人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》是瀋陽市政集團有限公司、中鐵四局集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是王少春、賁曉明、盛剛、孫煥斌、楊仲傑、張海濤。該工法適用於穿越建築物、河流及老城區的地下排水管道的修建施工。

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》主要的工法特點是：施工安全性高；施工設備及輔助材料投入較少，施工方法簡單，經濟合理；施工時無噪聲、無環境污染。

2011年9月30日，《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009~2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法
• 工法編號：GJEJGF147-2010
• 完成單位：瀋陽市政集團有限公司、中鐵四局集團有限公司
• 主要完成人：王少春、賁曉明、盛剛、孫煥斌、楊仲傑、張海濤
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

隨著中國經濟的發展，城市建設的腳步越來越快，城區的排水管線新建及改造工程也越來越多。為避免明挖施工修建排水管線給城市交通帶來不便，通常採用頂管方法完成施工。頂管分為傳統的人工頂管和機械頂管。傳統的人工頂管有易塌方、推進力大、頂進距離短（一般在30米左右）工作坑布置較多對地面破壞大、影響交通等缺點；機械頂管具有占用施工場地大、費用高、地下障礙不可見等缺點。對於較繁榮而又歷史悠久的城市的排水改造運用傳統人工頂管和機械頂管都不是很理想，因為這樣的城市地上與地下障礙較多，並且施工時要儘可能做到影響交通最小針對這一問題，瀋陽市政集團有限公司的有關技術人員經過多年的研究和努力，在傳統人工頂管方法的基礎上，自製工具管，採用注漿固砂減少摩阻力的方法，實現了同等土質情況下人工混凝土管道單向頂進不開啟中繼間達280米長的實例。並編制了《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》。

工法特點

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的工法特點是：

一、自製工具管帽，通過特殊的設計，可進行注漿，固結工具管前端及管道周圍土體，防止工具管前端土體塌方及管道周圍土體的塌陷。

二、開放式管帽可見性好，可以及時發現地下障礙物，施工安全性高。

三、減阻措施得當，單向頂進距離增長，可實現300米以上的鋼筋混凝土管道長距離頂進施工。

四、不影響原有的各類地下管線，不影響道路交通、水運以及地面的各類建築。對地面破壞程度小。

五、施工設備及輔助材料投入較少，施工方法簡單，經濟合理。

六、施工時無噪聲、無環境污染。

操作原理

適用範圍

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》適用於穿越建築物、河流及老城區的地下排水管道的修建施工。

工藝原理

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的工藝原理敘述如下：

一、固砂注漿工藝原理（下圖）

在傳統的人工頂管基礎上通過自行設計的帶有注漿孔的特殊的工具管帽，利用注漿方法使鬆散的土體固化，避免土體灑落下來包裹頂進的工具管，產生摩阻力。工具管帽處上側和左右兩側留有2厘米大小圓孔，是注固砂劑預留孔，這樣在工具管帽處注固砂劑將其上方土質固定住，形成固砂劑自拱。自製工具管帽的外徑比工作管外徑稍大2厘米，在管道向前頂進固砂劑自拱與工作管間將形成一定的空隙。在空隙內填注膨潤土，膨潤土具有一定的潤滑作用，與管壁接觸摩擦係數小，因此達到減小摩阻力的要求。

固砂注漿工藝原理示意圖

二、頂進調偏工藝原理

在工具管帽處設一定數量的小千斤頂，當量測到管道中心有偏移時，利用這些小千斤頂來校正。如下圖1~下圖4。

施工工藝

• 工藝流程

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的施工工藝流程見下圖。

施工工藝流程圖

操作要點

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的操作要點如下：

一、與傳統的人工頂管相同，首先做好施工準備工作，測量放樣，預頂進管線範圍內管網調查，工作坑製作，滑道及頂進設備的安裝。

二、自製工具管帽

工具管帽採用壁厚為2.5毫米的A3鋼板卷制、焊接成型。為保證管帽的調偏，採用設定小千斤（頂稿）變其為可調式工具管帽。作用類似於頂管機，針對老城區，地下管網複雜，因管帽前方由於人工取土具有可見性，避免了頂管機前方不可見的缺點。為防止頂進過程中塌方，施工前，在管帽前端上部鑽一定數量的2厘米圓孔，利用空壓機注入固砂劑，提高頂管前端砂土的內聚力，在頂進過程中利用固砂劑在砂層中形成自拱以減少砂層塌落所增加的摩阻力。見下圖1、下圖2。

三、土體固化

1.在砂質土中傳統的人工頂管管帽進門時會引起一定的塌方。為防止進門塌方影響頂進力，在工作坑製作後頂進前對進洞位置進行固化。如下圖1~下圖3。

2.注固砂劑施工要點

（1）在管道每頂進40~60厘米的上側、80~100厘米的兩側注入固砂劑。

（2）因頂進過程中注固砂劑的管道易堵塞，採用電鑽將孔通透。

（3）配製固砂劑漿液，水與固砂劑比例為2:1，放在容器內拌均勻，倒入注漿機內。

（4）連線空壓機與注漿機，空壓機壓力達到0.5兆帕時注入固砂劑。如下圖4、下圖5。

3.頂進過程中，通過測定注入固漿劑的有效範圍，確定頂進過程中再次注入固砂劑的距離，利用自製注漿機在工具管帽處進行固砂。固砂劑注入必須保證飽滿。如下圖6、下圖7。

四、管道頂進減阻施工要點

1.管壁潤滑處理，作用減少管壁粗糙度進而減小管壁與土接觸的摩擦力。採用管壁外注入膨潤土作為潤滑介質減小摩擦。潤滑介質必須保持一定的厚度方能有效。自製工具管帽的外徑必須比工作管外徑大2厘米，固在工作管和土層間留出了一定空隙，在壓入潤滑介質後形成所需厚度的一個液體層。

2.管道內注入潤滑劑減小阻力，利用注漿泵將按比例配製好的潤滑劑（配合比要經現場實驗進行確定）注入至工具管的預留口內，並保證所注漿液飽滿。

3.注潤滑劑施工要點

（1）在注漿槽內按膨潤土:水:火鹼:CMC=100:300:1.5:0.7的比例進行攪拌。

（2）注漿工具採用活塞式注漿泵。連線好注漿管、三通，試泵，檢查管道的密閉性，無問題後可進行頂進管道的注漿。

（3）每頂進80厘米對工作管1、2、3節進行注漿一節管全部頂進洞內時進行每一節管道都注滿漿。

材料設備

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》所用的材料及設備明細如下：

一、材料

1、自製工具管帽。用壁厚δ=25毫米的A3鋼板卷制而成。工具管帽的外徑大於工作管外徑2厘米，中間用加脛肋板加固。

2、成品鋼筋混凝土工作管。

（1）工作管管節及附屬檔案等工程材料的產品質量應符合國家有關標準的規定和設計要求。

（2）接口橡膠圈安裝位置正確，無位移、脫落現象，要逐個接口觀察。

（3）管道接口端部應無破損、頂裂現象，接口處無滴漏。

3、固砂劑與潤滑劑

（1）固砂劑：採用購買廠家成品，按產品性能進行配製使用。固砂劑，有效成分為智慧型高分子，智慧型高分子在水溶液中以線性伸張狀態存在，當其和地層內砂粒接觸後，通過氫鍵和靜電吸引發生相互作用，智慧型高分子由線性狀態轉化為捲曲狀態，從而將幾個或多個砂粒包籠一起，從而可有效阻止砂粒的流動。

（2）潤滑劑採用膨潤土製備，通過實驗確定配合比。膨潤土採用鑽井泥漿膨潤土，造漿率高、濾失量低、防滲能力強，具有優良的潤滑性能，在鑽進（或頂進）過程中由泥漿形成的泥皮薄而緻密，堵漏和護壁作用效果顯著。見下表。

膨潤土質量指標

項目	API標準
粘度劑600轉/分鐘讀數	≥30
屈服值/塑性粘度	≤3
濾失量/立方厘米	≤15.0
75vm篩余，質量分數/%	≤4.0

二、設備（見下表）

頂管用機械設備表

序號	機械或設備名稱	型號、規格	用途	數量（台）
1	鏟車	ZL50	運土	1
2	汽車吊	QY25	下管	1
3	經緯儀	J2	測量"	1
4	水準儀	NA20	測量"	1
5	發電機	200TZH355M4TH	供電	1
6	千斤頂	400T/50T	頂進	4/10
7	活塞式液壓泵	22千瓦	注漿	2
8	空壓機	/	注固砂劑	2
9	注漿機	自製	注潤滑劑	2
10	少先吊	7.5千瓦	吊土	1
11	門式電葫蘆	8.5千瓦	吊運工具	1
12	電焊機	1.0千瓦	焊接	2
13	通風機	/	坑內通風	1
14	水泵	14千瓦	抽水	1

質量控制

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的質量控制要求如下：

一、遵照國家標準《地基與基礎施工及驗收規範》、《鋼筋混凝土工程施工及驗收規範》和瀋陽市市政工程管理局標準《市政工程質量檢驗評定標準》、頂管工程和長距離頂管標準。

二、首節管的質量對頂進質量至關重要，必須保證首節頂進入土的高程偏差在2毫米以內、中心偏差在5毫米以內、自身偏差在2毫米以內。所以首節管的頂進質量進行嚴格控制。

1、開啟千斤頂使工具管的刃角切入土中，該時，工人可進入工作面挖刃角切入土層的泥土，並隨時將棄土通門式吊車等運土設備從頂進坑吊運至地面。頂進過程中刃角前不得超挖。

2、開始頂進時觀察首節管前端與滑道的間隙，如首管前端離開滑道，及時調整管或鋼高程。

3、首節管每頂進0.2米進行高程測量，首節管頂進1/3時進行中心測量，如出現誤差及時進行調整，儘量控制首管頂進不出現誤差。

4、當首節管頂進後，安裝第二根管，後節管的加強板伸入前管的後部與前管套接牢固，再次開啟千斤頂，頂進工作管。如首管高程或中心有偏差時在頂第二根時將誤差調整準確。

三、頂進過程中質量要求（見下表）

頂進過程質量控制標準

項目		允許偏差（毫米）	檢驗頻率		檢驗方法
			範圍	點數
中線位移		50	每節管	1	測量並查閱測量記錄
管內底高程	DN<1500（毫米）	+30 -40	每節管	1	用水準儀測量
	DN≥1500（毫米）	+40 -50	每節管	1	/
相鄰管間錯		15%錯管壁厚，且不大於20	每個接口	1	用尺量
對頂時管子錯☐		50	對頂接口	1	用尺量

四、技術措施

1、混凝土管道頂進過程中保證每頂進一定的距離對管道的軸線偏差以及高程偏差利用測量儀器進行觀測。當出現偏差時立即進行調整。該工法利用特製的工具管帽進行糾偏。在管帽的上下左右方向均布置一定數量的小千斤頂，當管道中心出現偏差時調解左右兩側千斤頂，當管道高程出現偏差時調解上下兩側千斤頂，達到糾偏目的。

2、在正常頂進的情況下，管子表面在推頂過程中會被周圍上層磨毛，因而使摩擦係數增大。在頂管頂進距離較大時，在管壁外注入膨潤土作為潤滑介質減小摩擦。潤滑介質必須保持一定的厚度方能有效。管子和土層間要留出一定的空隙，以便在壓入潤滑介質後能夠形成所需厚度的一個液體層。為了形成工作管和土層之間所需的空隙，工具管帽刃腳直徑的取值最好稍大於頂進管直徑。該工程擬採用的管帽外徑大於混凝土管外徑2厘米。

3、為了保持較小的推頂力，乾摩擦須以儘可能小的摩擦係數μ為前提。混凝土管表面的光滑，能使摩擦係數降低。管子表面的機械加工和塗抹減摩劑，同樣都能起到減小μ值的作用。為了能夠封閉土層的空隙而又不致流失到土層中去，取得儘可能小的摩擦係數μ，膨潤土的配比要經現場實驗進行確定。

4、管子和土層之間充滿潤滑介質的空隙，在整個推頂過程中必須保持不變。要做到這一點，潤滑介質必須能夠阻止土層落到管壁上，必須承受著各種具體條件下起作用的上壓力來托住土層。因此，在潤滑介質中必須經常保持相當於土應力的液壓。這樣，潤滑介質同時也起著支承介質的作用。交承壓力的反作用力則由頂進管來承受。

5、為使潤滑劑儘快地起作用，儘量靠近刃腳尾部進行壓漿。但實踐證明，在壓漿壓力較高的情況下，潤滑劑將均勻地沿著管子向前擴散。因此便存在著膨潤土懸浮液沿刃腳向前流動、並且又在切削刃上流出來的危險。因此潤滑劑在刃腳後第二節管子中開始壓入比較適宜。

6、由於頂管長距離頂進，頂力的持續增大，通過對支撐頂進的工作坑的支撐壁進行土體固化，對長距離頂進起到了保證。

安全措施

採用《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、建立健全各項施工安全技術措施，組建完整的安全技術管理機構，抓生產、抓工程質量的同時，更要抓施工安全。有專職的安全員每天對現場進行安全檢查，每周全體管理人員進行一次大檢查，對於存在安全隱患的地方要求工人及時整改，並要整改後進行檢查，是否合格。

二、根據工程的特殊性質，要注意當頂進一定的距離時及時向管道內注入新鮮空氣，為防止注漿時漿液濺到工作人員身體上對身體有腐蝕，給注漿人員配戴好眼罩和衣服等保證作業人員人身安全。

三、對參加施工的人員要進行經常性的安全教育，要熟知本工種的安全技術操作規程，操作中應堅守本崗，嚴禁酒後操作。對於技術工種，如電工、焊工、機械操作工、起重機司機及車輛司機，必須經過專門訓練，考試合格發證後，方可單獨操作。

四、在施工過程中，周圍企業及居民等過往行人仍需穿過施工現場，因此為保證安全，在場區門口設立醒目標誌，並設定專人進行交通指揮維護。

五、施工作業前必須檢查機械、工具等無問題後方可使用，電氣設備和線路必須絕緣良好，電線不得與金屬物綁在一起，各種電動機具必須接保護零線，並設定單一開關，停電、停工時必須拉閘加鎖，同時機械設備應有防護罩及防雨措施並設定專人統一管理。

六、在架空輸電線路下施工停電或設隔離防護措施，起重機在輸電線路一側工作，安全距離符合有關要求。施工現場的電氣設備、線路均按正式要求安裝架設，非專業電工人員不得隨意接電。

環保措施

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的環保措施如下：

一、成立對應的施工環境衛生管理機構在工程施工過程中嚴格遵守國家和地方政府下發的有關環境保護的法律、法規和規章加強對施工燃油、工程材料、設備廢水生產生活垃圾、棄渣的控制和治理，遵守有防火及廢棄物處理的規章制度，做好交通環境疏導，充分滿足要求，認真接受城市交通管理，隨時接受相關單位的監督檢查。

二、對施工中可能影響到的各種公共設施制定可靠的防止損壞和移位的實施措施，加強實施中的監測、應對和驗證。同時，將相關方案和要求向全體施工人員詳細交底。

三、將施工場地和作業限制在工程建設允許的範圍內，合理布置、規範圍擋，做到標牌清楚、齊全，各種標識醒目，施工場地整潔文明。

四、設立專用集漿坑，對廢漿、污水進行集中，認真做好無害化處理，從根本上防止施工廢亂流。

五、工程棄渣及其他材料運輸過程中的防散落與沿途污染措施，排放到指定地點。

六、機械施工時設立消聲設備，使噪聲在允許範圍內。

七、經常打掃現場環境。

效益分析

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的效益分析如下：

一、與開槽埋管施工法相比，該工法施工作業面小，占地少，地面破壞程度小，適應在市區街道建築密集的情況下施工，無噪聲、無污染，不需封閉道路、交通，對周圍環境、交通影響小，具有一定的環保效益。

二、與傳統人工頂管施工相比，由於減阻措施有效使得頂進力小，頂進距離長，避免更多的工作坑製作，節省了材料設備的投入，降低了成本；與利用頂管機頂進相比，施工具有可見性，能發現頂進前端的地下障礙狀況，安全性高；並投資小，收益高。該工法突破了傳統的人工頂管最多頂進30米的距離，具有一定的經濟效益。

三、套用該工法施工，保護了地面的建築物及地上的設施，保證了道路、水運的正常通行，並實現了300米以上不開啟中繼間的長距離頂管施工，得到了業主與監理的肯定及市民的好評，取得的經驗可為類似工程借鑑，具有無形的經濟效益與社會效益。

套用實例

《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》的套用實例如下：

一、北陵湖綜合治理改造工程套用實例

工程名稱：北陵湖截污工程（一標段雨水管道工程）。工程地點：瀋陽市北陵內。結構形式：鋼筋混凝土頂管，280米段管徑D=2.2米。實物工作量：848米。實際開竣工日期：2008年8月12日~2009年6月1日。套用效果：在該工程的Y2~Y3段長度為280米的頂管施工中，套用該工法，效果良好，地面未出現沉陷，地面上的古樹、古建築、道路等均未被破壞，單向頂進一次性成功。如下圖1、下圖2。

二、瀋陽市長白新區長白五路頂管工程套用實例

工程名稱：長白五路頂管工程。工程地點：瀋陽市長白島長白五路與沈蘇快速幹道交叉口處。結構形式：D=1.8米鋼筋混凝土頂管。實物工作量：60米。開竣工日期：2009年8月1日~2009年10月1日。套用效果：在該過路頂管施工中，套用該工法，效果良好，路面未出現塌陷，未影響交通的正常通行，單向一次性頂進成功。如下圖1、下圖2。

三、武漢落步嘴污水收集系統管網工程套用實例

工程名稱：武漢市亞行貸款污水處理項目落步嘴污水收集系統管網工程標段二。工程地點：湖北省武漢市。結構形式：DN800、DN1800及DN2000鋼筋混凝土管，鋼承口連線、楔形橡膠圈密封；D1620鋼管。

實物工程量：D800頂管鋼筋混凝土頂管223米；DN1800鋼筋混凝土頂管1560.86米；DN2000鋼筋混凝土頂管316.07米；D1620管鋼管頂管565.2米；D1620鋼管開槽埋管871.35米。實際開竣工日期：2007年9月1日~2010年2月28日。套用效果：在該工程W1~W24頂管施工中套用該工法，效果良好。通過取消頂管井延長頂進距離，實際施工頂管井12座，共減少頂管井12座頂進長度從平均75米延長至150米左右，其中W6~W8頂段達到187米。長距離頂管降低了施工成本，縮短了工期，減少了拆遷對工程的影響。頂管沿線周邊建築物的安全無恙，尤其是坼洲街101氣櫃、21世紀花園住宅小區重要敏感區域。如下圖所示。

管線示意圖

榮譽表彰

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單》，以建質[2011]154號檔案公布，《人工頂進長距離混凝土管道減少摩阻力施工工法》被評定為中國國家二級工法。