顶管施工对水利管道工程的应用

辛安泉供水工程采用钢筋混凝土管顶管穿越公路，管内径为2.2m，顶管施工采用人工挖掘，文中主要介绍了顶管施工的步骤和各参数的选择与计算。

1辛安泉供水穿越公路工程概述

辛安泉供水工程位于长治市，取水水源地位于漳河潞城市辛安泉村，供水项目主要为生活、工业和农业灌溉用水。其中穿越公路顶管2.2m内径钢筋混凝土管共计4处，一处为84m，另外三处均为36m，本处以36m顶管长度为例。该处地面至管顶高度为3.3~4.1m。顶管输水管道地形较平缓，沿线地层为（Q3pal）低液限黏土夹低液限粉土，松散结构，厚2.0～10.0m；（Q2pl）低液限黏土，结构较密实，局部夹钙质结核，厚度大于15m。（O2S2+3）灰黑色中厚层状灰岩、豹皮状灰岩夹中薄层泥质灰岩。地基持力层主要为低液限黏土、低液限粉土，多具中等压缩性，其工程地质特性较好。建议承载力为90～100kPa，临时开挖边坡1∶0.75。

2临时设施的布置

进场道路交通便利，施工用水从附近村庄拉取，施工用电在各施工点附近接取网电。因工程施工点分散，且各点距离较远，施工人员住房在施工点附近村庄租用民房。

3管材选择及运输

本工程管材为钢筋混凝土管，为保证运输安全，在运输拖板车上安置包角为120°方形垫块，垫块表面设柔性垫片，管材吊装用尼龙带，管材一层摆放，采用柔性垫块。管材运输时，垫块支点距管端距离管道长度的0.2倍处，管材绑扎牢固，预防直接将管材从运输车上滚落。

4顶管工作坑、接收坑结构设计

坑位置选择在便于排水、出土和运输的地方，工作、接收坑设计为矩形，采用钢板衬砌支护式结构。工作坑结构示意图见图1，坑尺寸计算如下：坑底宽度为管道外径与操作宽度之和：2.7+1.4×2=5.5m；坑底长度为第一节工具管长度（0.3m）、管节的长度（3m）、运土操作间长度（2m）、油缸的长度（1.5m）及后靠背墙厚（1.9m）之和为7.7m；工作坑深度为地面到管底外缘深（4.5m）、管底外缘至导轨底高（1m）及坑基础厚度（0.65m）之和为6.15m；接收坑深度为地面到管底外缘深（4.5m）、坑基础厚度（0.65m）、管壁厚（0.25m）及顶管机进入坑内支撑垫板厚（0.1m）的和为5.5m。

5顶管施工工艺

顶管施工工艺主要由三部分组成：工作坑和接收坑施工、管道顶进施工、完工清理待验，其中工作及接收坑施工包括土方开挖、支护、垫层施工三部分；管道顶进施工包括地面设备、坑内顶进设备、辅助设备的安装，工具管坑内就位及穿墙顶进，管道顶进、拼接、设备转换检修等辅助工作；顶进完成后需对管道接头等工作再检查，清理各顶进段现场，待验收。

5.1工作坑、接收坑施工5.1.1工作坑、接收坑开挖及支撑用1m3挖机由上至下分层进行，严格控制后靠背侧开挖精度，保证后靠背与顶进方向垂直，用型钢做后背，工作坑前后钢板支护作为支撑式工作坑，后背和开挖面采用粗砂回填，分层振动夯实。工作、接收坑四周开挖排水沟，设龙头坑，坑内安装排水泵，基坑下部设置15cm厚的混凝土垫层，增加基础抗压强度。支撑钢板垂直放置，留很小间隙，每侧上下各水平顶枋木，再用横撑顶紧，矩形工作坑的四角加固斜撑。

5.1.2工作坑、接收坑施工防护为保证坑内安全，顶部预留下管和出渣口，其余部位封闭，井口周围设置砖砌防水墙，防止地表水流入坑内。工作坑外围设隔离土墩，隔离土墩内侧搭设彩色布条防护栏。

5.2安装顶进设备

5.2.1导轨安装常用导轨有普通导轨和组合型导轨，普通导轨适用于小口径管道的顶进，本工程采用普通导轨。普通型导轨用两根槽钢背向固定在轨枕上，轨枕面与顶管内管底标高相同。

5.2.2顶进油缸安装本次选用规格相同、对称分布的液压驱动活塞式双作用油缸。一组对称布置的油缸，油缸行程相同，工作压力不大于额定压力，油泵设置在油缸附近，油管顺直，转角少，并设置备用油泵。顶进开始后，首先将推进油压降低在正常推进油压下限，待油缸与顶进管和管道间接缝闭合后再将油压升至正常推进压力，顶进过程中，如推进油压陡增，则立即停机，检查故障原因待处理后再进行施工。主顶千斤顶根据顶进力对称分布，如图2所示，据顶力计算，选用油缸推力应为3600kN，油缸选用两台型号用SYQ360型油缸。本工程选用人工挖掘方式进行顶管顶进，其顶力计算按照经验公式计算：

5.2.3后靠背安装顶进施工时，为管道顶进油缸提供反作用力的部位为后靠背，后靠背要求坚固稳定，表面平直，垂直于顶进管道轴线，后靠背和坑壁土体均匀贴紧。为保证油缸着力点受力均匀，着力点不小于后靠背高度的三分之一，不大于后靠背高度的二分之一。后靠背垂直度允许偏差为0.1%倍的高度偏差，水平扭转度为后靠背长度方向的0.1%。施工时，严密监测后背土压缩变形，变形值大于20mm时，对后靠背土体进行加固。为保证顶进施工安全，后座反力应大于总顶进力的1.2~1.6倍，本工程取1.4倍。

5.2.4顶铁的安装顶铁作用主要是将推进油缸推力均匀分布在顶进管受力面上，保证受力面不被破坏。顶铁安装轴线应与管道轴线平行，顶铁需更换时，先安装长度大的，然后将其锁定。

5.3顶进施工准备工作完成后将管道吊至导轨上，检测管道轴线及标高与设计值偏差，缓慢推进，待接触部位闭合后再进行正常顶进施工。工具管进入土体后，严密检查水平方向和标高偏差，手工掘进时，每掘进30cm左右检测纠偏一次，管道前部挖掘土方的关键是保证顶进质量和地面建筑物安全，故应严格控制开挖轴线和方向。据以往经验，管道人工开挖管顶以上部位不允许超挖，管底135°范围内超挖量不大于1cm。

为防止顶管错口和漂移，将前三节管道连接为一体，如前方遇有孤石、轴线偏差过大等因素时，临时停止作业，待解决后，再进行施工。顶进施工工序：千斤顶回缩→清理管道内部和顶铁上的杂物→吊开顶铁→退出承插口钢环→安放顶进管段→安放承插口橡胶圈→安装顶铁→油缸伸出顶进管道紧密接触→连接穿线钢管继续顶进。

5.4校正纠偏管道发生偏移时，及时采取纠偏措施。通常采用反向超挖、正向留土的方式，即在偏向的反侧进行适当超挖，使该侧阻力减小；在偏向正侧保留部分土体，使该侧阻力增大，在开挖完成后，顶进过程中管道向反方向偏移。为保证管道纠偏达到预期效果，不至于破坏管道接口、造成管道扭曲、管道受力不均匀破坏被顶管，开挖过程中，不可大量超挖及正向留土过多。图3为自制可微调顶进头，顶进头主要靠调整螺栓进行微调，如顶管向左偏移，左侧螺栓加长，此时把右侧螺栓顶紧方钢，刀头从接缝处拉开，则右侧螺栓变短，管道就会向短的右侧偏移，达到纠偏目的。

5.5顶进过程中轴线控制顶进时每顶进30cm测量一次，设纠偏警戒线，多、勤、缓微调，每次角度调整小于0.5°，定期及不定期复测。勤观测后靠背变形及位移并及时调整。5.6地面沉降测量沉降观测是顶管施工中重要的质量及安全控制手段，首节管和第二接管尤为关键，每顶进30cm检测一次，根据检测结果调整顶进管道。

6施工中注意事项

1）严格控制顶进速度、出土量，将顶进管道对周围土的扰动影响控制在最小范围内。2）保证施工安全，做到定期观测地面沉降，做好预防措施，将沉降量控制在允许范围内。3）严格控制轴线偏移，施工中及时纠偏，保证施工质量。根据《中国非开挖技术协会行业标准顶管技术及验收规程范》，本工程管径大于1.5m，轴线偏移控制在5cm以内，管道底高程控制在+3~-4cm范围内。