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1、小口径超长距离顶管施工技术摘要：本文结合工程实例，对小口径超长距离顶管施工的特点和难点进行了分 析，详细介绍了顶管施工的方法，并指出了顶管施工中容易出现的问题，提出了 相关应对措施，旨在为其他工程顶管施工提供参考借鉴。关键词：顶管；施工技术；问题；应对措施0 引言随着我国国民经济的快速发展，各种建设工程的密度不断增加，顶管施工技 术作为一种省时、高效、安全、综合造价低的施工技术，其应用也日益增加。顶 管施工是在盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它能穿越公路、铁 路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物，且不需要在地面上开挖，不破 坏地表结构物。本文对小口径超长距离顶管施工技术进行了
2、介绍。1 工程概况某大型煤电一体化电厂顶管采用彷1400x20mm、彷1400x24mm两种规格的钢 管，管道中心标高为10.5011.50m (河流标高为23.2m)。顶管与河流交叉处埋 深为2m左右；其他区域埋深1116m。根据钻孔所揭露的地层特征、埋藏条件及物理力学性质指标，同时结合静力 触探试验成果，在勘探深度范围内将场地地基土划分为 8 个主要工程地质层，其 中顶管穿越的、1、2 土层情况如下： 粉土：灰黄黄褐色，很湿，稍密，夹粉质粘土、粉砂，含氧化铁、云母。 层顶埋深3.30m (平均值，以下同)，层厚6.34m。沿引水管线分布。 1 淤泥质粘土：深灰色，很湿湿，软塑可塑，夹粉土薄
3、层，单层厚度 510cm，局部夹粉细砂。该层局部相变为粉质粘土与粉土互层状或相变为粉土 夹粉质粘土。层顶埋深10.04m，层厚5.00m。局部分布。2 粉质粘土：深灰、灰绿、灰黄黄褐色，湿，可塑，夹粉土薄层，局部 夹粉细砂及硬砂层。层顶埋深9.25m，层厚7.25m。局部分布。2 工程特点及难点(1) 顶管管径过小。在顶管施工中，顶管管径过小一直是顶管施工的难点。 除了进泥管、排泥管、通风管及供电电缆、照明等所占的空间外，*1400的钢管 内部仅为 1m 左右，不可能设置轨道，因此，所有交通、运输都是靠人力，在这 种条件下施工难度很大，特别是在顶进距离超过600m之后，人员徒手进出都非 常困难
4、，携带材料设备的难度更大。(2) 一次顶进距离长。目前国内对于*1400管道一次顶进距离最大为760m。 本工程一次顶进距离长达1125m，这是小口径进人顶管施工的一个突破。这对主 顶推力和后靠结构要求很高，系统很难满足要求，如何合理设置中继环和接力注 浆系统极为重要，一旦设置不当，极易导致顶管失败。(3) 管道长细比过大，顶进时管道稳定性差。顶管的轴线控制和纠偏工作难 度大。(4) 测量控制难度大。目前激光测量仪器有效发射距离只有 500m， 500m 以上顶进只能依靠测量人员到*1400的管内转站测量，增加了测量难度和纠偏难 度，影响顶进速度。(5) 地质情况复杂。根据地质勘查提供报告，顶
5、管在河流大堤及河滩下穿越 2层和1层土，此类土层具有高压缩性，两个土层存在渗透性和固结速率的 差异；另外，在顶管路径上，还存在硬砂层、古窑迹、姜结石等复杂土层。(6) 顶管斜向穿越河流的一条支流，穿越处覆土厚度仅2m,如果采取措施 不当，极易造成顶管头部上浮，甚至穿透顶部，造成事故。3 顶管施工方法3.1 掘进机械及中继环的选择、设置 根据相关工程的施工经验,结合复杂的地质状况,确定顶管掘进机选型为彷1200遥控式泥水平衡顶管掘进机头。泥水平衡式顶管机是以在机械掘削式顶管 前部的刀盘附近安装隔板,形成泥水压力仓,将加压的泥水送入泥水压力仓,来 保证开挖面的稳定,同时将旋转刀盘切削下来的泥砂以泥
6、水形式输送到地面为特 征的顶管工法。*1200遥控式泥水平衡顶管掘进机，前方筒由两段组成，后方筒 为设备动力与控制段，总长度4.5m，其后为两节活络管，管段与管段，管段与顶 管机尾部均采用高强螺栓连接。操纵系统由可编程序控制，在地面控制台遥控操 纵。该机型对稳定土体、控制地表隆沉量以及对恶劣地质条件有较好效果。顶管主顶系统由4根推力为2000kN、行程为3.5m的双级等推力油缸与可调 速的液压泵站组成。由于本工程一次顶进距离长达1125m，仅靠主顶装置是无法 完成顶进工作的，拟采用中继环进行接力顶进。根据工程地质情况，经初步测算 共需设置 6 只中继环。根据类似工程的经验，一般靠近顶管机的中继
7、环启动难度 及不确定性最大，因此6只中继环设置间距逐渐变大，分别位于顶管机尾部后 30m、180m、360m、540m、720m、900m 处，中继环采用 500kN 油缸 10 只，总 顶力为5000kN。顶力计算、分析及校核过程如下：(1) 顶管机摩阻力及全管阻力计算。 顶管机正面摩阻力计算见式(1)：Ff=n (D2/4)f1 (1)式中Ff顶管机正面摩阻力，kN；D一一顶管机外径，本工程取1.448m；f1顶管机正面与土层摩阻力，本工程取500kN/m2。则 Ff=n(D2/4)f1 = 3.14x(1.4482/4)x500 = 822.96 (kN)。顶管机管外壁摩阻力计算见式(2
8、)：Fh = LhDnf2 (2)式中Fh一一顶管机外壁与土层摩阻力，kN；Lh顶管机长度，本工程取4.5m；f2顶管机外壁与土层摩阻力，粉质粘土 1525kN/m2,本工程取 20kN/m2。则 Fh = LhDnf2 = 4.5x1.448x3.14x20=409.20 (kN)。钢管外壁采用触变泥浆减阻后与土层摩阻力计算见式(3)：Fo = LoDnf3 (3)式中Fo一一钢管外壁与土层摩阻力，kN；Lo一一钢管长度，本工程取1125m；f3钢管外壁采用注触变泥浆后与土层摩阻力，本工程取6kN/m2。则 Fo = LoDnf3=1125x1.448x3.14x6 = 30690.36 (
9、kN)。钢管外壁与土层间总阻力计算见式(4)：Ft = Ff+Fh + Fo(4)式中Ft一一钢管外壁与土层间总阻力，kN。则 Ft=822.96 + 409.20 + 30690.36 = 31922.52 (kN)。(2) 中继环顶力计算(F1F6分别为#1#6中继环的顶力)。#1中继环设置在顶管机后30m，由式（3）可得：F1 = 30x1.448x3.14x6 = 818.41（kN）。#2中继环设置在#1中继环后150m，由式（3）可得：F2 = 150x1.448x3.14x6 = 4092.05 （kN）。#3#6中继环间隔180m依次设置，由式（3）可得：F3 （F4、F5、F
10、6） =180x1.448x3.14x6=4910.46（kN）。（ 3）顶力情况分析。第一个中继环启动时，总阻力（包括头部阻力）为： 822.96409.20818.41 = 2050.57 （kN）V5000kN，满足要求。#2#6中继环阻力F2F6均小于5000kN，满足要求。#6中继环后尚余225m钢管，需顶力6138.07kN，此顶力由后座主顶油泵 8000kN 承担，满足要求。设备总顶力为 200x4+5000x6 = 38000 （kN）Ft = 31922.52kN。经以上计算分析，总体设计方案合理、可行。3.2 触变泥浆系统的选择 使用触变泥浆是长距离顶管减少摩擦力的重要技术
11、措施。合理使用触变泥浆， 还可以保持土体稳定，减少地面沉降等作用。本工程采用机头压浆和全管段补浆 相结合的方式，边顶进边压浆，顶进和压浆同时进行。在机头尾部环向均匀地布 置了 4 只压浆孔，顶进时及时进行压浆。机头后的 3 节钢管管节上均设置压浆孔， 以后每隔2个管节设置1个压浆孔。管节上环向设4只压浆孔，呈90o交叉布置。 压浆总管用*50镀锌管，除机头及随后的3节钢管节外，压浆总管上每隔6m装1 只三通，再用压浆软管接至压浆孔处，压浆孔内设装单向阀，以避免注浆孔堵 塞。压浆配比（质量比）为膨润土： CMC：纯碱：水= 400： 2.5： 6： 850。4 施工易出现的问题及应对措施 长距离
12、顶管要解决的最大问题是克服顶进过程中的阻力问题，而顶力控制的 关键是轴线、注浆系统及停顿时间的控制。另外，应详细了解顶管路径上的地质 情况，并制订可靠的应对措施。4.1 轴线控制 施工误差引起的管道轴线弯曲是影响土体与管壁产生摩阻力大小的主要因素，管道轴线弯曲，可使摩阻力成倍增长。施工时应严格控制轴线波动的幅度，纠编 时应控制轴线平滑过渡，尤其要控制好出洞后的前100m的轴线，坚持“勤测、勤 纠”的原则。施工过程中，即时掌握机头的趋势对纠偏十分有利。可以通过顶进趋 势测定装置来指导纠偏。施工过程应确保出泥量和顶进速度相匹配，也就是泥水 平衡要控制好，这样对顶力和轴线控制都有利。4.2 注浆系统
13、的控制 顶进时，机头尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况确定。由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送，因此在管道内共设置 3只压浆接力站，分别负责机头至200m、200m至600m及600m以后压浆，井 上设置一套高扬程压浆泵负责向管内蓄浆池送浆，压浆时注意观察和控制浆泵的 压力。减摩泥浆采用触变泥浆，该泥浆性能稳定，具有良好的触变性，又有一定 的稠度。施工中，泥浆应保持不失水，不沉淀，不固结。其配比应根据穿越土层 的不同作出相应的调整，使泥浆适应不同的土质特性，起到预期的减摩效果。为 了减少摩阻力和填充管外壁的间隙，压浆必须坚持“先
14、压后顶，随顶随压，及时补 浆”的原则。压浆时，储浆池内的触变泥浆由地面的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆 总管，并达到各压浆孔的软管内，只要压浆孔处的球阀打开，即可向管壁外压浆4.3 停顿时间的控制顶管长度超过 800m 之后，管壁摩阻力、顶进的方向控制都非常困难。如果 顶管机停顿，则恢复顶进时的阻力大幅增加，停顿时间超过12h,则阻力几乎增 加一半以上，所以要严格控制停顿时间。施工中可以通过加强对设备的维修保养 及改进测量方法等措施，减少设备故障及测量时间，避免顶进长时间停顿。4.4 针对特殊土层采取的措施 根据勘测资料，顶管局部地段为硬砂层，为了降低顶管阻力，在顶管穿越该土层时，采取35M
15、Pa高压水旋喷的方式，来破坏轴线上、下60cm范围内砂层以 降低阻力。在顶管机进入237.6m处硬砂层时，顶进压力升至25MPa，电流达32kW，排 出泥浆主要为粉细砂和少量粘土，这时开始采取旋喷措施，但旋喷后顶进压力反 而升至3540MPa，电流达到35kW，顶力达到极限。后经研究分析，主要是旋 喷过早，顶管不能及时跟随顶进，旋喷打碎的砂层重新沉积，阻力反而加大。于 是调整方案，采取旋喷与注浆同步实施，严格控制旋喷与顶管头部的距离和旋喷 时间，经过调整，顶力降至正常范围内，顺利穿过约46m的硬砂层，取得了预期 的效果。4.5 顶管穿越河流（薄覆盖层）时的控制 在达到河流之前，顶管要从一条河流
16、下方穿过，该条河河底标高仅比顶管顶高出2m，不满足规范要求，容易引起顶管“抬头”，在施工中采取两项措施，一是 在顶管上方的河床上采取抛石和抛砂袋的预压措施，将顶管上方的覆盖层厚度增 加到3.5m，另外，在顶进到河底时，在垂直方向增加一个向下的俯角，俯角角度 经过详细的计算，并进行严格控制。上述措施采取后，顶管顺利穿过河底，未出 现异常情况。5 结语 综上所述，顶管施工技术作为一种管道敷设的施工方法，具有经济、高效、 环保、不开挖地面、对地面建筑物无影响等优点，在各项建设项目施工中得到广 泛的应用。在顶管施工中，要结合工程的实际情况，合理应用施工技术，做好施 工质量控制工作，同时针对容易出现的问题，采取有效的措施进行处理，从而确 保顶管施
