淺談人工掘進式頂管施工技術

丘遠彬

摘要：本文依托施國道 G324 線云浮市腰古至逕口段路面改造工程施工為背景，對涵管施工的反開挖法、機械泥水平衡法、人工掘進式法進行闡述與探討。通過涵管施工方法的總結，體現人工掘進式法施工簡單，適應性強，節省投資，高效、安全、保護環境等優點，淺析了人工掘進式法施工涵管的工作井準備、管前挖土、頂進等施工工藝過程以及施工過程的注意事項。

關鍵詞：城市施工涵洞 ??人工掘進式法 ??頂管

1 工程概況

國道 G324 線云浮市腰古至逕口段路面改造工程，是云浮市與外地東西向的重要通道，也是保障云浮市支柱產業（石材產業）發展的生命通道，起于腰古鎮（K1157+175），途徑腰古、思勞、夏洞、河口、高峰、城區、逕口等鎮街，終于逕口（K1196+660），路線長約 39.5 公里，采用設計速度60km/h，公路等級為一級公路的技術標準，沿線兩側較多石材加工廠及商鋪，兩側為現澆蓋板邊溝，無法清理已堵塞，沿線存在較多較嚴重的水浸黑點，危機居民及商鋪的切身利益，設3處D1.0m管涵決解跨路排水問題，施工期間車流量較大、石材業的重載車較多，跨路施工存在的較大的施工風險和行車風險。

2 施工方案比選

涵洞在道路工程中起到過人、排水等作用，涵洞是施工方案較為成熟及普通，下面簡單闡述幾種常見的施工方案，目的為了根據現場施工特點選擇最優施工方案。

1.1 一是反開挖法

在做好道路結構層保護、交通疏導保障的前提下，在既有道路上進行路面破除開挖，清運土方開挖至涵洞設計標高后，再進行涵洞結構物施工，最后完成路面恢復。

1.2 機械泥水平衡法

泥水平衡式頂管是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，又以泥水作為輸送棄土介質的機械自動化頂管施工法。

基本原理是泥水護壁，隨著工具管的推進，刀盤在不斷轉動，進泥管不斷供泥水，排泥管不斷將混有棄土的泥水排出泥水艙。泥水艙要保持一定的壓力。使刀盤在有泥水壓力的情況下向前鉆進。排泥系統將棄土排除，吊車下管，由千斤頂將管道分段頂進。

1.3 人工掘進式法

其力學原理：就是在工作坑內借助于頂進設備產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力和前段土體阻力，將管道按設計的坡度頂入土中，并將土方運走，最終完成涵管施工。

頂管施工借助于液壓千斤頂的推力，利用頂鐵、管間傳力，將管涵逐節頂入，在頂進的同時進行掏土外運，以實現非開挖敷設地下管道的施工方法。

方案比選：根據國道G324線云浮市段的工程特點，交通車流量較大、石材業的重載車較多，采用反開挖法不適用。而機械泥水平衡法原理利用泥漿護壁，工藝繁雜，機械設備要求高，成本大。通過比選，該項目頂管工作井及接受井均在石材商鋪門廳處，人工掘進式法相對其他方法具有施工簡單，適應性強，節省投資，高效、安全、保護環境等優點。由于其他施工方法的優點人工掘進式法都有，而其他施工方法的缺點人工掘進式法幾乎都能夠避免。因此，本項目通過方案比選，選擇人工掘進式法進行施工。

3 頂力計算與后背設計

人工掘進式法的關鍵是利用千斤頂坐靠在后背墻上，保證足夠頂力及后背墻的穩定性來克服管涵與周圍土壤的摩擦力和前段土體迎面阻力。因此方案是否可靠，必須通過理論的檢算。

后背作為千斤頂的支撐結構，要有足夠的強度和穩定性，且壓縮變形要均勻。所以，應進行強度和穩定性計算。本工程采用鋼筋混凝土后背，這種后背施工方便。

地質資料如下表所示：

由于工作井周邊存在國防光纜，多年的變化已無法通過路面探明其具體深度及位置，工作井開挖不能采取人工開挖護壁的方法進行，最終選用在工作井范圍內人工放坡挖探溝的方式進行開挖，在挖出管線之前不動用機械設備開挖。工作井采用長方形結構物，四周采用C30鋼筋混凝土墻防護，防護墻厚度50cm，其中后背墻為4.5×1×3.5m（寬×厚×高）;

第一管節前方按型鋼制作的工具管刃腳，寬12cm，角度45°;選取2臺200t的液壓千斤頂，

f：頂進時，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數，其取值查《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB50268-2008）中表6.4.8-1所列數據選用，根據地質報告顯示，頂管標高位置為粘土，取值0.5;

γ：管道所處土層的重力密度（kN/m3），查資料濕粘土取值16.66kN/m3;

D1：管道的外徑（mm），取值1.24m;

H：管道頂部以上覆蓋土層的厚度（m），取2.0m;

ф：管道所處土層的內摩擦角（°），查《頂管施工技術及驗收規范》可知：取值20°;

ω：管道單位長度的自重（kN/m），根據廠家提供的數據為8.4525kN/m;

L：管道的計算頂進長度（m），取最大值46m;

F2=0.5×16.66×1.24×[2×2+（2×2+1.24）×tan2（45°-20÷2°）+8.4525÷16.66×1.24]×46=3420.20kN

因此，總推力F=211+3420.20=3631.2kN

=3631.2*0.102t=370.38t。

根據總推力計算，主頂油缸選用2臺200t級油缸，頂進系統即可滿足要求。

（2）后背墻穩定性計算

考慮鋼筋砼后座的影響，假定主頂千斤頂施加的頂進力是通過后座墻均勻地作用在工作坑后的土體上，為確保后座在頂進過程中的安全，后座的反力或土抗力R 應為的總頂力F的1.2～1.6倍，反力R 可采用公式計算：

R：總推力之反力，kN;

α：系數，查資料取值為2.5;

B：后座墻的寬度（m），取值4.5m;

γ：管道所處土層的重力密度（kN/m3），查資料濕粘土取值16.66kN/m3;

H1：后座墻的高度（m），取值3.5m;

KP：被動土壓系數，查《頂管施工技術及驗收規范》可知：取值2.04;

C：土的內聚力（kPa），取值53kPa;

h：地面到后座墻頂部土體的高度，取值1m。

t：后座墻的厚度（m），取值1m;

Wp：鋼筋混凝土自重，取值23.52kN/m3

R=2.5×4.5×（16.66×3.52×2.04÷2+2×53×0.5×2.040.5+16.66×1×3.5×2.04）+4.5×3.5×1×23.52=4902.14kN

后背墻結構驗算：R=4902.14kN>3631.2×1.2=4357.44kN，后背墻滿足要求。

4 施工工藝

頂管施工采用人工掘進頂管，即先開挖工作坑，再按照設計管線的位置和坡度，在工作坑底修筑基礎、設置導軌，把管子安放在導軌上頂進。頂進前，先在管前端人工開挖掏槽，然后用千斤頂將管頂入。一節管頂完，再連接一節管繼續頂進。千斤頂支撐于后背墻，后背支撐于地面以下開挖的原狀土中。

施工工藝流程：

4.1 施工準備

頂管施工需要準備頂進設備有：千斤頂、高壓油泵、頂鐵、工具管及運出土設備、龍門吊;將設計及施工要求跟施工班組進行技術交底，同時跟各方管線單位進行方案交底，做好搶修工作的準備。

4.2 測量放樣

施工前準確地放出管涵的走向軸線，測量工作井和接受井處的路面標高以便控制挖深和管涵底標高。

4.3 工作井及后背墻施工

由于工作井位置附近存在國防光纜同時也在商鋪門廳處，通過物理勘測未能準確定位光纜的埋深及位置，需要采用人工挖探溝以探明管線走向方可采用機械開挖。

在工作井范圍內采用放坡開挖探溝，探明后搭設鋼板樁進行施工防護，整個工作井和接收井采用C30鋼筋混凝土墻長方形布置，凈空尺寸為4.0×3.5×3.5m（長×寬×高），四周防護墻厚度50cm，其中后背墻為4.5×1×3.5m（寬×厚×高）;后背墻面線必須和管涵軸線垂直，方能確保頂進順利不偏位;

4.4 修筑基礎及安裝導軌

基礎進行硬化處理，防止地下水滲入浸泡，同時定位導軌，導軌中線與管涵軸線需要重合，確保頂進順暢準確。

4.5 安裝管節、掏槽開挖、頂進

第一節管前端安裝工具管刃腳，頂進方向與高程的準確，是保證整段頂管質量的關鍵。

管前挖土是控制管節頂方向和高程、減少偏差和重要作業，由于覆土厚度較薄且載重車行車，為了確保施工安全，管前挖土僅挖除軸線50cm范圍的核心土，施工人員不得超出管節范圍外開挖。

頂進時2臺千斤頂配合頂鐵同時加壓同步頂進，頂進開始時，就緩慢進行，待各接觸部位密合后，再按正常速度頂進，頂進時人員不得在管中和井中，待首節管節頂人后，液壓油缸退回到起始位置，將第2管節與首節相連，人工繼續掘土，如此循序漸進，直至頂人到設計位置，完成頂管作業。

4.6 管內運土、提升、外運

挖出的土方要及時外運，采用小斗車運出管內，利用龍門吊將土方提升，堆放在指定的位置，利用挖機配合農用車將挖土外運為棄方。

4.7 接順水系、回填工作井

完成所有頂管作業后，將既有排水系統連接工作井中，形成完整的排水體系，并在接收井和工作井中進行分層夯實回填石粉，確保回填密實不下沉。

4.8 路面恢復

待井回填觀測合格后，恢復遠路面結構層并養護達到強度后方可通行。

5 注意事項

施工關鍵在于頂力傳遞，主要受力結構物有后背墻及管節本身，要求后背墻必須能承受所有管節頂進的最大頂力，同時也要求管節的強度和剛度滿足傳遞力的需求，若在條件受限情況下，可以采用刷蠟、注泥漿等減少摩阻力，從而降低頂力。

管內的輔助管道設置于管道內壁，主要有通風設施和照明設施。通風設施用一臺柴油空壓機，將壓縮空氣傳輸至管道最前端，通過壓入法以此進行空氣循環。

6 結語

在城市、跨結構物及跨既有線的區域采用人工掘進式頂管的優點表現在：

①減少挖方和對周邊建筑物的影響。

②施工機械設備簡單，施工作業范圍小，無任何環境污染。

但也存在不足之處：頂管過程中由于在管內無法通過測量數據分析偏位情況，發生偏位將很難糾正，可能最終無法和接收井對接。

綜上，在城市、跨結構物及跨既有線的區域采用人工掘進式頂管，施工簡單，適應性強，不開挖、不拆遷、不破環環境、省時、高效、安全、造價低。

參考文獻

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