頂管施工發展歷程及工藝

頂管施工就是非開挖施工方法，是一種不開挖或者少開挖的管道埋設施工技術。頂管法施工就是在工作坑內藉助於頂進裝置產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設計的坡度頂入土中，並將土方運走。一節管子完成頂入土層之後，再下第二節管子繼續頂進。其原理是藉助於主頂油缸及管道間、中繼間等推力，把工具管或掘進機從工作坑內穿過土層一直推進到接收坑內吊起。管道緊隨工具管或掘進機後，埋設在兩坑之間。

下管

1、工程技術

非開挖工程技術徹底解決了管道埋設施工中對城市建築物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩定土層和環境保護方面凸顯其優勢。這對交通繁忙、人口密集、地面建築物眾多、地下管線複雜的城市是非常重要的，它將為城市創造一個潔淨、舒適和美好的環境。

非開挖技術是近幾年才開始頻繁使用的一個術語，它涉及的是利用少開挖，即工作井與接收井要開挖，以及不開挖，即管道不開挖技術來進行地下管線的鋪設或更換，

頂管

直徑

DN8

00-4500

。透過工作井把要頂進的管子頂入接收井內，一個工作井內的管子可在地下穿行

1500

米以上，並且還能曲線穿行，以繞開一些地下管線或障礙物。

頂進井

它的技術要點在於糾正管子在地下延伸的偏差。特別適用於大中型管徑的非開挖鋪設。具有經濟、高效，保護環境的綜合功能。這種技術的優點是

：

不開挖地面

；

不拆遷，不破壞地面建築物

；

不破壞環境

；

不影響管道的段差變形

；

省時、高效、安全，綜合

造價

低。

該技術在我國沿海經濟發達地區廣泛用於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挖鋪設。它能穿越公路、鐵路、橋樑、高山、河流、海峽和地面任何建築物。採用該技術施工，能節約一大筆徵地拆遷費用、減少對環境汙染和道路的堵塞，具有顯著的經濟效益和社會效益。

2、工作井

頂進井、接收井。

3、型別

手掘式、擠壓式、泥水平衡式、三段兩鉸型水力挖土式、多刀盤土壓平衡式。

工作原理

頂管施工是繼盾構施工之後而發展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，並且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建築物、地下構築物以及各種地下管線等。頂管施工藉助於主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作井內穿過土層一直推到接收井內吊起。與此同時，也就把緊隨工具管或掘進機後的管道埋設在兩井之間，以期實現非開挖敷設地下管道的施工方法。

分類

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就是適應性問題。針對不同的地質情況、施工條件和設計要求，選用與之適應的頂管施工方式，如何正確地選擇頂管機和配套輔助裝置，對於頂管施工來說將是非常關鍵的。

4、現狀分析

經過多年的發展，頂管技術在我國已得到大量地實際工程應用，且保持著高速的增長勢頭，無論在技術上、頂管裝置還是施工工藝上取得了很大的進步，在某些方面甚至已達到了世界領先水平。

2001

年上海隧道股份有限公司在江蘇省常州完成了長

2050m

、直徑

2m

的鋼筋水泥管頂管工程，是目前已完成的我國最長的頂管工程。

2001

年

8

月

~12

月嘉興市汙水處理排海工程一次頂進

2050m

超長距離鋼筋混凝土頂管，由於選擇了合理的頂管機具型式、成功地解決了減阻泥漿運用和軸線控制等技術難題，用約

5

個月完成全部頂進施工，創造了新的頂管施工記錄。全長

3600m

、管徑為

1。8

米的鋼管從

23

至

25

米深的地下於

2002

年

9

月成功橫穿黃河，無論從頂進長度、埋深、地質條件，還是鋼管直徑在國內尚屬首次。其

中最長的一段位於黃河主河床上，長達

1259

米，還要穿越較厚的礫砂層與黃河主河槽，既是我國

西氣東輸

專案的關鍵工程，也是目前世界上覆雜地質條件下大直徑鋼管一次性頂進距離最長的頂管工程。

2001

年的上虞市汙水處理工程中，玻璃纖維夾 砂管首次成功地應用於頂管。

2008

年在無錫長江引水工程中中鐵十局十公

施工水平達到一個新的高度，與世界先進水平日益靠近。

然而與國外發達國家，如日本、德國等先進的機械裝置及施工技術水平相比，我國仍然有著顯著的差距。

接收井

5、發展過程

世界上第一個有據可查的關於頂管技術的記錄是在

1892

年，最初的頂管施工作業是在

1896~1900

年間由美國北太平洋鐵路公 司

（Northern Pacific Railroad Company）

完成。我國頂管施工技術 起步較晚，自從

1954

年

（

也有認為是

1953

年的，無確切記載

）

在北京進行的第一例頂管施工以來，我國從國外引進頂管技術已經正好半個世紀了，早期發展較慢，是以人工手掘式為主，裝置非常簡陋，也無專門的從業人員，直至

1964

年前後上海首次使用機械式頂管，上海的一些單位並進行了大口徑機械式頂管的各種試驗和相關的一些理論研究。當時，口徑在

2m

的鋼筋混凝土管的一次推進距離可達

120m

，同時也開始利用中繼間的相關技術。在此以後，又進行了多種口徑、不同形式的機械頂管試驗，其中土壓式居多。由於當時的頂管掘進機的設計還停留在比較原始的階段，既沒有完整的設計施工理論和工藝作指導，也不考慮具體的地層條件，所以當時的頂管掘進機還不夠完善。土壓式頂管機當時分為上部出土和下部出土兩種，但都沒有引入土壓力的概念。其中，也搞了一些水衝頂管的試驗 。

1967

年前後，上海已研製成功人不必進入管子的小口徑遙控土壓式機械頂管機，口徑有

700mm-1050mm

多種規格。在他們的施工例項中，有穿過鐵路、公路的，也有在一般道路下施工的。這些掘進機，全部是全斷面切削，採用皮帶輸送機出土。同時，已採用了液壓糾偏系統，並且糾偏油缸伸出的長度已用數字顯示。

1978

年前後，上海又研製成功適用於軟粘土和淤泥質粘

土的擠壓法頂管，這種方法要求的覆土厚度較大

（

大於

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

80

年代以來發展更為迅速，頂管施工技術無論在理論上，還是在施工工藝方面，都有了長足的發 展。

1984

年前後，我國的北京、上海、南京等地先後開始引進國外先進的機械式頂管裝置，使我國的頂管技術上了一個新臺階。尤其是在上海市政公司引進了日本伊勢機

（ISEKI）

公司的

800mm

直徑的頂管掘進機之後，國外的頂管理論、施工技術和管理經驗也進入中國，如土壓平衡理論、泥水平頂管的各種試驗和相關的一些理論研究。當時，口徑在

2m

的

鋼筋混凝土

管的一次推進距離可達

120m

，後在

1988

和

1992

年研製成功我國第一臺多刀盤土壓平衡掘進機

（DN2720mm）

和第一臺加泥式土壓平衡式掘進機

（DN1440mm）

，均取得了較令人滿意的效果。與此同時，對頂管技術的理論研究的關注逐年增強，開始出現了比較專業的技術人員，

90

年代後，以當時的頂管掘進機還不夠完善。

2000

年後，

同濟大學

等高校對頂管技術方面進行了不少專項課題研究，也取到了不少成果。在

1998

年，中國非開挖技術協會成立，標誌著我國的頂管行業開始進入規範化發展。

2002

年中國非開挖技術協會批准成立北京、上海、廣州和武漢四個非開挖技術研究中心，非開挖管線技術列入科技的研究進一步深入。

6、發展方向

隨著我國經濟持續穩定地增長，城市化程序的進一步加快，我國的地下管線的需求量也在逐年增加。加之人們對環境保護意識的增強頂管技術將在我國地下管線的施工中起到越來越重要的地位和作

用。非開挖技術的發展必將向規模化、規範化

、國際化的方向發展。

在我國經濟高速增長的支援下，頂管技術的發展將面臨前所未有的機遇，在加快引進國外先進技術的基本上，努力消化創新，加強研發和人才培養，

其前景是非常樂觀的。縱觀國內外頂管技術的發展，發展方向將是多元化和多樣化。

在頂管直徑方面，除了向大口徑管的頂進發展以外，也向小口徑管的頂進發展。目前頂管技術最小頂進管的口徑只有

75mm

，最大的已達到

5m（

德國

）

，大口徑頂管有取代小型盾構的趨勢。在適應性方面，發展寬範圍、全土質型頂管機是必然趨勢，適應範圍將大為延伸，從

N

值為極小的土到

N

值為五十多的礫石，直至軸壓強度達兩百

MPa

的岩石。將微電子技術、工業感測技術、實時控制技術和現代化控制理論與機械、液壓技術綜合運用於頂管機械上是頂管技術的發展趨勢。數字化、資訊化、智慧型頂管機的研製將得到更多的關注，糾偏精度、自動化程度也將得到大力提高。在不久的將來，一些全自動、高精度的掘進機會成為施工機械的主流。頂管的用途隨著相關技術的發展也將繼續擴 ，主要用於

管道鋪設

將發展管道鋪設、涵頂進、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，今後的發展趨勢是圓形、矩形、圓拱形、多邊形等，以適應箱涵頂進等各種工程的需要，故截面形狀多元化是必然趨勢。頂管施工形式主要為土壓式、泥水加壓式，以後的發展將在進一步吸收國外技術的基礎上，應用管套式、氣泡式等等各種形式的頂管施工技術。隨著高精度長距離測量技術進一步的發展應運，通風系統的完善，中繼間技術、注漿減摩技術的進步，排渣系統的發展、刀盤切削系統、推進系統、出土輸送系統、供電液壓系統、監控系統、測量導向系統，等一系列技術的突破，現有的一次性頂進距離將不斷重新整理，各種複雜曲線頂管也將陸續出現。

目前我國已成立北京、上海、廣州和武漢四個非開挖技術研究中心，我國國際非開挖技術協會單位會員已突破

100

個，數量居世界第

4

、亞洲第

1

。形成了行業協會、科研單位、研究中心和裝置生產和施工企業組成的強大的陣營，而且每年不斷有很多人不斷加入到從事頂管等非開挖工作的行列，我國的頂管技術的必將迎來一個嶄新的階段。

7、存在問題

頂管技術在我國的存在的主要問題是，機械裝置技術比較落後

，地區差異明顯，水平參差不齊，缺乏規範化，人才不足，尚待進一步宣傳推廣。對頂管機械裝置我國主要依賴於進口，雖然國內也有生產企業，但技術仍落後於國際先進水平，掘進機型號種類不足以適應工程需要，我國尚無適於

中強度岩層以上的巖盤掘進機，適應土質範圍不寬，且耐用性、機械化

、自動化水平不夠。

從地域上說，頂管技術的發展與我國地域經濟水平相適應，我國東部的頂管技術發展水平遠遠高於中西部地區，僅廣東、上海、浙江、江蘇和山東五省市就佔到了非開挖鋪管工作量的

75%

。而西部地區僅在西氣東輸專案下有為數不多的頂管穿越工程，中西部地區與東部沿海地區差距非常顯著。頂管施工技術在

城市之間

的發展不平衡，在上

海，北京、廣州等大城市技術水平比較高，應用比較普遍，但在中小城市應用較少，在中西部地區的城市應用更少。在同一城市發展也不平衡，據廣州市建委

2004

年對廣州市頂管現狀的有關調查發現，該市的頂管技術發展極不平衡，機械化的頂管施工不很多，手掘 式頂管仍佔最大比例，對頂管施工技術的採用不積極，往往不是管線鋪設的首選，被看作是無法開挖的 無奈之舉。不同施工企業的施工水平也不平衡，有些還處在比較原始的階段，也有一些應用失敗的工程，客觀上阻礙了頂管技術的推廣發展。 影響頂管技術應用的另一個因素是，行業規範化不夠，存在同行低水平惡性競爭的現象，專業人才缺乏 ，現有的從業人員大多是從事一般 的土木工程施工中轉化而來，缺少專業訓練。今後仍需加強管理，努力推廣先進技術，提高施工水平和改善施工工藝 。

8、施工工藝

8。1

、機頭選型

：

根據地質報告，並結合本公司的施工經驗，頂管機頭決定採用氣壓平衡網格

（

水衝

）

式機頭進行施工。該機頭在頂進過程中，透過氣壓平衡正面土壓穩定機頭，減少外部土體對周圍地面的影響。

8。2

、頂進裝置及頂進工藝

（1）

主頂

：

採用

4

臺

200

噸

/

臺千斤頂作為主頂，千斤頂行程為

1。4

米。千斤頂動力由油泵提供。千斤頂後端用道木和分壓環將反力均勻作用於工作井，前端頂進分壓環，頂鐵將頂力傳至管節。分壓環製作具有足夠的剛性，與管端面接觸相對平整，無變形。

（2）

中繼間

：

在長距離頂進過程中，當頂進阻力超過容許總頂力時，無法一次達到頂進距離時，須設定中繼間分段接力頂進。本頂管工程在頂進長度超過

100

米時，考慮在機頭後設置一隻中繼間，並採用觸變泥漿注漿工藝。

中繼間由前殼體、千斤頂及後殼體組成。前殼體與前接管連線，後殼體與後接管連線，前後殼體間為承插式連線，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。

每隻中繼間安裝

10

個、每個頂力為

30

噸的千斤頂，千斤頂沿圓周均勻佈置。千斤頂的行程為

28

釐米，用扁鐵製成的緊韌體將其固定在前殼體上。鋼殼體結構進行精加工，保證其在使用過程中不發生變形。中繼間殼體外徑與管節外徑相同，可減少土體擾動、地面沉降和頂進阻力。

當管道頂通以後，拆除千斤頂及各種輔件，外殼與管節內壁之間的間隙用細石混凝土填充。

（3）

介面

：

管節介面主要由外套環

（

鋼套環

）

橡膠止水帶和軟土襯墊組成。鋼套環在加工處至現場運輸吊裝過程中不能變形，介面不損壞，以確保管節在對接過程中，橡膠帶不移位、不翻轉，確保管節的密封性。同時，鋼環套在進場前還必須做好防腐處理。

橡膠止水帶應保持清潔、無油汙，並存放在陰暗處，防止老化。施工中，將橡膠止水帶用強力膠水貼上於混凝土管口凹槽處，並貼上牢固，在管節對接前塗無腐蝕性潤滑油以減少摩阻，防止止水帶翻轉、移位和斷裂。

軟木襯墊採用多層膠合板

（

厚度

1cm

左右

）

，將其夾於前後管節鋼套環間，以均勻管節間的相互作用力，減少介面損壞。管道頂通後，管道須作內介面處理，將管節間的膠合板鑿至同樣深度

（

深度

2~3cm

即可

）

，並用瀝青彈性嵌縫膏或水泥砂漿抹平。

（4）

注漿工藝

：

在長距離

（

大於

100

米

）

管道頂進過程中，必須採用注漿工藝，利用觸變泥漿套減少頂進過程中管壁與土體之間的磨擦力，並填充流失的土體，減少土體變形、沉降和隔水。

觸變泥漿由膨潤土和水攪拌而成，配合比為

1：8

。觸變泥漿經攪拌後存入儲漿箱，透過注漿機經管道輸送至混凝土管注漿孔，注入土體形成泥漿套。