頂管施工工作原理

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來(lái)的一種地下管道施工方法，它不需要開(kāi)挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過(guò)土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時(shí)，也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井之間，以期實(shí)現(xiàn)非開(kāi)挖敷設(shè)地下管道的施工方法。

非開(kāi)挖工程技術(shù)徹底解決了管道埋設(shè)施工中對(duì)城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面凸顯其優(yōu)勢(shì)。這對(duì)交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的城市是非常重要的，它將為城市創(chuàng)造一個(gè)潔凈、舒適和美好的環(huán)境。

非開(kāi)挖技術(shù)是才開(kāi)始頻繁使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，它涉及的是利用少開(kāi)挖，即工作井與接收井要開(kāi)挖，以及不開(kāi)挖，即管道不開(kāi)挖技術(shù)來(lái)進(jìn)行地下管線的鋪設(shè)或更換，頂管直徑DN800—4500。通過(guò)工作井把要頂進(jìn)的管子頂入接收井內(nèi)，一個(gè)工作井內(nèi)的管子可在地下穿行1500米以上，并且還能曲線穿行，以繞開(kāi)一些地下管線或障礙物。

它的技術(shù)要點(diǎn)在于糾正管子在地下延伸的偏差。特別適用于大中型管徑的非開(kāi)挖鋪設(shè)。具有經(jīng)濟(jì)、高效，保護(hù)環(huán)境的綜合功能。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：不開(kāi)挖地面；不拆遷，不破壞地面建筑物；不破壞環(huán)境；不影響管道的段差變形；省時(shí)、高效、安全，綜合造價(jià)低。

該技術(shù)在我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)廣泛用于城市地下給排水管道、天然氣石油管道、通訊電纜等各種管道的非開(kāi)挖鋪設(shè)。它能穿越公路、鐵路、橋梁、高山、河流、海峽和地面任何建筑物。采用該技術(shù)施工，能節(jié)約一大筆征地拆遷費(fèi)用、減少對(duì)環(huán)境污染和道路的堵塞，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 。

頂管施工工作井

頂進(jìn)井、接收井。

頂管施工類(lèi)型

手掘式、擠壓式、泥水平衡式、三段兩鉸型水力挖土式、多刀盤(pán)土壓平衡式。

在頂管施工中最為流行的有三種平衡理論：

氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡理論。

頂管施工最突出的特點(diǎn)就是適應(yīng)性問(wèn)題。針對(duì)不同的地質(zhì)情況、施工條件和設(shè)計(jì)要求，選用與之適應(yīng)的頂管施工方式，如何正確地選擇頂管機(jī)和配套輔助設(shè)備，對(duì)于頂管施工來(lái)說(shuō)將是非常關(guān)鍵的。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，頂管技術(shù)在我國(guó)已得到大量地實(shí)際工程應(yīng)用，且保持著高速的增長(zhǎng)勢(shì)頭，無(wú)論在技術(shù)上、頂管設(shè)備還是施工工藝上取得了很大的進(jìn)步，在某些方面甚至已達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。 2001年上海隧道股份有限公司在江蘇省常州完成了長(zhǎng) 2050m、直徑 2m的鋼筋水泥管頂管工程，是已完成的我國(guó)最長(zhǎng)的頂管工程。2001年 8月～12月嘉興市污水處理排海工程一次頂進(jìn) 2050m超長(zhǎng)距離鋼筋混凝土頂管，由于選擇了合理的頂管機(jī)具型式、成功地解決了減阻泥漿運(yùn)用和軸線控制等技術(shù)難題，用約5個(gè)月完成全部頂進(jìn)施工，創(chuàng)造了新的頂管施工記錄。全長(zhǎng)3600m、管徑為1.8米的鋼管從23至25米深的地下于2002年9月成功橫穿黃河，無(wú)論從頂進(jìn)長(zhǎng)度、埋深、地質(zhì)條件，還是鋼管直徑在國(guó)內(nèi)尚屬首次。其中最長(zhǎng)的一段位于黃河主河床上，長(zhǎng)達(dá)1259 米，還要穿越較厚的礫砂層與黃河主河槽，既是我國(guó)西氣東輸項(xiàng)目的關(guān)鍵工程，也是世界上復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑鋼管一次性頂進(jìn)距離最長(zhǎng)的頂管工程。2001年的上虞市污水處理工程中，玻璃纖維夾 砂管首次成功地應(yīng)用于頂管。2008年在無(wú)錫長(zhǎng)江引水工程中中鐵十局十公司采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備直徑2200mm鋼管雙管同步頂進(jìn)2500米。以上工程均標(biāo)志著我 國(guó)的頂管施工水平達(dá)到一個(gè)新的高度，與世界先進(jìn)水平日益靠近。 然而與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本、德國(guó)等先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備及施工技術(shù)水平相比，我國(guó)仍然有著顯著的差距 。

頂管技術(shù)在我國(guó)的存在的主要問(wèn)題是，機(jī)械設(shè)備技術(shù)比較落后 ，地區(qū)差異明顯，水平參差不齊，缺乏規(guī)范化，人才不足，尚待進(jìn)一步宣傳推廣。對(duì)頂管機(jī)械設(shè)備我國(guó)主要依賴(lài)于進(jìn)口，雖然國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn)企業(yè)，但技術(shù)仍落后于國(guó)際先 進(jìn)水平，掘進(jìn)機(jī)型號(hào)種類(lèi)不足以適應(yīng)工程需要，我國(guó)尚無(wú)適于 中強(qiáng)度巖層以上的巖盤(pán)掘進(jìn)機(jī)，適應(yīng)土質(zhì)范圍不寬，且耐用性、機(jī)械化 、自動(dòng)化水平不夠。 從地域上說(shuō)，頂管技術(shù)的發(fā)展與我國(guó)地域經(jīng)濟(jì)水平相適應(yīng)，我國(guó)東部的頂管技術(shù)發(fā)展水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中西部地區(qū)，僅廣東、上海、浙江、江蘇和山東五省市就占到了非開(kāi)挖鋪管工作量的 75%。而西部地區(qū)僅在西氣東輸項(xiàng)目下有為數(shù)不多的頂管穿越工程，中西部地區(qū)與東部沿海地區(qū)差距非常顯著。頂管施工技術(shù)在城市之間的發(fā)展不平衡，在上 海，北京、廣州等大城市技術(shù)水平比較高，應(yīng)用比較普遍，但在中小城市應(yīng)用較少，在中西部地區(qū)的城市應(yīng)用更少。在同一城市發(fā)展也不平衡，據(jù)廣州市建委 2004 年對(duì)廣州市頂管現(xiàn)狀的有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該市的頂管技術(shù)發(fā)展極不平衡，機(jī)械化的頂管施工不很多，手掘 式頂管仍占最大比例，對(duì)頂管施工技術(shù)的采用不積極，往往不是管線鋪設(shè)的首選，被看作是無(wú)法開(kāi)挖的 無(wú)奈之舉。不同施工企業(yè)的施工水平也不平衡，有些還處在比較原始的階段，也有一些應(yīng)用失敗的工程，客觀上阻礙了頂管技術(shù)的推廣發(fā)展。 影響頂管技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)因素是，行業(yè)規(guī)范化不夠，存在同行低水平惡性競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象，專(zhuān)業(yè)人才缺乏 ，現(xiàn)有的從業(yè)人員大多是從事一般 的土木工程施工中轉(zhuǎn)化而來(lái)，缺少專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練。今后仍需加強(qiáng)管理，努力推廣先進(jìn)技術(shù)，提高施工水平和改善施工工藝 。

世界上第一個(gè)有據(jù)可查的關(guān)于頂管技術(shù)的記錄是在1892年，最初的頂管施工作業(yè)是在1896～1900年間由美國(guó)北太平洋鐵路公 司(Northern Pacific Railroad Company)完成。我國(guó)頂管施工技術(shù) 起步較晚，自從1954年(也有認(rèn)為是1953年的，無(wú)確切記載)在北京進(jìn)行的第一例頂管施工以來(lái)，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)頂管技術(shù)已經(jīng)正好半個(gè)世紀(jì)了，早期發(fā)展較慢，是以人工手掘式為主，設(shè)備非常簡(jiǎn)陋，也無(wú)專(zhuān)門(mén)的從業(yè)人員，直至 1964年前后上海首次使用機(jī)械式頂管，上海的一些單位并進(jìn)行了大口徑機(jī)械式頂管的各種試驗(yàn)和相關(guān)的一些理論研究。當(dāng)時(shí)，口徑在2m的鋼筋混凝土管的一次推進(jìn)距離可達(dá) 120m，同時(shí)也開(kāi)始利用中繼間的相關(guān)技術(shù)。在此以后，又進(jìn)行了多種口徑、不同形式的機(jī)械頂管試驗(yàn)，其中土壓式居多。由于當(dāng)時(shí)的頂管掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)還停留在比較原始的階段，既沒(méi)有完整的設(shè)計(jì)施工理論和工藝作指導(dǎo)，也不考慮具體的地層條件，所以當(dāng)時(shí)的頂管掘進(jìn)機(jī)還不夠完善。土壓式頂管機(jī)當(dāng)時(shí)分為上部出土和下部出土兩種，但都沒(méi)有引入土壓力的概念。其中，也搞了一些水沖頂管的試驗(yàn) 。 1967年前后，上海已研制成功人不必進(jìn)入管子的小口徑遙控土壓式機(jī)械頂管機(jī)，口徑有700mm-1050mm多種規(guī)格。在他們的施工實(shí)例中，有穿過(guò)鐵路、公路的，也有在一般道路下施工的。這些掘進(jìn)機(jī)，全部是全斷面切削，采用皮帶輸送機(jī)出土。同時(shí)，已采用了液壓糾偏系統(tǒng)，并且糾偏油缸伸出的長(zhǎng)度已用數(shù)字顯示。1978年前后，上海又研制成功適用于軟粘土和淤泥質(zhì)粘土的擠壓法頂管，這種方法要求的覆土厚度較大(大于2倍的管外徑)，但施工效率比普通手掘式頂管提高1倍以上。上世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)展更為迅速，頂管施工技術(shù)無(wú)論在理論上，還是在施工工藝方面，都有了長(zhǎng)足的發(fā) 展。1984年前后，我國(guó)的北京、上海、南京等地先后開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的機(jī)械式頂管設(shè)備，使我國(guó)的頂管技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。尤其是在上海市政公司引進(jìn)了日本伊勢(shì)機(jī)(ISEKI)公司的800mm 直徑的Telemale頂管掘進(jìn)機(jī)之后，國(guó)外的頂管理論、施工技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)也進(jìn)入中國(guó)，如土壓平衡理論、泥水平頂管的各種試驗(yàn)和相關(guān)的一些理論研究。當(dāng)時(shí)，口徑在2m的鋼筋混凝土管的一次推進(jìn)距離可達(dá)120m，后在1988和1992年研制成功我國(guó)第一臺(tái)多刀盤(pán)土壓平衡掘進(jìn)機(jī)(DN2720mm)和第一臺(tái)加泥式土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)(DN1440mm)，均取得了較令人滿意的效果。與此同時(shí)，對(duì)頂管技術(shù)的理論研究的關(guān)注逐年增強(qiáng)，開(kāi)始出現(xiàn)了比較專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員，90年代后，以當(dāng)時(shí)的頂管掘進(jìn)機(jī)還不夠完善。2000年后，同濟(jì)大學(xué)等高校對(duì)頂管技術(shù)方面進(jìn)行了不少專(zhuān)項(xiàng)課題研究，也取到了不少成果。在1998年，中國(guó)非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì)成立，標(biāo)志著我國(guó)的頂管行業(yè)開(kāi)始進(jìn)入規(guī)范化發(fā)展。2002年中國(guó)非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì)批準(zhǔn)成立北京、上海、廣州和武漢四個(gè)非開(kāi)挖技術(shù)研究中心，非開(kāi)挖管線技術(shù)列入科技的研究進(jìn)一步深入。

1、機(jī)頭選型：

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，并結(jié)合的施工經(jīng)驗(yàn)，頂管機(jī)頭決定采用氣壓平衡網(wǎng)格（水沖）式機(jī)頭進(jìn)行施工。該機(jī)頭在頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)氣壓平衡正面土壓穩(wěn)定機(jī)頭，減少外部土體對(duì)周?chē)孛娴挠绊憽?

2、頂進(jìn)設(shè)備及頂進(jìn)工藝

（1）主頂：

采用4臺(tái)200噸/臺(tái)千斤頂作為主頂，千斤頂行程為1.4米。千斤頂動(dòng)力由油泵提供。千斤頂后端用道木和分壓環(huán)將反力均勻作用于工作井，前端頂進(jìn)分壓環(huán)，頂鐵將頂力傳至管節(jié)。分壓環(huán)制作具有足夠的剛性，與管端面接觸相對(duì)平整，無(wú)變形。

（2）中繼間：

在長(zhǎng)距離頂進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)頂進(jìn)阻力超過(guò)容許總頂力時(shí)，無(wú)法一次達(dá)到頂進(jìn)距離時(shí)，須設(shè)置中繼間分段接力頂進(jìn)。本頂管工程在頂進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)100米時(shí)，考慮在機(jī)頭后設(shè)置一只中繼間，并采用觸變泥漿注漿工藝。

中繼間由前殼體、千斤頂及后殼體組成。前殼體與前接管連接，后殼體與后接管連接，前后殼體間為承插式連接，兩者間依靠橡膠止水帶密封，防止管道外水土和漿液倒流入管道內(nèi)。

每只中繼間安裝10個(gè)、每個(gè)頂力為30噸的千斤頂，千斤頂沿圓周均勻布置。千斤頂?shù)男谐虨?8厘米，用扁鐵制成的緊固件將其固定在前殼體上。鋼殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精加工，保證其在使用過(guò)程中不發(fā)生變形。中繼間殼體外徑與管節(jié)外徑相同，可減少土體擾動(dòng)、地面沉降和頂進(jìn)阻力。

當(dāng)管道頂通以后，拆除千斤頂及各種輔件，外殼與管節(jié)內(nèi)壁之間的間隙用細(xì)石混凝土填充。

（3）接口：

管節(jié)接口主要由外套環(huán)（鋼套環(huán)）橡膠止水帶和軟土襯墊組成。鋼套環(huán)在加工處至現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)跹b過(guò)程中不能變形，接口不損壞，以確保管節(jié)在對(duì)接過(guò)程中，橡膠帶不移位、不翻轉(zhuǎn)，確保管節(jié)的密封性。同時(shí)，鋼環(huán)套在進(jìn)場(chǎng)前還必須做好防腐處理。

橡膠止水帶應(yīng)保持清潔、無(wú)油污，并存放在陰暗處，防止老化。施工中，將橡膠止水帶用強(qiáng)力膠水粘貼于混凝土管口凹槽處，并粘貼牢固，在管節(jié)對(duì)接前涂無(wú)腐蝕性潤(rùn)滑油以減少摩阻，防止止水帶翻轉(zhuǎn)、移位和斷裂。

軟木襯墊采用多層膠合板（厚度1cm左右），將其夾于前后管節(jié)鋼套環(huán)間，以均勻管節(jié)間的相互作用力，減少接口損壞。管道頂通后，管道須作內(nèi)接口處理，將管節(jié)間的膠合板鑿至同樣深度（深度2～3cm即可），并用瀝青彈性嵌縫膏或水泥砂漿抹平。

（4）注漿工藝：

在長(zhǎng)距離（大于100米）管道頂進(jìn)過(guò)程中，必須采用注漿工藝，利用觸變泥漿套減少頂進(jìn)過(guò)程中管壁與土體之間的磨擦力，并填充流失的土體，減少土體變形、沉降和隔水。

觸變泥漿由膨潤(rùn)土和水?dāng)嚢瓒?，配合比?：8。觸變泥漿經(jīng)攪拌后存入儲(chǔ)漿箱，通過(guò)注漿機(jī)經(jīng)管道輸送至混凝土管注漿孔，注入土體形成泥漿套 。2100433B

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，我國(guó)的地下管線的需求量也在逐年增加。加之人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)頂管技術(shù)將在我國(guó)地下管線的施工中起到越來(lái)越重要的地位和作 用。非開(kāi)挖技術(shù)的發(fā)展必將向規(guī)?；?、規(guī)范化 、國(guó)際化的方向發(fā)展。

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的支持下，頂管技術(shù)的發(fā)展將面臨前所未有的機(jī)遇，在加快引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基本上，努力消化創(chuàng)新，加強(qiáng)研發(fā)和人才培養(yǎng)， 其前景是非常樂(lè)觀的?？v觀國(guó)內(nèi)外頂管技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展方向?qū)⑹嵌嘣投鄻踊?在頂管直徑方面，除了向大口徑管的頂進(jìn)發(fā)展以外，也向小口徑管的頂進(jìn)發(fā)展。頂管技術(shù)最小頂進(jìn)管的口徑只有75mm，最大的已達(dá)到5m(德國(guó))，大口徑頂管有取代小型盾構(gòu)的趨勢(shì)。在適應(yīng)性方面，發(fā)展寬范圍、全土質(zhì)型頂管機(jī)是必然趨勢(shì)，適應(yīng)范圍將大為延伸，從N值為極小的土到N 值為五十多的礫石，直至軸壓強(qiáng)度達(dá)兩百 MPa的巖石。將微電子技術(shù)、工業(yè)傳感技術(shù)、實(shí)時(shí)控制技術(shù)和現(xiàn)代化控制理論與機(jī)械、液壓技術(shù)綜合運(yùn)用于頂管機(jī)械上是頂管技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字化、信息化、智能型頂管機(jī)的研制將得到更多的關(guān)注，糾偏精度、自動(dòng)化程度也將得到大力提高。在不久的將來(lái)，一些全自動(dòng)、高精度的掘進(jìn)機(jī)會(huì)成為施工機(jī)械的主流。頂管的用途隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也將繼續(xù)擴(kuò) ，主要用于管道鋪設(shè)將發(fā)展管道鋪設(shè)、涵頂進(jìn)、地下人行通道管棚式施工等多用途型。 頂管截面形狀基本上都是圓形，今后的發(fā)展趨勢(shì)是圓形、矩形、圓拱形、多邊形等，以適應(yīng)箱涵頂進(jìn)等各種工程的需要，故截面形狀多元化是必然趨勢(shì)。頂管施工形式主要為土壓式、泥水加壓式，以后的發(fā)展將在進(jìn)一步吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用管套式、氣泡式等等各種形式的頂管施工技術(shù)。隨著高精度長(zhǎng)距離測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)運(yùn)，通風(fēng)系統(tǒng)的完善，中繼間技術(shù)、注漿減摩技術(shù)的進(jìn)步，排渣系統(tǒng)的發(fā)展、刀盤(pán)切削系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、出土輸送系統(tǒng)、供電液壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)，等一系列技術(shù)的突破，現(xiàn)有的一次性頂進(jìn)距離將不斷刷新，各種復(fù)雜曲線頂管也將陸續(xù)出現(xiàn)。 我國(guó)已成立北京、上海、廣州和武漢四個(gè)非開(kāi)挖技術(shù)研究中心，我國(guó)國(guó)際非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì)單位會(huì)員已突破100個(gè)，數(shù)量居世界第4、亞洲第1。形成了行業(yè)協(xié)會(huì)、科研單位、研究中心和設(shè)備生產(chǎn)和施工企業(yè)組成的強(qiáng)大的陣營(yíng)，而且每年不斷有很多人不斷加入到從事頂管等非開(kāi)挖工作的行列，我國(guó)的頂管技術(shù)的必將迎來(lái)一個(gè)嶄新的階段。

通常人們把負(fù)責(zé)頂管施工的人員以及施工所需的各種設(shè)備組合體統(tǒng)稱(chēng)為頂管施工隊(duì)。頂管施工就是非開(kāi)挖施工方法，是一種不開(kāi)挖或者少開(kāi)挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)。

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來(lái)的一種地下管道施工方法，它不需要開(kāi)挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)穿過(guò)圖層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時(shí)，也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩井質(zhì)檢，以期實(shí)現(xiàn)非開(kāi)挖敷設(shè)地下管道的施工方法。??

在頂管施工中最為流行的有三種平衡理論：氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡理論。??

頂管施工最突出的特點(diǎn)就是適應(yīng)性問(wèn)題。針對(duì)不同的地質(zhì)情況、施工條件和設(shè)計(jì)要求，選用與之適應(yīng)的頂管施工方式，正確地選擇頂管機(jī)和配套鋪助設(shè)備，對(duì)于頂管施工來(lái)說(shuō)將是非常關(guān)鍵的 。