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穿越铁路顶管施工方法

随着国家现代化进程，城市建设的脚步越来越快，地面上公路、立交桥、高楼大厦等建筑物星罗棋布，地面下热力、通讯、燃气等各种市政管线纵横交错、层叠密布，新的市政管线仍在不断铺设。开挖施工影响地面建筑、使道路变差、破坏环境，给人们的生活、工作带来诸多不便，同时，施工成本也越来越高。为了解决现有市政设施与施工的矛盾，诞生了一项新的施工技术——非开挖技术。

一、非开挖技术简介

目前，地下管线铺设的施工方法主要有开挖与非开挖两种施工方法，开挖施工方法的优点是施工简单、直接施工成本低，适于在宽阔的

地表、地面及地面以下不存在任何障碍物 ( 河流、公路、建筑物等 ) 、能够在施工不会影响交通的条件下铺设管线。近来，在城区采用开挖法施

工，越来越受到来自政治、经济和环境方面的压力和限制。

非开挖技术施工是指不开挖或只开挖少量作业坑，利用岩土钻掘技术进行铺设、修复、更换各种地下公用设施的施工方法，与开挖施工法相比，它高效、优质、成本适中、对环境友善，具有不影响地面建筑、不影响交通、不污染环境等特点，在许多情况下，比开挖法施工的周期短、综合成本低、安全性好。现在，已经作为城市市政施工的主要手段，广泛应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等不允许或不能开挖的条件下进行煤气、电力、电讯、有线电视线路、石油、天然气、热力、排水等管道的铺设、更换和修复。目前，国家提倡建立和谐、优美的社会环境及人际关系，更显出这种施工方法的优势，与开挖施工相比，非开挖施工的主要优点主要表现在：

1． 可以避免开挖施工对居民正常生活的干扰 ，避免对交通、环境、周边建筑基础的破坏和不良影响。

2． 在开挖施工无法进行或不允许开挖施工的场合 ( 如穿越河流、公路、铁路、建筑物等 ) ，可用非开挖技术从其下方穿越铺设。

3． 现代非开挖技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向、埋

深、并可使管线绕过地下障碍。

4． 在可比性相同的情况上，非开挖管线铺设的综合技术、经济效益和社会效益均高于开挖法施工，在穿越河流、交通干线时，非开挖施工更是一种经济可行的施工方法。

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现代的非开挖技术经过上百年的发展，已经非常成熟，在发达国家，它不仅成为地下管线工程的一个新技术增长点，并以其自身的技术优势和广阔的市场前景逐渐发展成为一个新兴的产业，广泛用于市政管线的建设当中。我国自 1953 年开始采用非开挖方法施工以来，技术水平、装备水平不断进步，与国外之间的差距越来越小，在现在的施工中已经被普遍采用。

在管线铺设中，非开挖施工中常用的方法有：隧道法、盾构法、顶管法、定向钻进、气动矛、夯管法等等。每种方法各有其适用的范围和其局限性，根据所铺设的管材、管径、长度、地层及周围环境综合考虑选择。

二、顶管施工技术

顶管法是使用最早、发展较为成熟的一种非开挖的施工方法，并在

不同的工程中应用，获得了巨大成就，穿桥过物、跨河越路，特别是在

南水北调工程中成功地穿越了黄河，引起了世人瞩目。

顶管施工最早始于 1896年美国的北太平洋铁路铺设工程中， 日本在

1948年第一次采用顶管施工方法，在尼崎市的铁路下顶进了一根内径 600

毫米的铸铁管，顶距只在 6米。我国 1953年在北京进行第一次顶管施工；

1956年上海也进行了顶管施工试验； 1978年上海开发了适用于软粘土和

淤泥质粘土的挤压法顶管； 1984年开始引进国外的机械顶管设备，随之

也引进了顶管理论、顶管施工方法，诸如土压平衡理论、泥水平衡理论、

气压平衡理论等。

　 1988年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机，为

我国普及机械顶管施工创造了条件。

我公司多年来关注这一技术，于 2002年引入机械顶管设备，几年来，

多次在北京的市政管线铺设中使用，并获得了成功，曾穿越过河流、高

速公路、立交桥、铁路及建筑物；顶进过钢质、混凝土等材质的管材；

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铺设过热力、污水、燃气、供水、电力等多种管线，曾穿过粘土层、砂

土层、全断面砂砾层等各种土质，已经累计顶管施工 7835米，积累了大量的施工经验，集聚了一批本行业的优秀人材。

顶管是利用主顶千斤顶及管道中继间千斤顶的推力，将工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直顶推到接收坑，同时，将紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。顶管法有人工顶管与机械顶管之分：

人工顶管：施工人员位于所铺设管道的最前端，直接与土体接触，

采用人工挖土的方式破碎工作面的土体，工作面的土体为自然平衡，适

于地层不含地下水 ( 或已经采取降水处理 ) 、工作面稳定、土体能够实现

自支撑的情况下施工。

机械顶管： 在所铺设的管道最前端由顶管掘进机代替人工挖土，掘进机的前端封闭，将土体与施工人员及管道隔开，它在顶进操作时，掘进机与土体处于平衡状态，不会发生塌方、流沙、透水等危害人身安全的事故，施工过程中不需降水，适于在各种土层中施工，不但适于粘性土层，也适于无粘性的松散土层，甚至在硬岩层及破碎岩层中也能正常顶进，顶进长度可达上千公里。

相比而言，机械顶管比人工顶管的优势更明显，顶进过程中沿线不须降水，顶进距离较长，适于穿越高速公路、铁路，也可以进行绕过障碍物的曲线顶管，适应的土质范围宽广。

三、人工顶管施工方法介绍

顶管施工工艺如下图 1所示：

顶管施工需开挖两个工作坑，一个是顶进坑，为了布置顶管施工设备而在地下设立的井坑；另一个是接收坑，是为了回收顶管施工工具管

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面在地下开挖的井坑。

如果地下水丰富，工作坑开挖前需进行降水处理，甚至在人工顶管顶进过程中均需进行降水处理。

图 1 顶管施工工艺流程图

四、井坑降水

地下水埋深较浅，土质含水量大具较强的流动性时，工作坑开挖前需进行降水处理。

计划在井坑周围打四～六口降水井，其平面位置在工作坑外边缘以外2m，井深根据土质情况及工作坑具体深度确定。使用反循环钻机成孔，钻孔孔径φ 600，井管使用外径 DN400、内径 DN300的无砂混凝土管，滤料使用 3mm的豆石或石屑。

降水施工工艺流程：场地平整—井点放样—钻机对位—成孔—下放井管—填充滤料—洗井—下放水泵—抽水

降水施工在工作坑开挖前 5～10天进行，降水工作持续整个顶管工作的全过程。

降水施工方法为：

打孔 采用 QJ150型钻机成孔，使用泥浆护壁，井底填入米厚的碎石过滤层。

下管 井壁使用无砂混凝土滤管，直径 400毫米，每节管长 1米。

填滤料 在滤管外和孔壁之间回填砾石滤料， 砾石粒径为 10～30毫

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米，杂质含量小于 3%。

洗井 滤料填充完成后，立即进行洗井，清除停留在孔内和透水层中的泥浆与孔壁的泥浆，疏通透水层。

5. 装泵 每口井内设置 l 台Φ 25mm、扬程为 20米的潜水泵，接好保护开关后可以开始正式抽水。

降水后的水位要在工作坑底面下 l 米，若出现降水井不能完全有效降水的情况，为保证工作坑顺利开挖和支护稳定，应在工作坑内设置集水井，及时排除开挖过程中的渗透水。

降水监测 降水监测与维护期间要对各降水井和观测孔的水位、 水量进行同步监测。

排水：在地面上设置 D100 PVC排水管，将抽出的地下水排入现况排水系统中。

五、工作坑施工

工作坑占地面积为 40米× 20米。

工作坑尺寸

顶进坑： 6米（长）× 4米（宽）。

为保证安装顶管设备， 顶进坑底板应较管道内底高程的深度不小

于米。

接收坑： 5米（长）× 4米（宽）。

接收坑深度与管外底高程相同。

工作坑做法

工作坑采取大板 +工字钢的支护方式。

1）管线调查：工作坑施工前需进行地下管线的调查，提出对原有管线的保护方案，施工中不得损坏原有管线。

2）探槽：工作坑施工须先开挖探槽，开挖相互垂直的二条探槽，

分别平行于工作坑的两边，其长度须大于工作坑开挖范围 1米，深度的确定须配合地下管线调查资料，通常在 2米左右。

3）场地平整：现场地面向下挖深米，以此为工作坑顶部基点，向下进行工作坑的施作。

4）土方开挖：上部采用机械与人工配合，下部采用人工开挖－大板下插交替循环进行，垂直运输采使用吊车和土斗。土方每次

开挖高度视具体情况而定，开挖高度要求 30cm以内。

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（5）排渣方式：采用 1m的钢制吊筒装渣土，用吊车运送至现场渣土堆放场地，然后用装载机装入自卸汽车外弃。

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6）工字钢支撑：选用 25#工字钢做支撑，每道支撑分步采用盘撑与角撑，盘撑环绕工作坑一周形成封闭框架结构，相互间焊接牢

固；角撑在盘撑的四个方角内侧，长度为米。垂直方向工字钢

支撑间距不得大于 2米，第一道支撑在工作坑上口， 与地面平齐，最后一道支撑安装到工作坑底部，作为扫地撑。

7）大板支护：工作坑侧壁采用大板支护，大板长度为 4米，宽度厚度不小于 30毫米。将大板插放到工字钢与土壁之间，与土体接触密实，大板之间相互密排。

8） 顶进坑底板：在挖深达到工作坑底标高后，工作坑底部铺设碎石，碎石粒径 30～100毫米，碎石厚度不小于 200毫米，碎石层进行夯实处理。

9）集水坑：如果地下水较大，降水效果不好时，需在底板预留

500×500×500毫米集水坑一个。

大板支护



A

B

工字钢支撑

C

碎石底板

图 2 工作坑断面示意图

工字钢支撑

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大板支护

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六、顶管设备安装

顶进坑内需安装顶管设备，主要有顶进后背、机坑导轨、止水圈等。

顶管后背

将主顶千斤顶推力的反作用力传递到工作坑后部土体中的装置。

1）顶管后背结构为：锚喷墙 +混凝土 +后背铁。

2）在锚喷墙壁前垂直地面放置后背铁，后背铁与锚喷墙面之间的空隙以 C10素混凝土浇灌填充。

3）顶进坑后背要有足够的强度，在顶进过程中能承受千斤顶的最大作用力；

4）后背墙表面要平顺，并且垂直于顶进管道的轴线，避免产生偏心受压。

机坑导轨

机坑导轨是承托工具管与所铺设管道的工具，安装的准确与否直接影响管道的顶进质量，其安装要求如下：

① 两导轨要平行、等高，或略高于管道设计高程的 2厘米左右，其

坡度与管道坡度一致；

② 安装后导轨要牢固，不得在使用中产生位移，且需设专人经常进

行检查； 图 4 工作平台及起重架示意图

③ 将机械顶管导轨安放在工作坑底板上， 导轨两侧牢固地焊接工字钢，工字钢须另一端须牢牢抵在侧墙上。

止水环安装

为防止掘进机入洞时地下水涌入工作坑， 在顶进方向的墙壁上安装止水环。首先，进行测量，确定止水环安装的位置；其次，将止水环底圈固定到墙壁上，用混凝土封闭底圈与墙壁之间的缝隙；然后，在底圈上固定防水橡胶板；最后，安装止水圈压板。在掘进机入洞之前才允许将止水环内的墙壁凿除。

七、顶管施工方法

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工作平台及起重架

⑴ 工作平台

平台主梁采用 I40 型钢，上铺 15×15cm方木。

　⑵ 起重架

起重架由 4 根 L=9m、φ150mm的厚壁（t=12 ）钢管组成，顶部用 60mm

圆钢连接，两端锁紧。架底部焊接在平台下横向置放的［ 30 槽钢上，支

脚加肋。

⑶ 起重设备

出土及下管采用卷扬机， 设 1 台 5t 卷扬机、1 台 10t 卷扬机（下管）。

2. 工具管就位

工具管需加设帽檐，帽檐长度为米。使用 25吨吊车吊装，将工具管放入顶进坑内的导轨上，前端距井壁约 300毫米。就位后先检查工具管的轴线是否与顶进坑轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致，发现偏差立即调整。

工具管入洞

先将洞口处的墙壁凿除，并向前方挖土 200毫米深，再将工具管徐徐推进洞口，将帽檐顶入土体后，方可在帽檐下挖土。待工具管全部入洞

后，连接第一节混凝土管做反封闭，推进机与首节管要连接牢固并安拆方便。

正常顶进

下管前，检查钢筋混凝土管材是否合格、 有无缺陷，管口端面要求平整。管材的质量是整个工程的关键，要严把质量关；

严格控制每次顶进、 挖掘的长度，不得超挖，防止因超挖造成塌方，应随挖随顶，管前挖土长度控制在 200 毫米以内。

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人工挖土前，应先将工具管刃口部分切入周过土体中，挖土程序按自上而下分层进行，管前挖土人员应在管内操作。顶管出土由人工装车，用小推车运出至工作坑内，在工作坑内由卷扬机吊出工作坑，并卸至临时存土场，由汽车外运弃土。

顶进开始时应缓慢进行，待各接触部位密贴后再按正常速度顶

进。顶进中若遇到下列情况之一时， 应立即停止顶进， 查明原因，及时采取措施，处理完善后再继续顶进：

发生塌方或遇到障碍；后背倾斜或严重变形；顶铁发生扭曲现象；

管位偏差过大，且纠偏无效；

顶力突然增大，接近管节端面许可承受的顶力。

液压油缸及出土运输机械的操作人员，应听从管内挖土人员的指挥，操作液压油缸时回收时速度不得过快，油压不能太大；

每班均应填写施工记录，施工记录包括顶进长度、顶力、管位偏差及其纠偏情况、土质变化、地下水情况、顶进中出现的问题等，交接班时应将施工记录向下一班交待清楚。

帽檐 土车

工具管 砼管

图 5 顶管过程示意图

膨润土泥浆重量配合比

膨润土胶质价

膨润土

水

碱

60～ 70

100

524

2～3

70～ 80

100

524

～2

80～ 90

100

614

2～3

90～100

100

614

～2

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触变泥浆减阻：触变泥浆是减少顶进阻力、 提高顶进速度的重要一环，减阻泥浆采用膨润土配制而成。

　膨润土一般要求胶质价在

80 以上。膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比，见上表（重量比） ：

膨润土泥浆的拌和时间一般为 10至20分钟。泥浆制备后，须

静置 24小时可以使用，使其充分吸水，膨润成胶体，使用比重计测其比重，掌握在 cm3为宜。

在每节混凝土管道的尾部设置有触变泥浆注浆孔， 顶进施工的同步注入触变泥浆，以形成原始浆套；在每节混凝土管均有三个注浆孔，顶进过程中，通过注浆孔持续补浆。注浆使用挤压式注浆泵，注浆口压力控制在～ MPa。视储浆池内触变泥浆下降的速度及顶镐压力表读数调节注浆压力。

顶进测量：初始顶进每米测量一次，并做记录。正常顶进时，每顶进 1 米测量一次，遇有纠偏每米测量一次，测量人员分别绘制出管道中心及高程曲线图；

出洞：推进机推进到距接收坑约 2 米处，拆除接收坑洞口处的墙壁，看到推进机后，测量工具管上、 下、左、右的四个方向，与出洞口的大小、位置合适时，启动主顶油缸继续推进，将推进机全部推入接收坑内；

使用吊车将推进机吊运出坑。

顶进纠偏

顶进过程中出现中心偏差± 20mm或高程偏差± 10mm及有偏差趋势时

就应采取纠偏措施。纠偏主要采用挖土纠偏方式，纠偏时每 50cm测量一次，并做机头和机尾数据比较，有回归趋势后，保持一段顶进距离，就要停止纠偏，防止左右摆动，纠偏原则是勤纠、微纠。

顶进中的沉降控制

对于人工顶管施工，地面沉降最不易控制，顶进施工中必须严格管

理、严格监控。

一是控制超挖，派专人负责监控超挖量：管前挖土长度控制在 200 毫米以内、管顶部位最大超挖量控制在 15 毫米以内、管底部位 135°范围内不得超挖。一旦发现不符合规定者，必须严惩。

二是防止塌方，不能出现任何程度的土体塌落，挖土前必须安排专人检查土体固结程度，土体不稳定时须进行超前小导管注浆。只有做好土体稳定，才能保证施工中的人员安全、保证地面不沉降，施工中须认真对待。

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三是加强施工过程测量，及时获取顶进过程数据，及时纠偏，做到信息化施工。

泥浆置换

顶管施工完成后，需对钢筋混凝土管节之间的缝隙进行填充处理，

一般使用油麻、石棉水泥进行封闭。

并及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换掉。使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配比为水：水泥：粉煤

灰=6：1：3。由管道内部的压浆孔压注，注浆次数不少于三次，两次间隔时间不大于 24小时。

泥浆置换时，每二节管定为一组，每组管分为注浆口与出浆口两部分，注浆孔用于注入灰浆，出浆口用于排出膨润土浆。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆口，当第一组出浆口冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线

完成。再关闭所有阀门，保压十分钟，保压时注浆压力为 MPa。

泥浆置换完成后，应拆除主通道浆管和管内弧形浆管就地清洗，以免浆液凝固堵塞。

设施拆除

管道顶进、换浆、检测全部完成后，拆除顶镐、后背铁、止水圈、

导轨等顶管设备。

八、施工安全防护

为了保证本工程施工中的安全，公司、项目部及班组三级分别成立安全小组，以便加强安全管理工作。

积极开展安全达标工作，切实贯彻安全生产责任制，强化安全意识，本工程杜绝重伤和死亡事故，轻伤事故频率控制在 1‰以下。

现场文明安全工作须目标明确、职责明确，从项目经理到施工员、作业队层层落实岗位安全责任制。

安全管理规定：

1）认真执行国家、北京市、本公司安全生产、劳动保护的法规及规

章制度。

2）建立、健全安全生产保证体系，领导组织实施本单位安全生产工

作目标，督促、检查各职能部门人员执行安全生产责任制。

3）落实施工组织设计、施工方案中各项安全技术要求，严格执行安

全技术措施审批制度及设备、设施交验、验收、使用制度，保证

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安全技措及劳动保护用品经费的落实。

4）认真执行 ISO9001“安全生产管理程序” ，开展定期和不定期地组织安全生产检查，及时消除事故隐患与不安全因素，制止违章指挥和违章作业。严禁职工在工作中间休息或就餐时饮酒。

5）作业工人自觉执行各项安全、文明生产操作规程、安全交底、安全、文明劳动纪律。不违章作业，服从安全人员的管理。有权拒绝违章指挥。

6）作业时，设专人统一指挥，相互配合，特别是多种机械和运土车辆作业，由机械现场调度员统一指挥，配合机械作业人员，要密切注意路床作业机械、车辆的行走方向，合理避让以发挥机械作业的效率。

7）吊装作业设专职人员指挥，持证上岗。作业中遇特殊情况，将重物落在地面上，不得悬停在空中。起吊作业的下方不得站人或有车辆通行。

8）夜间施工必须保障现场有足够的照明条件，夜间在重点防护部位

悬挂红色警示灯。

9）做好安全防火工作，严禁在施工现场点火或吸烟，执行施工用火

证审查制度。

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