顶管论文

长距离小直径输水钢管顶管施工技术与应用

吕大利（天津城建集团有限公司工程总承包公司）

1、工程概况

宁河北地下水源地加压泵站及供水管线工程是天津经济技术开发区一项重点工程。本工程自天津市宁河县北部取水，经集水管线、加压泵站、输水管线送水至天津经济技术开发区自来水水厂。在管道穿越永定新河时，采用顶管施工穿越。此处顶管设计管道为DN1000mm钢管，顶进长度为402.83m，管顶覆土厚度为3～9m不等，坡度为0‰，顶进钢管每节长为5.4m，管壁厚为16 mm，接口采用直缝埋弧焊连接，内、外均做防腐处理。工程由天津城建集团有限公司工程总承包公司宁河北顶管穿越项目部负责施工。

2、顶管机的选型

由于管道穿越永定新河，管道断面地层主要为淤泥质粉细砂层及中砂层，其中夹杂一定量的贝壳类物质，加之施工管径小、顶进距离长，经项目部多次商讨决定采用泥水加压平衡式顶管机施工。与其他顶管机械相比，泥水平衡式顶管施工的优点是：

1）适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高、变化范围很大的条件下，它都适用。

2）可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小。因此，采用此方法顶管所引起的地面沉降较小。

3）与其它类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小。尤其在粘土层就更为突出，所以特别适用于长距离顶管。

4）工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、清运土等危险作业。

5）泥水输送弃土为连续作业，解决了因管径小，出土困难，因此进度比较快。

3、工程难点

本顶管工程顶进距离长、管径小，随着顶进距离加长，长细比变大，顶管的刚度降低，挠度变大；另外因管径小，与土的接触面积小，土对管节的约束力小，

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如遇到软土，顶管极容易偏移；这都使纠偏难度加大。

因此本工程施工中有3个难点：1）基坑承载力要满足顶管顶力；2）注浆减阻，从而降低顶进阻力；3）顶管轴线纠偏；

4、顶进技术措施 4.1、顶力

主顶坑设在河堤内侧，淤泥堆积严重。因此对施工区域进行了放坡处理。清除掉表层2～3m厚的淤泥，然后施工主工作坑。主坑长10.0m，宽4m，深10.5m。主坑打设止水帷幕，后背5排、其余3面2排；然后打设钢板桩，桩长18m，间距为后背0.4m，其余3面0.6m。出于安全考虑，在基坑外侧又打设一圈钢板桩，桩长12m，间距为0.6m。经过理论计算后背承载力最大为2726.6吨力，顶管所需最大顶力为1997吨力。计算如下：

K ——后背承载力

KP ——被动土压力系数（tg2(45°+30°/2)) r ——主基坑处土的容重（取19.3t/m3） h1 ——地面至后背墙顶的高度（取7.5m） h2 ——后背墙的高度（取3.0m）

h3 ——工作坑地面至桩尖的高度（取7.5m） B ——后背墙的宽度（取3.0m） F ——总推力 F1 ——迎面阻力 F2 ——侧摩阻力

D ——管道外径（取1.02m） P ——控制土压力

K0 ——静止土压力系数（一般取0.9）

H0 ——地面至掘进机中心的厚度（取平均值4.0m）

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r, ——土的湿容重（取2.0t/m3）

f ——注浆后管外表面综合摩阻力系数（取1.5t/m2） L ——顶距

K =[ KP×r×h3×(h1+2h2+ h3)×B]=[ 2.99×19.3×7.5×(7.5+2×3+ 7.5)

×3]=2726.6 t P = K0×r×H0 =0.9×2.0×4.0 =7.2 t/m2 F1 = π/4×D2×P = π/4×1.022×7.2 =23.1 t

F2 = π×D×f×L = π×1.02×1.5×402.86 =1973.83 t F = F1+ F2 = 23.1+1973.83 =1996.93 t 因主工作坑处土质较差，取2.0倍的安全系数。 即2F=2×1996.93=3993.86 t＞2726.6 t

因此计划加设中继间进行接力顶进，加3个中继间，每个中继间顶力为800吨力，第1个加在机头后部120m，第2个加在机头后部240m，第3个加在机头后部400m。经复算完全能满足顶管施工需要。

4.2、注浆减阻

由于本顶管长402.86m，为了减少顶力，排管顺序与以往不同。机头后跟10节带注浆孔管节，然后从11节每2节管设1个带注浆孔的管节，具体见下图：

带注浆孔管节 机 头 1 2 3 4 5 管节编号 普通管节 6 7 8 9 10 11 12 3

13 14 15 16 略 注：略以后每1节普通管后跟1节带注浆孔的管

注浆材料为澎润土、食用碱和纤维素，按照每2.5m3浆液，150Kg澎润土+50Kg食用碱+50Kg纤维素+水的比例混合配置。

4.3、测量及轴线控制

在顶进过程中，时时对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进1m测量1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。随着顶进距离的不断增长，轴线偏差测量需接站观测，从而产生接站误差。为了较好地解决测量用时问题，要尽可能减少测量接站数，在转站处利用特殊发光源作为目标。在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。施工过程中，及时了解机头的趋势对纠偏十分有利。如果轴线偏差较小，且趋势较好(沿设计方位)，就可省去不必要的测量和纠偏，提供更多的顶进时间；如轴线偏差较小，但机头前进趋势背离设计轴线方向，则要及时进行有效的纠偏，使机头不致偏离较大。测量采用高精度的激光经纬仪和水准仪。机头内设有坡度板和光靶，坡度板用于读取工具管的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。

5、实际顶进效果 5.1、顶力

从施工中实际顶进阻力的数值来看，远远小于理论值。顶进到70m左右时，顶力为70吨力左右；到400m左右时，达到最大顶力为345吨力。计算出管外壁综合摩擦系数平均仅为0.25左右。所以本工程仅加入1个中继间，在机头后70m处，中间并未开启使用。顶进阻力小是因为采用了与以往不同的排管顺序，并且采用的注浆配比合理，使管外壁形成泥浆润滑套，从而大大降低了顶进阻力。

5.2、测量及轴线控制

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通过施工中的经验教训，得出以下结论：

1)勤顶、勤测、勤纠。在顶管顶进过程中要时时对顶进轴线进行测量,并与设计轴线相比较,发现偏差及时纠正。在本工程中是每顶进1m就测量1次,随着顶进距离的加长，超过100m后，每顶进0.5m测量1次，在顶进至320m遇到软弱地层时，每0.3m测量1次,从而确保偏差能够及时发现和纠正。

2)动态纠偏。纠偏尽量在管道顶进过程中进行,避免在静止状态纠偏。实践证明,当管道处于静止状态时, 所需的纠偏力比顶进时纠偏增加50% ～90%。在动态纠偏过程中,通过观察偏差发展趋势可以灵活确定纠偏方案。如果偏移量不大,且偏移方向靠近设计轴线,可以暂时不采取纠偏措施,而是继续顶进,直至偏差消除。

3)顶进距离越长，纠偏角度越小。小直径钢管顶管顶进距离越长，与大直径顶管相比，纠偏难度越大，随着顶进距离的加长，纠偏越勤、纠偏角度越小，超过300m后，纠偏千斤顶左右、上下的差值应尽量小，最好控制在4cm以内，否则容易出现大的偏移。本工程在顶进至320～340m时就是因为土质变软，纠偏过大，造成机头后部空隙过大，如强行向轴线方向纠偏，势必造成机头与第1节管节连接断裂。

6、顶进中问题的解决

在顶进至320m时，机头处土体突然变软，机头下沉。纠偏变得很困难，在顶进至340m时，由于纠偏过急，使机头向左偏15cm。再往回纠偏已很困难。这时，经项目部研究，决定将管节拽出来，使其回到320m处，调整好机头状态再顶进。1）加固基坑前部。在基坑前部2排止水帷幕桩内外两侧各打设1排钢板桩间距为0.4m，并浇筑50cm厚的C40混凝土层作为后靠。2）加固中继间。将中继间首尾用φ20钢筋焊接牢固，以防中继间断裂。

一切准备就绪后，重新顶进。为了防止管道还沿着原来的轨迹前进，把机头纠偏千斤顶全部锁定，后靠千斤顶开始向前顶，把320m～340m这一段顶过去后，在开启机头纠偏千斤顶工作；这时因为顶进距离很长，土体软，纠偏千斤顶左右、上下的差值控制在2cm以内，测量频率每0.1m一次。从而顺利通过软土地层。

由以上得出以下结论：1）由于小直径钢管顶管每节管接口是焊接的，其线形为直线。如果在顶进中出现大的偏移，最好的方法就是将偏移大的管节拽出，纠正好机头姿态后再顶进；2）向外拽管时，应注意基坑前部的加固，防止基坑被顶塌或变形；3）向外拽管时，中继间是薄弱环节，一定要加固好，以免出现断裂情况，从而影响整条管线；4）在顶进距离较长，机头又遇到软弱土层时，

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机头纠偏千斤顶每次纠偏量要尽量小，同时测量频次加大。

7、结束语

穿越永定新河的DN100O钢管一次顶进距离长达402.86 m，创造了天津市新记录，在没有启动中继间接力顶进的情况下，顶力被控制在3381KN以下，轴线最大偏差＜4cm，贯通误差为左偏2cm、下偏6mm，取得了圆满的成功。

由该工程可知，长距离、小直径钢管顶管施工的关键是测量、轴线纠偏、注浆减阻以及偏移过大所应采用的解决方法。希望通过这篇文章，能给类似工程施工提供一些帮助。

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