【摘 要】顶管技术是一种非开挖的地下管道施工方法，具有施工污染小，交通干扰小和减少工期等优势，在市政管道工程建设中受到广泛应用。本文结合应用实例，分析了顶管推力的计算过程，详细介绍了顶管施工的关键工序和施工工艺流程，总结了顶管技术施工中的质量控制措施，为今后类似工程的应用积累了宝贵的施工经验。
【关键词】顶管技术；污水管网工程；工艺流程；质量控制
城市污水管网作为城市的重要基础设施，其建设受到了人们的广泛关注。污水管网的施工，一般埋置较深，采用开挖铺管技术，对环境污染严重，干扰大，破坏性大。而顶管技术是一种非开挖的地下管道施工技术，是利用液压油缸从顶管工作井将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进、直到顶管接收井的非开挖地下管道敷设施工工艺。因此，顶管技术很好解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在城市污水管道施工中得到广泛的应用。
1.工程概况
某污水处理厂14#路段污水管网建设工程施工（二标段），全长3466m。管道位于南侧非机动车道，道路中线以南15.5m处，其中DN1350污水管773m，DN1500污水管2693m，全部采用顶管施工，该方法不但能保证施工安全，而且可以最大限度地避免对现有建筑物和交通的影响。
该场地地基中淤泥质土普遍有孔隙比较大、天然含水率大多高于液限、多呈软流塑状、压缩性高、强度低、透水性低、触变性和流变性等特点。浅层分布的淤泥质土、淤泥自身稳定性差，抗冲刷能力弱。软土在垂直荷载及水平推力作用下易产生不均沉降或许过量沉降、剪切破坏等。
2.顶管推力计算
在顶管工程之前，为了顺利推动管道在土中前进，千斤顶的顶力需要克服顶进中的各种阻力，同时在顶进过程中还不断受到各种外界因素的影响。顶管推力的理论计算为（以Φ1 500mm计算）
其中：F为总推力；F1为迎面阻力；F2为顶进阻力；D为管外径1.8m；P为控制土压力；K0为静止土压力系数，一般取0.55；H0为地面至掘进机中心的厚度，取最大值7m；γ为土的湿重量，取1.9t/m3；F为管外表面平均（根据顶进距离平均粉性土）综合摩阻力，取0.82t/m2；L为顶距，取最大值100m。
由式（1）～式（4）计算可得
P=0.55×1.9×7=7.32t/m2，
F1=3.14/4×1.8×2×8=22.6t，（F1=3.14/2×1.8×7.32=20.7t）
F2=3.14×1.8×0.82×100=463t。
因此，总推力F=22.6+463=485.6t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作井（Φ1500mm顶管）设计允许承受最大顶力为500t，管材轴向允许推力460t，主顶油缸选用2台320t级油缸。每只油缸顶力控制在300t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力640t。因此无需增加额外的顶进系统即可满足要求。
3.井点降水
根据实际地质情况.在沉井附近采用井点法降低地下水位，以方便施工挖土，使沉井顺利下沉，并保证顶进施工时顶进工作井及接收井无积水，设备能够正常运转。
根据沉井工作井的尺寸及勘查提供的涌水量、抽水影响半径，计算出井点的埋设深度及埋设数量。
（1）井点埋设深度
H=h1-h2+△h+L+b=9m （1）
式中：H—井点埋设深度（m）；
h1—沉设井点施工的地面高程（m），据实测为89.857m；
h2—基坑底面高程（m），据实测为84.357m；
△h—设计地下水降至基坑底面以下深度（m），取0.5m；
L—滤管长度（m），据经验值一般为2.51TI；
b—井点到基坑的水力坡降（m），一般取水平距离（经验值一般为5m）的0.1。
（2）井点埋设数量
N=Q/q=15.6 （2）
式中：N—井点数（眼），取N=16；
Q—涌水m（m3·h-1），经现场实测为23.4 m3·h-1；
q—每眼井排水量能力（m3·h-1），据每眼井配置水泵功率，取工作效率系数O.8，计算为1.5。
每1.5m打井一眼，深度为9m，用φ65钢管做降水井。用射流泵抽排地下水，平均每座工作坑围绕工作井环向布设16眼轻型井点.每座工作坑设射流泵一套.各井点井口用D150钢管连接至射流泵，抽排地下水。将地下水降到管道基础以下0.5m。不影响管道顶进作业。
4.施工工艺优化
泥水平衡式顶管设备全封闭式作业，其泥水系统符合泥水加压平衡原理，利用探测仪器根据顶进速度以及前方土体土压力的变化而自动调整.从而保证一个恒定的土压力平衡值，科学地确定送排泥流量、浓度和流速。泥水平衡控制系统通过气动球阀控制泥水管路在推进中的逆流冲洗、停止、旁路等动作，顶管机系统、泥水平衡及输送的控制，通过计算机进行数据采集及管理.组成一个先进的监控系统，既保证了施工安全，又提高了顶管机小容积泥水舱压力平衡的精度。项管机出洞封门采用矩形钢箱和密封圆环装置，密封和安全性能良好，适合本场地地层及浅覆土施工，基本上不会造成地面沉降，可以确保工程质量。
5.顶管施工关键工序
5.1 顶管工作井及接受井施工
顶管工作坑平均每200m设一座，共有工作坑20座，接受井20座。工作坑断面下口尺寸7m×4m，深度为7.0m，同时工作井可作为接收井。工作坑垫层采用C10混凝土层100cm厚，同时在靠近顶进洞口外基坑两边设深60cm的集水坑，尺寸600mm×600mm×600mm，以用于顶进过程中降水及抽水，垫层四周设宽20cm深20cm的集水槽以利于排水，采用污泥泵抽水。工作坑底板采用C25商品混凝土，厚度20cm。工作坑断面如图1所示。 图1工作坑断面
5.2 施工工艺流程
（1）顶管设备安装
两根导轨必须互相平行，等高，导轨面的中心标高应按设计沟底标高设置，在顶进中必须经常复测调整，以确保顶进轴线的精度。导轨的坡度应与设计管道坡度相一致。
（2）管前挖土及顶进
管前挖土是控制管节顶进方向和高程、减少偏差的重要作业，是保证顶管质量及管上构筑物安全的关键。
（3）管节安装
管道接口为“F”型接口。安装管节前，应先安装好止水圈，在管节端面粘贴松木衬垫，再将管道节吊放在轨道上稳好，使管节插口端对正前管的承口中心，缓慢顶入，直至两个管节端面密贴衬垫，并检查接口密封胶圈是否良好，如果发现损坏，应重新安装，确认完好后方可布置顶铁。
（4）管道接口
顶管施工中，管节之间接口的强度和性能直接影响施工进度和工程质量。
（5）纠偏测量及控制
顶管误差校正是逐步进行的，形成误差后不可立即将已顶好的管子校正到位，应缓慢进行，使管子逐步复位，不能猛纠硬调，以防产生相反的结果。常用超挖纠偏法、顶木纠偏法和千斤顶纠偏法。顶管施工工艺流程如图2所示。
图2顶管施工工艺流程
6.施工质量控制措施
6.1 管道纠偏
（1）管道产生扭转原因分析
在顶管安装和使用过程中，如果主油缸或工具管刀盘轴线与管道轴线不平行，则在顶管施工过程中很容易使管道产生扭矩，从而在顶进过程中发生管道扭转。在进行顶管施工时，管道内要布置各种施工设备，如果布置位置不对称，就很容易使管道朝着某个方向形成固定扭转。
（2）纠偏措施
①提高顶管设备安装质量，预防管道发生扭转，主要是从提高顶管设备安装工艺精度入手，尽量避免或减少顶管设备的各部分安装偏差，如主油缸固定牢固，尽量与管道轴线平行等。
②严格按照施工程序施工，减小纠偏造成的扭转。首先是管内设备布置重量要对称，尽量避免由施工程序造成的扭转。另外可以通过施加外力进行管道扭转，使管道产生相反扭转，从而平衡原先存在的扭转力。当顶距较短（<15m）时，如发现管轴线有偏差，可以利用主压千斤顶进行校正。
6.2 导轨偏移防治
（1）导轨偏移原因分析
①导轨自身的刚度不够；②轨道固定不牢靠，受到外力及震动后发生偏移；③工作井底板损坏或变形；④后座不稳固，受顶力后使主顶油缸轴线与顶管轴线不平行，产生横向分力，引起导轨偏移和损坏。
（2）防治措施
①对导轨进行加固或更换；②校正偏移的导轨，并支撑牢固；③垫木应用硬木或用型钢、钢板，必要时可焊牢；④对工作井底板进行加固。
6.3 后靠背控制
（1）后靠背严重变形、位移或损坏原因分析
①后靠背的刚度不够。若采用单块厚钢板做后靠背，则刚度更差；②后靠背后面的预留孔或管口没有垫实；③用钢板柱支护的工作井，由于覆土台浅或被动土抗力太小而使钢板桩产生位移影响到后靠背的稳定。
（2）防治措施
①应该用刚度好的钢结构取代单块钢板做后靠背；②后靠背后面的洞口可用刚度好的板柱或工字钢叠成“墙”，垫住洞口或管口；③后座墙后的土体采用注浆加固，或者在地面上压上钢锭，增加地面荷载。
6.4 地面沉降防治
（1）地面沉降过大原因分析
井点降水时土体会因失去地下水而产生一次压密沉降。再加上手掘式顶管的开挖面是敞开的，不加正面支撑，稍有疏忽就会发生正面坍塌，引起较大的地面沉降。这种沉降会因土质的不同而不同，但地面沉降大是手掘式顶管的一个通病。
（2）防治措施
采用这种工具管必须谨慎从事，仔细地查清穿越地层的工程地质和水文地质情况并判别可否采用。符合稳定基本条件，才可采用。施工中要精心施工，防超挖、塌方。
7.结语
综上所述，本工程在采用顶管技术后，减少了大量的土方开挖工作，充分发挥了施工污染小，交通干扰小和减少工期等优势，竣工验收，各项结果均满足要求。虽然在施工中还存在不少问题，但是顶管施工的技术优势还是其他施工技术无法比拟的。因此，在顶管施工中必须不断总结施工经验，一旦发现问题，应采取相应的质量控制，着眼于改进提高顶管施工技术，这样才能为今后改善提升顶管工程的施工技术积累经验。
参考文献：
[1] 翁献明，顶管技术在污水管网工程中的应用[J].山西建筑，2009.21.
[2] 马娜 李岩， 顶管施工法在污水管网施工中的应用[J].土木建筑学术文库（第13卷），2010年 .