浅覆盖层条件下的大直径顶管施工工艺

摘  要：本文以汕尾市城区某市政工程项目Φ2000顶管施工的实践，针对在旧城区道路交叉路口多，地下管线复杂，设计雨水顶管道在浅覆盖层条件下，采用泥水平衡法顶管技术，保持挖掘面土体稳定,土仓内泥水平衡的压力控制，可实现快速、高效和安全的施工，且不会对路面上的人员、车辆和周边建筑物造成影响，为相似类型的顶管工程项目施工提供了可借鉴的经验。

1 前言

顶管法是一种非开挖技术，其特点是在不开挖或只开挖少量作业坑的条件下，利用岩土钻掘技术进行管道铺设、修复和更换。在城市比较繁华的商业和人口比较稠密的地区，尤其是在旧城区，道路交叉路口多，地下管线复杂，现状管网要求保通条件下对雨、污水管网进行升级改造，顶管法施工工艺比使用传统的开挖施工方法，工艺优势将非常明显。但由于受地下管线影响或者排口位置标高影响，导致管道上方覆盖层较薄，达不到规范要求的情况，如何保证在浅覆土厚度区间能够完成顶管作业，成为了目前大多数施工企业所面临的问题。

2 工程概况

本顶管工程位于鼎盖山脚、四马路健康人医院至海滨大道区段，设计路面宽20米，线路经过居民区、学校、医院和变电所等建筑密集区域。里程桩号SK1+499～SK1+724，全长225米，地质以杂填土、细砂、粉细砂、淤泥为主，受鼎盖山地形岩层走向，顶管基层范围局部区域有中风化砂岩地质。其中：SK1+664至SK1+724段，全长60米，穿越海滨大道至品清湖；SK1+499至SK1+664段，全长165米，管顶覆盖土厚度从2.18～2.74米（平均厚度2.56米，小于3米），属于浅覆盖层土区域；此段有采用顶管法施工有如下特点：

（1）本项目顶管的覆土厚度不少于3米，或者不少于1.5倍的管道外径，需要采取相应的技术措施。

（2）顶管区域滨临海边，顶进过程中容易受潮汐影响，管道上浮，而且顶管的覆盖层不路3米，对现有路面的沉陷或隆起，甚至影响周边建筑物的稳定影响较大。

（3）顶管经过的三个路口，电力、通讯等地下管线密集，在顶管上部现状一条生活排放管DN800HS混凝土管，竖向位置与顶管走向基本一致，离顶管顶最近的距离只有27cm，涉及300多户居民正常生活的排放管道，施工期间必须采取相关措施进行保通，待管道完成后再进行碰口接驳，完成管道更新。

某工程顶管平面布置图示意见下图。

图1 某工程顶管平面布置示意图

3 顶管设备及方案选择

3.1顶管设备选择

在旧城区管线密集区进行顶管法施工，最为关键的控制是保持路面的土体稳定，避免沉陷、隆起从而引起现状管无法正常使用，甚至引起周边建筑物的开裂，沉降等工程事故。根据地勘报告内关于顶管施工区域地质条件的分析，采用DN2000泥水平衡复合式硬岩顶管机设备，既能进行正常土体切削，又兼顾卵石，砂砾、中风化岩石层的破碎能力。顶管在细砂、粉细砂、淤泥层地质层切削刀盘尽量低转速，采用闷顶结合施工方法，降低对土体扰动较小的情况下；在杂较厚填土层或中风化块石地质层，切削刀盘需要加快转速，提高对土体破碎能力，通过增大非开挖化学泥浆粉和悬浮携砂剂掺量，改善泥浆质量，从而更好的协助出渣，提高设备钻进能力。

施工过程中加强对路面、周边建筑物的沉降和地下水监控、监测。

表1 顶管机头设备技术参数如下

3.2管道稳定状态分析

由于顶管区域滨临海边，汕尾城区海水最高潮+2.97m，低潮位约+1.36m，管顶设计标高介于+1.4至+1.37m之间，管道将处于浸泡状态。加上顶管覆土厚度少于3米且小于1.5D（1.5倍管径），在施工中容易发生管道上浮、失稳、偏斜等问题，管道精度难于保证。

顶管周边土壤以粉细砂、淤泥为主，压缩性较大，容重较小，管道上浮分析通过潮汐产生的浮力与管道自重、和管道受周边土壤吸附力三者建立管道平衡状态下安全等式：

G管+F吸附≈1.1F浮（抗浮安全系数取1.1），

取1米管道并计算：

（1）管道所受最大的浮力计算

F浮=ρV排g=10×3.1415×1.22×1.1=49.76KN；

管道每米自重

G管=3.1415/4×(2.42-22)×24.5=33.87KN

（3）管道每米土壤吸附力

F吸附=3.1415×1.2×5=18.84KN

土壤吸附力系数，按砂质土壤取5 KN/m2

抗浮稳定系数：（33.87+48.84）/49.76=1.06，基本满足抗浮稳定条件。所以潮汐对管道产生的浮力确实存在，是造成管道失稳的潜在因素之一。

实际顶管顶进过程中，由于管道周边土体经过扰动，土壤吸附作用未曾形成，管道所受的浮力大于管道自重，造成管道上浮的可能性就较大，甚至上浮、失稳。所以从应其他方面加强技术措施进行加强。

4 浅覆土顶管施工防路面隆起、深陷的技术措施

4.1管道顶进行堆载

针对本工程的部分顶管区域的覆盖层厚度不足的特点，通过在原路面堆载反压方式，为管道提供足够的上部荷载，减少管道上浮。

（1）堆载方式

采用袋装砂堆载的方式降低覆土深度不足的影响，拟在顶进的前进方向，匹配每天顶进速度，暂按10m/d时进度计划考虑堆载长度；宽度按管底450坡比影响，埋深4米的管道，暂按10m（4+2.4+4=10.4m）考虑

图2 堆载断面布置示意图

图3 堆载平面布置示意图

（2）堆载布置

袋装砂采用吨袋装填，铺设宽度为10米，高度为1米。拟设置10米一段，共准备3段。施工时，在顶管机顶进10米后，将后方吨袋转移至前方，如此往复，直至顶管完成。

4.2靠顶管机头管节临时锁定

为防止管节在顶进过程中出现漂移上浮，我们将靠近顶管工具管的3至5节管体进行了联体处理，增强了管道的整体稳定性。同时严格把控管道的线形，确保相邻管间转角不超过管材所允许的转角范围，从而避免管道因过度弯曲而受损。

图4 管节临时锁定抗浮措施

4.3顶管增加配重，减少管节上浮趋势

本工程顶管范围土体容重为19KN/m3之间，而混凝土管节计算容重约11KN/m3。在顶进过程中，靠近顶管工具管的3～5节管节内部采用金属压载或堆载配重，提高管节容重从11KN/m3接近土体的19KN/m3容重值，减少管节向上漂移趋势。

4.4改善泥浆质量，提高泥浆携渣能力

为尽量顶管机头平稳钻进，通过改善泥浆质量，提高泥浆携渣能力。本项目大量使用非开挖化学泥浆粉和悬浮携砂剂掺量，选用优质膨润土基础造浆材料，每m3清水按4%-6%掺悬浮携砂剂搅拌均匀，造浆搅拌过程中加化学泥浆粉1‰－2‰kg，搅拌均匀通过管壁输浆孔打入土体中。良好的泥浆有较好护壁性、很好的流变、触变性。达到钻进过程中地层稳定、不坍塌，从而减少地面沉陷、隆起的可能。

5 浅覆盖层顶管施工注意事项

5.1顶进前的施工参数确认

顶进施工时，通常需要根据工程的地质探勘情况、地下水位、砂性及覆土厚度确定施工参数要求,本段顶管对于浅覆土采用的施工参数有以下几点:

（1）配置泥浆密度1.15，粘稠度23-30；

（2）泥水仓压力控制在0.08-0.12MPa，试顶取能恒速顶管且地面不溢水的特定值；

（3）减少对砂层的扰动，降低刀盘转速至2转/分，即变频器控制频率为40Hz。

5.2顶进过程中管道上浮纠偏

在顶进过程中，必须严密监控管位偏差情况，一旦发现管位偏差达到约10mm，立即启动纠偏措施。纠偏控制主要依靠四个纠偏千斤顶实现，每个千斤顶的纠偏角度为2.5度，能够覆盖上下左右四个方向。在实际操作中，每次纠偏的角度一般不超过0.5度，以确保以适当的曲率半径逐渐使掘进机恢复到正确的轴线上。

图5过程纠偏示意图

5.3顶进过程中管道控制

（1）在进行顶进作业时，为保持顶进过程的顺畅性，应确保连续作业，避免中途停顿，从而减少阻力并降低顶进的难度。

（2）对首节管的顶进方向和高程进行控制，它们的精确设定和控制能够确保整段顶进过程顺利进行，提高施工质量并降低后期调整的难度。因此，需要频繁地进行测量和检查，以及时发现和校正可能出现的偏差，确保顶进过程的精确性和稳定性。

（3）在安装顶铁时，必须确保其平顺且无任何歪斜或扭曲现象。在每次收回活塞并添加顶铁时，应优先选择最长的顶铁，以减少连接的顶铁数量，从而提高整体结构的稳定性和减少潜在故障点。

（4）在顶进施工过程中，一旦遇到管前土方坍塌、后背倾斜、偏差超出允许范围或油泵压力表指针异常上升等紧急状况时停止作业。随后，应迅速查明导致这些异常情况的具体原因，并根据实际情况采取有针对性的措施来排除故障。

（5）为了有效控制地面沉降，我们实施了跟踪注浆和顶管结束后的补浆措施。为增加触壁泥浆的稠度，减少其流失并有效控制地面沉降，我们在原配浆的基础上降低了水的掺量，具体为6%。这一优化措施提高泥浆的粘附性和稳定性，确保顶进过程中土体的稳定性，从而减少地面沉降的风险。

6 地面沉降监测结果

沿顶进轴线的关键管线和重要区段，加强监测频次，甚至在必要时实施了24小时的持续跟踪监测。在正常施工情况下，每天对地面的观测点进行1至2次的沉降跟踪观测，并将观测数据经过处理和分析，作为调整掘进机参数的重要依据，以最大限度地减少地面沉降。

顶管作业前，在顶管工程中线两侧3~4m线左右辐起点1/4处（1#）、1/2处（2#）、3/4处（3#）、终点（4#）等4个对称布置监测点，现场监测数据如下图所示：

图6 顶管过程中地面隆起及沉降曲线图

实测结果得出，在海滨大道浅覆土条件下，采取顶管堆载、管节加配重、改善泥浆等技术措施，配合相关顶进工程中的质量控制，地面隆起的最大极限小于10mm；满足要求。

7 结语

在旧城区浅薄覆盖层地质使用顶管法施工工艺，通过对特殊地质的为保证管道稳定进行技术分析，采用对应的技术措施和控制手段，结合监测监控、信息化技术的运用，成功解决了施工难题，避免地面沉陷、隆起甚至影响现状管道的正常使用，顺利完成施工任务，为城市更新相似的市政工程提供借鉴。