顶管施工关键技术

1。工程概况

百色市新兴路位于老城区，交通繁忙，地下管线复杂。新兴

路改造工程｝126fl0双排排水涵位于K｝ + 5｝i3-—-lC1 + 328路段，

总长约88o m;最大埋深12 m，最小埋深8 m；该涵采用并排布置的两

条DN｝soo}级钢承口钢筋混凝土管，两条涵管中心距离为5。 72 m，

管外壁间距为} m；管内径2.｝rri,管壁厚Q， 2fi m，管底纵坡1. 02 0/o；

按照设计图纸分4个顶程，平均每段顶进长度约22} me管道沿线地

下水丰富、地层主要为淤泥质粉质粘土、沙质粉土、细

砂、卵石、砂岩和泥岩等.

2.施工工艺流程

合理、先进的施工工艺是保证施工质量的前提条件.泥水平衡式顶

管施工工艺流程如图1所示.图生顶管施工工艺流程图

3。顶力的确定与调控

顶力是整个顶管施工的重要技术参数.

影响顶力大小的因素有顶进工具管迎面的阻力和摩阻力.由

于受项进管沿线土质不均匀且随机变化，管道埋深、管径大小,以及

管道与土体之间的接触力等因素影响，精准的确定项力是无法做到

的。根据国内外的文献，按理论公式计算得到的项力因公式引入很多

假定且未考虑设置触变泥浆润滑等影响而使计算顶力值偏大，且按经

验公式计算得到的顶力因公式是根据实际工程一些测试资料得到的

而具有很大的局限性。在新兴路排水涵顶管施工中，我们在充分了解

管道沿线土质、管道埋深、管径等因素的基础上，采用修正后的顶力

计算公式来计算并调控项力，特别是在工程施工后期，我们直接根据

实测顶力资料，采用分段函数数值模拟的顶力计算经验公式来确定并

调控顶力，使顶管施工得以顺利进行。

修正后的项力计算公式：

尸霖力D}

粤（1+K2)

Z

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丁汁｝L+Pa (1)

Y｝z厂1。

～二，了_二』D， t，。

其中:八一y(H｝号厂、一sirs）’7t

式中：P-计算的总顶力(kIV) ;

厂—顶进时，管道表面与其周围土层

间的摩擦系数；

y—管道所处土层的天然容重（｝I

rrr｝）;

D，—管道的外径(rn） ；

}F—静止土压力系数；

｝r—松弛层高度（m）;

W-管道单位长度自}（｝加）；

L-管道的计算项进长度(m）;

P6顶进时,工具管的迎面阻力

（kN)；

管道顶部以上覆土层厚度(m｝；

管道所处土层的内摩擦角（“)。

4中继间的设置与密封

在理论上讲,只要顶力足够大，就可以顶出无限长的管道;但是，

顶力并不是越大越好，因为受建筑材料局限性的影响,过大的顶力会

使管节产生裂纹甚至损坏，并且,也会对后座提出更高的技术要求而

增加成本，甚至后背会被顶弯。中继间的设置原则是技术上可行、经

济上合理。一般而言，在下列情况下必须设置中继间:

（))总顶力超过了主顶千斤项的最大项力;

（2)总顶力超过了管节的容许顶力；

(3）总顶力超过了后背的容许顶力。

一般来说,主顶千斤顶所能顶推的最大长度按主顶千斤顶最大设

计顶力的80%计算；第一个中继间设置的位置按中继环设计顶力的

fi0％计算,其余中继间按印%计算。新兴路计算总顶力i 1 4＄3 kN,然

而，顶管施工主顶千斤项采用6只2 ｝Oa kN的双冲程等推力油缸，

行程3 OQQ mm,总项力} } }｝fl kN钊、于管节的容许项力及计算总顶

力），因此，在顶进过程中置中继间若干。由于工作并的设计容许最

大顶力为8 OOd kN,因此，当顶力>8 000 kN时必须设置中继间.第一个

中继间的安装位置按式2确定。

，(尸‘一Po ) .r

c2=一一言一r} r八，

｝rrtcl

式中：t,—第一个中继间距顶管机头的距

离；

K，—工作系数，一般取D. ｝；

R—管节半径（rn)；

f—管节单位面积摩阻力；

尸—中继间设计顶力；

｝a—工具管迎面阻力。

中继间的设置间距按式3确定。

，。=P'K2(3)

2｝R f’ a

式中:K一工作系数，一般取。,7^-｝。氏

其余同上。

在实际施工中，中继间的安装时机很重要，应根据实际顶力

随时调整中继间的设置距离. 由于中继间启动伸缩次数比较多，因

此，密封圈极易磨损失效而发生漏水、漏泥浆等现象，甚至发生事故，

给工程带来严重后果。为此,新兴路顶管施工采用径向密封圈形式,并

设两道密封圈.在两道密封圈之间设置4只可以压注润滑油脂的油嘴，

以减轻顶进时密封圈的磨损，同时，还设置了4只注浆孔，项进时可

以同步进行压浆,以减小顶进阻力。至顶管施工结束时，没有一个中

继间发生漏水现象。

5顶进速度

顶进速度是顶管施工中一个重要的管理参数。顶进速度必须与注

浆减摩能力、进排泥能力相协调，同时,要密切观测地表变形情况。

顶进速度过快会造成因机头对土的挤压力增大而使地表隆起，以及因

超过排泥泵的能力而引起阻塞等现象的产生;顶进速度过慢不仅会造

成工期延误，还会造成管节外围地层损失增大而增加地表iIL陷量等。

一般而言，正常顶进条件下，顶进速度以2。5~3. 5 cm Imin为宜;如

正面遇到障碍物或地基加固土，顶进速度应(} cm}m｝n.在新兴路我们

平均顶进速度为}。 l cm加in.在顶进过程中,还应注意以下问题:

（均在开始顶进和结束顶进时,顶进速度都应

慢些；

t2）在一节管顶进过程中顶进速度应基本保持稳定。且在开始顶

进时应均匀加速，避免突然加速过快；

f3)顶进速度必须满足注桨减摩及进排泥的需要，避免因过快而注

浆不足，徒增顶进阻力，避免因过快而造成排泥管堵塞；

f 4)顶进过程中应避免停顿。

6方向纠偏

在项进过程中，因土质不均匀，且带有随机性；因机械原因，比

如顶力不均匀等；因操作失误等原因的影响，顶进方向都会偏离预定

轴线,从而出现“抬头”、“磕头"，以及左偏、右偏等情形。因此，纠

偏是管道顶进过程中必不可少的一项工作内容。纠偏有垂直纠偏和水

平方向纠偏两种。不管是水平纠偏。还是垂直纠偏，都会引起地层的

损失而导致地层隆起和沉降,特别是纠偏的角度大时这种隆起或沉降

更加明显.因此，纠偏应遵循，’密切注意，及时纠，小角度”的原则，

并注意以下几点：

(1)当顶进机头尚未全部进洞时，若偏差在士2 cm以内，则不必

进行纠偏，待全部进洞后再观察确定;反之，若〉士2 cm,则应立即停

止顶进,采取措施进行偏移调整。

(，)当项进机头全部进洞后，若偏差>｝ 1 cm，则必须及时进行

纠偏。左右方向偏差控制在

f 5 mm以内，垂直方向偏差控制在1 10 rrm以内.

（3)顶进过程中，应尽量避免〉.5。的大动作纠偏，如不得已时，

应争取在非重要路段进行。在纠偏动作后如无折角改变则应立即停顶,

并会同电工、机修工检查电路和液压管路,尽早排除故障，严防轴线

超差。

（4顺进时,机头在刀盘及螺旋机的作用下会发生旋转，而机头的

旋转尤其是偏角过大时会对项进造成不良影响；为此，必须在机头前

方筒的水平二侧焊翼板,长I为1，8m,宽b为3d mm,厚d为}5 rrm，

以防止旋转.对机头的旋转主要采用加压重块的方法，在机头二侧焊

压铁支架，在二侧先平均放压铁，共500 kN，一旦发现机头有微小偏

转，立即将压铁移到另一侧.

7触变泥浆减摩

顶进阻力是影响项管顶进的最大障碍。在顶管施工中，在一定土

质和管径的前提下,顶管的迎面阻力可看作一定值，而沿线管道所受

的摩阻力则随着顶进长度的增加而增大。在土正向压力不变的前提

下，管道外壁摩擦力的大小由摩擦系数确定。因此，减小摩擦力的主

要任务就是降低管道外壁摩擦系数.对泥水平衡顶管施工来说，降低

管道摩擦系数主要由膨润土触变泥桨来实现，主要措施有以下几方

面:

7.1配置性能合适的触变泥浆

触变泥桨应满足3个基本指标：(3 ）触变时流动性好；(2?造壁

能力好;(3)固化性好。为此，泥浆的比重应控制在一定的范围内，并

且最好选用钠基膨润土，必要时掺加外加剂改善性能.新兴路顶管施

工触变泥桨配比及性能指标见表1.施工过程中，膨润土泥浆搅拌时间

必须

X30 min,经过充分搅拌的泥浆抽入储浆箱进行发酵，发酵时间丈fih，

且沪24 ho经过充分发酵的触变泥浆在压入管道前必须再次进行充分

搅拌，以保证其流劫性好,减小压浆管道阻尼。

配漏斗粘视粘度失水量

方 度（S） （ml）

A浆 42’ 32。5 1。073 0。2%

膨润土 纯碱 （达因比重

15% 6 150 0.6%

CMC

CP

终切力

/mm)

3

A浆 12％ 0.4％ 30。5

0。

15％

36' 9 130 1.063

7.2布设合理的注桨孔

合理布设注浆孔是保证顶进施工中管道外壁能形成减摩桨套的

重要举措之一.孔位应对称或均匀布置，这样能有利于形成泥浆套。

7.3环状注浆空I’all尺寸

环状注桨空间要足够大，这样才能形成泥浆套。一般来说，环径

长20 mrn,新兴路顶管本工程环径为5q mmo

7.4同步注浆，及时补浆

新兴路采用机头同步注浆和管道补浆的注浆方案。做法是:在机头

后连续4根顶管上都装有注浆管，使其形成一个注浆站，保证从前端

一开始就形成完整的浆套,向后每隔2根管设一个补桨断面，共4个

注浆孔）进行补浆，每班不少于2次循环，定量压注。注浆要遵守“先

压后顶,随顶随压”的原则,补浆贝}l遵循“由后往前，全线，平均"的

原则。另外,值得注意的是：在顶管结束后，必须立即用水泥浆置换

掉膨润土泥浆,以确保管道外围土体

有足够的支承和减少漏水,并且，必须在水泥浆凝结后才能拆除管路。

水泥浆的技术参数为：水灰比0. 4｝, P=o, 2-｝.-0. ｝ n｝rnao

8泥水系统

新兴路泥水平衡式顶管施工中泥水系统采用Telemole管路系统.

本系统设置2台同型号的渣浆泵,渣浆泵型号为4 /3C一AH，电机功

率为15 lcW,流量90耐小，扬程21。8 rn。一台放置在地面上，为进

泥泵；另一台放在基坑里,为排泥泵。泥水管路采用无缝钢管,管节接

头为卡箍式活络接头,同时，还设有旁通装置。在泥水处理中，必须

注意以下几

点：

（1)渣浆泵应采用同一型号的泵，以便必要时对调使用。

(2)必须控制好进排泥泵的流速，以确保泥水仓应有的压力，挖掘

面上的泥水压力应比地下水压力高怕~2。kPa。并且，过慢的流速容

易导致泥渣沉淀而阻塞管路.泥水流速应大于临界流速。临界流速按

式4计算：

vz=;:、/2解呸于a

Y口

（4)

式中：YL-临界流速；

｝L—由粒径与泥水浓度决定的系

数，查表确定,

g—重力加速度；

d-排泥管内径；

G：—固体颗粒的容重；

s—泥水相对密度。

对管径为5Q—-。250 mm的排泥管来说，临界速

度在1 .s-｝—3。 a rn}s之间。

(3）要根据不周的土质采用相对密度不同的泥水，以保证挖

掘面稳定。基坑旁通装置在管路安装完毕或停止掘进时必须进行内循

环，在正常掘进时进行正向流动循环,在管路堵塞时进行逆向流动循

环.

9洞口止水

洞口止水圈安装要可靠，尤其在机头出并这一阶段要防止止

水圈漏水，以免造成掘进工作面的压力不平衡而失稳.若洞口漏水,过

多的泥土流出会造成机头下沉，使纠偏困难，在顶进过程中也会增加

阻力，严重时会造成项管失败.在新兴路顶管工程中,我们在洞口外侧

设置了钢封门。钢封门采用｝s｝槽钢，密排布置;在洞内侧,先制作钢

筋混凝土墙，再砌砖墙。顶进开门时，用风镐破除钢筋混凝土墙和砖

墙，不留隐患.工作井洞口止水密封装置为橡胶止水法兰。该装置必

须与导轨上管道保持同一高度，误差笋}o rrrn。在橡胶止水法兰之前

必须预埋注浆孔,以便压注触变泥浆。

1Q实际工程效果

新兴路顶管工程目标工期｝｝o d,结果提前了1q d完成。施工

完成后，经检测,管道轴线横、竖向偏位均<1 1 DQ rrm，在规范容许

范围之内;管道沿线旧路面无明显隆起或沉降，检测值<1 10 mm,在容

许范围之内；新兴路交通秩序井然，相邻管线及其他设施也没有因顶

管施工而损坏,获得了各界好评.

11结论

泥水平衡式顶管施工牵涉面广，在技术上有一定的难度,但是,

在施工中只要把握好顶力、顶进速度、纠偏，以及触变泥浆减摩、泥

水处理等关键技术环节,就能保证施工质量和安全,使施工得以顺利