頂管法施工工藝在工程設計中的應用

姜丹丹

（北京市市政工程科學技術設計研究院有限公司，北京 100123）

1 頂管法施工的原理

近年來，非開挖技術在工程中得到了廣泛的應用。頂管法是非開挖技術的重要組成部分，其主要原理是借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作坑內穿過土層一直推到接收坑內吊起，同時也把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設在兩坑之間。工作坑是安裝頂進設備和開展施工作業而開挖的空間，也是頂管掘進機或工具管的始發地，同時又是承受主頂油缸反作用力的構筑物；接收坑則是接收和拆卸頂進設備而開挖的地下空間。通常，工作坑要比接收坑堅固，尺寸也較接收坑大[1]。

2 頂管法施工的優勢及使用條件

與開槽法相比，頂管法施工不需要大面積開挖現況地面，僅需開挖工作坑和接收坑處面層，減少了對周邊環境、交通的影響，建設公害少，文明施工程度高，是一種安全有效的施工方法，且能有效保護環境。

在使用范圍和使用條件方面，因頂管法施工不大面積開挖地面，僅需在工作坑及接收坑處開挖相應占地面積，就可以穿越公路、鐵路、河道、建筑物、地下構筑物以及現況地下管線。頂管法施工工藝可以在對周邊環境、交通、建構筑物影響最小的情況下，把相應的管道鋪設在預定的軌道上，或者將要改移的管道進行預定移位。老舊城區改造過程中，由于多年形成的各種地下管線相互交錯，很多管線地下位置不明確，原始資料丟失或不全等因素，導致市政管網施工時無法對地面進行有效開挖。又或在城市繁華區新建市政管線，不具備阻斷交通大面積開挖的條件的情況下，頂管法施工可有效地解決此類問題[2]。

在其使用的工程造價和使用成本方面，頂管法施工可以在特定的情況下適應經濟技術的特點，從而可以使整個施工過程都處于較優的造價成本中。當管道埋深較大時，開槽施工已經不具備經濟性的特點，反而頂管法更為經濟，對于減少工程總造價有明顯的優勢。

頂管法施工可在距建筑基礎下一定距離進行管線鋪設，而不影響建筑物的結構安全。當面臨拆遷問題，如遇到需要保護的文物或者面臨巨額拆遷款等問題時，頂管法施工不僅可以加快施工進度，防止工程進度停滯不前，而且可以降低工程的總造價，提高工程的經濟效益。

從管道的使用年限上考慮，因頂管施工不需要大面積開挖，只需在工作坑和接受坑處小面積挖除原狀土，因此設計管道上至現況地面間的土層沒有因為開挖施工而遭到破壞的情況，從而有利于管線延長其使用壽命[3]。

隨著頂管技術的不斷發展，頂管機械的性能越來越適應各種土質，而且頂進長度越來越大，頂進管徑也向大小兩個方向不斷發展。

3 案例分析

隨著社會經濟的發展，北京市的人口和交通壓力逐年上升。地鐵作為公共交通的重要組成部分，承擔著緩解城市的交通壓力和促進社會經濟快速發展的雙重任務。北京地鐵是一項異常龐雜的市政工程。因北京地鐵線路貫穿整個北京城區，而城區其他市政基礎設施已修建完成，導致在地鐵的施工過程中，與現況地下管線及構筑物的平面或高程矛盾，故隨著城市地鐵線路不斷完善的過程中，也面臨著某些現況管線及構筑物改移的發生。下面就以北京地鐵7號線工程垡頭站D=1350mm污水管線的改移工程為例，探討頂管施工技術在實際工程運用中的相關情況。

3.1 工程概況

地鐵7號線西起北京西站，途徑廣安門外大街、廣安門內大街、騾馬市大街、珠市口大街、廣渠門內大街、廣渠門外大街、垡頭西路、垡頭南路，終點至焦化廠。垡頭站位于現況金垡路和垡頭南路交叉路口以東，沿垡頭南路東西向設置，緊鄰垡頭南路南側紅線，車站全長193.3m，標準段寬21.1m，為地下3層車站。

垡頭南路為現況路，且已實現規劃，道路下市政管線均已實施。垡頭南路永中南9m有現況D=1350mm污水管道，該現況污水管道與垡頭地鐵站車站主體平面位置及高程矛盾，為保證垡頭地鐵站的順利實施，垡頭車站主體施工時，已將該現況污水管道廢除。因該現況污水管道承擔金垡路及垡頭南路東側路段上游的污水排除任務，不能將其永久廢除，需選擇適當的位置重新鋪設D=1350mm污水管道，以滿足上游污水的排除。

3.2 工程特點

因該現況D=1350mm污水管道承擔上游的污水排除任務，不能廢除，仍需保證其使用功能，故需將其改移至該路段內與其他管線及車站不矛盾的路由處。而該路下現況管線較多，且都在使用中，應保證該新建D=1350mm污水管道路在施工時不至于對其他現況管線造成不必要的損壞。根據《北京地鐵7號線工程-垡頭站管線保護、拆除、改移設計綜合（變更）》，將該現況D=1350mm污水管道改移至垡頭南路永中以北3m，根據現場調查，改移后位于現況雙層電力溝與垡頭地鐵站主體之間。電力溝與垡頭地鐵站車站主體外墻的凈距在6m左右。因D=1350mm污水管道埋深8.5～9.5m，若采用開槽法施工，槽上口過寬，導致電力溝及垡頭地鐵站車站主體結構外露，對電力溝及垡頭地鐵站車站主體結構安全造成影響。D=1350mm污水管道改移前后橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1 D=1350mm污水管道改移前后橫斷面示意圖

3.3 設計方案

該次設計污水起點為道路樁號（2+016）附近，經設計現場調查，現況污水檢查井Y10以東與車站矛盾段D=1350mm污水管道已被拆除，故該次設計污水起點為現況污水檢查井Y10。設計污水管線起于金垡路與垡頭南路相交路口處Y10現況污水井，沿路由西向東繞過垡頭站主體結構至道路樁號（2+249）后向南，排入現況D=1350mm污水管道。設計污水干線管徑D=1350mm，干線長299.1m。

因設計污水管線兩側現況電力溝及車站主體已施工，設計污水管道埋深8.5～9.5m，若開槽施工，槽上口過寬，不具備開挖條件，故設計污水管線全線采用頂管法施工。頂管法施工采用的管材為鋼筋混凝土鋼承口管（Ⅲ級），橡膠圈接口。

根據地勘報告，設計污水頂管段頂部和側壁土體主要為第四紀沉積層的粉細砂層、砂質粉土、黏質粉土層及粉質黏土、重粉質黏土層。頂管施工前，須采取有效措施保證圍巖的穩定性，防止出現側壁及頂部發生坍塌的情況。施工前須查明地下水的分布情況，做好降水、排水。如遇地下水，需降至槽底以下500mm，以保證基槽邊坡穩定和施工安全。頂管施工段若降水效果不佳，施工方法應做相應調整。

頂管頂力計算與頂管天然土壁后背的安全系數核算所需的各土層設計參數參見《巖土工程勘察報告》。頂進過程中減阻措施以及土壤加固措施，應以《巖土工程勘察報告》為依據，制定合理的施工方案。

為使頂管施工得以順利進行，頂管施工、監測均應執行《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246—2008）。頂管施工中應嚴格控制管下部135°范圍內不得超挖；管道上部超挖量不得超過25mm，且超挖部分應在頂進完成后及時注漿填實。

4 頂管法施工工藝的注意事項

（1）工程地質和水文條件。施工前必須了解土層的變化情況，對于要經過回填土的地帶，需要提前加固處理，避免施工后地表下沉的情況發生。同時，對于地質和水文的了解，也有利于選擇更適合地質特點的施工方法。

（2）有毒有害氣體的檢測和預防。頂管施工時可能會通過淤泥層，腐爛的動植物會在地下產生有毒有害的氣體，頂管施工中，要定時監測管道內有毒有害氣體的含量，及時通風換氣，保證工作人員的安全。

（3）現況管線的勘察。頂管施工時，應先查明與該工程相關的地下管線情況，包括埋深、走向、性質等。不僅可以保證頂管施工的順利進行，也可對其他地下管線起到保護的作用。

（4）穿越建筑物時對建筑基礎的勘察。頂管在建筑物基礎下施工時，需要明確施工路線上所遇到的所有建筑物基礎類型。對于部分不穩定的基礎，頂管頂進前，應采取必要的保護措施[3]。

5 結論

通過上述的頂管法在實際工程中的應用可以知道，在不具備開挖條件的條件下，頂管法施工工藝可以很好地解決此類問題。同時，頂管施工具有對公路、河流、建筑物擾動小，不會影響到既有建筑物和構筑物的使用，施工噪聲低，施工進度快的特點。所以，頂管施工可廣泛應用在地下管道、過街隧道等市政工程中。