顶管工程施工中关键性技术环节控制研究摘要：顶管法施工是一种现代化的管道敷设施工方法。

本文结合具体工程介绍了顶管工程的理论应用与研究、顶管工程施工设备控制与泥浆配制和控制参数。

关键词：顶管工程，理论应用，设备控制，泥浆
1 引言
项管施工就是以一个事先堆备好的地坑(即顶压坑)为出发点，用液压千斤顶将管子顶推压入土层中，同时排出和运走挤出的泥土。

第一节管全部压入土层后，再把第二节管接在后面继续顶进；与此同时再将第一节管内挤出的泥土排除和运走，直到第二节管也全部压入土层；然后再把第三节管接上顶进。

只要顶管千斤顶的项力足以克服顶管时产生的阻力，这个过程便可以一再地重复下去。

从理论上讲，千斤顶的顶力可以任意提高，从而也能达到任意长度的推顶距离。

但因千斤顶产生的顶力必须全部由管子来承受，所以顶力的提高应以管子的承载能力为极限，同时应考虑工作坑井的承载力，过大的顶推力势必要增加管材和顶压坑的承载力，从而增加投资及技术措施费用[1]。

2 顶管工程的理论应用研究
2.1 工程应用的项管限度要求
顶管技术在理论上可应用于任何管径，但实际上也有一定的限度。

顶进管直径之所以不能低于一定的下限，是因为必须在管子内部完成挖土和运土作业。

因此就必须保证工人有可能在管内工作。

800m内径的规格，乃是在管子中进行操作的最低限度。

但在这种情况下，对在管内操作工人要求较高，同时空间狭小，工作效率大大降低，所以从经济角度来考虑，也以选用较大的直径为宜。

一般顶管的下限以1m为宜。

对于制管厂制造的管子，直径极限一方面决定于制造方法，另一方面也决定于运输条件，管子一般是顺向放在车内运输，公路运输的标准宽度是2.5m，这相当于大约2m的管内径。

超宽运输要经过批准，极限约为3.6m，相当于内径3m。

2.2 土质土层的适应性
顶管技术特别适用于在砾石、砂、碎石等非粘性土层中，以及在壤土、砂壤土、粘土和泥灰岩等粘性土层中敷设管道。

对流砂、淤泥、沼泽地以及岩石来说，顶管也只能有条件的采用[2]。

2.3 顶管工程土压力应用理论
由土力学理论可知，顶管顶进的正面阻力与前端处所受的土压力的大小有关，可有相应的土压力性质来计算确定，它们分别是：情况一：隧道管节顶进速度较慢的超挖状态，从网格后端挤出土体体积大于因管涵顶进而产生隆起土体的体积，此时管涵前方土体瞬时表现为沉降。

情况二：隧道管节顶进速度较前者略快的均衡状态，从网格后端挤出土体体积基本等于因管涵顶进而产生隆起土体的体积，此时管涵前方土体瞬时表现为不沉降也有隆起。

情况三：隧道管节顶进速度较快的欠挖状态，从网格后端挤出土体体积小于因管涵顶进而产生隆起土体的体积，此时管涵前方土
体瞬时表现为隆起。

在这三种情况下，顶管面前壁上的土压力应分别有各自的算法，却情况一时应按主动土压力计算，情况二时可按静止土压力计算，情况三时应按被动土压力计算[3]。

3 工程概况
某工程位于上海市，总长度1032m。

顶管工作井及接收井均为排水沉井法施工。

工作井平面尺寸为12m×8m，井壁厚度分别为
1200mm(标高．15.25-11.20，高度为4.05m)，900mm(标高-3.33—11.20，高度为7．87m)，700mm(标高3.33～1.47，高度为4.8m)。

隧道管涵为厂家预制，管涵内径3500mm，外径4140mm，壁厚320mm，单节长度2500mm。

4 顶管工程施工设备控制
4.1 顶管掘进机
选择好顶管掘进机对顶管施工是至关重要的。

根据本工程特点，选择大刀盘泥水平衡顶管掘进机，具有沉降控制精度高，顶进速度快，施工可靠性好等特点。

主顶进系统共有8～10只2500kn单冲程等推力油缸，行程1700，总推力20000kn。

主项油缸组装在油缸架内，安装后的油缸中心位置必须与主环受力部位一致且与顶进轴线平行，以使顶进受力点和后座受力都保持良好状态。

安装后的油缸中心误差应小于10mm。

主顶液压动力机组由二台大流量斜轴式轴向柱塞泵供油，采用大通径的电磁阀和系统管路，减小系统阻尼，油缸可以单动，亦可联动。

主顶系统由plc可编程序计算器控制，并采用变频调速器实现流量的无级调速。

主顶系统操作台设在地面控制室内。

4.2 中继环设计
为提高工程的可靠性，每套中继环安装30只800kn双作用油缸，总推力24000kn(实际控制顶力为12000kn)，油缸行程为500mm，由于中继环的实际总推力是顶进阻力引起的，所以在正常顶进条件下，中继环液压系统工作压力较低，设备故障率小，可靠性高。

中继环采用砼管加钢套接口的形式接口结构是经过立车切削加工的，尺寸精度高。

在每套中继环处设一台三柱式液压动力机组，启用时一名操作人员就可控制。

设置了一门有线电话以便操作人员联系。

4.3 注浆设备系统
对超长距离曲线顶管能否及时地有效地向管节外围压注触变泥浆，以形成和维护好泥浆套，起到高效的减摩作用，往往是顶管成败的关键[4]。

为确保本工程的顶管外壁能形成良好的泥浆润滑套，管内共设置二套管路系统。

一套采用螺杆泵把储浆箱内的浆液压入掘进机尾部的同步注浆，另一套采用液压注浆泵进行补浆及输送掘进机尾部浆液。

地面设置二套管路系统，用于补浆、输送浆液及对出洞口补浆。

4.4 泥水管路系统
泥水系统选一台渣浆泵加三台或以上沙砾泵。

渣浆泵放在地面上为送泥泵沙砾泵分别放在基坑下及管道中作为排泥泵，管道中的沙砾泵按经验放置在工具头后100m和400m左右处。

进泥及排泥管
路采用4英寸无缝钢管，管节接头为卡箍式活络接头。

基坑内设有旁通装置等。

地面设置6×2米的泥浆箱六个作为沉淀池兼储泥池产生泥浆及时由罐装车外运，泥水系统采用tdemole管路系统。

5 泥浆配制和控制参数
顶管作业机头出洞时，由于在出洞阶段无法建立完整的泥浆套，因而泥浆用量较少，同时在出洞口4m范围内进行了地基加固及20m 范围内降水方案的实施，使机头出洞口20m范围内顶力较大。

根据顶进油缸直径320mm、油压力、同时作用油缸数量，计算实时顶力若油缸压力p(mpa)，同时作用油缸数量n(只)，则总顶力f 则根据实时压力表读数p及启用油缸数量n，由上述公式计算的顶力(含机头部分顶进50m范围内)，可计算顶力变化。

顶管作业正常实施阶段，根据上海地区地质情况，参考有关资料，对工程中机尾一次注浆和补浆进行不同的配制。

为了及时充填管子和土层之间的空隙，同时膨润土悬浮液渗入土层空隙内，在管子与土壤间形成泥浆套，在机尾刃脚后第二节管子开始压入泥浆。

由于在一定的压力下，膨润土含量较高时有利于泥浆套的形成，且向土壤中扩散较小。

因此机尾一次注浆初步配制如下：
由于在顶管作业中，膨润土泥浆会不断的流散到土层中去而有所消耗，而必须补充压入膨润土，以使管子和土层之间空隙中悬浮液保持足够的数量，悬浮液厚度得到保证，泥浆套持续稳定有效，
使管子总是悬浮其中，管底部由于自重产生的法向压力减小了，从而使管外壁摩阻力减小。

同时，补充的悬浮液中膨润土含量需进行调整，含量大的悬浮液，运动流限大，顶管阻力大；含量过小时，悬浮液会很快渗入土壤中去。

对补浆配制调整如下：
6 结语
顶管施工中顶力的计算、膨润土的配制和压入是顶管施工中成功的关键。

本工程的顺利完成了1032m顶进而不起用中继间，正是我们对顶力的科学计算和实际中正确的应用，对触变泥浆的潜心研究和大胆实践。

使总顶进力总是在设计允许的范围内，缩短了工期。

同时因顶管时间缩短而降低了顶管风险。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。