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摘要
非开挖技术是市政工程建设常用到的新型技术，施工周期短、综合成本低等优点有很大的优越性，本文就某工程实例，分析了土压平衡顶管施工技术在市政工程中的应用。
关键词土压平衡 机械顶管 施工技术
1前言
顶管施工技术是一种较好的既能保护环境、又能保证地面建筑及地下构筑物无干扰破坏的非开挖技术，广泛地应用于管道敷设工程中。与传统的施工方法相比，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、安全性好等优点具有较大的优越性，近年来得到了很快的发展，并显现出无限的生命力。
改革开放以来，随着社会经济的高速发展，我国的城市化进程不断加快，城市人口数量不断增大，市政公用管道建设不断升级，每年都有大量新增管线与老旧管线的修复与更换，有许多管道需要铺设在己经建成的道路或者其它城市设施下面，如果采用传统的开挖施工方法，不但耗资巨大，而且会对城市环境、居民生活、交通管理等带来许多不利的影响，因此非开挖施工技术越来越受到人们的重视，对非开挖技术进行科学研究与科学试验的意义重大。
2 工程概况
某工程为太阳宫热电厂天然气管道工程局部。拟建管线长度5000米，管径500毫米，大部分为开槽施工，管线埋深在1.5米至2.0米之间；局部地段为顶管施工，管道埋深在6.0米之下，套管采用DN2000、接口为钢承口F型。主要工程量有顶管穿越匝道112米（DN2200），顶进坑1座，接收坑1座。本区有三层地下水，第一层属台地潜水，静止水位埋深为1.70～5.20米，水位标高为33.02～38.41米；第二层潜水类型，水体埋深为6.30～8.90米，水位标高为30.21～33.02米；第三层也属潜水类型，水面距地面距离为17.30米，水面标高为21.85米；局部地段存在上层滞水。第一层地下水水质对混凝土结构有弱腐蚀性，在干湿交替作用条件下，对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性，对钢结构具中腐蚀性。
3 顶管施工
3.1机械设备
本工程所投入的主要机械为土压平衡机械顶管机及其辅助机具设备，主要施工机械设备用量，详见表3-1、表3-2。
表3-1 顶管施工主要机械设备表
表3-2 顶管施工所需管材表
图3-3机械顶管工艺流程图
3.2 顶管施工方法和技术措施
3.2.1顶管施工方法
土压平衡机械顶管施工工艺流程见图3-3，根据此次施工所穿越的土质，确定采用土压平衡顶管方法施工。土压平衡顶管施工是市政管道铺设的一项新技术，它省却了全线降水（仅工作坑位置降水），地面沉降小，对地面构筑物的稳定性影响小，施工不影响地面交通，顶进速度快（平均顶进速度10米/天），适应的土质广。
顶力计算 通常确定机械顶管总顶力，使用经验计算公式：
P ＝ NGL
其中：
G — 单位长度管体自重（KN/m）
N — 土质系数，本工程土质取2.5
P — 总顶力
L — 最长顶距
按顶距最长的顶进段，计算顶力：长度L＝112米，DN2000毫米的混凝土管每节长为3米，管重为10800千克/节。
则预测总顶力为：
P = 2.5×112×10800/3×9.8
= 9878（KN）
约需1008吨的顶力推动。
中继间的选用：施工时使用4台200吨顶镐，共计仅有800吨顶推力，在顶进中需使用中继间，根据施工经验中继间可加在第12节管后，中继间以后的管道因为仅有摩擦阻力，没有机头的迎面阻力，相对所需的推力较小，可以仅使用一个中继间。
3.2.2 机头入洞
先将洞口处的墙壁凿除，洞口处，人工向前挖土500～800 mm，再将机头徐徐推进洞口里，待刀盘全部进洞，调整止水圈位置，使其完全封闭地下水。然后开动顶管机刀盘，待土仓压力升到0.1 MPa时，这时螺旋输送机的土压也上升到0.07 MPa左右。掘进机开始入土时，机头外露，只存在轨道对机头的摩擦力，机头易发生旋转，故在入土前两米顶进时，顶进速度控制在 5毫米/分钟以下，以防机头整体旋转，并观测机头倾角和旋转变化，及时修正和调整。倾角的变化用纠偏千斤顶调正，旋转角大于 ±30度时，可使用刀盘反转调正，顶进 2米以后在机头不旋转的情况下可逐渐加大顶进速度。机头完全入土后，土仓压力控制在50～80KPa，下第一节混凝土管做反封闭。
3.2.3 正常顶进
1） 土仓压力的设定： 按计算表数值设定，施工时设备自控可保证10%的土仓压力：遇有砂层、砂砾石层、下穿道路、离构筑物较近时，土仓压力设定适当加大30%左右，以提高安全系数。
2）触变泥浆减阻：顶管过程中，须同步注入减阻泥浆，它是减少顶进阻力、提高顶进速度的重要一环，减阻泥浆采用膨润土配制而成。膨润土一般要求胶质价在80以上。膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比，见表3-5（重量比）：
表3-5 膨润土泥浆重量配合比
膨润土泥浆的拌和时间一般为20至30分钟。泥浆制备后，须静置24小时方可使用，使其充分吸水，膨润成胶体，使用比重计测其比重，掌握在1.15g/cm3为宜。
在机头尾部设置有触变泥浆注浆孔，顶进施工的同步注入触变泥浆，以形成原始浆套；每节混凝土管均有三个注浆孔，顶进过程中，通过注浆孔持续补浆。注浆使用挤压式注浆泵，注浆口压力控制在0.13～0.22 MPa。视储浆池内触变泥浆下降的速度及顶镐压力表读数调节注浆压力。
3）顶进测量： 初始顶进每1米测量一次，并做记录。正常顶进时，每顶进3米测量一次，遇有纠偏每1米测量一次，测量时要注意照射到机头激光靶上的激光点和管道中心轴线的一致性，若出现偏差通知机手及时调整。测量人员分别绘制出管道中心及高程曲线图，随时预测机头的前进趋势。
4）顶进纠偏：不断地观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于20毫米，预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时，要采取纠偏措施。纠偏时开动纠偏千斤顶。纠偏时每1米测量一次，并做机头和机尾的数据比较，有回归趋势时，保持一段顶进距离后，要停止纠偏，防止左右摆动。纠偏的原则是勤纠、微纠，每次纠偏量不要过大，而且要注意发展趋势，当上下、左右均发生偏差时，先纠上下、后纠左右。
5）顶进速度：顶进速度控制在30毫米～50毫米/分钟，人洞后的前10米以及纠偏时用较低速度，以后视出土情况、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度。
6）出土外运： 掘进机刀盘切削破碎土体，由螺旋输送机将泥土输入到管道内部，使用土车通过管道将泥土运入顶进坑中，再使用吊车运到地面，倒入泥土暂存区，定期外运。
7）安装管节： 管节下坑前先进行外观检查，包括管端面是否平直、管壁表面是否光洁、管体上有无裂缝等等，检查合格的管子用吊车放到顶进坑内的导轨上，进行顶进。
8）下管时，机头在停止顶进的状态下，刀盘转3～5分钟，在停机和同时螺旋输送机出土的情况下，排土液压门关闭，并断电以保证土压仓土压达到平衡。下管工序完成后，再頂进时，应先开刀盘，再依次开螺旋输送机、推进系统。
9）机头出洞：机头推进到距接收坑约2米处，拆除接收坑洞口处的墙壁，从接收洞口中心部位打进一根钢钎寻找机头，洞口处的土体开裂并向外凸出，仔细测量机头上、下、左、右的四个方向，与出洞口的大小、位置合适时，启动主顶油缸继续推进，至中心刀露出时，停止推进。安置机头接收托架，然后，慢慢将机头推入接收坑内。
10）使用吊车将机头吊运出坑。
3.2.4 泥浆置换
顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换掉。使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配比为水：水泥：粉煤灰=5：1：3。通过管道内部的压浆孔压注，注浆次数不少于三次，两次间隔时间不大于24小时。每二节混凝土管编为一组，分为注浆孔与排浆孔。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆孔，当第一组排浆孔冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。再关闭所有阀门，保压三十分钟，保压时注浆压力为1 MPa。泥浆置换完成后，应拆除主通道浆管和管内弧形浆管就地清洗，以免浆液凝固堵塞。
3.2.5 雷达检测和设施拆除
泥浆置换完成后，需进行雷达检测，对雷达检测出的空洞地方，须再补注水泥+粉煤灰浆充填；套管顶进、换浆、检测全部完成后，拆除顶镐、后背铁等顶管设备。
4总述
顶进管的施工外观质量达到一定的要求。目测顺直、无反坡、清洁、不积水，管节无裂缝；顶管工作完成后，管道内部清扫干净，被碰坏的部分修复完好。本工程在采用顶管施工后，减少了大量的土方开挖量，缩短了工期。减小了对周围建筑物和周边居民的影响。取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
1. 陈家骏.非开挖技术在排水工程中的应用研究，上海同济大学，2008.
2. 龚解华.上海非开挖技术协会筹备工作报告.2002.
3. 张伟，陈星庆.美国的非开挖地下管线施工技术.探矿工程，1996
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
非开挖技术是市政工程建设常用到的新型技术，施工周期短、综合成本低等优点有很大的优越性，本文就某工程实例，分析了土压平衡顶管施工技术在市政工程中的应用。
关键词土压平衡 机械顶管 施工技术
1前言
顶管施工技术是一种较好的既能保护环境、又能保证地面建筑及地下构筑物无干扰破坏的非开挖技术，广泛地应用于管道敷设工程中。与传统的施工方法相比，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、安全性好等优点具有较大的优越性，近年来得到了很快的发展，并显现出无限的生命力。
改革开放以来，随着社会经济的高速发展，我国的城市化进程不断加快，城市人口数量不断增大，市政公用管道建设不断升级，每年都有大量新增管线与老旧管线的修复与更换，有许多管道需要铺设在己经建成的道路或者其它城市设施下面，如果采用传统的开挖施工方法，不但耗资巨大，而且会对城市环境、居民生活、交通管理等带来许多不利的影响，因此非开挖施工技术越来越受到人们的重视，对非开挖技术进行科学研究与科学试验的意义重大。
2 工程概况
某工程为太阳宫热电厂天然气管道工程局部。拟建管线长度5000米，管径500毫米，大部分为开槽施工，管线埋深在1.5米至2.0米之间；局部地段为顶管施工，管道埋深在6.0米之下，套管采用DN2000、接口为钢承口F型。主要工程量有顶管穿越匝道112米（DN2200），顶进坑1座，接收坑1座。本区有三层地下水，第一层属台地潜水，静止水位埋深为1.70～5.20米，水位标高为33.02～38.41米；第二层潜水类型，水体埋深为6.30～8.90米，水位标高为30.21～33.02米；第三层也属潜水类型，水面距地面距离为17.30米，水面标高为21.85米；局部地段存在上层滞水。第一层地下水水质对混凝土结构有弱腐蚀性，在干湿交替作用条件下，对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性，对钢结构具中腐蚀性。
3 顶管施工
3.1机械设备
本工程所投入的主要机械为土压平衡机械顶管机及其辅助机具设备，主要施工机械设备用量，详见表3-1、表3-2。
表3-1 顶管施工主要机械设备表
表3-2 顶管施工所需管材表
图3-3机械顶管工艺流程图
3.2 顶管施工方法和技术措施
3.2.1顶管施工方法
土压平衡机械顶管施工工艺流程见图3-3，根据此次施工所穿越的土质，确定采用土压平衡顶管方法施工。土压平衡顶管施工是市政管道铺设的一项新技术，它省却了全线降水（仅工作坑位置降水），地面沉降小，对地面构筑物的稳定性影响小，施工不影响地面交通，顶进速度快（平均顶进速度10米/天），适应的土质广。
顶力计算 通常确定机械顶管总顶力，使用经验计算公式：
P ＝ NGL
其中：
G — 单位长度管体自重（KN/m）
N — 土质系数，本工程土质取2.5
P — 总顶力
L — 最长顶距
按顶距最长的顶进段，计算顶力：长度L＝112米，DN2000毫米的混凝土管每节长为3米，管重为10800千克/节。
则预测总顶力为：
P = 2.5×112×10800/3×9.8
= 9878（KN）
约需1008吨的顶力推动。
中继间的选用：施工时使用4台200吨顶镐，共计仅有800吨顶推力，在顶进中需使用中继间，根据施工经验中继间可加在第12节管后，中继间以后的管道因为仅有摩擦阻力，没有机头的迎面阻力，相对所需的推力较小，可以仅使用一个中继间。
3.2.2 机头入洞
先将洞口处的墙壁凿除，洞口处，人工向前挖土500～800 mm，再将机头徐徐推进洞口里，待刀盘全部进洞，调整止水圈位置，使其完全封闭地下水。然后开动顶管机刀盘，待土仓压力升到0.1 MPa时，这时螺旋输送机的土压也上升到0.07 MPa左右。掘进机开始入土时，机头外露，只存在轨道对机头的摩擦力，机头易发生旋转，故在入土前两米顶进时，顶进速度控制在 5毫米/分钟以下，以防机头整体旋转，并观测机头倾角和旋转变化，及时修正和调整。倾角的变化用纠偏千斤顶调正，旋转角大于 ±30度时，可使用刀盘反转调正，顶进 2米以后在机头不旋转的情况下可逐渐加大顶进速度。机头完全入土后，土仓压力控制在50～80KPa，下第一节混凝土管做反封闭。
3.2.3 正常顶进
1） 土仓压力的设定： 按计算表数值设定，施工时设备自控可保证10%的土仓压力：遇有砂层、砂砾石层、下穿道路、离构筑物较近时，土仓压力设定适当加大30%左右，以提高安全系数。
2）触变泥浆减阻：顶管过程中，须同步注入减阻泥浆，它是减少顶进阻力、提高顶进速度的重要一环，减阻泥浆采用膨润土配制而成。膨润土一般要求胶质价在80以上。膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比，见表3-5（重量比）：
表3-5 膨润土泥浆重量配合比
膨润土泥浆的拌和时间一般为20至30分钟。泥浆制备后，须静置24小时方可使用，使其充分吸水，膨润成胶体，使用比重计测其比重，掌握在1.15g/cm3为宜。
在机头尾部设置有触变泥浆注浆孔，顶进施工的同步注入触变泥浆，以形成原始浆套；每节混凝土管均有三个注浆孔，顶进过程中，通过注浆孔持续补浆。注浆使用挤压式注浆泵，注浆口压力控制在0.13～0.22 MPa。视储浆池内触变泥浆下降的速度及顶镐压力表读数调节注浆压力。
3）顶进测量： 初始顶进每1米测量一次，并做记录。正常顶进时，每顶进3米测量一次，遇有纠偏每1米测量一次，测量时要注意照射到机头激光靶上的激光点和管道中心轴线的一致性，若出现偏差通知机手及时调整。测量人员分别绘制出管道中心及高程曲线图，随时预测机头的前进趋势。
4）顶进纠偏：不断地观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于20毫米，预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时，要采取纠偏措施。纠偏时开动纠偏千斤顶。纠偏时每1米测量一次，并做机头和机尾的数据比较，有回归趋势时，保持一段顶进距离后，要停止纠偏，防止左右摆动。纠偏的原则是勤纠、微纠，每次纠偏量不要过大，而且要注意发展趋势，当上下、左右均发生偏差时，先纠上下、后纠左右。
5）顶进速度：顶进速度控制在30毫米～50毫米/分钟，人洞后的前10米以及纠偏时用较低速度，以后视出土情况、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度。
6）出土外运： 掘进机刀盘切削破碎土体，由螺旋输送机将泥土输入到管道内部，使用土车通过管道将泥土运入顶进坑中，再使用吊车运到地面，倒入泥土暂存区，定期外运。
7）安装管节： 管节下坑前先进行外观检查，包括管端面是否平直、管壁表面是否光洁、管体上有无裂缝等等，检查合格的管子用吊车放到顶进坑内的导轨上，进行顶进。
8）下管时，机头在停止顶进的状态下，刀盘转3～5分钟，在停机和同时螺旋输送机出土的情况下，排土液压门关闭，并断电以保证土压仓土压达到平衡。下管工序完成后，再頂进时，应先开刀盘，再依次开螺旋输送机、推进系统。
9）机头出洞：机头推进到距接收坑约2米处，拆除接收坑洞口处的墙壁，从接收洞口中心部位打进一根钢钎寻找机头，洞口处的土体开裂并向外凸出，仔细测量机头上、下、左、右的四个方向，与出洞口的大小、位置合适时，启动主顶油缸继续推进，至中心刀露出时，停止推进。安置机头接收托架，然后，慢慢将机头推入接收坑内。
10）使用吊车将机头吊运出坑。
3.2.4 泥浆置换
顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换掉。使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配比为水：水泥：粉煤灰=5：1：3。通过管道内部的压浆孔压注，注浆次数不少于三次，两次间隔时间不大于24小时。每二节混凝土管编为一组，分为注浆孔与排浆孔。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆孔，当第一组排浆孔冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。再关闭所有阀门，保压三十分钟，保压时注浆压力为1 MPa。泥浆置换完成后，应拆除主通道浆管和管内弧形浆管就地清洗，以免浆液凝固堵塞。
3.2.5 雷达检测和设施拆除
泥浆置换完成后，需进行雷达检测，对雷达检测出的空洞地方，须再补注水泥+粉煤灰浆充填；套管顶进、换浆、检测全部完成后，拆除顶镐、后背铁等顶管设备。
4总述
顶进管的施工外观质量达到一定的要求。目测顺直、无反坡、清洁、不积水，管节无裂缝；顶管工作完成后，管道内部清扫干净，被碰坏的部分修复完好。本工程在采用顶管施工后，减少了大量的土方开挖量，缩短了工期。减小了对周围建筑物和周边居民的影响。取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
1. 陈家骏.非开挖技术在排水工程中的应用研究，上海同济大学，2008.
2. 龚解华.上海非开挖技术协会筹备工作报告.2002.
3. 张伟，陈星庆.美国的非开挖地下管线施工技术.探矿工程，1996
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。