顶管设计荷载的计算

7　顶管法施工

本章导读：

顶管是继盾构之后发展起来的一种土层地下工程施工方法，主要用于地下进水管、排水管、煤气管、电信电缆等的敷（铺）设通道施工。它不需要开挖地面，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是一种非开挖的铺设地下管道的施工方法。

●主要教学内容：顶管法的基本概念与原理、顶管机及其选型、顶管工作井及布置、顶管施工技术、管节防水技术、顶管工程计算等。

●教学基本要求：了解顶管法施工的基本原理，熟悉主要施工设备，掌握基本的施工工艺、方案和方法。

●教学重点：顶管机及其选型、顶管施工技术、顶管工程计算等。

●教学难点：各种顶管机的形式与结构、顶管工程计算。

●网络资讯：网站：www. trenchless. cn，www.stec.net，www. cstt.org。关键词：顶管，非开挖技术，顶管施工，顶管机，顶管原理，顶管隧道。

7.1　顶管法简介

7.1.1　基本原理

顶管施工一般是先在始发井（坑）内设置支座和安装液压千斤顶，借助主顶油缸及管道沿程设置的中继油缸等的推力，把工具管或掘进机从工作井（坑）内穿过土层一直推到接收井（坑）内吊起。与此同时，紧随工具管或掘进机后面，将预制的管段逐一顶入地层。可见，这是一种边顶进、边开挖地层、边将管段接长的管道埋设方法，其施工流程如图7.1所示。

图7.1　顶管施工示意图
1—预制的混凝土管；2—运输车；3—扶梯；4—主顶油泵；5—行车；6—安全护栏；7—润滑注浆系统；8—操纵房；9—配电系统；10—操纵系统；11—后座；12—测量系统；13—主顶油缸；14—导轨；15—弧形顶铁；16—环形顶铁；17—已顶入的混凝土管；18—运土车；19—机头

施工时，先制作顶管始发井及接收井，作为一段顶管的起点和终点。始发井中有一面或两面井壁设有预留孔，作为顶管出口，其对面井壁是承压壁，其前侧安装有顶管的千斤顶和承压垫板（即钢后靠）。千斤顶将工具管顶出始发井预留孔，而后以工具管为先导，逐节将预制管节按设计轴线顶入土层中，直至工具管后第一节管节进入接收井预留孔，施工完成一段管道。为进行较长距离的顶管施工，可在管道沿程间隔一定距离设置一至多个中继间作为接力顶进，并在管道外周压注润滑泥浆。

整个顶管施工系统主要由工作基坑、掘进机（或工具管）、顶进装置、顶铁、后座墙、管节、中继间、出土系统、注浆系统以及通风、供电、测量等辅助系统组成。顶管机是顶管用的机器，安装在所顶管道的最前端，是决定顶管成败的关键设备。在手掘式顶管施工中不用顶管机而只用一只工具管。不管哪种形式，其功能都是取土和确保管道顶进方向的正确性。

顶进系统包括主顶进系统和中继间。主顶进系统由主顶油缸、主顶油泵和操纵台及油管4部分构成。主顶千斤顶沿管道中心按左右对称布置。在顶进距离较长、顶进阻力超过主顶千斤顶的总顶力、无法一次达到顶进距离时，需要设置中继接力顶进装置，即中继间。

采用顶管机施工时，其机头的掘进方式与盾构相同，但其推进动力由安设在始发井内的千斤顶提供。顶管管道由预制的管节连接而成，一节管长2～4 m。对同直径的管道工程，采用顶管法施工的成本比盾构法施工要低。

顶管法的优点是：接缝较盾构法大为减少，容易达到防水要求；管道纵向受力性能好，能适应地层的变形；对地表交通的干扰少；工期短，造价低，人员少；施工时噪声和振动小；在小型、短距离顶管使用人工挖掘时，设备少，施工准备工作量小；不需二次衬砌，工序简单。其不足是：需要详细的现场调查，需开挖工作坑，多曲线顶进、大直径顶进和超长距离顶进困难，纠偏困难，使用顶管机时处理障碍物困难。

7.1.2　应用与发展

顶管施工技术最早始于1896年美国北太平洋铁路铺设工程的施工中。欧洲发达国家最早开发应用顶管法，1950年前后，英、德、日等国家相继采用。据资料记载，日本在1948年使用过顶管技术，施工地点是在铁路下面，顶管直径只有600mm，顶距只有6m。从20世纪60年代开始，顶管施工技术在世界上许多国家得到推广应用。日本最先开发土压平衡盾构，并把该项技术用于顶管工程。

我国较早的顶管施工约在20世纪50年代，初期主要是手掘式顶管，设备也较简陋。70年代，工业大口径水下长距离顶管技术在上海首先取得成功。1978年，研制成功三段双铰型工具管，解决了百米顶管技术。1984年前后，我国的北京、上海、南京等地先后开始引进国外先进的机械式顶管设备，成功完成了一些较长距离的顶管工程，使我国的顶管技术上了一个新台阶。1987年，引入计算机控制、激光指向、陀螺仪定向等先进技术，顶进长度达到了1120 m（直径3 m）。1989年研制成功第一台φ1200 mm的泥水平衡遥控掘进机，1992年研制成功第一台外径为φ1440 mm土压平衡掘进机。1992年，上海奉贤开发区污水排海顶管工程中，将一根直径为φ1600 mm的钢筋混凝土管，单向一次顶进1511 m，成为我国第一根依靠自主力量单向一次顶进超千米的钢筋混凝土管。

随着时间的推移，顶管技术也与时俱进地得到了迅速发展，主要体现在以下几个方面：

（1）一次连续顶进的距离

一次连续顶进的距离越来越长，已由初期的20～30 m发展到2 km以上。2001年12月完成的浙江嘉兴污水排海顶管，将一根直径2.0 mm钢筋混凝土管单向顶进2 050 m，刷新了顶管一次顶进长度的世界纪录。

（2）顶管直径

顶管直径向小直径和大直径两个方向发展。一般情况下，顶管直径为0.9～2.0 m比较适宜，而目前世界上顶管管道的口径已达到4～5 m。如上海合流污水一期工程中的顶管，外径为4 160 mm。顶管技术在向大直径发展的同时，也向小直径（微型顶管）发展，最小顶进管的直径只有75 mm。

（3）管材

顶管管材最早使用的是混凝土或钢筋混凝土材料，有的也采用铸铁管材、陶土管，后来发展为钢管。目前大量采用的是钢筋混凝土管和钢管。随着玻璃钢制管技术的引进，玻璃钢顶管已于2001年获得成功，现已开始用PVC塑料管和玻璃纤维管取代小口径混凝土管或钢管作为顶管用管。

（4）挖掘技术

顶管掘进从最早的手掘式逐渐发展为半机械式、机械式、土压平衡式、泥水加压式等先进的顶管掘进机。尤其在直径小于1 m的微型隧道开发应用方面，更是得到了迅速发展。

（5）顶管线路的曲直度

过去顶管大多只能顶直线，现在已发展为曲线顶管，而且曲线形状也越来越复杂，如S形复合曲线、水平与垂直兼有的复杂曲线等。

其他方面，顶管的附属设备和材料也得到不断的改良，如主顶油缸已有两级和三级油缸；测量及显示系统已朝自动化方向发展，可做到自动测量、自动记录、自动纠偏。

7.1.3　顶管机类型

1）顶管分类

顶管施工的分类方法很多，每一种分类都只是侧重于某一个侧面，难以概全。下面介绍几种常用的分类：

（1）按口径大小分

按管子口径的大小分，有大口径、中口径、小口径和微型顶管4种。大口径多指直径2 m以上的顶管，中口径顶管的管径多为1.2～1.8 m，大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为500～1 000 mm，微型顶管的直径通常在400 mm以下。

（2）按一次顶进的长度分

一次顶进长度指顶进工作坑和接收工作坑之间的距离，按其距离的大小分为普通顶管和长距离顶管。顶进距离长短的划分目前尚无明确规定，过去多按100 m左右为界，现在可把500 m以上的顶管称为长距离顶管。

（3）按顶管机的类型分

顶管机安装在顶管的最前端，按破土方式分为手掘式顶管和掘进机顶管。掘进机顶管的破土方式与盾构类似，也有机械式和半机械式之分。机械顶管主要有土压平衡式和泥水平衡式。

（4）按管材分

按制作管节的材料分，有钢筋混凝土顶管、钢管顶管、其他管材的顶管。目前，大量采用的是钢筋混凝土顶管和钢顶管。

2）工具管

工具管是手掘式顶管的关键机具，具有掘进、防坍、出泥和导向等功能。工具管一般用钢板焊制，其种类很多，常见的刃口式如图7.2所示，由切土刃角、纠偏油缸（4只）、钢垫圈、承插口等组成。施工时，人进入工具管内用手工方法破碎工作面的土层，破碎工具主要有镐、锹以及冲击锤等。如果在含水量较大的砂土中，需采用降水等辅助措施。挖掘下来的土，大多采用人力车推出或拉出管外，利用小绞车提升到地面。

图7.2　刃口工具管

这种工具管适用于软黏土中，而且覆土深度要求比较大。另外，在极软的黏土层中也可采用网格式挤压工具管（原理与网格式盾构机类似）。

工具管的外径应比所顶管子的外径大10～20 mm，以便在正常管节外侧形成环形空间，注入润滑浆液，减小推进时的摩擦阻力。

3）土压平衡顶管机

（1）单刀盘式顶管机

单刀盘式土压平衡顶管机由刀盘及驱动装置、前壳体、纠偏油缸组、刀盘驱动电机、螺旋输送机、操纵台、后壳体等组成，如图7.3所示。它没有刀盘面板，刀盘后面设有许多根搅拌棒。这种顶管机适用于φ1.2～3.0m口径的混凝土管施工，在软土、硬土中都可采用，可在覆土厚度为0.8倍管道外径的浅埋土层中施工。

图7.3　单刀盘式顶管机

这种顶管机的工作原理是：大刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓，通过螺旋输送机输送出来。密封土仓内的土压力值平衡原理与土压平衡盾构机类似。由于大刀盘无面板，其开口率接近100%，所以设在隔仓板上的土压计所测得的土压力值就近似于掘削面的土压力。

（2）多刀盘式顶管机

多刀盘式顶管机是一种非常适用于软土的顶管机，其主体结构如图7.4所示。4把切削搅拌刀盘对称地安装在前壳体的隔仓板上，伸入到泥土仓中。隔仓板把前壳体分为左右两仓，左仓为泥土仓，右仓为动力仓。螺旋输送机按一定的倾斜角度安装在隔仓板上，隔仓板的中心开有一人孔，通常用盖板把它盖住。前后壳体之间有呈井字形布置的4组纠偏油缸连接。在后壳体插入前壳体的间隙里，有两道V字形密封圈，它可保证在纠偏过程中不会产生渗漏现象。

图7.4　多刀盘式土压平衡顶管机

与单刀盘式相比，多刀盘顶管机价格低、结构紧凑、操作容易、维修方便、质量轻。由于采用了4把切削搅拌刀盘对称布置，只要把它们的左右两把按相反方向旋转，就可使刀盘的转矩平衡，不会出现如同大刀盘在出洞的初始顶进中那样产生偏转。4把刀盘及螺旋输送机叶片的搅拌面积可达全断面的60%左右。

4）泥水平衡顶管机

泥水平衡顶管机是指采用机械切削泥土，利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力，采用水力输送弃土的泥水式顶管机。

泥水平衡式顶管机的结构形式有多种，如刀盘可伸缩的顶管机、具有破碎功能的顶管机、气压式顶管机等。图7.5是一种可伸缩刀盘的泥水平衡顶管机结构。

图7.5　刀盘可伸缩式泥水平衡顶管机

该种机型的刀盘与主轴连在一起，刀盘由主轴带动可作左右两个方向的旋转运动，同时刀盘又可由主轴带动前后伸缩运动。刀头也可作前后运动。刀盘向后而刀头向前运动时，切削下来的土可从刀头与刀盘槽口之间的间隙进入泥水仓，如图7.6所示。

图7.6　刀盘的开闭状态

泥水式顶管的泥水循环与管理如同泥水平衡盾构机，施工中应了解泥水的性质，加强泥水的管理。泥水管理包括泥水的流量、流速、压力、相对密度等各个方面的管理，它是泥水式顶管施工中最重要的一个管理环节。

7.2　顶管施工

7.2.1　工作井及布置

工作井（有的称为工作坑或基坑），按其作用分为顶进井（始发井）和接收井两种。顶进井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机的始发场所，是承受主顶油缸推力的反作用力的构筑物，供工具管出洞、下管节、渣土运输、材料设备吊装、操纵人员上下等使用。在顶进井内，布置主顶千斤顶、顶铁、基坑导轨、洞口止水圈以及照明装置和井内排水设备等。在顶进井口地面上，布置行车或其他类型的起吊运输设备。接收井是接收顶管机或工具管的场所，与始发井相比，接收井布置比较简单。在多段顶管情况下，中间的工作井既是顶进井又是接收井。

1）工作井的形式

工作井按其形状分，有矩形、圆形、腰圆形（两端为半圆形，中间为直线形）、多边形等几种，其中以矩形为多；按其结构分，有钢筋混凝土井、钢板桩井、瓦楞钢板井等；按其构筑方法分，有沉井、地下连续墙井、钢板桩井、混凝土砌块（或砖）井等。下面按构筑方法进行介绍。

（1）沉井

沉井是先在地面上工作井的位置按设计的井壁（圈）规格构筑钢筋混凝土井壁（圈），然后挖掘井内的土方。随着土方的挖出，井壁在井口不断接长，并在自重作用下自动下沉，直到预定深度。

（2）地下连续墙井

先在地下一定深度范围内用地下连续墙围成一个矩形（或圆形）井，同时处理单幅墙体与墙体之间的接缝，使其不透水，最后将井内的土挖去，加上支撑和浇筑钢筋混凝土底板等。

（3）钢板桩井

钢板桩是一种常用的基坑围护形式。根据其横断面形状，可以分为普通钢板桩和拉森钢板桩两种。普通的钢板桩即为槽钢，拉森钢板桩与普通钢板桩不同：一是断面形状不同；二是拉森钢板桩的边缘有一个燕尾槽，相邻两块拉森钢板桩的燕尾槽相嵌，可以做到密不透水。

（4）砌筑井

采用混凝土砌块或大型钢筋混凝土弧板或砖进行砌筑，施工时一边挖土一边砌筑。土质较好、深度不大时，也可一次挖到底再进行砌筑，必要时也可进行简易的支护。

2）工作井的选择

（1）工作井的位置选择

工作井的位置应尽量避开房屋、地下管线、河塘、架空电线等不利于顶管施工作业的场所。尤其是顶进井，它不仅在坑内布置有大量设备，而且在地面上又要有堆放管子、注浆材料和提供渣土运输或泥浆沉淀池以及其他材料堆放的场地，还要有排水管道等。

如果工作井太靠近房屋和地下管线，在其施工过程中可能会对它们造成损坏，给施工带来麻烦。有时，为了确保房屋或地下管线的安全，不得不采用一些特殊的施工方法或保护措施，这样又会增加施工成本、延误工期。

工作井设在河塘边会给施工造成威胁以致因渗水而无法施工，万一河塘中的水与井中贯通，不仅会造成严重的水土流失，不利于井的安全；同时会减小工作井后座墙承受主顶油缸反力的能力，使顶管施工的难度增大，并且会增加中继间的数量，使顶管施工成本上升。在架空线下作业，尤其是在高压架空线下作业，常常会发生触电事故或造成停电事故，施工很不安全。

（2）工作井数量的选择

工作井的数量要根据顶管施工全线的情况合理选择。顶进井的构筑成本会大于接收井，因此在全线范围内，应尽可能地把顶进井的数量降到最少；同时还要尽可能地在一个顶进井中向正反两个方向顶，这样会减少顶管设备转移的次数，从而有利于缩短施工周期。

（3）工作井构筑方式的选择

在选取工作井的构筑方式时，应先全盘综合考虑，然后再不断优化。一般的选取原则有以下几条：在土质比较软，而且地下水又比较丰富的条件下，首先应选用沉井法施工。在渗透系数为1×10-4 cm／s左右的砂性土中，可以选择沉井法或钢板桩法；在地下水非常丰富、淤泥质软土中，可采用冻结法施工。钢板桩工作井是使用最多的一种，施工成本低，构筑容易，施工速度快，在土质条件比较好、地下水少的条件下，应优先选用。顶进井采用钢板桩时，顶进距离不宜太长。如果地下水丰富可配合井点降水等辅助措施。在覆土比较深的条件下可采用沉井法或地下连续墙法。在一些特殊条件下，如离房屋很近，则应采用特殊施工法。在一般情况下，接收井可采用钢板桩、砖等比较简易的构筑方式。

不论采用哪种形式构筑的工作井，在施工过程中都应不断观察，看它是否有位移。如果有，则应十分仔细地排除因移动产生的误差。通常沉井或地下连续墙等整体性好的工作井所产生的位移多是整体性的，钢板桩、砌筑式等工作井的位移则是局部的。

3）顶进工作井的布置

顶进工作井的布置分为地面布置和井内布置。

（1）井内布置

井内布置包括前止水墙、后座墙、基础底板及排水井等。后座要有足够的抗压强度，能承受住主顶千斤顶的最大顶力。前止水墙上安装有洞口止水圈，以防止地下水土及顶管用润滑泥浆的流失。在顶管工作井内，还布置有工具管、环形顶铁、弧形顶铁、基坑导轨、主顶千斤顶及千斤顶架、后靠背，如图7.7所示。其中主顶千斤顶及千斤顶架的布置尤为重要，主顶千斤顶的合力的作用点对于初始顶进的影响比较大。

后座墙是把主顶油缸推力的反力传递到工作井后部土体中去的墙体，是主推千斤顶的支承结构。它的构造会因工作井的构筑方式不同而不同。在沉井工作坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁。在钢板桩工作井中，必须在工作井内的后方与钢板桩之间浇筑一座与工作井宽度相等的、厚度为0.5～1.0 m、其下部最好能插入工作井底板以下0.5～1.0 m的钢筋混凝土墙，目的是使推力的反力能比较均匀地作用到土体中去。还要注意的是，后座墙的平面一定要与顶进轴线垂直。

后靠背是位于主顶千斤顶尾部的厚铁板或钢结构件，称之为钢后靠，其厚度在300 mm左右。钢后靠的作用是尽量把主顶千斤顶的反力分散开来，防止将混凝土后座压坏。

洞口止水圈是安装在顶进井的进洞洞口和接收井的出洞洞口，具有制止地下水和泥沙流入工作井的功能。洞口止水圈有多种多样，但其中心必须与所顶管的中心轴线一致。

顶进导轨由两根平行的轨道所组成，其作用是使管节在工作井内有一个较稳定的导向，引导管段按设计的轴线顶入土中，同时使顶铁能在导轨面上滑动。在钢管顶进过程中，导轨也是钢管焊接的基准装置。

图7.7　顶进工作井内布置图
1—管节；2—洞口止水系统；3—环形顶铁；4—弧形顶铁；5—顶进导轨；6—主顶油缸；7—主顶油缸架；8—测量系统；9—后靠背；10—后座墙；11—井壁

主顶进装置除了主顶千斤顶以外，还有千斤顶架，以支承主顶千斤顶；供给主顶千斤顶压力油的是主顶油泵；控制主顶千斤顶伸缩的是换向阀。油泵、换向阀和千斤顶之间均用高压软管连接。主顶油缸的压力油由主顶油泵通过高压油管供给。常用的压力在32～42 MPa，高的可达50 MPa，顶力一般为1 000～4 000 kN。在管径比较大的情况下，主顶油缸的合力中心应比管中心低管内径的5%左右。

主顶行程不能一次将管节顶到位时，必须在千斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。主顶行程一般应大于1.0 m，否则会增加吊放顶铁的次数，影响施工效率。顶铁有环形、U形和马蹄形等，如图7.8所示。环形顶铁的内外径与混凝土管的内外径相同，主要作用是把主顶油缸的推力较均匀地分布在所顶管子的端面上；U形和马蹄形顶铁的作用有两个：一是用于调节油缸行程与管节长度的不一致；二是把主顶油缸各点的推力比较均匀地传递到环形顶铁上去。U形顶铁用于手掘式、土压平衡式等顶管中，它的开口是向上的，便于管道内出土。马蹄形顶铁适用于泥水平衡式顶管和土压式中采用土砂泵出土的顶管施工，它的开口方向与弧形顶铁相反，是倒扣在基坑导轨上的，以便在主顶油缸回缩以后加顶铁时不需要拆除输土管道。

图7.8　顶铁的断面形状

测量是顶管施工的眼睛，对减少顶管的偏差起着决定性意义。测量仪器（经纬仪和水准仪）应布置在一固定位置，并选好基准点，同时经常对仪器的原始读数进行核对。在机械式顶管中大多使用激光经纬仪。

（2）地面布置

地面布置包括起吊、供水、供电、供浆、供油等设备的布置，以及测量监控点的布置等。

起吊设备可采用龙门行车或吊车。行车轨道与工作井纵轴线平行，布置在工作井的两侧。若用吊车，一般布置在工作井两侧，一侧一台，一台起吊管子用，另一台吊土用。吊管子的吊车吨位可大些。

供电包括动力电和照明电供给。施工工期长、用电量大时，需砌筑配电间。接到管内的电缆必须装有防水接头，而且还必须把它悬挂在管内的一侧，并且不要与油管及注浆、水管挂在同一侧。管内照明应采用12 V或24 V的低压行灯。一般情况下，动力电源是以三相380 V直接接到掘进机的电气操纵台上。长距离、大口径顶管时，为了避免产生太大的电压降，也可采用高压供电，供电电压一般在1 kV左右。这时，在掘进机后的三到四节管子内的一侧，安装有一台干式变压器，再把1 kV的电压转变成380 V供掘进机用。

供水：在手掘式和土压式的顶管施工中，供水量小，一般只需接两只0.5～1 in的自来水龙头即可。泥水平衡顶管施工中，由于其用水量大，必须在工作坑附近设置一个或多个泥浆池，向泥浆池内添加水的水源可用自来水，也可采用河水或地下水。

供浆设备主要由拌浆桶和盛浆桶组成，盛浆桶与注浆泵连通。现在多用膨润土系列的润滑浆，它不仅需要搅拌，而且要有足够的时间浸泡，这样才能使膨润土颗粒充分吸水、膨胀。除此以外，供浆设备一般应安放在雨棚下，防止下雨时对浆液的稀释。

液压设备主要指为主顶油缸及中继间油缸提供压力油的油泵。油泵可以置于地上，也可在工作井内后座墙的上方搭一个台，把油泵放在台子上。一般不宜把油泵放在井内。

在采用气压顶管时，空压机和储气罐及附件必须放置在地面。为减少噪声影响，空压机宜离工作井远一点。

4）工作井平面尺寸的计算

工作井的平面尺寸取决于管径和管节长度、顶管机类型、排土方式、操作工具以及其后座墙等因素。矩形断面工作井的尺寸按以下方法确定：

（1）工作井的宽度B

（2）工作井的长度L

圆形断面可参照长度尺寸L做内切圆确定。工作井的施工成本较大，应最大限度地减小顶进设备的尺寸，以减小工作井的尺寸，降低工程成本。

7.2.2　进出洞技术

1）顶管进洞段施工

一般将进洞后的5～10 m作为进洞段。全部设备安装就位，经过检查并试运转合格后可进行初始顶进。进洞段的施工要点如下：

①拆除封门。顶管机进洞前需拔出封门用的钢板桩。拔除前，工程技术人员、施工人员应详细了解现场情况和封门图纸，制订拔桩顺序和方法。钢板桩拔除前应凿除砖墙，工具管应顶进至距钢板桩10 cm处的位置，并保持最佳工作状态，一旦钢板桩拔除后立即能顶进至洞门内。钢板桩拔除应按由洞门一侧向另一侧依次拔除的原则进行。

②施工参数控制。需要控制的施工参数主要有土压力、顶进速度和出土量。实际土压力的设定值应介于上限值与下限值之间。为了有效地控制轴线，初进洞时，宜将土压力值适当提高。同时加强动态管理，及时调整。顶进速度不宜过快，一般控制在10 mm／min左右。出土量应根据不同的封门形式进行控制，加固区一般控制在105%左右，非加固区一般控制在95%左右。

③管节连接。为防止顶管机突然“磕头”，应将工具管与前三节管节连接牢靠。

④工具管开始顶进5～10 m的范围内，允许偏差为：轴线位置3 mm，高程0～+ 3 mm。当超过允许偏差时，应采取措施纠正。

2）顶管出洞段施工

接收井封门在制作时一般采用砖封门形式，在其拆除、顶管机出洞过程中极易造成顶管机正面土体涌入井内等严重后果，从而给洞圈建筑孔隙的封堵带来困难。

（1）出洞前的准备工作

在常规顶管出洞过程中，对洞口土体一般不作处理。但若洞口土体含水量过高，为防止洞口外侧土体涌入井内，应对洞口外侧土体采取注浆、井点降水等措施进行加固。

在顶管机切口到达接收井前30 m左右时，做一次定向测量。做定向测量的目的：一是重新测定顶管机的里程，精确算出切口与洞门之间的距离；二是校核顶管机姿态，以利出洞过程中顶管机姿态的及时调整。

顶管机在出洞前应先在接收井安装好基座，基座位置应与顶管机靠近洞门时的姿态相吻合，如基座位置差异较大，极容易造成顶管机顶进轨迹的变迁，引起已成管道与顶管机同心圆偏离值增大。另外，顶管机进入基座时亦会改变基座的正常受力状态，从而造成基座变形、整体扭转等。考虑到这一点，应根据顶管机切口靠近洞口时的实际姿态，对基座做准确定位与固定，同时将基座的导向钢轨接至顶管机切口下部的外壳处。

顶管机切口距封门2 m左右时，在洞门中心及下部两侧位置设置应力释放孔，并在应力释放孔外侧相应安装球阀，便于在顶管机出洞过程中根据实际情况及时开启或关闭应力释放孔。

为防止顶管机出洞时，由于正面压力的突降而造成前几节管节间的松脱，宜将顶管机及第一节管节、第一至第五节管节相邻两管节间连接牢固。

（2）施工参数的控制

随着顶管机切口距洞门的距离逐渐缩短，应降低土压力的设定值，确保封门结构稳定，避免封门过大变形而引起泥水流入井内等严重后果。在顶管机切口距洞门6 m左右时，土压降为最低限度，以维持正常施工的条件。

由于顶管机处于出洞区域，为控制顶进轴线，保护刀盘，正面水压设定值应偏低，顶进速度不宜过快，尽量将顶进速度控制在10 mm／min以内。待顶管机切口距封门外壁500 mm时，停止压注1#中继间至第一节管节之间的润滑泥浆。

为避免工具管切口内土体涌入接收井内，在工具管进入洞门前应尽量挖空正面土体。

（3）封门拆除

封门拆除前应详细了解施工现场情况和封门结构，分析可能发生的各类情况，准备相应措施。封门拆除前顶管机应保持最佳的工作状态，一旦拆除即刻顶进至接收井内。为防止封门发生严重漏水现象，在管道内应准备好聚胺酯堵漏材料，便于随时通过第一节管节的压浆孔压注聚胺酯。在封门拆除后，应迅速连续顶进管节，尽量缩短顶管机出洞时间。

（4）洞门建筑空隙封堵

顶管机出洞后，洞圈和顶管机、管节间建筑空隙是泥水流失的主要通道。待顶管机出洞后第一节管节伸出洞门500 mm左右时，应及时用厚16 mm环形钢板将洞门上的预留钢板与管节上的预留钢套焊接牢固，同时在环形钢板上等分设置若干个注浆孔，利用注浆孔压注足量的浆液填充建筑空隙。

7.2.3　正常顶进

管子顶进10 m左右后即转入正常顶进。顶进的基本程序是：安装顶铁，开动油泵，待活塞伸出一个行程后，关油泵，活塞收缩，在空隙处加上顶铁，再开油泵，到推进够一节管子长度后，下放一节管道，再开始顶进，如此周而复始。

1）顶铁安装

分块拼装式顶铁应有足够的刚度，并且顶铁的相邻面相互垂直。安装后的顶铁轴线应与管道轴线平行、对称，顶铁与导轨之间的接触面不得有泥土、油污。更换顶铁时，先使用长度大的顶铁，拼装后应锁定。顶进时工作人员不得在顶铁上方及侧面停留，并随时观察顶铁有无异常现象。顶铁与管口之间采用缓冲材料衬垫，顶力接近管节材料的允许抗压强度时，管口应增加U形或环形顶铁。

2）地层降水与堵水

采用手掘式顶管时，将地下水位降至管底以下不小于0.5 m处，并采取措施，防止其他水源进入顶管管道。顶进时，工具管接触或切入土层后，自上而下分层开挖。地下水丰富、降低地下水法难以奏效时应及时采取注浆堵水措施。

3）地层形变控制

顶管引起地层形变的主要因素有：工具管开挖面引起的地层损失；工具管纠偏引起的地层损失；工具管后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面损失；管道在顶进中与地层摩擦而引起的地层扰动；管道接缝及中继间缝中泥水流失而引起的地层损失。所以，在顶管施工中要根据不同土质、覆土厚度及地面建筑物等，配合监测信息的分析，及时调整土压力值，同时要求坡度保持相对的平稳，控制纠偏量，减少对土体的扰动。根据顶进速度，控制出土量和地层变形，从而将轴线和地层变形控制在最佳状态。

4）施工参数控制

顶管机正常顶进时，土压力的理论计算相对较繁琐，结合实践施工经验，实际土压力的设定值应介于上限值与下限值之间。顶进速度一般情况下控制在20～30 mm／min，如遇正面障碍物，应控制在10 mm／min以内。严格控制出土量，防止超挖及欠挖。为防止土层沉降，顶进过程中应及时根据实际情况对土压力做相应调整，待土压力恢复至设计值后，方可进行正常顶进。

5）管节顶进

顶管机进洞后的方向正确与否，对以后管节的顶进将起关键的作用。在中距离顶进中，实现管节按顶进设计轴线顶进，纠偏是关键，要认真对待，及时调节顶管机内的纠偏千斤顶，使其及时回复到正常状态。要严格按实际情况和操作规程进行，勤测、勤出报表、勤纠偏。纠偏时，采用小角度、顶进中逐渐纠偏。应严格控制大幅度纠偏，不使管道形成大的弯曲，防止造成顶进困难、接口变形等。纠偏方法有挖土校正法、木杠支撑法、千斤顶校正法。

在正常施工时，由于种种原因，顶管机头及管节会产生自身旋转。在发生旋转后，施工人员可根据实际情况利用顶管机械的刀盘正反转来调节机头和管节的自身旋转，必要时可在管节旋转反方向加压铁块。

顶进管节视主顶千斤顶行程确定是否用垫块。为保证主顶的顶力均匀地作用于管节上，必须使用O形受力环。当一节管节顶进结束后，吊放下一节管节，在对接拼装时应确保止水密封圈充分入槽并受力均匀，必要时可在管节承口涂刷黄油。对接完成并检查合格后，可继续顶进施工。

为防止顶管产生“磕头”和“抬头”现象，顶进过程中应加强顶管机姿态的测量。一旦出现“磕头”和“抬头”现象，应及时利用纠偏千斤顶来调整。

采用手工掘进时，工具管进入土层过程中，或进入接收井前30 m，每顶进0.3 m测量一次工具管的中心和高程，正常掘进时则需每1.0 m测量一次。

6）压浆

为减少土体与管壁间的摩阻力，应在管道外壁注润滑泥浆，并保证泥浆的稳定，性能满足施工要求，泥浆应经常进行性能测试。

合理布置压浆孔。在管节断面一侧安装压浆总管，每一定距离接三通阀门，并用软管连接至注浆孔。为使顶进时形成的建筑间隙及时用润滑泥浆所填补，形成泥浆套，达到减少摩阻力及地面沉降，压浆时必须坚持“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则，泵送注浆出口处压力控制在0.1～0.125 MPa。制订合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行。

压浆顺序为：地面拌浆→启动压浆泵→总管阀门打开→管节阀门打开→送浆（顶进开始）→管节阀门关闭（顶进停止）→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接总管→循环复始。由于存在泥浆流失及地下水的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大很多，一般可达理论值的4～5倍。施工中还要根据土质、顶进情况、地面沉降的要求等适当调整。顶进时应贯彻同步压浆与补压浆相结合的原则，工具管尾部的压浆孔要及时有效地进行跟踪注浆，确保能形成完整有效的泥浆环套。管道内的压浆孔进行一定量的补压浆，补压浆的次数及压浆量根据施工情况而定，尤其是对地表沉降要求高的地方，应定时进行重点补压浆。

在顶管顶进尤其在浅覆土施工中，土压力波动值控制在-0.02～+ 0.02 MPa范围内，保证开挖面稳定。同时严格控制润滑泥浆压力，防止跑浆。一旦跑浆，应立即组织力量采取相应措施。如遇轻微冒浆，应适当加快顶进速度，提高管节拼接效率，使其尽早穿越冒浆区；当跑浆严重时，则应采取适当提高润滑泥浆稠度或地面覆土等措施。

压浆浆液按质量进行配制。配比为：膨润土400 kg，加水850 kg，掺纯碱6 kg，CMC（纤维素）2.5 kg。pH为9～10，析水率<2%。

7）管道断面布置

在管道内每节管节上布置一压浆环管。在管道右上方安装照明灯，在管道底部铺设电机车轨道、人行走道板；同时在管道右下侧安装压浆总管及电缆等，如图7.9所示。

8）设备维修及保养

为确保顶管机正常顶进，正常施工期间必须经常对机械、电器设备等进行检修，保证顶进时具有良好的性能和工作状态。

图7.9　管道断面布置图

9）紧急处理

顶进过程中，出现下列紧急情况下应采取措施进行处理：工具管前方遇到障碍；后背墙变形严重；顶铁发生扭曲现象；管位偏差过大且校正无效；顶力超过管端的容许顶力；液压系统发生异常现象；接缝中漏泥浆；地层、邻近建筑物、构筑物和地下管线等的变形量超过控制容许值。

7.2.4　管节接缝防水

顶管施工过程中，当一节管节顶进完毕，进行下节管节顶进前，应将前后相邻两管节连接牢靠，以提高管段的整体性。顶进时的管节连接，分永久性和临时性两种：钢管采用永久性的焊接，管节的整体顶进长度越长，管节轴线的偏移随意性就越大；钢筋混凝土管节采用临时性连接。

1）钢筋混凝土顶管

（1）管节的接口形式

按钢筋混凝土管节的不同类别，接口有如表7.1所示的三种形式。

表7.1　管节的三种接口形式

下面介绍较为常用的两种。

①企口形管。企口形管的外形及接口形式如图7.10所示。实际施工时该管作承插连接，其中的橡胶止水圈如图7.11所示。右边腔内充有硅油，在两管节对接连接过程中，充有硅油的一腔会翻转到橡胶体的上方及左边，增强了止水效果。

图7.10　企口形管及其接口

图7.11　q形橡胶止水圈图

企口形管的优点：接口简单，安装方便；接口无钢环，不会因钢环锈蚀而产生接口失效，适用于酸碱度较大的土层；生产率高、成本低。

缺点：端口接触面积小，所能承受的顶力较小；前后两管节间的折角一旦增大，所能承受的顶力将会剧降，最大折角为0.75°。

②F形接口管。F形接口管是最为常用的一种钢套环承口式管节，它是把钢套环的前面一半埋入到混凝土管中，其外形及接口形式如图7.12所示。实际施工时该管作承插连接。采用该管施工时，具有接口可靠、端面接触面积大、所承受顶力大等优点，前后两管节张角可达3°，其最适宜于曲线顶管。

图7.12　F形管接口

（2）管节接缝的防渗漏水

顶管结束后，应用水泥砂浆并掺加适量粉煤灰，利用管节预留注浆孔对泥浆套的浆液进行全线置换，待浆液凝固后拆除压浆管路并用闷盖将孔口封堵。

对于管节间的接缝，在确保整条隧道无渗漏水现象的前提下，用双组分聚硫密封膏对管节接缝进行嵌填，抹平接口。

2）钢顶管

钢顶管是用一定厚度的钢板先卷成圆筒，再焊接成节。两管节之间采用焊接连接，其整体性好，不易产生渗漏水。

（1）接口形式

常用的接口形式有单边V形坡口和K形坡口两种，如图7.13所示。坡口的具体尺寸及坡度，可根据钢板厚度查阅焊接规范确定。单边V形坡口适用于人员无法进入的小口径管，采用单边坡口和单面焊接；K形坡口双面成型，管内外均需焊接，适用于口径较大的管道中。

（2）管节防腐

图7.13　坡口形式

①管节外防腐。管节在使用前，必须在其管外涂抹一层环氢沥青漆或氢凝防腐材料。氢凝不仅具有较强的防腐功能，且具有摩擦小等优点，有利于减小顶进阻力。由于钢顶管在顶进过程中必须进行焊接，故需使管端留有100 mm宽的无涂层段，此无涂层段在焊接结束后尽快涂抹快干的防腐涂层。

②管节内防腐。钢管的内涂衬一般采用抗硫酸型硅酸盐水泥，涂衬厚度为12 mm，误差为0～+3 mm。

7.2.5　长距离顶管

长距离顶管施工遇到的主要困难是主千斤顶的推顶力有限，不足以克服管道长距离顶进时遇到的总阻力。希望增加顶管单程顶进的长度时，可以供选择的措施如下：

①增加主千斤顶的顶力。这类措施比较有效。目前单只千斤顶的顶力已从1000 kN增加到2000 kN。但千斤顶顶力的增大受到机械加工业水平的制约，且太大的顶力将引起管段端面因局部抗压强度不足而破碎，故主千斤顶的顶力发展有一定的限度，不可能任意增大。

②减少管道周边与地层的摩擦力。在管道与地层之间的环形腔内注入泥浆，可使摩阻力显著减小，从而增加管道单程顶进的长度。

③中途设置中继间。显而易见，如能在管道顶进的中途设置中继间，安装辅助千斤顶，靠辅助千斤顶提供的动力继续顶进管段，必然可延长顶管的顶进长度，满足敷设长距离管道的需要。

在发展长距离顶管技术的过程中，减摩和设置中继间两项措施已得到较多研究，并已成为较为成熟的技术。此外，人们对减小顶管承受的正面阻力的方法也作过研究，以下分别作介绍。

1）减摩措施

（1）制作技术

对管道进行精心设计和精心制作，可有效地减小管壁和地层之间的摩擦力。在设计方面，应注意使工具管的刃脚外径略大于管道的外径，以使管壁与地层之间有一定的间隙。这类措施在土层较硬时较为有效，地层较软时应向管壁与土层之间的空隙注入支承泥浆，使地层能在一段时间内保持稳定，可有足够的时间顶进一节相当长的管道。

在制作方面，应注意使管壁外表面光洁平滑，以降低摩擦系数；管段应尽可能避免圆度误差，并保持直径一致，以免顶进时产生夹紧力。管段在工厂用多块管模拼装的模板浇筑时，管模尺寸公差、磨损程度的差别、脱模过早，或者在养护时发生收缩等都可能引起这类偏差，应对各个环节给予充分的注意。

（2）减摩泥浆

在管段外壁涂抹泥浆或向管道外壁与地层间的空隙注入泥浆，都可有效地减少摩阻力。这类泥浆常称减摩材料。减摩材料主要起润滑剂作用，并可帮助支持地层。用作减摩材料的泥浆腐蚀性应低，以免管道和接头因腐蚀而损坏。此外，减摩浆液在管道顶进过程中将随之向前移动，并在与地层发生相对运动的过程中不可避免地发生水分损失，使摩阻力增大，因此要求减摩浆液的失水率要比较小。

目前采用的减摩泥浆主要是膨润土泥浆。这类泥浆可满足上述要求，并已在长距离顶管中得到采用。膨润土浆液具有较好的触变性，有助于顶进管道在地层间运动时成为减摩剂，以溶胶状液减少摩阻力；静止时，成为凝胶支撑地层。

常用的膨润土主要有钙膨润土和钠膨润土两类。在含量相同的情况下，钠膨润土悬浮胶中极薄的硅酸盐叠层片的含量为钙膨润土悬浮溶液的15～20倍。因此钠膨润土比钙膨润土更适用于顶管施工。

润滑浆液注入地层的部位、顺序、注入压力和注入量都会直接影响减摩效果。压出的浆液应尽可能均匀地分布在管壁周围，以便围绕整个管段形成环带。因此，注浆孔在管壁上应均匀分布，通常在管子的中间位置均布3～4个孔。在渗透性小的黏土地层中，孔距应小些；在松散的砂土地层中，孔距可大些。一般在顶管机后连续放3～4节有注浆孔的管节，不断地注浆。随着顶管的推进，注入的浆液将向地层渗透和扩散。因此，在其后的管子节中，每隔2～5节放置一节有注浆孔的管节，用以补浆。

注浆压力不宜太高。压力太高容易发生冒浆；在注浆孔口周围形成高压密区，成为阻碍浆液继续流出和扩散的柱塞。此外，如果超过管道上覆土层的重力还可能引起地层的隆起。

进行注浆作业时还应注意与中继环的推顶协调一致，补浆宜与管段的推顶同步进行。需要特别注意的是，浆液在孔隙中的运动方向应与顶管前进方向保持一致，因为管段和悬浮液的逆向运动，将增加顶管的阻力。此外，对于静止不动的管段，不宜进行注浆。

2）降低开挖面正面顶进阻力的措施

降低开挖面上的正面顶进阻力，是使管段可以顺利推进的有效措施之一。然而由于开挖面上的正面顶进阻力是使开挖面地层保持稳定的重要因素，因而既应随时适当降低工作面上的正面阻力，又不能使其降低过多，影响开挖面地层的稳定性。降低正面阻力主要靠清除工具管前端的渣土来实现，降低程度与出土量有关。清除渣土时，操作工人应适当掌握分寸，使之既能及时地从刃脚和网格板前端清除相当数量的积土，以便降低必需的推顶力，又不致于过多地清土，以免造成地层松散、扰动、或工作面坍塌，引起上部土层大量沉陷等后果。

出土量是否适当主要凭操作工人的经验进行判断。因此，有经验的掘土工人，是顶管工程施工中非常宝贵的技术力量。

3）中继间

减摩措施和降低开挖面正面阻力的措施，可大大降低推顶阻力，加长顶管的推进距离，然而这些措施能起的作用有一定的限度。在顶管达到一定长度之后，单阻力仍可超过主千斤顶的极限能力，使管道不能再继续推进。因此，为了适应长距离顶进管道的需要，研制了中继间，又叫中继环，即管道沿全长分成若干段，在段与段之间设置中继间，如图7.14所示。

图7.14　中继间示意图

中继间是一个由钢材制成的圆环，内壁上设置有一定数量的短行程千斤顶，产生的推顶力可用于推进中继间前方的管道，其结构如图7.15所示。中继间主要由前特殊管、后特殊管、壳体油缸、均压环等组成。在前特殊管的尾部有一个与T形套环相类似的密封圈和接口，后特殊管外侧则设有两环止水密封圈，中继间油缸均匀布置在壳体内。油缸两头装有均压钢环，钢环与混凝土管之间有衬垫环。管道顶通后，把中继油缸拆卸下来，管子可直接合拢。

图7.15　中继间结构形式
1—中继间壳体；2—木垫环；3—均压钢环；4—中继间油缸；5—油缸固定装置；6—均压钢环；7—止水圈；8—特殊管

设置中继间以后，顶管顶进时，每次都应先启用最前面的中继间，将其前方的管道连同工具管一起向前顶进，后面的中继间和主千斤顶保持不动，直至达到该中继间的一个顶程为止，接着后面的中继间开始推顶作业，将两个中继间之间的管道向前推进。与此同时，前面的一个中继间的千斤顶排放油压，活塞杆缩进套筒。可见，这时被推进的只是该中继间和前面一个中继间环之间的管段。在顶进作业中，主千斤顶在每个循环中都最后推进。借助中继间的逐级接力过程，可将顶管的顶推距离延长，以适应长距离顶管施工的需要。

中继间的布置要满足顶力的要求，同时使其操作方便、合理，提高顶进速度。中继间在安放时，第一只中继间应放在比较前面一些。因为掘进机在推进过程中推力的变化会因土质条件的变化而有较大的变化。所以，当总推力达到中继间总推力的40%～60%时，就应安放第一只中继间环，以后，每当达到中继间环总推力的70%～80%时，安放一只中继间。而当主顶油缸达到中继间总推力的90%时，就必须启用中继间。

【工程实例7.1】

上海奉贤排污工程施工时，钢筋混凝土管内直径1.6 m，外径1.92 m，每节长3 m，总长度1 856 m。管节允许顶力6 000 kN，中继间装备顶力8 000 kN，中继间长度1.5m。根据计算共设11个中继间，每次仅用2个（为延长每个的适用寿命，减少每个的使用次数）。越靠工具管，间距越小（因启动次数多，多布置以便于轮流启动，减少启动次数，延长使用寿命）。工具管后第1～11个中继间间的间距分别为20 m，40 m，40 m，80 m，90 m，180 m，200 m，210 m，224 m，246 m和256 m。实际施工中，由于阻力较小，仅使用了第7和第10个中继间，其余未用。

7.3　顶管工程计算

顶管法施工时，预制管段借助于千斤顶提供的推力克服阻力，压入地层并向前推进。管道既要承受作用在横截面上的荷载，又要承受沿管轴方向作用的顶推力和阻力。管段必须同时满足使用阶段和施工阶段的强度、刚度和稳定性要求。横截面上的荷载为使用荷载，主要在设计时考虑；顶推力及阻力是管段在顶进过程中发生的荷载，属于施工荷载，在施工时要进行设计计算。在管节推进时，主顶装置作用在后座墙上或直接作用于井壁上，因此，一般也要进行后座墙的稳定性验算。手掘式顶管时，挖掘面的稳定性也要进行计算。

7.3.1　顶管设计荷载的计算

管道在使用阶段需要承受的荷载主要有：管道结构的自重，管道上方覆盖层的垂直土压力，管道侧向水平土压力，地下水压力，内部荷载，地面荷载，管道侧向土抗力，管底地层反力等。

垂直土压力计算比较复杂。当覆土层较薄（≤顶管外径）、土体较松散时，可将覆土层的全部重力取为垂直土压力；当覆土层较厚且土体较密实时，可考虑拱效应，按泰沙基公式或普氏公式计算。普氏公式为：

水平土压力一般按朗金主动土压力理论计算。对于刚度很大的钢筋混凝土管，也可按静止土压力计算水平土压力：

地下水压力的计算有两种情况，对透水性差的淤泥质土和黏性土，一般将地下水压力和土压力合并计算，即所谓的水土合算；对砂质土层，管道位于地下水位以下时应分别计算土层与地下水产生的压力，然后叠加，以求得作用在管道上的荷载。

管道受到的侧向土抗力与其在外荷载作用下产生的变形有关。变形朝向地层并对地层产生挤压作用时，被挤压的地层将对管壁产生反向约束限制作用，形成侧向抗力。侧向抗力的大小主要取决于管壁向地层变位的大小及地层受到挤压后变形的性质。抗力计算式如下：

地层较好，标准贯入度N>4时抗力较大；N> 2时抗力几乎为零，不再有工程意义，可忽略不计。

表7.2　地层抗力系数参考值

作用在管道上的其他荷载可按常规方法计算。管壁尺寸应按由以上荷载引起的最不利内力组合选择，包括配置钢筋。此外管壁强度和刚度还需要按照施工阶段的荷载验算。

7.3.2　顶力计算

主千斤顶在将某一管段推向前进时，必须克服刃脚前壁阻力、各管的外壁摩阻力、纠偏力及在遇到阻碍等情况下可能出现的强制顶进阻力等。

管道位于降水良好的坚实土层，管顶以上土体能保持形成土拱时，顶进中需要克服的摩阻力可按下式计算：

表7.3　不同土层摩擦角和摩擦系数

管道位于潮湿或有复杂地下管线的土层，顶部不能形成土拱时，顶时摩阻力可按下式计算：

式中符号意义同式（7.4）。

顶进距离较长、管壁外周注润滑泥浆时，可按下式计算：

管道采用敞开式顶管法施工时，顶管机的切入阻力按下式计算：

在封闭式压力平衡顶管施工中，迎面阻力可按如下经验公式计算：

顶进阻力主要用于验算管段端面的局部承压能力，以及用于检验主千斤顶的能力，决定是否需要设置中继环千斤顶。如前所述最大顶力一般是作用在端面上的偏心压力，使端面上的应力成为非均匀分布的应力。由于管段与管段之间的接缝一般只能承受压应力，因此在施工阶段设计中，除了考虑应使端面上的压应力小于允许值外，还必须注意使顶力的合力作用在环形截面的核心范围以内。

7.3.3　后背墙计算

在一般情况下，顶管工作井所能承受的最大推力应由顶管能承受的最大推力为先决条件，然后再反过来验算工作井后座是否能承受最大推力的反作用力。那么就把这个最大推力作为总推力，如果能承受，则必须以后座所能承受的最大推力作为总推力。不管采用何种推力作为总推力，一旦总推力确定了，在顶管施工的全过程中决不允许有超过总推力的情况发生。

在顶管过程中，为了使分散的各个油缸推力的反力变成均匀地作用在工作井的后方土体上，一般都需要浇筑一堵后座墙，在后座墙与主顶油缸尾部之间，再垫上—块钢制的后靠背，这样，由后靠背和后座墙以及工作井后方的土体这三者组成了顶管的后座。这个后座必须能完全承受油缸总推力P的反力。计算过程中，可把钢制的后靠背忽略而假设主顶油缸的推力是通过后座墙而均匀地作用在工作井后的土体上的，它的受力分析如图7.16所示。

为确保安全，反力R应为总推力P的1.2～1.6倍，R按照下式进行计算：

图7.16　后座的受力图

α———系数，取1.5～2.5；

B———后座墙的宽度，m；

γ———土的容重；

H———后座墙的高度，m；

K p———被动土压系数，按照朗肯土压力理论计算；

c———土的内聚力，kPa；

h———地面到后座墙顶部土体的高度，m。

本章小结

（1）顶管机是顶管施工的必需设备，也是关键设备。顶管机有手掘式和机械式两类，机械式又可分为泥水式、泥浆式、土压式、气压式、岩石式等。顶管机的类型很多，本章主要介绍了目前使用较多的泥水平衡式和土压平衡式顶管机及其施工工艺。当顶管距离较短、土层较好时多用手掘式施工。

（2）顶管法施工具有比其他施工方法对地面干扰小等优点，又有能在江河、湖海底下施工的特点，故自20世纪70年代起世界各国对顶管施工技术纷纷进行工程应用，广泛采用了膨润土触变泥浆减摩剂、盾构式工具管、机械化全断面切削开挖设备、水力机械化排泥、激光导向等技术和措施，从而使顶管的顶进长度和顶进速度越来越大，适应环境也日益广泛。

（3）顶管技术除直接用于各种管道的顶进外，还演变出许多特种顶管工程，如平列式顶管，用于铁路和道路立交上的大型箱涵（地道桥）顶进、垂直顶管等。

习　题

7.1　试述顶管法施工基本原理。

7.2　试述顶管施工的分类及特点。

7.3　顶管施工中工作井和接收井的选取原则有哪些?进出洞的措施有哪些?

7.4　顶管常用的管材和接口形式有哪些?

7.5　什么叫中继间?如何设置和使用中继间?

7.6　顶管施工的顶力如何确定?