城市地下综合管廊建设之顶管施工法全解析

顶管施工

顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。

它的技术要点在于纠正管子在地下延伸的偏差。特别适用于大中型管径的非开挖铺设。具有经济、高效，保护环境的综合功能。

这种技术的优点是：不开挖地面；不拆迁，不破坏地面建筑物；不破坏环境；不影响管道的段差变形；省时、高效、安全，综合造价低。

该技术在我国沿海经济发达地区广泛用于城市地下给排水管道、天燃气石油管道、通讯电缆等各种管道的非开挖铺设。它能穿越公路、铁路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物。采用该技术施工，能节约一大笔征地拆迁费用、减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。

常见4种顶管施工技术

1、刃口推进工法

2、泥水推进工法

3、土压式推进工法

·通过向切削仓内注入一定比例的混合材料，使得充满泥仓的泥土混合体平衡正面土压以及地下水压力。

·无需泥浆泵等后部配套装置，整机造价低廉。

·无需泥浆处理，施工成本低。

4、泥浓式推进工法

可以不加破碎的排出孔径约为顶管机直径1/3的砾石

·采用了二次注浆方法，大大的减少了磨阻力，适合长距离顶进

各种顶管机型的优缺点

1.敞开式掘进机

当顶进管道轴线附近可能存在大的石块，桩基等不明障碍物时，可采用排障方便、成本低廉的敞开式掘进机。地下水位较高的话可采取井点降水等辅助施工方法。另外，对于含水量较少并且N值大于18的黄土和强风化岩，也可采用敞开式掘进机顶进。敞开式掘进机在类似于农田对地面沉降要求不严格的情况下也可采用。

缺点：顶速慢、遇到流沙土层难以控制出土量。

2.多刀盘土压平衡式顶管机

多刀盘土压平衡顶管掘进机把通常的全断面切削刀盘改成四个独立的切削搅拌刀盘，尤其适用于软粘土层的顶管。

优势：

1.在泥土仓中注入些粘土，能用于砂层的顶管。

2.由于此机采用了先进的土压平衡原理，因此，采用此机进行顶管施工后，对地面及地下的建筑物、构造物、埋设物的影响较小。

3.可以安全地穿越公路、铁路、河川、房屋以及各种地下公用管线。其最小复土深度可以相当于一倍管外径左右。

4.从无数的施工实例证明，用此机进行顶管施工作业，不仅安全、可靠，而且施工进度快、效率高。

5.与单刀盘土压平衡掘进机相比，此机具有价格低廉、结构紧凑、操作容易、维修方便和质量轻等特点。

6.排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。

7.与泥水式顶管施工相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理。施工占地小，对周围环境污染也很少。

8.与手掘式及其他形式的顶管施工相比较，又具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段的优点。如采用输土泵的方式出土，顶进效率也很高，平均24小时可顶进15-20米。

缺点：由于不是全断面切削，切削不到的部分只能通过挤压进入机头，因此迎面顶力较大，只适合于软土地质情况下施。

3.单刀盘土压平衡顶管掘进机

对于地质为黄土的情况下可采用单刀盘土压平衡式掘进机。

优点：

1．适用的土质范围非常广。它可以适用于N值为0的淤泥，也可适用于N值为50的砂砾及卵石层，几乎是一种全土质的顶管掘进机，是其他机型所无法比拟的。

2．施工后地面沉降小。

3．弃土的处理比较简单。

4．可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工。

5．有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能。

6．开口率达100％，土压力更切合实际。

4.刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机

穿越建筑物、构造物、埋设物等对地面沉降要求很小的情况可采用。此种机头的刀盘是一个直径比掘进机前壳体略小的具有一定刚度的圆盘。圆盘中还嵌有切削刀和刀架。刀盘和切削刀架之间可以同步伸缩，也可以单独伸缩。而且，不论刀盘停在哪一个位置上，切削刀架都可以把刀盘的进泥口关闭。刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸，刀架伸缩油缸则安装在刀盘加压装置的上方。

工作原理如下：刀盘前土压力过小时，它就往前伸；刀盘前土压力过大时，它就往后退。刀盘前伸时，应减小进泥口开度并加快推进速度；刀盘后退时，应加大进泥口开度并降低顶速。这样，就可使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。使用此种掘进机地面隆沉极小，优秀的操作人员可使地面隆沉控制在10mm以内。由于采用了泥水作为运输介质，在顶进的过程中无需停顿出泥，因此它的顶速也很快，24小时可顶进20-30米。缺点也很明显：由于进泥口开度限制，在含有直径大于6cm砾石的土层中无法施工。

5.偏心破碎泥水平衡掘进机

对于地质为强风化岩的情况下可采用。此机种与普通泥水掘进机的最大不同点是其头部。

特点:

1.壳体内的泥土仓是一个前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的内壁是用耐磨焊条堆焊的一圈环形焊缝。安装在壳体泥土仓内的是一个前面小、后面大的锥体，锥上也堆有一环环形焊缝。切削刀呈辐条形焊接在该锥体上，且略微向前倾斜。刀盘的正面焊有坚固而且耐磨的切削刀头，所有这些构成一个刀盘。

2.在掘进机工作时，刀盘一边旋转切削土砂的同时还一边作偏心运动把石块轧碎。被轧碎的石块只有比泥土仓与泥水仓联接的间隙小才能进入掘进机的泥水仓，然后从排泥管中被排出。另外，由于刀盘运动过程中，泥水仓和泥土仓中的间隙也不断的由最小变到最大这样循环变化着，因此，它除了有轧碎小块石头的功能以外还始终能保证进水泵的泥水能通过此间隙到达泥土仓中，从而保证了掘进机不仅在砂土中，即使在黏土中也能正常工作。一般情况下，刀盘每分钟能旋转4--5转，每当刀盘旋转一圈时，偏心的轧碎动作达20-23次。

3.由于此机型有以上这些特殊的构造，因此它的破碎能力是所有具有破碎功能的掘进机中最大的，破碎的最大粒径可达掘进机直径的40%--45%之间，破碎的卵石强度可达200Mpa。此机型的第一个特点就是它几乎是全土质的掘进机。它可以在N值从0--15的黏土，N值1--50的砂土以及N值10--50的砾石层等所有土质中使用，而且推进速度不会有太大的变化。它的第二个特点是破碎粒径大，可达掘进机直径的40%--45%之间。它的第三个特点是施工精度高，施工后的偏差极小。

4.由于有偏心运动，进土的间隙又比较小，即使用清水作为进水，也能保持挖掘面的稳定。它的第五个特点是可以进行长距离顶进，也可用于曲率半径比较小的

曲线顶进。它的第六个特点是施工速度快，每分钟可进尺100mm--180mm之间。它的第七个特点是结构紧凑、维修保养简单、操作方便。无论在工作坑中安装还是在接收井中拆除都很方便。

6.岩盘顶管机

中风化岩以及弱风化岩条件下如果地下水含量较高就只能采用岩盘顶管机。该机型的刀头类似于牙轮钻，可以在岩石中顶进，也是一种全土质的机型，但该机种的造价很高。

顶管施工过程中可能遇到的安全风险

顶管施工是在管道的沿线按设计方案设置工作井和接收井，工作井内设置足够强度的后靠背，吊进工具头、油压千斤顶及要顶进的钢管或钢筋混凝土管，接好照明、泥浆管、油管等管线，然后用油压千斤顶缓慢顶进，通过压浆系统使管节周围形成泥浆套，管道在泥浆套中滑行。在顶进过程中通过激光经纬仪测量顶管的方向，边顶进边排土边纠偏，直至将钢管或钢筋混凝土管顶至接收井内。

风险是给定条件下，特定时间内发生不良后果的可能性。顶管施工中的安全风险，是指顶管施工过程中发生事故或损失的不确定性。顶管施工过程中可能遇到的安全风险有：

1.工程地质和水文地质条件

沿管线地质土层变化频繁，顶管施工未了解地质土层的变化情况；对于要经过的软基、溶洞等施工段没有提前处理，以致造成地表有过大的下沉而引起塌陷。

2.有毒有害气体

顶管施工的地层一般会通过淤泥层，腐烂动、植物体会在地下形成有毒有害气体聚集体，如果在顶管施工时没有对有毒有害气体进行检测，也没有采取通风等措施，施工人员在这样的作业环境下极易发生中毒事故，危害施工人员的健康和生命。

3.地下地上管线

顶管施工大多数都是在城市市区道路进行，在道路下有通讯、电力、煤气、给水等管线，如果在开工前未探明地下管线的位置、埋深和走向，则顶管施工中极易对其造成破坏，引发安全事故；而如果在吊管过程中未与地面高压线保持安全距离，则又极易发生触电事故。

4.建（构）筑物倒塌

顶管在建（构）筑物下或附近施工时，没有明确施工路线上所遇到的基础类型，对于部分基础在顶进前未采取托换、加固等措施，而在顶进过程中又没有控制好顶力和顶进方向，则容易造成周边建（构）筑物开裂或倒塌。

5.人的不安全因素

顶管施工中管理人员的违章指挥和作业人员的违规操作，如冒险或野蛮施工，新进工人未经安全教育和培训就上岗作业，特种作业人员未经专门安全培训，持特种作业操作证上岗等，这些都是顶管施工中引发安全事故的潜在风险因素。

顶管施工中安全风险的控制

顶管施工中安全风险控制包括所有为避免或减少安全风险发生的可能性以及潜在损失而采取的各种措施。一般控制安全风险的对策和措施有：减轻，预防，转移，回避，自留，多元化，后备措施和利用等。

1、组织措施——建立健全工程项目的安全管理机构

顶管施工中安全风险控制包括所有为避免或减少安全风险发生的可能性

以及潜在损失而采取的各种措施。一般控制安全风险的对策和措施有：减轻，预防，转移，回避，自留，多元化，后备措施和利用等。

2、技术措施———针对安全评价的风险制订预案

通过对风险的辨识和评价明确了安全风险管理的重点，针对不可接受风险制定有效的安全管理方案，消除风险或降低风险的程度，提高安全控制的能力。

01施工组织设计的制定和审查

工程要制定科学合理的施工组织设计，选择技术先进可靠的施工方法，是保证工程顺利进行的保证，同时也是安全施工的保障。在施工组织设计的制定和审查中要严格把关，特别是制定安全技术措施要从人员、设备、组织、机具、材料等方面研究解决存在的问题，采取有效的控制措施。

02编制专项的安全施工方案

针对施工中的不同施工项目如起重吊装工程、工作沉井的制作及现场的临时用电等，要按照法律法规的要求制定专项的安全施工方案、吊装施工方案、临时用电施工方案等，在施工过程中要落实各项安全措施。

03制定应急救援预案

针对可能发生的事故制定切实有效的应急救援预案，并进行现场演练，对预案的有效性进行检验，从中发现不足，进行改进。

3、经济措施——加大安全方面的奖惩力度

在顶管施工过程中对安全技术措施落实不到位而形成重大事故隐患或造成事故的单位与有关责任人要进行严肃的处理，决不能在安全方面存在失控的现象。而对安全管理到位，符合要求的要进行重奖，形成有效的安全管理机制，形成“要我安全”到“我要安全”意识的转变，形成安全生产人人有责的氛围，调动大家参与安全管理的积极性。

4、教育措施——定期召开安全专题会议

顶管施工过程中要针对不同时期、不同施工部位进行有针对性的安全教育，定期召开专题安全会议，分析当前安全工作中存在的问题，研究解决问题的对策，对存在的事故隐患做到“四不放过”：责任单位或个人未受到处罚不放过，原因分析不清不放过，整改措施落实不到位不放过，全体人员未受到教育不放过。

5、检查措施——加强安全检查将隐患消灭在萌芽

通过风险识别、分析与评价等，明确了安全控制的重点，则在安全管理中应加强对其检查；现场设专职安全管理人员，负责安全管理，逐项地检查措施的落实情况，包括人员、设备、机具、材料、设施等是否落实到位，及时地发现和消除存在的安全隐患。

顶管施工中质量通病的防治

顶管施工中质量通病的防治（一）

当前，各地区顶管施工队施工技术质量参差不齐，暴露出各种施工问题，提前做好施工质量控制尤为重要。本期飞蛙网搜集整理了顶管施工中通用的质量控制办法，供大家在施工中参考。

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管道轴线偏差过大

1、偏差结果

管道轴线与设计轴线偏差过大，使管道发生弯曲，甚至造成管节损坏，接口渗漏。

2、原因分析

地层正面阻力不均匀，形成导向偏差，造成管道轴线偏差。

顶管后背发生位移或不平整，使顶力合力线偏移，造成管道轴线偏差。

3、预防措施

顶管施工前对管道通过地带的地质情况认真调查。通过仪器，指导纠偏。纠偏按照“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作方法进行。

加强顶管后背施工质量的控制，确保后背不发生位移，并使后背平整，以保证顶进设备安装精度。顶进过程中随时绘制顶进曲线，以利指导顶进纠偏工作。

4、治理方法

重新调整千斤顶行程、顶力、顶速，或重新调整千斤顶的安装精度。

对顶管后背进行加固，防止位移进行发展，并确保后背平整。

纠偏前认真分析顶进曲线的发展趋势，采取适当的纠偏量，循序渐进，切不可操之过急，适得其反。

2地面冒浆

1、冒浆结果

顶管施工过程中，在管道轴线两侧一定范围内发生地面冒浆，管道周围建筑物和道路交通及管道等公用设施受到影响，甚至危机到正常使用和安全。

2、原因分析

顶进地层有空洞。

3、防治措施

施工前对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查，制定切实可行的施工方案，并对有问题地段采取加固保护措施。

顶管施工中质量通病的防治（二）

当前，各地区顶管施工队施工技术质量参差不齐，暴露出各种施工问题，提前做好施工质量控制尤为重要。本期主要分享顶进过程顶力突然增大和管道接口渗漏问题的原因分析和改进建议，供大家在施工中参考。

1顶力突然增大

1、顶力增大现象

在顶进过程中顶进压力突然增大。

2、原因分析

土层塌方，或机头前端遇障碍物，使摩阻力增大。

管道轴线偏差形成弯曲，使摩阻力增大。

膨润泥浆配比不当或注入不及时，或注入量不足，减阻效果降低，使摩阻力增大。顶进设备油泵、油缸、油路发生故障。

顶进施工中，因故停顶时间过久，润滑泥浆失水后，使减阻效果降低。

3、防治措施

顶进过程中严格执行“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作要求，使管道轴线被控制在允许偏差范围内。

按不同地质条件配置适宜的泥浆，保证足量的泥浆储备与循环。

顶进施工前对顶进设备进行认真的检修保养。

停顶时间不能太久，发生故障及时加以排除。

4、治理方法

发生顶力过大的情况时，立即停止顶进，泥浆循环系统保证正常，查找原因，判明情况后采取相应措施进行处理。

2钢筋混凝土管道接口渗漏

1、渗漏现象

管道接口渗水、漏水。

2、原因分析

管节和密封材料质量不符合技术标准或运输、装卸、安装过程中管节被损坏。管道轴线偏差过大，造成接口错位，间隙不均匀填充材料不密实。

接口或止水装置选型不当。

3、预防措施

严格执行管节和接口密封材料的验收制度。

严格控制管道轴线，按技术标准和操作规程进行施工。

在管节的运输、装卸、码放、安装过程中，做到吊（支）点正确，轻装轻卸，保护措施得当。

认真进行接口和止水装置的选型。

4、治理方法

可采用环氧水泥砂浆或化学注浆的方法进行处理。

顶管施工中质量通病的防治（三）

当前，各地区顶管施工队施工技术质量参差不齐，暴露出各种施工问题，提前做好施工质量控制尤为重要。本期主要分享顶管机下沉和管道沉淀、堵塞问题的原因分析和改进建议，供大家在施工中参考。

1顶力突然增大

1、现象

顶管机在推进过程中一直往下走，即使纠偏使用也不明显。

2、原因

A、大多发生在粉细砂土中。由于泥水平衡顶管机比较重，且机器转动起会引起震动，这种震动会使粉细砂土很快液化，从而降低了它的承载力，进而使顶管机产生往下沉的趋势。

B、可能遇到了上下两层不同性质的土，由于下面一层土较软，而使顶管机往下偏。

C、泥水压力控制不好。

3、防治措施

A、首先仔细阅读土质资料，如果在粉细砂土层中顶进偏低，可调低进泥的泥浆浓度，减小顶进速度。

B、如果是遇到两层软硬程度不一样的土，应注意让顶管机的头部略微往上翘一些，同时把前三至四节管与顶管机后壳体联成一体。

2泥水管内产生沉淀、堵塞现象

1、现象

泥水管内泥水流动不畅通，造成顶管机推进不顺利。

2、原因

A、在泥水管内产生沉淀这种现象大多发生在砂土层中。一是由于排泥泵效率低下流量不足，在泥水管内的流速小于临界流速使泥砂产生了沉淀。二是在顶管机停止推进以前对管内冲洗力度不足致使泥砂产生沉淀。如果是粉细砂，一旦沉淀在泥水管内，时间持久后板结起来就比较难冲洗干净。

B、在含水量少的粘土层中，粘土会变成如同鸡蛋一样的泥团，如果泥团过大，它在管道的弯头和阀门处会把管道堵塞。无论是哪一种管道堵塞，都会影响顶管机的正常推进，时间拖长，顶管机就会往下沉，从而影响到顶管的质量。

3、防治措施

A、如果排泥泵达不到所需的流量要求时，就应该更换。

B、停止推进前必须对排泥管道进行较为彻底的清洗。

C、如果是在含水量小的粘土中推进，应减小刀盘每转一圈时所切削泥土的厚度，同时适当加大送水量。另外在排泥管道与基坑旁通之间加一只沉淀箱，可让土块或卵石在该箱里沉淀下来，过一段时间只需打开箱底排出。

顶管施工中质量通病的防治（四）

当前，各地区顶管施工队施工技术质量参差不齐，暴露出各种施工问题，提前做好施工质量控制尤为重要。本期分享顶进过程中易出现的地面沉降问题原因分析和防治措施，供大家参考。

1地面沉降

1、现象

在顶管机过后或顶管施工完成以后，在管子中心线左右两侧的地面产生沉降。并且随着时间的推延，沉降槽的宽度与深度均匀与日俱增。

2、原因

沉降原因有四种：第一种是泥水浓度过低，造成超挖塌方所造成的；第二种是顶管过程中对土的扰动而产生的沉降；第三种则是由于润滑浆套内的浆液流失所造成的沉降；第四种由于采取了辅助的降水施工所造成的沉降。

3、防治措施

控制好进尺与出土量之间的关系，做到不超挖；

润滑浆要有一定的稠度，不能太稀。如果对沉降要求很高的情况下顶完全程后，必须用充填浆把润滑浆完全置换出来；尽量少采用降水这一铺助施工手段。2地面沉降超标（或过大）

1、现象

在顶管机头位置出现地面沉降超标（或过大）。

2、原因

地面沉降超标（或过大）原因有三种：第一种是适于顶管施工的新填土，由于填土较为松散所造成的沉降超标（或过大）；第二种是顶管过程中泥水压力过高造成对机头前方土体冲刷成空洞而产生的沉降超标（或过大）；第三种则是排泥量过大，使机头前方不能形成压力，造成沉降超标（或过大）。

3、防治措施

顶管施工前认识阅读地质勘察报告，土质对顶管施工有影响的地段进行加固注浆处理。

在顶管施工过程中，顶管机操作手要严格按照顶管操作规范进行操作，防止进水压力突然增加或突然减小，严格控制进排泥量，达到泥水压力平衡。