摘要：近年来，随着我国经济和城市建设的快速发展，城市基础设施逐渐完善，但由于部分城市发展的初期对工业及生活废水的处理缺泛长远的规划，尤其是改革开放出期，大多数城市只顾开发，而忽视了污水的处理，因此在后续的污水处理管道的铺设和改造中，非开挖施工技术越来越受到重视，作为非开挖技术中经济与适用性较为突出的顶管技术发展迅猛，具有广阔的应用前景。本文主要结合工程实例，针对污水管道非开挖顶管施工技术施工进行了阐述，旨在加强顶管施工水平及保证施工质量。
关键词：污水管道，非开挖顶管施工
中图分类号：TU992.3 文献标识码：A
引言：非开挖顶管施工技术，是指利用不开挖（管道不开挖）及少开挖（工作井、接收井开挖）的技术，来进行地下管道线的铺设，该技术占地少，进度快，工艺成熟，对各种土质均广泛适用，能够穿越公路、铁路、河流及地面建筑物，特别适用于大中型管道的非开挖铺设
一、工程概况
本项目为大朗—松山湖南部污水处理厂配套截污干管工程。污水主干管按近期截流式合流制设计；远期逐渐过渡到以分流制为主的排水系统。管网总长33.346km，顶管部分总长18.663km，其中大朗段长度为15.185km，松山湖段长度为3.478km，材质为玻璃钢夹砂管，管径为φ800mm～φ2000mm，埋置深度均在5m以上，共设置工作井353座。
1、地质特点 沿线地形较平坦，局部地方微丘陵，根据管线走向，可将沿线地层大体分为以下几类，第一类沿现有道路方向，其地层情况为：素填土、杂填土，厚约1.6m，粘土、粉质粘土厚约3.8m ,以下为粉、细砂。第三类为美景在道南～美景大道北，其地层情况变素填土、耕植土，厚0.3m～6.0m，粘土、粉质粘土、砂质粘土，厚约1.8m～12m不等到，局部地段揭露淤泥质土，以下为混合岩。2、工程建设特点 1）、 本工程线路长、工程量大，单项工程较多，工期短，解决好各项工程施工顺序，作到人、机、料合理搭配，内外关系协调，是本工程一大难点。
2）、 材料转运量大、人工投入量较大是本工程的一大特点。
3）、 沿线已经建成交多的建筑物和市政道路，地下管网密布，人口密集是本工程另一大特点。
二、施工方案：
根根本工程的特点，在顶管施工方法上选用了人工掘进顶管及机械掘进顶管，对于施工现场交通流量较大、地下管线复杂、地质情况变化较大，有可能遇到地下障碍物等情况，会影响机械顶管的正常施工的部分地段，故结合实际情况，采用了人工掘进顶管。而对于地质情况比较单一，场地施工条件比较好的地段，选用了机械掘进顶管，本文介绍的为机械掘进顶管，本工程机械顶管方式采用泥水式推进法，其原理是通过使用刀盘掘进机并用科学设计的顶速来平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力。该工艺的施工特点：在顶管施工过程中施工不间断，施工速度较快，且不需要特别的改良地基或降水处理，地表沉降小。
1、工作井施工
根据地形、地质资料等情况，从工期、质量、成本、施工方法的可操作性等方面综合考虑，我部决定采用逆作法施工。此施工方法在珠三角的深圳、东莞，以及长三角等地都实施过；东莞市污水处理管网工程第一期工程也大多数采用此施工方法，事实证明：逆作法施工的工作井和接收井都能达到预期的效果，满足顶管的施工需求。由于本工程顶管分节长为2.5米，因此确定工作井的直径为6米，壁厚0.5米。接收井的直径为3米。
B.流程：
施工准备→测量放线→基坑开挖→钢筋绑扎→模板安装→砼浇筑→开挖第二节基坑→循环作业→至设计深度→封底成井。
2、工作井内设备安装
工作井内设备安装包括：后座垫铁、导轨、油缸支架及油缸、激光导航系统、穿墙止水设备的安装、泥浆循环系统。
（1）后座垫铁安装
后座垫铁是把主顶油缸推力的反力传递到工作井后座墙处，通过后座垫铁，可把油缸的反力较均匀地传递到后座墙上，这样后座墙就不太容易损坏。
将垫铁的安装位置放好线，在后座墙体表面把后座垫铁的四个角的位置用红油漆作好标志，凿平垫铁范围内的墙体，底部用砖块垫平，将后座垫铁吊到安装位置，调整横向纵向的方向（采用2mm的橡皮垫底部），该平面需要垂直于顶管的顶进方向，定位安装尺寸误差控制在2mm以内，调整好后，后座垫铁与后座墙的空位插入φ20@200钢筋支模采用混凝土填充密实。
（2）导轨安装
基坑导轨是由两道平行的路轨钢构成，主要作用有两点：一是使推进管在工作井中有一个稳定的导向，并使推进管沿该导向进入土体；二是让顶铁工作时有一个可靠的托架。
在基坑底板面放出顶管的顶进轴线，先调整导轨的中线对准顶进轴线，用工字钢垫高导轨调整导轨的高度，当纵向及高程调整好后，导轨的定位安装尺寸误差控制在2mm以内。
（3）油缸支架及油缸安装
油缸支架是由槽钢焊接合成的一个支架，起固定主顶油缸的作用，使油缸工作时有一个可靠的托架。
根据基坑底板面放出顶管的顶进轴线，先调整支架的中线对准顶进轴线，垫高支架调整支架的高度，当纵向及高程调整好后，将支架与底板钢筋焊牢，空隙采用混凝土浇捣填实，24小时后，将油缸吊装到支架上，采用钢板压实，油缸支架及油缸的定位安装尺寸误差控制在2mm以内。
（4）穿墙止水设备安装
穿墙止水设备安装在接收井出洞洞口，具有制止地下水和泥砂流到接收井的作用。穿墙管预制好后，运输到现场，先将预埋的穿墙管凿出，焊接位置清除干净，吊装预制件到安装位置对中后焊牢，再用膨胀螺丝锁紧止水橡胶圈。
（5）工作井、接收井排水
在工作井的一侧设0.5m×0.5m×1m的集水井，浇筑底板时四周向集水井位置倾斜，形成排水坡度，收集由管道内流出的水及基坑的积水，集水井内布置一个潜水泵抽水上井到三级沉淀池沉淀后排到市政下水管道。
3、地面设备安装
工作井地面设备安装包括：主控制室及主顶装置安装、泥浆棚搭设及泥浆系统设备安装、监测设备安装。工作井的起重采用龙门吊。
（1）主控室搭设及主顶装置安装
主控室内主要放置主顶装置，主顶装置包括主顶油缸（井下）、主顶油泵一台（含控制部分）及油管，主顶油缸的推进和回缩是通过主顶油泵的控制部分控制的，液压工作站，操作方式为全电脑控制，必要是可以进行手动操作。
主控室采用集装箱的形式。
（2）泥浆棚搭设及泥浆系统设备安装
泥浆棚采用φ25钢管焊成支架，上面铺波纹瓦。泥浆棚内主要放置一个电箱、两台泥浆泵及一个泥浆箱。
（3）监测设备安装
监测设备包括激光导向和工具管内的摄像机，监测电路必须与主控室接线良好，开顶前进行校对和调试。
4、顶管顶进施工
（1）顶管工程力学参数确定
顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。但顶管计算的根本问题是要估计顶管的推力和后背承载能力。顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括顶管机迎面阻力、管壁摩擦阻力。泥水平衡压力：在封闭的冲泥舱内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水压力一定要合理。压力较小，大量的泥砂涌入，会造成路面破坏，地表设施受损；压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。
①顶管机迎面阻力（水土合算）：
F1=×D2/4×P
其中:
F1—顶管泥水阻力（t）
D—顶管外径（m）
P—顶管泥水最大压力（t/m2）
P与土层密实度、土层含水量、地下水位状况有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，施工中取顶管机正面泥水压力为P=20-40t/ m2，F1=×D2/4×P＝×4/4×40＝125.6t，按直径2米管径计算。
②管壁摩擦阻力：
F2=（2PV+2PH+PB）׃
PV=kγHDL PH=γ(H+D/2)DLtan2(45°- ψ/2)PB=WL
ƒ:为管壁与土间的摩擦系数
PV：为作用于管上下两侧的由管上方土体产生的垂直土压力
PV：为管两侧的水平土压力
PB：为管段的重力
D：为管节的外径W：为管每米重力 L：为顶进长度
γ：为土的等效重度 H：为顶管覆土层厚度 ψ：为土的内摩擦角 K：为垂直土压力
本工程主要为粉质粘土和砂质粘土。根据资料查得γ=18.5KN/ m3，K=0.5，土的内摩擦角ψ=12.5°，ƒ=0.25，管道埋深为8米，长度为150米，管每米重为0.693t
经计算F2=2278吨
顶力较大，需要采用减阻措施，本工程减少管壁摩擦阻力的措施为：管壁与泥土间压触变泥浆减阻（优质膨润土拌制而成），注浆需要管节间的密封良好，否则浆体会在管节间泄漏起不到应有的作用，由于管节接头的止漏能力不强，需要另外采用减阻措施，尽量加强阻力的保险系数，可采用管外壁涂黄油或沥青的办法尽量减少综合摩擦力系数。
减阻后计算式为
F2=лD×L×f
其中:
S—顶管外周长（m）
L—最长一段顶管长度（m）
f—为单位面积管壁与土的平均摩阻力（t/m2）
f与管道的埋设深度、土质、地下水位等因素有关。根据有关工程统计资料和本工程的分析，取单位面积管壁与土的平均摩阻力f=1.0t/m2。F2=S×L×f=×2×150×1.0＝942t
在考虑一次顶进距离最大为150m时，顶管总阻力为以上阻力之和：
F=F1+F2=1067t
施工时实测顶力值为1035t，与计算值相差3%，基本吻合。
（2）后背结构及抗力计算
后背作为千斤顶的支撑结构。因此，后背要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向相一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形现象是正常的。顶管时，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。后背不应出现上下或左右的不均匀压缩。否则会造成顶进偏差。后背结构及抗力计算
①.后背土体有效受力面积：A＝3×3＝9(M2)
②.后背土体单位被动土压力：P＝160T/M2
③.后背土体总承受力：F＝A×P＝9×160＝1440（T）
④.安全系数：K1＝F/P＝1440÷1067＝1.35
结论：在考虑最不利荷载条件下，安全系数满足施工需求。
（3）顶进设备
顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、顶管机及泥浆系统设备等。
千斤顶（也称顶镐）
千斤顶是掘进顶管的主要设备，本工程每一顶进段采用2台800t液压千斤顶。
千斤顶的工作井内的布置与采用个数有关，使用多台并列式时，顶力合力作用点与管壁反作用力作用点应在同一轴线，防止产生顶时力偶，造成顶进偏差。施工时千斤顶的着力点作用在管节圆心以下1/4～1/5半径处为宜。
②高压油泵
由电动机带动油泵工作，选用额定压力为31.5MPa的柱塞泵，经分配器，控制阀进入千斤顶，各千斤顶的进油管并联在一起，保证各千斤顶活塞的出力和行程一致。
③顶铁
顶铁是传递和分散顶力的设备。要求它能承受顶压力而不变形，并且便于吊装。
④顶管机及泥浆系统设备
密封式顶管采用泥水平衡式顶管机，泥浆系统分两部分，属于顶进的配套设备，由搅拌桶、搅拌机、渣浆泵、注浆泵、泥浆管路、沉淀池组成。
⑤其它设备
工作井上设汽车吊，作为平时吊管、工作井吊装设备用。在顶管机上下井时采用50t吊机起重。
工作棚用帆布遮盖，以防雨水。
（4）管节制作
顶管施工中，对管节接缝间的防水要求较高，为了使管节之间更好地达到防水目的，需对管节接头端进行采取措施，与制管厂家合作，生产更适用于本工程施工方法的管节。本工程顶管采用每节长为2.5米承插式玻璃夹砂管。
（5）顶进施工流程
顶进采用泥水平衡施工。
泥水平衡式顶管机顶管施工工艺流程：
顶进前准备①所有机械设备交班检查 ①顶管机刀盘转动、开进出渣浆泵
②顶进、调整进出渣浆泵流量到达平衡②顶进、调整进出渣浆泵流量到达平衡1个行程顶进结束砂土沉淀池沉淀、⑥装车、外运测量顶管机的偏位、作好记录、纠偏 顶铁吊装拆开各管路、管吊装、各管路安装 重复顶进1个行程 1节管顶进
（6）穿墙顶进
完成止水施工后，可进行人工凿除穿墙位置的混凝土，将工具管吊下工作井，安装好工具管，对正中线，使上、下、左、右方向误差保证在3mm内，安装及调试好各个系统、检查穿墙位置的止水设备、准备好足够的水泵，确保穿墙时各个系统的正常运转，准备工作就绪后，清除最前端的挡土钢板，清除硬块，顶进工具头到穿墙管内，工具头与第一节管采用刚性联结，避免工具头“磕头”，在工具头最前端压满泥浆。
因出洞口处为加压注浆固结体，刚开始顶进时尽量慢；进洞10－15米范围，工具头前端有土压力，并且由于管道较短，摩擦力比较小，为避免管道整体产生较大后退工具头前端塌方，当后座千斤顶回收时，需要用2条钢管顶住管，避免后退。
顶进速度应根据出土情况确定，防止路面塌方。顶进过程中，要求边压触变泥浆边顶进，不压浆不顶进的原则。
停止顶进或拼接管段、排除故障等原因造成短期停顶时，要求工具管前留有足够土压力，保持土压力平衡。重新开顶时应对整个管路进行补浆。
顶进一节管后，回缩千斤顶，拆开水、电、气、泥浆管路，吊入下一节管段，调直对中，安装好管材的接头止水材料，接通各管线，开动油泵顶进管节行程，回缩千斤顶，测量、加顶铁，重复顶进至一节管后，又重复上述流程。
（7）出土施工
首先将管节下到导轨上，就位以后，装好顶铁，校测管中心和管底标高是否符合设计要求，合格后即可进行管前端出土顶进工序。
采用泥水平衡式顶管机出土，需要在顶管机中注入含有一定泥量的泥浆，通过大刀盘切削顶管机前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥浆池中沉淀，表层泥浆可以反复循环使用，沉淀下的泥沙用汽车外运。
冲泥和吸泥泵稳定工作时，调节冲泥和吸泥的泵量，冲泥舱内应保持一定压力，舱内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，将增加主千斤顶负荷，泥水冲破上覆地层，达到地表，造成突顶事故；泥水压力过小，地下水涌入冲泥舱，顶管机前方塌方，将破坏上覆地层，造成地面建筑物破坏。所以控制顶进与出泥的速度相当关键。
（8）顶进施工
顶管机的操作全部采用在管道外（工作井上）控制台控制，只需1个机手操作，可实现对顶管机刀具的转动、纠偏控制、压力显示、实时监控（顶管机安装了摄像头、控制台上安装了电视机）。
顶进利用千斤顶出镐在后背不动的情况下将被顶进管节推向前进，其操作过程如下：
①安装好顶铁挤牢，管前端已一定长度后，启动油泵，千斤顶进油，活塞伸出一个工作行程，将管节推向一定距离。
②停止油泵，打开控制阀，千斤顶回油，活塞回缩。
③添加顶铁，重复上述操作，直至需要安装下一节管节为止。
④卸下顶铁，下管并焊接牢固，保证管与管之间的连接安全，接好排泥及进水管道泥浆管道和顶管机的电缆。
⑤重新装好顶铁，重复上述操作。
（9）注浆减阻
注浆系统由拌浆、注浆和循环管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液（造浆后应静置24小时后方可使用）。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力（压力控制在水压力的1.1-1.2 倍）和注浆量（计量桶控制）。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。注浆孔布置为：工具头一道、钢管每隔9m安装一道注浆管。
注浆流程：
造将静置 注浆顶进注浆停顶停止注浆
顶进阻力主要有正面阻力和管道四周摩阻力两部分组成，管壁四周的阻力也占重要部分。
触变泥浆通过制造、储存、压浆系统，从工具头处压入触变泥浆，形成一定厚度（25mm左右）的泥浆套，间距10m设一道补浆孔，使顶管在泥浆套中向前滑行，减少摩阻力，根据压力表和流量表，计量桶控制用浆量，压力控制在水压力的1.1—1.2 倍。
材料：膨润土：烧碱：水=1：0.05：4.5 配比，经试验，确保泥浆性能良好，必要时加其他外加剂。
为使泥浆能及时将管壁空隙灌满，灌浆速度要与顶进速度相适应，注意观察，防止跑冒，并保证泥浆达到量。
造浆后应静置24小时后方可使用。
（10）顶进时应注意事项
①顶管前15m的管节顶进的方向和高程，关系到整段顶进质量，应勤测量，勤检查及时校正偏差。
②管道顶进应连续作业，管道顶进过程中，遇下列情况时，应暂停顶进，并应及时处理：A、工具管前方遇到障碍；B、后背墙变形严重；C、顶铁发生扭曲现象；D、管位偏差过大且校正无效；E、顶力超过管端的允许顶力；F、油泵、油路发生异常现象；G、接缝中漏泥浆。当管道停止顶进时，应采取防止管前塌方的措施。
（11）顶管管节接头形式及防水措施
由于本管道为污水管道，为防止污水渗漏和地下水涌入，管节间必须有可靠的防水措施。本工程采用“F”接头玻璃钢管。顶进前，用黄油或沥青将管的表面抹滑，减少摩阻力，该种类型管具有良好的接头防水止水功能，顶进结束后接头内采用环氧砂浆填塞。
（12）顶管工作面排水
顶管工作应尽量从下游向上游方向进行，地下水由工作面流向工作井集水坑，再用泵排出地面。
（13）管道渗漏的治理
对管道渗水和漏水点，先凿V形槽，埋入导水水管，用快凝水泥封闭管周，待水泥由一定强度后，用手动泵压入水泥水玻璃浆液封堵。
（14）顶管内通风
顶管内面无人，如果需要进去维修设备等，进管之前需要通风，采用压入强制性通风措施，用风机通过1.5英寸铁管向顶管顶管机压风。
（15）照明及用电
施工用电主干线采用380V三相五线制，接通地面、工作井、管道内、顶管机、管道照明采用12－24V低压电源供电。
（16）测量与纠偏
①测量
顶管中心测量应建立地面与地下测量控制系统，控制点应设在不易扰动、视线清楚、方便校核、易于保护处，自动测量系统由顶管工作井井下一台固定于仪器墩上的激光导航仪及工具管前仓的指示板组成。激光导航仪与安装于控制室内的计算机通过专用双向通讯电缆连接。
激光导航仪的测量均按照由计算机的控制软件发出的指令自动进行。激光导航仪测量获得的数据均传输到计算机，然后由计算机进行数据处理，并与设计的管道中心轴线比较，在计算机屏幕上显示机头中心当前的位置：左右偏差、上下偏差、机头旋转角10米内的机头中心轨迹线，当前机头位置的里程及测量的时间。测量可以不间断地周而复始进行，每测得一次机头的坐标，图形就刷新一次，“机头当前位置图”字体颜色改变一次，显示新值。系统周而复始进行测量，实现了机头的跟踪测量，做到“随测随纠”，有效地保证了顶管的质量并大大提高整体施工进度。
A、基准点布置
根据提供的基准点，作好顶管中轴线、起止点、工作井等定位轴线的测量放线工作，要进行认真较核确定桩位，经施工单位自检后再通知甲方、监理部门复核签字后才能进行下一步施工。对现场提供的点位，如有出入，通知有关方共同另行确定。
a、中轴线布置，根据顶进方向和甲方提供的基准点，确定中轴线。
b、高程测量点布置，把顶管中轴线高程引下到工作井后座墙上，作为高程测量的基准点，做好标志，并在工作井侧墙设立一个复核点。
c、测量点布置，在工具管的前仓设置固定的指示板，通过管内的电视摄像仪反馈到控制室的显示器上，后座墙上设置激光导航仪，发射激光束到指示板上。
B、测量频率
激光导航仪可以通过计算机控制测量频率。一般顶进一节管测量5次，每50cm测量一次。在穿墙、纠偏等情况下，加密测量，顶进20cm测一次，并每天做出顶进偏差曲线图（工具管测量点）。每顶进20m须对顶进的全管道进行测量，做出管道偏差曲线图。注意偏差和顶力的变化，有异常需要及时汇报，查清原因后才能继续顶进。
C、测量方法
测量完全由电脑进行控制，实现顶进操作全信息化，减少人为错误。通过固定在工具管前仓的指示板，可以对工具管进行上下、左右及旋转偏差的测量。
D、测量仪器
激光发射器、指示板、电视摄像机、计算机。
仪器经校正，固定牢固，做好记录，及时联系，指导纠偏，控制点须严格校核。
②纠偏
当超过允许偏差时，应采取措施纠正，纠正偏差应缓慢进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调，利用工具头前方纠偏千斤顶顶进行程的控制，来实现顶进方向控制。
A、警戒值：工具管开始顶进5～10m的范围内，允许偏差应为：轴线位置3mm，高程0～+3mm。
B、纠偏时测量频率：
纠偏时加密测量，顶进20cm测一次，在测量之前，应先停止顶进，把后座千斤顶的顶力卸下，以免产生数据误差。
C、编组纠偏：
纠偏段共4组液压千斤顶，通过分组组合利用控制分组的千斤顶的行程达到纠偏的目的。通过左上（1＃）组千斤顶+右上（4＃）组千斤顶组合与左下（2＃）组千斤顶+右下（3＃）组千斤顶组合进行上下纠偏，通过1＃组千斤顶+2＃组千斤顶组合与3＃组千斤顶+4＃组千斤顶组合进行左右纠偏，每次纠偏两侧千斤顶组行程差为10mm。纠偏时，起动纠偏油泵，顶进纠偏千斤顶到设计纠偏行程，锁定油路，关纠偏油泵
D、纠偏反馈：
测量观测：通过测量反馈的结果判断纠偏的效果，当偏位的趋势明显减少时，恢复4组千斤顶的零行程差状态。
（18）反向后靠背施工、穿墙孔凿穿
做好工作井的反方向进行顶管的准备工作，在原来穿墙孔的位置现浇一堵后座加强墙，后座墙锚入底部1米，后座墙尺寸3.5m×2m×0.6m，顶进接触面垫一块20mm的3m×1m的钢板。在顶管机穿墙的位置凿穿原来的后座墙，准备进行下一管道顶进施工。
结束语
通过本工程施工实践，认识到在城镇污水排水管顶管施工中，必须做好污水排水管顶管施工前的准备工作，合理的选择施工方法和施工设备。施工时科学矫正好泥水平衡压力和管壁摩擦力，加强进洞和进洞后20M以内的测量、纠偏是顶管工程质量的关键，必须把初始偏差消除在萌芽之中，顶进过程中要合理控制顶进速度，防止施工的事故发生，在确保顶管施工质量和工期的情况下尽可能降低施工成本，为进一步完善和发展城镇排水管顶管施工技术提供基础性的理论知识和实践经验。
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