摘要：市政道路排水工程作为一项重要的基础建设项目，施工方法的选用直接影响着城市的环境及交通。传统的明挖管道沟槽施工方法因对周围环境影响大、环境污染严重与日趋严苛的城市环保要求存在较大的冲突，往往制约工程的进展。本文以柳州市古灵大道工程为例，摒弃传统的明挖沟槽方法，简述非开挖手掘式人工顶管的施工技术及主要施工过程，分析了顶管技术的优缺势以及施工中所需要注意的步骤要点，为类似工程提供借鉴经验。
关键词：雨污水管逆作法 工作井 后背墙 顶进
雨污水管顶管技术主要运用于道路排水施工工程中，该施工技术无需开挖管道沟槽，因此又被叫做非开挖管理排水工程，在道路排水施工中，它具有较大的优势，主要表现为：覆土顶进对地面无污染，避免粉尘，保持市容市貌整洁；无沟槽陷井避免人物掉落风险，施工安全性较高；对交通及周围环境影响小，施工速度快；顶管施工技术也存在一些不足，如施工周期较长，工程成本相对较高。不过，在已运营的繁忙市政道路施工管道排水工程，往往会优选顶管施工技术，所以在我国的道路排水施工中被广泛应用。本文以柳州市古灵大道工程为例，简述雨污水管施工中运用的手掘式人工顶管施工技术。
1 工程概况
古灵大道工程位于柳州市柳北区沙塘镇，西起石沙路滨江路段东至北进路，道路全长7.7公里，设计速度60km/h，双向6车道，东西走向，为运营道路。道路两侧雨污水管管道设计埋置较深，埋置深度为10米，设计方案采用手掘式人工顶管的施工技术。
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本次进行C1+663~C1+873段顶管施工，顶管全长260米，管道采用特制钢筋混凝土钢承口排水管，其中管径1500mm的49米,管径1200mm的211米；顶管段平均埋深为10.2米，顶管穿越的土层均为原状粘性土，纵向坡度为0.1%~0.3%；该段同时开挖3个工作井进行顶管施工，分别为C1+662、C1+780、C1+873。在顶管进行顶进作业时穿插接收井的开挖施工，接收井设3个，分别为C1+664、C1+720、C1+840。
2 手掘式顶管施工
手掘式人工顶管施工原理是在管道的沿线按设计方案从地面开挖工作井，在工作井内设置坚固的后座，安装好导轨和顶进设备，接好照明线路等，吊入要顶进的管材，采用人工挖土、油压千斤顶缓慢顶进，推动管节从工作井预留洞口穿入，穿过土层一直推到接收井，形成管道的施工。
整体施工流程：管道轴线测量定位→顶管工作井施工→顶管设备安装和调试→顶管安装→顶进前安全测试→人员进洞挖掘出土→顶进→接收井取出工具管→继续顶进至顶管接收井位指定位置。
2.1顶管工作井施工
本工程设3个工作井，3个接收井，采用逆作法施工，其中一个工作井内径为6000mm(壁厚500mm)，2个工作井内径为5000mm(壁厚400mm),3个接收井内径为4000mm(壁厚350mm)。
施工工艺流程：工作井放样→挖机就位→检验中心点及开挖范围→开挖至第一层深度→剪力墙钢筋绑扎→剪力墙模板安装→剪力墙混凝土浇筑→开挖至第二层并循环上述工作到基底→制作工作井底板（绑扎钢筋、模板安装、混凝土浇筑）→工作井完成。
在开挖前，由测量工根据图纸尺寸进行位置测放，经校核无误后，用石灰放出开挖边线，并用醒目的标记在基坑中间标出十字线，方可进行土方开挖施工。采用人工从上至下逐层挖土，挖土顺序为先中间后周边。其尺寸允许偏差不超过100mm。按标出的十字线吊线检查井中心位置和井的尺寸。然后进行剪力墙钢筋分层绑扎。
以逆作法施工，该工作井剪力墙一次制作成型（图1），从上至下一模一模往下施工，直到开挖到设计深度，每层剪力墙上下钢筋伸出300mm以便上下层钢筋绑扎搭接并通过现浇混凝土有效连接。为保证每层剪力墙自重不超过与外侧原土的摩擦力，每一模板高度不超过1.0m。基坑中心为人工开挖，剪力墙下方为人工清理，每一模混凝土强度达到设计要求才可以拆模，混凝土达到设计强度拆模，开挖第二模，循环作业至设计深度，按照设计图纸制作工作井底板，完成后再制作第一层剪力墙，至此完成工作井结构施工。为保证剪力墙的垂直度，要求每灌柱一节，就应校核该桩中心位置及垂直度一次。
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底板浇筑之后，在工作井壁前浇筑宽3.6m、厚80cm、高2.6m的C25钢筋混凝土墙作后背，混凝土墙底端宜在工作坑底以下50cm.同时，后背前设置2.5m*1.6m*O.012m的铁板垂直于管道轴线，与后背墙混凝土同时浇筑，垂直度必须控制在2.5mm以内，水平度与管道中心线垂直偏差控制在2mm以内。工作井及后背墙如下图
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2.2 顶管顶力、管材允许受力及后背计算
（1）顶管顶力计算
①对于顶管顶进深度范围土质好的，管前挖土能形成拱，可采用先挖后顶的方法施工。
根据经验公式：P=nP0
其中：P——总顶力
n——土质系数。
土质为粘土、亚粘土及天然含水量较大的亚砂土，管前挖土能成拱者，取1.5～2.0，本项目为黏土，n取2。
P0——为顶进管子全部自重。顶进的每节管自重约为2.48吨，最长段以60米计每节管长2米，共要顶进30节管，则P0＝2.48*30＝74.4吨。
则总的顶力为：P=nP0＝2*74.4＝148.8吨
考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，顶管设备取1.3倍左右的储备能力，设备顶进应力为193.4吨,取总的顶力F＝200吨，选用两个千斤顶作为顶进动力设备，每个千斤顶的顶力可为100吨。
②对于顶管顶进深度范围土质较差的，即开挖时容易引起塌方的，可采用先顶后挖的方法施工。
此时顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具管切土压力、管壁摩擦阻力等。工具管切土正压力：与土层密实度、土层含水量、工具管格栅形态及管内挖土状况有关。根据有关工程统计资料，顶管正阻力系数，软土层一般为20－30t/㎡，硬土层通常在30－50t/㎡。本项目由于属红黏土层（选直径1200mm的钢筋混凝土管，取值为50t/㎡）。
F1=S1×K1
其中
F1—顶管正阻力（t）
S1—顶管正面积（m2）
K1—顶管正阻力系数（t/m2）
F1=S1×K1=πr2×K1＝3.14*0.72*0.72*35＝81.39吨
管壁摩擦阻力：管壁与土间摩擦系数及土压力大小有关。根据有关工程统计资料，管壁摩擦阻力一般在0.3-0.9t/m2之间。
F2=S2×K2
其中
F2—顶管侧摩擦力（t）
S2—顶管侧面积（m2）
K2—顶管侧阻力系数（t/m2）
F2=S2×K2=πDL×K2=3.14*1.44*60*0.9=244.16吨
顶管阻力为以上二种阻力之和，顶进长度按最长管段60米计算，总顶力：F=F1+F2=81.39+244.16≈325吨
考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，顶管设备顶进能力按400t能力储备，选用两个200吨的千斤顶作为顶进动力设备。
（2）钢筋混凝土管允许顶力计算
Fdc=（0.5φ1φ2φ3）fcAp?/γQdφ5
式中Fdc—混凝土管道允许顶力设计值（N）；?????
?φ1—混凝土材料受压强度折减系数，可取0.90；
φ2—偏心受压强度提高系数，可取1.05；
φ3—材料脆性系数，可取0.85；
φ5—混凝土强度标准调整系数，可取0.79；
fc—混凝土受压强度设计值（N/mm2）取26.8；
Ap—管道的最小有效传力面积（mm2）;
γQd—顶力分项系数，可取1.3。
Fdc=0.5*0.9*1.05*0.85*26.8*3.14*（1440*1440-1200*1200）*0.25
/1.3*0.79=5213KN,即521.3吨＜400吨，混凝土管不会被破坏。
（3）后背受力计算
后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形即象是正常的，顶管中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。
后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。否则，千斤顶在余面后背上，造成顶进偏差。为了保证顶进质量和施工案例，施工时应后背的强度和刚度计算。
后背墙反力计算近式公式
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式中：
R-总推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）
a－系数（取1.5－2.5之间），此处取2
B－后座墙的宽度（M）此处取3米
γ－土的容重（KN/M3)此处取17（本工程为红黏土）
H－后座墙的高度(m)，此处取2.6米
Kp-被动土压系数，此处取2.37
c-土的内聚力（kPa)此处取25（本工程为红黏土）
h-地面到后座墙顶部土体的高度（M），此处取6米
按上式计算，工作坑后背能承受R=2*3（17*6*6*2.37/2+2*25*6√2.37+2*6*2.6*2.37）=7566KN，即757T顶力＞1.6*实际顶力400T=640T。完全能满足要求。
2.3 顶进施工
在工作井、后背墙施工完成后，即安装符合规定要求的导轨及顶进设备，而后进行顶进施工。
施工示意图：顶进设备安装调试→吊装工具管→吊装砼管到轨道上→装顶铁→装密封圈→开启油泵顶进→出土→管道贯通→注浆加固→拆出设备、清理→下一工序。
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工作井内设备安装完毕，经检查各部分处于良好状态，即可进行试顶。待调整各项参数后即可正常顶进施工。在施工过程中，做到勤挖勤顶勤测，加强监控。顶进施工时，主要利用风镐在前取土，千斤顶出镐在后背不动的情况下将管道向前顶进，其操作过程如下：①安装好顶铁，挤牢，启动油泵，千斤顶进，活塞伸出一个工作行程，将管子推前一定距离；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子为止；④御下顶铁，下管，在钢管接口处套上止水橡胶圈后，启动油泵把管子接口连接到钢承口内，待止水橡胶圈完全进入钢承口后，继续顶进。重复上述过程直至推至接收井内。
顶进开始时应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进，做到同步顶进、同步收缩。顶进时，为防管材顶烂，用一块1.8m×0.6m×0.05m的钢板垫在管后端，后接顶铁。顶铁相接一定要平直，顶进时要随时注意油泵压力表指示值的变化，控制千斤顶活塞杆的伸长度不超过总长的3/4，要连续顶进，不能停止不前，边挖土边顶进，将顶速控制在2.5～3.5cm/min，不要过快或过慢。顶进中若发现油路压力突然增高，应停止顶进，检查原因并经过处理后方可继续顶进。回镐时油路压力不得过大，速度不得过快。挖出的土方要及时外运，及时顶进，使顶力限制在较小范围内。顶进过程要特别注意崩铁、后靠背破坏、管节破坏和地面变化等事故，发现问题应及时解决。
如遇回填土或软弱土层，顶管能否顺利穿越存在不确定性；管道置于不同土层上，由于各层土的压缩性不同，时间一久可能会使管道产生不均匀沉降，造成管道接头松动，引起渗漏、排水不畅等。顶管在穿越该土层时，应控制顶进速度，并遵守先顶后挖的原则，严禁超前开挖，避免塌方；同时根据施工的实际情况，可考虑在管底下部夯填砂石，以加强地基的承载力，防止顶管出现栽头现象。对于管道可能出现的不均匀沉降，可考虑对管底软地基进行灌浆处理，为此需对顶管生产厂家进行交底，在管节端头留设灌浆孔。
本项目C1+780工作井为双向顶进，在一个方向管道推至制定接收井后，用1.6m*1.6m*O.02m钢板临时封堵管道口，按原设计方案浇筑反方向后背墙。拆除原后背墙面钢板，利用风镐在管道位置穿墙开孔，使用同样的方法顶进施工，直至完成所有顶管工作。
3 顶管施工的优缺点
与传统的开槽敷设管道法相比，用顶管技术施工具有以下优点：施工面由线缩成点，占地面积小；施工面移人地下，使地面活动不受施工影响，可保持交通运输畅通无阻：施工过程中做到不破坏现有的管线和构筑物，不影响其正常使用：
对天气环境要求较为宽松，除少数极端天气外，均可正常施工；施工噪音小，对沿线环境的污染少。
尽管顶管施工具有诸多优点，在城市污水管道施工中应用比较普遍，但该施工方法也存在一些不足，如：顶管施工对管材质量要求较高，顶进过程中一旦管材强度不够出现裂管，处理起来将十分麻烦：顶管过程中对顶进方向控制难度较大，而且一旦偏离，纠正起来较为困难；在粉质性粘土等结构松散的土层顶管时，容易引起塌方，从而导致地面沉陷。
4 结语
在道路排水工程中，顶管技术比传统技术具有更高的质量性保证和施工的速度保证，对周围施工环境的要求比较宽松。古灵大道污水管顶管施工实践，在有场地受限以及道路主干道有通车要求情况下，可无噪音、粉尘污染持续顶管施工，既完成了道路主车道开通放行的政府战略部署，又为解决场地问题赢得了时间，取得了良好的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]市政道路排水工程污水管顶管施工技术研究工程技术研究,2020,5(02)
[2]土的内聚力取值分析辽宁建材2010.03
[3]给排水工程顶管技术规程CECS246：2008
[4]市政排水管道工程及附属设施06M201-1