浅谈顶管技术在嘉兴市域外配水工程中的应用

乔兴坡 河南省水利第一工程局

1 管道七标工程概况

嘉兴市域外配水工程（杭州方向）是浙江省重点建设项目，是嘉兴市重点民生工程，也是建党一百周年献礼工程。嘉兴市域外配水工程（杭州方向）输水线路总长171.6km，其中杭州段长23.1km，嘉兴段长148.5km。嘉兴市域外配水工程（杭州方向）管道七标作为嘉兴市域外配水工程的重要组成部分，供水管道主要包括两个部分，分别是大桥节点至平湖古横桥分水点段供水管道、大桥节点至嘉善规划水厂段供水管道，输水线路总长度21.96Km，合同价2.48亿元。

2 顶管工程概况

嘉兴市域外配水工程（杭州方向）管道七标原设计沉井25座，经设计变更后剩余沉井18座，沉井间管道安装采用顶管技术，管道七标共计顶管9 段，顶管总长度2102.37m。顶管管体为钢管，材质为Q235B、内径1000mm、壁厚20mm、标准管节长6m。

3 主要施工技术

3.1 施工工艺流程

井下导轨安装→主顶设备安装→顶管机安装→后靠板安装→地面辅助设施布置→止水装置安装→顶管始发→顶进施工→测量及纠偏→注浆减阻→出土施工。

3.2 井下导轨安装

沉井下沉至设计位置封底完成强度满足要求，即可进行井下导轨安装。

井下导轨是由两道平行的特制钢结构，工作时导轨固定在沉井底板上，顶进前，先将顶管掘进机和钢管放置在导轨上，顶管机始发和钢管顶进时，掘进机和钢管可沿井下导轨顺利进入预留孔洞及土体，井下导轨主要起导向和支撑作用。

两侧导轨顶面高程应一致，线性应顺直、间距应相等，导轨纵向坡度必须符合设计要求，与设计管道坡度一致。安装后的导轨必须稳固，在顶进中承受荷载时不发生变形、不产生位移、不出现沉降。导轨安装的允许偏差应符合规范规定和设计要求。

导轨安装中心线应与待顶进管道中心线重合，顶进过程中定期进行导轨中心线校核。导轨面标高与管子内管底的标高相等，两轨道间距按进行计算，式中：B——导轨间距（m）、D0——顶进管道外半径（m）、D——顶进管道内半径（m）。

3.3 主顶设备安装

主顶设备主要包括千斤顶、千斤顶架、主顶油泵及管路、顶铁。

设备安装时，应在机长指挥下进行，人员要分工明确，且熟悉各自的工作内容和岗位职责，同时要清楚施工现场的作业环境，熟悉各类指挥信号和应急联络方式。主顶设备的安装主要采用汽车吊在人工配合下进行。现场必须配备熟悉顶管机管、用、养、修各个环节的专业技术人员，和经过培训合格的司机，以保证顶进作业正常进行。

3.3.1 千斤顶安装

千斤顶安装在沉井内，主要作用是顶进掘进机和管道。千斤顶固定在组合式支架上，对称布置在管道中心线两侧，以保证顶进时管道时受力均匀。支架固定在工作井底板上，支架要有足够的强度、刚度、稳定性。当顶进工作需要采用多台千斤顶时，其规格应相同，行程应同步，每一台千斤顶的实际工作压力均不得超过额定工作压力，千斤顶伸出的最大行程应小于油缸行程0.1m 左右。千斤顶的油路应并联，每台千斤顶应有独立的进油、退油的控制系统。

3.3.2 主顶油泵安装

主顶油泵一般设置在千斤顶附近，当井下空间不足时主顶油泵也可布置在地面，主顶油泵的油管应直顺、转弯少；主顶油泵要与千斤顶配套使用，并应有备用油泵。完成主顶油泵安装应按要求进行试运转，确保工作正常；刚开始时应缓慢顶进，系统磨合一段时间后再按正常速度顶进；顶进时若油压突然升高应立即停机进行检查处理，问题解决后方可继续顶进；千斤顶活塞退回时，要保持适当的速度及油压，速度不宜快、油压不宜高。

3.3.3 顶铁安装

顶铁是具有一定形状和一定厚度的特制钢构件，一般为铸钢整体浇铸或型钢焊接成型。常见的顶铁型式主要为“U”形和环形，顶铁主要作用如下：一是当主顶油缸行程比顶进管节短时，起到垫块的作用；二是传递顶力比较均匀，且开口朝上，便于各种管路安装。顶铁应具有足够的刚度，相邻面应垂直，单块放置时应能保持稳定，相邻顶铁间以及顶铁与导轨的接触面不得有油污及污泥，顶铁轴线应与管道轴线保持一致。

3.4 顶管机安装

顶管掘进机的作用是切削土体并搅拌均匀和控制顶进的方向。装、卸顶管机时应由专人指挥，过程应缓慢、平稳，不得与井下设备或井壁发生撞击、磕碰，确保安全。顶管机安放到位后，应测定顶管机两端的相对高差及方向偏差，并做好记录，顶管机与导轨应密贴。顶管机下井安装前必须进行安装调试，确保各系统单机工作正常、联合运转也正常。顶管机安装就位后，再将风、电、油、泥浆、信号管路（线）、控制系统等与顶管机一一进行连接，各系统应安装正确、连接牢固、不得发生漏风漏电漏油漏泥漏水等现象。顶管机安装就位后刀盘应距离洞口1m 左右，正式顶进前要再次复核导轨高程，确保后续管道中心高程准确，导轨高程允许偏差为±5mm。

3.5 后靠板安装

后靠板为特制的钢结构体，应有足够的面积、刚度和平整度，其主要作用是把主顶油缸的反力分散地均布在后靠板后面的工作井井壁上，避免井壁受力不均而损坏。顶进过程中工作井井壁必须保持稳定，一旦井壁遭到破坏，顶进作业必须暂停；后靠板安装时要确保与主顶油缸的轴线保持垂直，安装前将后靠板位置用红漆在工作井井壁上做好标志。后靠板安装必须紧贴工作井井壁，当后靠板与井壁之间有空隙时，应用薄木板填实。

3.6 地面附属设施布置

地面辅助设施主要包括主控制室、油泵房、泥水循环系统、注浆系统、起吊设备、管材堆场等，地面辅助设施要布局合理、便于施工。

3.7 止水装置安装

止水装置安装在工作井预留洞口，能有效防止地下水、泥土和触变泥浆从管节与预留洞口的间隙流出。止水装置一般由橡胶止水圈、压板、连接螺栓组成，作为施工临时防水措施，橡胶止水圈的拉伸量和肖氏硬度应符合设计要求和规范规定，同时还要具有一定的耐磨性和较大的扯断拉力。止水装置安装完成并经验收合格后方可即可凿除洞门封堵混凝土，封堵混凝土应凿除彻底并清理干净、不得遗留，以便掘进机能紧贴待掘进土体。

3.8 顶管始发

顶管始发前全部设备应经过试运转，并进行联机调试，确保系统整体运转工作正常；同时应制定防止地下水或流动性土体由洞门进入工作井发生淹没事故的措施，一切准备工作完成后方能进行顶管始发。

人工凿除并清理临时封堵洞门的混凝土结构，迅速将顶管机沿井下导轨用千斤顶顶进橡胶止水圈内，完成顶管机出洞。顶管始发阶段，主要靠千斤顶来控制顶进方向，因此首先要控制千斤顶推进速度、不宜过快，另一方面要根据顶进情况适时启动纠偏油缸进行纠偏。

顶管始发顶进阶段，由于进洞管体较短、摩擦力较小，为避免管体产生较大后退和顶管机机头前端土体坍塌，当千斤顶完成一个行程回缩添加顶铁时，需要顶住管体，避免后退。顶管机和第一节管道连接时，顶管机尾部至少要有0.2m～0.3m处在导轨上，并应立即进行钢管和顶管掘进机的连接，再接通各种管路，做好管顶进准备工作（见图1）。

3.9 顶进施工

在顶进过程中，应密切注意顶进方向的偏差情况，随时调整千斤顶进行微量纠偏，以控制机头方向。接通风、电、油、泥浆、信号等管路（线），安装好顶铁，启动油泵，主顶油泵进油，千斤顶完成一个工作行程，将管节向前推进一定距离，回缩千斤顶，循环添加顶铁和重复顶进，直至可以放置下一节钢管，然后拆开风、电、油、泥浆、信号等管路（线），吊入下一节管段、调直对中，完成两节钢管焊接连接、防腐处理并经质量检测合格后，接通风、电、油、泥浆、信号等管路（线），安装好顶铁，重复上述流程，直至完成两井间管道安装。进行管道连接或因故障造成短暂停机时，顶管机前应保持足够的压力，以保证压力平衡。

图1 洞口止水及始发顶进

3.10 测量及纠偏

3.10.1 测量

测量系统的由控制室内的显示器、井下布置的激光经纬仪和顶管机内的测量靶三部分组成。现场利用激光经纬仪进行测量，测量靶安装在顶管机机头上，通过显示器在控制室内进行观测。顶进过程中测量工作十分关键，宜多测勤测，根据测量数据适时动态进行校核，初期测量更为重要，管道安装连接前和连接完成开顶后都应进行测量，做到早发现早纠偏。

3.10.2 纠偏

纠偏系统由纠偏千斤顶、油泵站、位移传感器和倾斜仪组成。纠偏系统的动作控制是在地面操作室的操作台远程控制的，纠偏量的控制是通过安放在纠偏千斤顶上的位移传感器来实现纠偏量的控制，纠偏动作是一个纠偏千斤顶的组合式动作来实现。纠偏随测量进行，随测随纠，增加纠偏频率、减小纠偏幅度。在顶第一节管的校正偏差过程中，测量间隔不超过0.5m，以保证管道入土位置正确。管道进入土层后的正常顶进阶段，测量间隔不宜超过1m。顶管纠偏是逐步缓慢进行的，形成偏差后不可能很快把顶好的钢管纠正到位，而应该缓缓进行纠偏使钢管逐步复位，不能硬纠快纠防止适得其反。

4 注浆减阻

顶管上午顶进阻力主要包括管道四周的摩阻力和正面阻力两部分。长距离顶管宜进行注浆减阻，充分利用触变泥浆套减少管壁与土体的摩擦力以及机头前方的正面阻力，并补充流失的土体，防止土体坍塌、地面沉降，还能防水阻水。

触变泥浆由膨润土和水按比例配置而成，触变泥浆经搅拌后存入储浆箱，通过压浆机经压力管道输送至管体上预留的注浆孔中，注入土体形成泥浆套，减少顶进阻力。

5 出土施工

泥水平衡顶管机出土施工，顶进时需要注入一定含泥量的泥浆，通过刀盘切削顶管机前方的土体，与注入的泥浆进行搅拌，形成的泥水通过吸泥泵抽排至地面泥浆池中，表层泥浆循环使用，沉淀下的渣土用汽车外运。

6 结论

顶管技术在我国广泛用于石油管道、天燃气管道、给水排水管道等地下管道及军事、通讯、信号、有线电视等缆线的非开挖铺设。它既能穿越河湖山川又能穿越路桥及房屋。采用顶管技术施工可以避免扬尘对周边环境的污染、基本不影响交通通行，同时还能减少征地拆迁，与传统开槽埋管技术相比具有明显的经济、技术和环保优势。