市政工程敞开式挤压掘进顶管施工技术

【摘要】本文深入研究了市政工程敞开式挤压掘进顶管施工技术的应用现状及创新发展。通过分析挤压掘进受力机制、管土相互作用、地层扰动规律三大核心原理，系统阐述了该技术的理论基础。重点探讨了地下障碍物处理、管道轴线偏差控制、土层变形沉降防控等关键施工难点，并提出针对性解决方案。同时，围绕工作井施工、掘进机调试、顶进力控制、测量定位、注浆工艺等技术要点进行深入分析和创新优化。本文的研究成果可为城市地下管线工程提供技术支撑。

【关键词】市政工程；顶管施工；挤压掘进；施工技术

【引言】"十四五"规划明确提出加强城市地下空间系统化开发利用，完善市政基础设施网络。《城市地下管线综合规划规范》的修订实施，对非开挖施工技术提出更高要求。特别是在城市密集区，传统明挖施工已难以适应环保和交通要求。敞开式挤压掘进顶管技术作为一种先进的非开挖施工方法，具有环境干扰小、施工效率高、适应性强等优势。研究和创新该技术，对推进城市地下空间高质量开发具有重要意义。

一、技术原理

1. 挤压掘进受力机制

掘进面土体在刀盘作用下产生剪切破坏，土体应力场发生重分布。刀盘切削作用使土体形成松散区，在推进力作用下土体被挤压进入土仓。管道外壁与土体之间产生摩擦力，形成管道周向应力。顶进力通过管道传递至掘进面，推动土体破碎和排除。土仓压力平衡掘进面土压力，防止土体坍塌。管道外壁摩阻力随埋深增加而增大，影响顶进阻力。

2. 管土相互作用分析

管道与周围土体之间存在复杂的力学关系。管道外壁与土体接触面产生剪切应力，形成界面摩擦力。土体在管道推进过程中产生扰动，引起周围土体应力重分布。管道周围土体应力场呈非均匀分布，上部土体荷载大于下部。管土界面摩擦系数受土质条件和含水率影响。土体应力场变化导致地表沉降，影响周边建筑物。管道浮力效应在饱和土层中尤为明显，改变管土相互作用特性。

3. 地层扰动影响规律

顶管施工过程中的地层扰动呈现出明显的空间分布特征。掘进面前方形成塑性区，土体强度降低。管道周围土体扰动程度随距离增加而减小，形成扰动影响区。土体扰动导致地层结构破坏，改变渗透性能。扰动影响范围与土质条件、埋深、推进速度相关。软土地层扰动范围较大，易产生超挖现象。

二、技术难点

1. 地下障碍物处理

城市地下障碍物种类繁多，增加了顶管施工的难度和风险。混凝土块、废弃管线等硬质障碍物容易造成刀盘损坏。钢筋、桩基等线状障碍物缠绕刀盘，影响掘进效率。地下管线错综复杂，与顶管线路交叉干扰。既有建筑物基础阻碍掘进路径，增加施工难度。地下构筑物改变了原状土应力场，造成掘进受力复杂。障碍物位置难以准确探明，增加施工风险。遇到障碍物时，掘进受力突变，易造成管道偏离。

2. 管道轴线偏差控制

顶管轴线控制面临诸多难点。土层不均匀性导致管道受力不均，产生偏心现象。地下水影响使管道产生浮力，引起轴线上浮。长距离顶进过程中，管道偏差累积效应明显。复杂地质条件下，管道轴线易受地层变化影响偏移。土体挤压力不均匀，造成管道转向。管道接口处刚度变化，影响轴线平顺性。软土地层中管道定向难度大，控制精度难以保证。

3. 土层变形沉降防控

土层变形沉降控制是顶管施工的关键难点。超挖引起土体应力释放，导致地表沉降。掘进面土压力失衡，造成地层变形扩大。管周空隙闭合不及时，形成连续沉降。深层土体扰动引起邻近建筑物不均匀沉降。地下水水位变化加剧地层变形。软土地层流变性强，变形发展迅速。振动荷载引起土体密实，加剧沉降发展。地层变形传播范围广，影响地表设施安全。

三、技术要点

1. 工作井施工技术

工作井深度根据顶管埋深确定，一般控制在4至8米范围。基坑支护采用钢板桩围护，桩长超过开挖面以下3米。围护结构刚度满足抗倾覆稳定性要求，设置两道内支撑。井底设置混凝土垫层，厚度300毫米，强度等级不低于30兆帕。后背墙采用钢筋混凝土结构，墙厚600毫米，配筋率不低于0.6%。井底设置轨道基础，采用钢筋混凝土整体浇筑，纵向倾角控制在1‰以内。基础承台采用变截面设计，增强结构整体性。止水帷幕深度超过井底2米，确保施工期间防水效果。降水系统布设轻型井点，保持井底干燥状态。泥浆分离系统布置在工作井一侧，确保泥浆循环通畅。吊装设备选用履带吊，起重能力满足管节吊装要求。通风系统保证井下空气流通，照明系统确保施工区域亮度。

2. 掘进机选型与调试

掘进机选型考虑地层条件、管径大小、顶进长度等因素。刀盘转速范围0.5至2转每分钟，扭矩不低于50千牛米。主轴承密封采用迷宫式结构，防止泥浆渗入。土仓容积满足正常掘进排土需求，土仓门采用液压控制。传动系统选用变频调速电机，功率余量保持在30%以上。液压系统工作压力20兆帕，配备独立冷却装置。控制系统具备故障诊断功能，实现远程监控。铰接装置角度调节范围±2度，补偿轴线偏差。调试阶段重点检查各传动部件间隙，确保运转灵活。进行空载试运转，检验各系统协调性。模拟掘进工况，测试控制系统响应特性。标定各传感器参数，确保数据采集准确性。

3. 顶进力控制体系

顶进力控制采用分段递进方式，顶力增量控制在500千牛以内。主油缸压力控制在80%额定值以下，预留调整余量。顶进速度与土仓压力联动，保持掘进面土压平衡。中继间距不超过80米，确保顶力有效传递。顶进系统配备自动补偿装置，修正轴线偏差。油缸行程传感器精度0.1毫米，实时监测推进距离。压力传感器布设于各控制节点，监控受力分布。数据采集频率不低于1赫兹，记录完整顶进过程。建立顶进力预警机制，设定安全阈值范围。油缸同步误差控制在5毫米以内，避免偏心受力。管节间传力装置采用柔性结构，减小应力集中。顶力数据分析建立预测模型，优化顶进参数。

4. 测量定位技术创新

测量系统采用全自动跟踪全站仪，精度达到1毫米。激光靶标安装于掘进机前端，实现连续跟踪定位。管道内布设陀螺仪测向系统，监测转角变化。水准仪测量管道高程，沉降监测精度0.5毫米。建立三维坐标控制网，基准点引测至工作井。管道轴线每10米设置一个监测断面，全程跟踪测量。测量数据实时传输至控制室，进行偏差分析。建立测量数据库，记录完整的路径信息。测量系统具备自动纠偏功能，计算修正参数。地表监测点间距5米，覆盖影响范围。变形监测采用自动化监测设备，24小时采集数据。测量成果形成动态曲线，直观显示变化趋势。

5. 注浆工艺优化

注浆材料选用速凝水泥浆，凝固时间控制在4小时内。浆液配比根据地层条件调整，水灰比0.8至1.2。添加膨胀剂调节浆液性能，补偿收缩变形。浆液粘度控制在15至20秒，保证充填效果。管道周向每隔120度设置注浆孔，保证浆液均匀分布。注浆压力控制在0.2至0.3兆帕，避免产生地层隆起。同步注浆系统与顶进速度匹配，确保及时充填。浆液用量根据理论空隙率计算，预留20%余量。注浆系统配备压力监测装置，监控注浆过程。二次注浆根据沉降观测情况确定，补充空隙。注浆记录包含压力、流量等参数，建立质量追溯体系。浆液性能试验定期进行，确保施工质量。

【结束语】

敞开式挤压掘进顶管技术的发展与创新，是市政工程建设领域的重要课题。通过理论研究和工程实践的深度结合，我们不仅要精准把握现有技术要点，更要致力于技术创新，探索更加环保高效的施工方法。相信在科技进步的推动下，顶管施工技术必将迎来新的突破。本研究的成果可为相关工程实践提供参考，推动非开挖施工技术的进步发展，为建设宜居城市贡献力量。

参考文献：

[1]黄晓燕.市政工程敞开式挤压掘进顶管施工技术[J].石材，2024，（07）：69-71.

[2]谭伟.普通人工掘进式顶管施工各阶段安全管理要点[J].建筑安全，2023，38（09）：62-65.