而呈现线性上升趋势，管径越大，顶力越大。③注浆，注浆效果直接关系到顶力的大小(注浆的顶力明显减小，未注浆顶管管外壁的单位面积摩阻力约为20—30KN，有时会再增大2倍；注浆后顶力可减少1/3—1/4；④顶进过程中停止时间过长，重新启动顶力会增大。由于停顿时间长，四周松土会坍落在管壁上抱实，同时水分也会从减阻浆液里离析出来，失去减阻支承作用，%顶进阻力则增大；⑤管线偏差，在顶进过程中不断出现偏差，校正过多，因阻力增加也会使顶力增大。顶力主要包括工具管迎面阻力和管道摩阻力两部分组成。管道摩阻力与土层性质，接触的紧密度，触变泥浆情况有关。
3.3.1迎面阻力
对于采用土压平衡和泥水平衡的顶管，通常迎面土压力都控制在主動土压力和被动土压力之间，一般泥水平衡泥仓压力和土压平衡掘进机土压力应为前静止土压力的1.0—1.1倍。从多个工程的现场量测数据分析，认为迎面阻力可近似采用管中心所受的静止土压力，即
式中：
K0—静止土压力系数，与土性质有关，粘性土中，K0的取值范围为0.33 — 0.7。
γ—土体重度，KN/m3；
D1—工具管的半径，m；
H—顶管覆土厚度，m；
3.3.2管外壁摩阻力
根据GB50268—97《给排水管道工程施工及验收规范》中第6.4.8条规定，顶管的管外壁摩阻力可按下式计算：
式中：F—计算的管外壁摩阻力，KN；
γ—管道处土层的重度，KN/m3；
D1—管道外径，m；
H—顶管覆土厚度，m；
ψ—管道处土层内摩擦角，（°）；
ω—管道单位长度的自重，KN/m；
L—管道的计算顶进长度，m；
f—顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数。
3.4顶管施工工序
3.4.1穿墙
打开穿墙闷板将工具管顶出井外，并安装穿墙止水装置，主要技术施工措施如下：①穿墙管内填夯压密实的纸筋粘土或低强度水泥粘土拌和土，以起到临时性阻水挡土作用；②为确保穿墙孔外侧一定范围内土体基本稳定并有足够强度，工作井工具管穿墙前，对穿墙管外侧采取注浆固结措施；③穿墙前对可能出现的问题进行分析并制定相应处理措施：④闷板开启后迅速推进工具管，同时做好穿墙止水，本工程采用止水法兰加压板，中间安入20mm厚的天然优质橡胶止水板环，要求具有较高的拉伸率和耐磨性，借助管道顶进带动安装好的橡胶板形成逆向止水装置，应防止因穿墙管外侧的土体暴露时间过长而产生扰动流变。
3.4.2頂管出洞
顶管出洞是顶管作业中一个很值得注意的问题，项管出洞，即顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中。开始正常项管前的过程，是顶管技术中的关键工序，也是容易发生事故的工序。为防止管线出现偏斜，应采取工具管调零，在工具管下的井壁上加设支撑，若发现下跌立即用主顶油缸进行纠偏，工具管出洞前预先设定一个初始角弥补下跌等措施。
3.4.3注浆减阻
在项管施工中还有一个重要的技术措施就是通过压注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少项进阻力的作用。在施工中，首先对顶管机头尾部压浆，并要与顶进工作同步，然后在中续问和混凝土管道的适当位置进行跟踪补浆，以补充在顶进中的泥浆损失。注浆工序一般多应用于长距离顶管施工中。
3.4.4顶管纠偏
纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在后部的纠偏千斤顶组，改变机头端面的方向，减少偏差，使管道沿设计轴线项迸。顶进纠偏是采用调整4台纠偏千斤顶组方法，进行纠偏操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩，反之亦然。
3.5线路加固与安全措施
在准备工作全面检查均合格无误后，再经试顶验证，顶进的作业程序见图1。为不使管身在顶进时中途停顿，劳动组织应保证昼夜连续作业。
图1顶进作用程序
施工过程中，如需要对既有线路设备进行拆换、加固或起拨道时。须先与当地工务部门取得联系，并经协商同意后方可进行。顶进开始后中途不得停顿，需24h连续作业并备足各种机具、材料。严格做到“四不挖土”的要求，列车通过时停止一切施工活动，人员撤出施工场地。顶进时顶铁上严禁站人。
管身顶进就位后，即应尽快恢复线路。在拆除加固设施前，应首先确认道碴、上碴工具、起拨道工具是否备齐，同时安排后抽出横梁的施工作业程序。施工中按隔六取一的方法抽出横梁木枕换一根钢筋混凝土轨枕，随即补充道碴捣固。全部拆除撤换完毕，即对线路进行全面维修，到达标准后，才可报请运营部门恢复正常运行。
4 结语
顶管敷设管道施工技术在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境等特点，解决，市政工程管网施工中的难题，并在应付最恶劣的地下土壤条件中具有一定的施工优势，便于针对任何复杂的城市地形和交通布局都能提供最经济、准确、快速而可靠的解决问题的方案。所以，顶管技术的出现为创建都市的安宁环境和加速旧城区改造发展造就了勃勃生机。
参考文献：
[1]中国地质大学．顶管施工技术及验收规范(试行)[M]．北京：人民交通出版社.
[2]李健．顶管施工法的技术特点分析[J]．筑路机械与施工机械化.
[3]从启，王承德．顶管施工中的地面沉降及其估算[J]．江苏理工大学学报.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：顶管技术;市政工程;应用;施工工序
Abstract: Pipe jacking technology gradually been widely used because of its many advantages in the construction of municipal works, this paper introduced pipe jacking construction characteristics of the technology, focusing on the application of pipe jacking technology in the construction of municipal works, put out a comprehensive description of the pipe jacking techniques.Key words: pipe jacking technology; municipal engineering; application; construction process
中图分类号：TU99 文献标识码：A
1顶管施工的特点
顶管法又称为非开挖管道敷设技术，它具有不需要开挖面层，就能穿越地面构筑物和地下管线吸公路、铁路、河道的特点，相比开挖敷设技术，投资和工期将大大节省。同时，顶管施工技术可以降低噪音，减少粉尘，减轻对城区的交通条件和环境状况的干扰和破坏，属于真正的无污染、高效率的施工技术。顶管施工法由于其上述多方面的优点，在市政工程中尤其是在市政管线工程中得到了广泛地应用。概括起来，项管施工技术具有几大方面的优点：施工面由线缩成点，占地面积小：地面活动不受施工影响，对交通干扰小：噪音和震动低，城市中施工对居民生活环境干扰小，不影响现有管线及构筑物的使用：可以在很深的地下或水下敷设管道，可以安全穿越铁路、公路、河流、建筑物，减少沿线的拆迁工作量，降低工程造价。
2 顶管技术在市政工程中的应用
2.1适用范围
(1)在城市中心地区，或商业繁华街道，以及城市建设中遇到无法迁移或不能实施大型开挖的文物古迹遗址等特殊地段，对不能进行空中架线、开槽埋管来实施作业施工时，一般是采用管径Φ80一Φ600mm的地下埋管工程可使用顶管法施工。
(2)在敷设城市污水管道直径大于Φ600mm时，施工现场无法采用明沟开挖埋管施工而管道沿线又无其它建筑物基础时，可使用顶管法施工作业。
2.2顶管技术在市政管网中的应用
目前，在城市管网施工时，许多城市都存在马路反复开挖的现象，严重防碍了市区的交通，困扰了居民生活，缩短了路面的寿命。配套的电讯、自来水、煤气、排水、路灯、城市坐标、候车亭、广告箱、路牌、电话亭、治安岗亭等都要发生反复拆建才行，这无疑增加了对城市设施的破坏和施工的难度，城市这方面的问题显得尤其突。
顶管施工技术在市政管网中的应用主要包括：
(1)旧城改造过程中，由于多年形成的各种管网相互交错，很多管线地下位置不明，原始资料丢失或不全等因素，市政管网铺设时无法对地面进行有效开挖。
(2)城市架空线路遇交通干线、繁华街道、文物古迹，铁路或江河阻截，需转入地下过渡。
(3)当污水管道直径较大(Φ600mm以上)，而施工现场周边环境受限，无法采用明沟开挖来埋管施工管道。
3 顶管技术施工要点分析
3.1 顶进管的选择
顶进管一般选用钢筋砼管，如没有腐蚀要求可选用钢管。钢筋砼管的规格设计、配筋和应力验算应遵守有关钢筋砼的标准和技术规程，特别是有关钢筋砼管的标准和技术规程。①顶进管直径的选择：顶进管的直径选择是首先根据工程性质、工程需要确定内径，根据项进管所受荷载确定砼管的配筋及壁厚，进而确定外径。因为顶管工程工作面上需要配备挖土工人，所以一般管内径不小于500mm；②顶进管长度的选择：项进管的长度对顶管过程的可控性和经济性有很大的影响。在直线推顶的情况下使用长管可以减少装管的次数，取得良好的效果，但随着管长度的增长，如果偏离原定的路线，使之恢复正确路线要比使用短管更加困难。建造顶压坑时顶压坑的长度也要增大，挖坑、支护、回填、修复的费用将相应地增加。
一般情况下，管长度须相对于管径来衡量，当L/D外≤1.10时，为短管；当L/D外=1.15时，为标准管；当L/D外≥2.10时，为长管。
3.2顶管线路确定及井位设计
顶进距离由设备条件及周围环境来综合决定。考虑到工作井的造价比较昂贵，应少一些工作井，尽量安排往两个方向顶进。由于现行设计院设计管道大多按照明挖方式设计，在现场调查后尽量优化线路设计，避开不利顶管的土层、尽量让顶管线路避开结构物及树木。最好在每个工作井或者接收井内设计成检查井位。线路与附近结构物的距离设计必须考虑到以后作检查井的方便和空间，尽量避免冲突。检查井间距按照现行规范可以和设计单位研究适当加长。顶进深度范围内土层较为复杂时，与设计部门协商考虑抬高或者降低标高。
3.3顶管施工的顶力设计
顶管在施工中，影响顶管顶力的的主要因素有：①地质条件，主要包括含砂量，粘聚力，内摩擦角，地下杂质和地下水位；②管径，顶力随着管径的增大而呈现线性上升趋势，管径越大，顶力越大。③注浆，注浆效果直接关系到顶力的大小(注浆的顶力明显减小，未注浆顶管管外壁的单位面积摩阻力约为20—30KN，有时会再增大2倍；注浆后顶力可减少1/3—1/4；④顶进过程中停止时间过长，重新启动顶力会增大。由于停顿时间长，四周松土会坍落在管壁上抱实，同时水分也会从减阻浆液里离析出来，失去减阻支承作用，%顶进阻力则增大；⑤管线偏差，在顶进过程中不断出现偏差，校正过多，因阻力增加也会使顶力增大。顶力主要包括工具管迎面阻力和管道摩阻力两部分组成。管道摩阻力与土层性质，接触的紧密度，触变泥浆情况有关。
3.3.1迎面阻力
对于采用土压平衡和泥水平衡的顶管，通常迎面土压力都控制在主動土压力和被动土压力之间，一般泥水平衡泥仓压力和土压平衡掘进机土压力应为前静止土压力的1.0—1.1倍。从多个工程的现场量测数据分析，认为迎面阻力可近似采用管中心所受的静止土压力，即
式中：
K0—静止土压力系数，与土性质有关，粘性土中，K0的取值范围为0.33 — 0.7。
γ—土体重度，KN/m3；
D1—工具管的半径，m；
H—顶管覆土厚度，m；
3.3.2管外壁摩阻力
根据GB50268—97《给排水管道工程施工及验收规范》中第6.4.8条规定，顶管的管外壁摩阻力可按下式计算：
式中：F—计算的管外壁摩阻力，KN；
γ—管道处土层的重度，KN/m3；
D1—管道外径，m；
H—顶管覆土厚度，m；
ψ—管道处土层内摩擦角，（°）；
ω—管道单位长度的自重，KN/m；
L—管道的计算顶进长度，m；
f—顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数。
3.4顶管施工工序
3.4.1穿墙
打开穿墙闷板将工具管顶出井外，并安装穿墙止水装置，主要技术施工措施如下：①穿墙管内填夯压密实的纸筋粘土或低强度水泥粘土拌和土，以起到临时性阻水挡土作用；②为确保穿墙孔外侧一定范围内土体基本稳定并有足够强度，工作井工具管穿墙前，对穿墙管外侧采取注浆固结措施；③穿墙前对可能出现的问题进行分析并制定相应处理措施：④闷板开启后迅速推进工具管，同时做好穿墙止水，本工程采用止水法兰加压板，中间安入20mm厚的天然优质橡胶止水板环，要求具有较高的拉伸率和耐磨性，借助管道顶进带动安装好的橡胶板形成逆向止水装置，应防止因穿墙管外侧的土体暴露时间过长而产生扰动流变。
3.4.2頂管出洞
顶管出洞是顶管作业中一个很值得注意的问题，项管出洞，即顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中。开始正常项管前的过程，是顶管技术中的关键工序，也是容易发生事故的工序。为防止管线出现偏斜，应采取工具管调零，在工具管下的井壁上加设支撑，若发现下跌立即用主顶油缸进行纠偏，工具管出洞前预先设定一个初始角弥补下跌等措施。
3.4.3注浆减阻
在项管施工中还有一个重要的技术措施就是通过压注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少项进阻力的作用。在施工中，首先对顶管机头尾部压浆，并要与顶进工作同步，然后在中续问和混凝土管道的适当位置进行跟踪补浆，以补充在顶进中的泥浆损失。注浆工序一般多应用于长距离顶管施工中。
3.4.4顶管纠偏
纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在后部的纠偏千斤顶组，改变机头端面的方向，减少偏差，使管道沿设计轴线项迸。顶进纠偏是采用调整4台纠偏千斤顶组方法，进行纠偏操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩，反之亦然。
3.5线路加固与安全措施
在准备工作全面检查均合格无误后，再经试顶验证，顶进的作业程序见图1。为不使管身在顶进时中途停顿，劳动组织应保证昼夜连续作业。
图1顶进作用程序
施工过程中，如需要对既有线路设备进行拆换、加固或起拨道时。须先与当地工务部门取得联系，并经协商同意后方可进行。顶进开始后中途不得停顿，需24h连续作业并备足各种机具、材料。严格做到“四不挖土”的要求，列车通过时停止一切施工活动，人员撤出施工场地。顶进时顶铁上严禁站人。
管身顶进就位后，即应尽快恢复线路。在拆除加固设施前，应首先确认道碴、上碴工具、起拨道工具是否备齐，同时安排后抽出横梁的施工作业程序。施工中按隔六取一的方法抽出横梁木枕换一根钢筋混凝土轨枕，随即补充道碴捣固。全部拆除撤换完毕，即对线路进行全面维修，到达标准后，才可报请运营部门恢复正常运行。
4 结语
顶管敷设管道施工技术在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境等特点，解决，市政工程管网施工中的难题，并在应付最恶劣的地下土壤条件中具有一定的施工优势，便于针对任何复杂的城市地形和交通布局都能提供最经济、准确、快速而可靠的解决问题的方案。所以，顶管技术的出现为创建都市的安宁环境和加速旧城区改造发展造就了勃勃生机。
参考文献：
[1]中国地质大学．顶管施工技术及验收规范(试行)[M]．北京：人民交通出版社.
[2]李健．顶管施工法的技术特点分析[J]．筑路机械与施工机械化.
[3]从启，王承德．顶管施工中的地面沉降及其估算[J]．江苏理工大学学报.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。