建筑技术丨复杂条件下地下管线非开挖微型顶管技术研究与应用

1 工程概况

北京城市副中心站综合交通枢纽工程配套道路工程，其中新建市政污水工程管径为D 400~D 800 mm，新建给水管径为D 600 mm，新建再生水管径为D 500 mm。新建给水、再生水、污水管线分别位于紫云南街、玉带河大街和东六环西侧路，给水管径为DN 600 mm，再生水管径为DN 500 mm；污水管径分别为DN 400 mm，DN 400 mm~DN 600 mm管均采用微型顶管施工；顶管施工部分共设置竖井共12座，其中工作井9座，尺寸为3 m×4 m预制方涵；接收井9座，尺寸分别为 3.0 m预制沉管。

2 周边环境影响

2.1 地质复杂管线穿越不同土层

在非开挖微型顶管技术的应用中，地质条件对施工的影响极为显著。不同土层的物理性质存在巨大差异，对顶管施工提出了各自独特的挑战。软土层结构松散，易导致顶管设备偏移；而硬土层则因其坚硬和密实，可能导致设备磨损加剧，需要采取额外的防护措施以延长设备寿命。为了克服这些施工难题，在正式施工前必须进行详尽的地质勘察工作，通过钻探和取样等方法准确了解土层分布和性质。例如，在遇到软土层时，可以通过调整推进速度、增加支撑力来保持设备稳定；而在硬土层中，则需适当降低推进速度，并采用高效耐磨材料，以减少设备磨损。此外，根据不同类型土层，选择合适的泥浆和润滑剂也至关重要。软土层中使用更稠密的泥浆可以增加稳定性，而在硬土层则需选择具有更强润滑效果的材料，以确保顶管顺利穿越并达到预期目标。工程地质剖面如图1所示。

图1 工程地质剖面示意（局部）

2.2 地下管线影响——人工探挖

人工探挖作为一种传统的探查手段，依然在非开挖微型顶管技术中发挥着关键作用。通过人工探挖，可以有效避免施工过程中对现有管线造成损害，从而确保整个施工过程的安全性。在施工准备阶段，应详细制订具体的探挖方案，例如：在竖井开挖范围内进行十字探坑挖探，探坑深度1.5 m，坑底宽度不小于1 m。探明管线的种类、规格、根数、走向和深度并形成台账。并使用先进的探测设备，如高精度地质雷达，以确保探查结果的准确性和可靠性。这样不仅能保护已有设施，还能为后续工作提供坚实保障。

2.3 顶坑位置充分考虑交通导改分期

在城市环境中，非开挖微型顶管施工需要与交通导改紧密配合，以尽量减少对交通流的干扰。选择顶坑位置至关重要，必须充分考虑交通导改分期安排。合理选择顶坑位置，不仅能有效降低施工区域对车辆和行人的影响，还能保障安全。在施工过程中，应根据实际情况灵活调整顶坑的位置和交通导改方案。例如，在高峰时段可能需要临时改变导流路径，而在夜间或非高峰期则可以进行更大范围的道路封闭，可以确保这两者同步顺利进行，从而实现工程目标与交通秩序的双重保障。

3 微型螺旋顶管施工工艺

3.1 施工工艺

微型顶管技术是一种非开挖施工方法，其是通过地面工作井和接收井来完成地下管线的铺设。

首先，微型顶管技术依靠的是一台小型化的顶管机，该设备能在狭小空间进行精确操作。其核心部件包括切削头、推进系统和导向系统。切削头负责破碎前方土层，推进系统则通过液压或机械方式推动管道前进，而导向系统确保了顶管机按照预定轨迹行进。

其次，在具体操作中，需根据工程实际情况选择合适的掘进方式。目前常见的掘进方式有2种：机械式和泥水式。机械式主要应用于较硬土层，通过机械切削实现土体破碎；泥水式则适用于软土层，通过泥浆循环实现土体支护和排渣。

再次，微型顶管技术还需要配备相应的监测系统，以确保施工过程中的安全性和精准性。例如，通过激光导向仪或陀螺仪实时监测顶管机的位置和姿态，从而及时调整施工参数，避免偏差。此外，还可以利用视频监控设备对切削头前方进行观察，以便及时发现并处理可能出现的问题。

3.2 工艺流程

微型顶管施工工艺流程：微型顶管机安放调试→激光经纬仪定向→先导管顶进→出土外管顶进→螺旋刀盘顶进→钢筋混凝土管顶进→设备拆除。

3.2.1 顶管设备安装

（1）后背混凝土施工完成后，采用起重机或门式起重机将微型顶管机吊运至工作坑底，根据管道中心轴线安装推进机台底座及机台，将机台与顶进坑底板固定牢固，要求施工中不得移动。设备固定完成后，连接液压油管，启动设备，要求油缸顶进、回缩，查看设备是否正常工作。

（2）激光经纬仪定向。由测量员利用加密导线点通过联系测量放出工作坑内管线中心线以及高程，在中心点线上安放激光经纬仪，利用已知高程调整激光经纬仪坡度，使激光经纬仪按照设计坡度投影至先导管上。

3.2.2 管道顶进

（1）先导管顶进。先导管采用直径114 mm双臂中空钻杆（设备配套使用，管径D不大于600 mm微顶管施工采用此型号），每段长度1~1.5 m，通过激光经纬仪定向以及电子纠偏显示屏操作，可精确按设计坡度进行顶进，顶管机顶进一节先导管后回缩，安装下一节先导管，直至先导管到达接收坑。先导管钻头为斜面，斜面背后有测量标靶，通过工作坑内的激光经纬仪观察钻头中心的光源镜面标记，扭力转动控制箭头方向，使得激光点始终照射到光靶中心。

（2）出土外管顶进。出土外管采用与新建管线管径一致钢管，待先导管到达接收井后，安装出土外管，出土外管顶进的同时安装螺旋刀盘，螺旋刀盘与先导管后端连接密实，通过扭力进行土体切割，切割的土体通过螺旋刀盘运出至工作坑。每节出土螺旋刀盘与出土外管长1.0~1.5 m，每顶进1.0~1.5 m，进行1次出土螺旋刀盘与出土外管安装、连接。连续不间断施工，直至螺旋刀盘及出土外管到达接收坑。

（3）钢筋混凝土管顶进。螺旋刀盘与出土外管距离接收坑剩余1~2 m时，在工作坑安装转换节，转换环节一端与出土外管连接，一端与混凝土管承插连接（混凝土管每节长度1 m），然后顶进，水泥管在工作井每顶进一节，出土外管在接收井拆卸回收一节，依次循环，直到机头进入接收坑内，完成整个顶管施工。由于先导管和出土外管有导向作用，水泥管顶进时无需再调整机头就可准确达到管道预设的轴线及高程。

3.2.3 设备拆除

（1）先导管拆除。先导管到达接受井后，工作井安装螺旋刀盘与出土外管，螺旋刀盘与出土外管每顶进一节，先导管在接收井处拆卸回收一节，依次循环，直至螺旋刀盘与出土外管到达工作井。

（2）螺旋刀盘拆除。待出土外管与螺旋刀盘到达接受井后，启动油缸回缩，将螺旋刀盘带至工作井，在工作井拆卸回收。

（3）出土外管拆除。混凝土管（每节管道长度1 m）通过转换节与出土外管连接，混凝土管每顶进一节，出土外管在接受井内拆卸一节，直至混凝土管到达接收井内。

（4）微型顶管机拆除。混凝土管到达接受井内时，停止顶管机工作，拆卸液压油管，拆除顶管机机台与接收井底板固定，将顶管机吊至现况地面。管道顶进、检测全部完成后，拆除顶镐、后背铁等设备，进行下一道管道施工。

3.3 管道周边注浆加固工艺

管道周边注浆加固是非开挖微型顶管技术中的关键工艺，旨在提高管道周边土体的稳定性，防止路面产生沉降。施工过程中，需根据地质条件和管道特性，选择适当的注浆材料和配合比。常用的注浆材料包括水泥浆、化学浆和膨润土浆。注浆施工应严格按照设计要求进行，确保浆液均匀分布和充分填充。在注浆前，先将两管端外壁封堵到位。

本工程注浆材料采用水泥粉煤灰浆液，水泥粉煤灰配合比为水泥∶粉煤灰=1∶3，水泥粉煤灰∶水=1∶1。注浆压力控制在0.2~0.5 MPa，注浆后的土体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。管道周边注浆工艺流程如图2所示。

图2 管道周边注浆工艺流程

3.3.1 注浆孔位布置

（1）浆液扩散半径按0.4 m考虑，孔位设置在管道3个方向位置，实施时遵循布孔原则合理布置注浆孔位。注浆孔位布置如图3所示。

图3 注浆孔位布置示意

3.3.2 注浆加固顺序

按照由外向内、由下向上注浆顺序进行注浆施工。

3.3.3 施工工序流程

（1）布孔：由测量人员按方案要求放出加固区域的孔位线，按照布孔图施工；钻孔时确保孔位下方无地下管线。

（2）成孔：钻孔前测量人员测定地面实际标高，确保钻孔深度满足设计要求，孔径46 mm。钻孔或注浆过程中为防止钻杆卡死，成孔后用水泥浆混合液由前到后进行封孔，确保成孔质量。

（3）浆液配制（水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥）。水泥浆∶水泥粉煤灰浆液，水泥粉煤灰浆配合比为水泥∶粉煤灰=1∶3，水泥粉煤灰∶水=1∶1。（根据现场实际情况和不同深度地层条件及时调整）。

（4）注浆：采用低压渗入式注浆，压力控制在0.2~0.5 MPa（注浆压力根据注入深度及地层情况及时进行调整），自深及浅逐渐减小，深处控制0.5 MPa，浅处控制0.2 MPa。

由孔洞底部开始注浆，边注浆边向上拔管，保证孔洞底部注浆密实，其后逐渐向外扩展，以达到较好加固效果。每注完一段，将注浆管回抽30~50 cm后再开始新一轮注浆，当注浆端头回抽至设计高度该处注浆完成后迅速封堵注浆孔，该注浆孔位结束注浆。单孔注浆终止条件应根据注浆压力和注浆量综合控制。

（5）注浆结束：注浆结束后，用速凝型化学浆液封孔，以防浆液外溢。

（6）注浆量理论计算公式见式（1）：

Q=πR²Lnαβ（1）

式中：R为浆液扩散半径；L为注浆管长度；n为地层孔隙率；α为地层填充系数，一般取0.8；β为浆液消耗系数，一般取1.1~1.2。

注浆工作从开始至结束，都应有专职人员全过程控制，如发现异常要立即停止注浆，并将情况反馈。

3.3.4 雷达检测与补充注浆

注浆完毕后，立即进行管周雷达检测注浆密实度，对雷达检测有空洞的地方，及时对土体再一次进行注浆填充。检测注浆密实度到达要求2 d后移除路面保护的钢板，清理路面恢复正常交通。

4 应用效果评价

4.1 占地面积小

非开挖微型顶管技术在地下管线铺设中具有显著的占地优势。首先，微型顶管技术能够灵活适应城市复杂环境。在繁华的市中心或老城区，道路狭窄、建筑密集，传统开挖方式难以实施，而微型顶管技术由于其设备体积小、操作简单，可以在有限空间内进行作业。其次，这种技术对周边设施的影响较小。例如，在施工过程中，无需破坏道路、绿化带等城市基础设施，减少了修复成本和时间。

此外，对于一些特定场所，如重要交通枢纽等，微型顶管技术提供了一种有效的解决方案，避免了对这些敏感区域的破坏。

4.2 周期快连续作业

非开挖微型顶管技术在施工周期方面具有明显优势。微型顶管技术采用机械化操作，通过专用设备将管道直接推送到预定位置，缩短各个工序之间的衔接时间，实现连续作业。

微型顶管机可以24 h不间断运行，提高了单位时间内的工作量。此外，由于减少了土方运输和处理环节，也降低了外部环境因素对施工进度的不利影响，使得项目管理更加高效。

同时，快速完工也意味着可以更早投入使用，为城市发展提供及时支持。例如，在一些紧急抢修项目中，快速恢复供水、供电等基础设施功能，可以显著减轻事故造成的不良影响。因此，周期快连续作业不仅提升了经济效益，也增强了社会效益，是推动非开挖微型顶管技术广泛应用的重要因素。

4.3 周边影响小

传统开挖方式通常伴随着大量噪声、扬尘以及交通阻塞，对周围居民和商业活动造成严重困扰。而采用微型顶管技术，则可以有效减缓这些负面影响。

首先，该技术在施工过程中产生噪声较低。该技术主要是在地下进行操作，并且设备相对静音，因此不会对周围环境造成过多噪声污染。这对于学校、医院等安静需求高的场所尤为重要。此外，与大规模土方作业相比，微型顶管产生的扬尘量极少，有助于维护空气质量，从而保护居民健康。

其次，对于交通影响方面，由于只需设置少量工作井，不会长时间占用道路，因此能够保持正常交通秩序。通过采用非开挖微型顶管技术，仅封闭了一条车道并留出足够宽度供车辆通行，减少了交通拥堵情况。同时，由于无需频繁进出大型机械设备，也避免了对道路结构造成额外损伤和后续维修需求。

最后，该技术还具备一定环保性。一方面，它减少了土壤扰动；另一方面，通过降低能源消耗与废弃物产生，也符合可持续发展的理念。因此，从多个角度来看，非开挖微型顶管技术不仅能有效完成地下工程任务，还能最大限度降低对周边环境及社区生活质量的不利影响，是一种值得推广应用的方法。

5 结束语

通过以上内容的详细探讨，可以看出非开挖微型顶管技术在城市地下管线施工中具有显著的优势。地质复杂和交通导改问题在合理的规划和技术措施下得到有效解决，施工工艺的精细化管理和质量检测确保了工程的高质量完成。

未来，随着技术的不断进步和完善，非开挖微型顶管技术将会在更多领域得到广泛应用，为城市基础设施建设提供坚实保障。