1.顶管施工顶力
顶管施工过程是一个复杂的力学过程，推动管道在土中前进，各种阻力需要千斤顶来克服，主要分为两大类：一是工具头承受前面土体或障碍物带来的阻力；二是管道周围土体压住管道，当管道运动时对管道周围施加的摩擦阻力。在不同土层中顶进管道会有不同的影响因素，这些因素具有一定规律，同时存在各自的特征。顶管施工顶力的估算过程如下。
（1）管道上层土压力
顶进管道与周围土层之间的作用关系复杂，无法用简单通用的公式表达。但为说明二者之间的关系，可以构造一些近似的模型（图7-14）。太沙基（Terzaghi）等曾经将顶管工程的模型与隧道工程的模型等同，得出了一系列理论。
图7-14 土压力示意图
管道断面分析：
式中，B为顶管管道上部对管道有荷载作用的宽度，同时会有一定的变形；2b=D外。
顶管工程管道上面压力值为
当管道为圆形时：
由式（7-10）、式（7-11）可以得到：
式中，γ为土的重度；λ为土压力系数；φ为土的内摩擦角。
根据土力学相关理论，顶管管道置入土中，顶进时管道前方土体对管道继续前进会产生阻力（图7-15），阻力的大小应根据法向土压力、受力面积等确定。若顶管顶进速度不快不慢，则不存在超挖，置入土体管道的体积与排出土体的体积相同，这时管道前方土体不会出现大的变化，而保持相对稳定。此时：
图7-15 迎面阻力图
式中，λ0为静止土压力系数。
图7-16 管壁阻力图
（2）顶管管道周围阻力的计算（图7-16）
管道周围摩擦阻力可表示为
式中，F摩为摩擦阻力（kN）；P为管道周围压力值（MPa）；μ为摩擦系数；s为管道与土体接触面积（m2）；M为单位面积摩擦阻力值（kN/m2）。
管道正上方土压力值为
管道两侧1处压力为
管道两侧2处压力为
管道正下方底处压力为
考虑一个断面的压力来求解管道周围单位面积摩擦阻力：
由于一个断面的压力值P会有多个不同的值，对此可以计算一个压力平均值来代替，同时对于单位面积摩阻力M值来说也可以计算其平均值。计算方式如下：
式中，
为土体的平均重度（kN/m3）；G为单位长度管道重度（kN/m）。
如果顶力超出原有计算结果，将会引起地面沉降或隆起，造成对邻近历史建筑的扰动，同时可能会因此而破坏工作坑、管材甚至可能引起油泵的损坏；如顶力远小于计算结果，这将会造成极大的浪费。因此，顶力计算是顶管工程能否成功的重要一步。施工前可以通过三维数值模拟的方式确定最佳顶力，同时在施工过程中加强监测，根据监测结果调整顶力。
2.工作坑
顶管施工虽不会大面积破坏地面，但工作坑和接收坑位置需要开挖。工作坑的形式、形状和选址等需考虑对邻近历史建筑的影响。工作坑和接受坑位置设置在永久设施处更合理。如有可能，尽量避免在邻近历史建筑处设置工作坑。
根据结构形式分类，工作坑可分为钢筋混凝土坑、钢板桩坑、地下连续墙坑等。其中钢筋混凝土坑施工作业较简单、造价低、工作强度相对较低，因此设计工作坑时其往往是优先考虑的一种。当需要赶工期时，钢板桩坑是最适合的，其施工速度快、成本低。工作坑较少采用地下连续墙形式，因其造价高，一般当所顶管子管径很大且埋设的深度大时才使用。
总之，对工作坑的选取应综合考虑各种因素，不断优化，尽量减少对邻近历史建筑的影响，一般在选取时可以遵循以下原则：
（1）在软土质及地下水比较丰富的情况下，工作坑应首先考虑用沉井施工法。
（2）在砂性土质中，当其渗透系数为1×10-4 cm/s左右时，工作坑可以选择沉井施工，在能保证历史建筑安全的前提下，也可以选择钢板桩坑。对于钢板桩坑，应配有降水措施来保证施工安全，且要考虑降水对邻近历史建筑的影响。
（3）对于土质好且地下水少的情况，在能保证历史建筑安全的前提下，可以选择造价低、施工速度快的钢板桩坑。
（4）当覆土深度比较大，宜选用多次浇筑配合多次下沉的沉井施工和地下连续墙工作坑。(www.xing528.com)
为避免历史保护建筑损坏、水土严重流失，同时提高坑的安全性，减少触电事故等的发生，应使工作坑尽量避开房屋、河塘、地下管线、架空电线等工作环境。另外，对于工作坑的数量，应根据顶管周围环境及施工技术现状，同时考虑降低顶管设备的周转次数，方便连续施工，减少工期，选择最合理的工作坑数量。
3.管道顶进方式
顶管顶进方式的选择是顶管工程成败非常直接的影响因素，也是确定顶管下阶段施工工艺的前提和基础。采用哪种工艺，应根据具体情况，结合历史建筑保护的要求，综合考虑技术、安全、经济、环保等因素进行比较分析，优化得出最适宜的方案。具体选择的原则如下。
首先，对工程概况的了解必须详尽，如覆土深度、顶管管径、地下水位以及历史建筑保护要求等。
其次，从技术角度出发，为了控制地面沉降，保护历史建筑，当在黏性土层中施工顶管时，应使用土压平衡顶管法；当土层为松散的砂粒土时，需采用有支撑功能的工具管或对土层采取加固措施；当在粉砂土层中顶进时，宜采用加泥式土压平衡或泥水平衡顶管法。当顶管管径小的时候，因管内无法进入人去施工，一般都采用泥水顶进施工。当土层障碍物如大颗粒砂、孤石等较多时，应使用有除障碍功能的机械式掘进机，以免引起顶进中断而造成对邻近历史建筑的扰动。
4.顶管出洞
顶管出洞是将工具头或掘进机从工作坑中顶进土体的过程。顶管出洞对邻近历史建筑的稳定具有很大的影响。如果出洞可靠、安全、连续，可以说顶管施工成功了一半。这个环节的关键要做好以下工作：管道放线、铺设导轨、洞口加固和洞口止水等。
（1）管道放线
管道放线就是将设计坐标值引入实际操作工作坑内，主要包括出洞口及进洞口坐标的控制，用来指导顶管顶进，保证顶进正确的方向和距离。
管道放线是保证顶管轴线正确的关键性工作。一般为缩短工期，先施工完工作坑和接收坑，如轴线错误，工具管很可能无法顺利进入接收坑，从而要进行纠偏，使轴线回到正确的位置，这将引起很大的地层扰动，对邻近历史近建筑会产生较大的影响。
（2）铺设导轨
基坑导轨是顶进的导向设备，同时也为管子出洞提供一个基准，其安装对后续管道的顶进影响非常大。管线轴线、导轨标高和导轨支撑是导轨铺设安装中最重要的三个方面。
①轴线重合要依据管线轴线测量结果，铺设时，将管线轴线与导轨中线重合。
②管线标高导轨的铺设高程要根据设计要求，先算出管道底的标高，据其得到导轨铺设标高，最好将导轨铺设成管道要求的坡度，从而减少后续校正的工作。另外，导轨与工作坑底应用混凝土浇筑，不宜采用枕木。
③导轨支撑顶管顶进时，会产生很大的摩擦力，如对导轨支撑不稳将造成管道偏差，一般在导轨和工作坑中采用型钢支撑，同时用电焊将其焊牢。
铺设导轨过程中要反复标测，使导轨中线、高程、轨距和坡度均符合设计要求。另外，要根据工作坑槽底土基的类别、管节重量及有无地下水等条件，采取一定的措施来保证导轨不发生任何沉降变形。
（3）洞口加固
在顶管机顶出洞口时，如洞口土体强度不够且没有进行加固措施，大量土体和地下水将涌入工作坑，将导致洞口周围地表大面积沉降，从而影响邻近历史建筑的稳定。
为了减少洞口土体沉降，保护邻近历史建筑，需对洞口土体进行加固处理。如遇土质不差，可采用门式加固法，即对洞口两侧及顶部一定宽度和长度范围内的土层进行加固处理；如土质条件不好，须采用全断面加固。加固方法有高压旋喷桩技术、搅拌桩技术、注浆技术和冻结技术等。
（4）洞口止水
顶管过程中，顶管与洞口总会存在间隙，当土层中地下水位低，且土体整体性好时，并不会对顶管出洞带来太大的影响。但当水位高，地下水丰富时，如间隙不被封住，地下水和泥沙将会流入工作坑，影响工作坑的作业，严重时将造成洞口土体沉降，给邻近历史建筑带来很大的危害。因此，洞口止水是顶管过程中一项不容忽视的工作，应根据不同掘进机种类及环境选择止水方式。
不同工作坑，应选择适合其工作坑的洞口止水方式。工作坑若由钢板桩围成，应在顶进管道前方的坑内，浇筑一道级别较高的素混凝土作为前止水墙，其宽度为2.0～5.0 m，视管径的不同而不同，厚度为0.3～0.5 m，高度为1.5～4.5 m。当土质条件较差时，前止水墙的宽度最好与工作坑内宽尺寸的宽度一致，然后在前止水墙的预留孔内安装橡胶止水圈。如果是圆形工作坑，则必须同样浇筑一堵弓形的前止水墙。
5.顶进速度
顶管施工时应使土体尽量被切削而不是挤压。过量的挤压，势必会产生前仓内外压力差，增加对地层的扰动。正常推进速度可控制在20～30 mm/min之间，不同的地质条件，推进速度亦应不同。因土压平衡是依赖排土来控制的，所以前仓的入土量必须与排土量匹配。合理设定土压力控制值的同时应限制推进速度，如推进速度过快，螺旋输送机转速相应值达到极限，密封仓内土体来不及排出，会造成土压力设定失控。所以应根据螺旋输送机转速控制最高掘进速度，一般控制在50 mm/min以内。由于推进速度和排土量的变化，前仓压力也会在地层压力值附近波动，施工中应特别注意调整推进速度和排土量，使压力波动控制在最小幅度。
6.注浆
注浆对改良地层性状、有效减小地面沉降、减小对历史建筑的扰动可起到积极的控制作用。顶管顶进中，以适当的压力、必要的数量和合理配比的压浆材料，在管道背面环形空隙进行同步注浆，这样能够减小摩擦阻力，有效控制或减小地面沉降，减小对历史建筑的扰动。
注浆压力在理论上只需使浆液压入口的压力大于该处水土压力之和，即能使空隙得以充盈。但压浆压力不能太大，否则会使周围土层产生劈裂，土层受到扰动会造成较大的后期沉降。
常用的注浆材料有以下三种。
（1）传统触变泥浆
顶管触变泥浆一般是以膨润土为主要材料，以CMC（粉末化学浆糊）或其他高分子材料等为辅助材料的一种均匀混合溶液。膨润土分散在水中，其片状颗粒表面带负电荷，端头带正电荷。当膨润土含量较多时，颗粒之间由于正负电荷相互吸引而形成一个网架结构，泥土实际呈胶凝状态，经触动后，颗粒之间的连接电键遭到破坏，释放出网架中的水使膨润土分散体随之变稀。如果外界因素停止作用，则分散体又变稠形成胶凝体。这种当浆液受到剪切时，稠度变小，停止剪切时，稠度又增加的性质称为触变性，相应的膨润土分散体称为触变泥浆。
（2）FHDF高效膨润土泥浆
FHDF高效膨润土泥浆与传统膨润土泥浆相比有以下优点：
①造浆性能好，是传统泥浆的2.5倍。
②造浆含砂量低，润滑性能好。
③泥浆是粗分散和细分撒的混合分散体，对泥粒有选择性絮凝作用，钻进过程中泥粒在泥壁表面堵塞粗孔隙，泥浆的细分散体堵塞细孔隙，能有效形成致密泥皮，降失水作用较好，滤失量低，渗透距离短。
④泥浆具有较好的触变性能，网架结构形成和黏度恢复快，胶凝强度适中，因此停钻后重启动阻力增加有限。
⑤现场施工方便，直接打浆即可，无需再添加其他添加剂。
（3）新型泥浆材料及抗渗泥膜
除了膨润土系的润滑材料外，国外还研究出许多高分子化学减摩剂。如日本生产的IMG减摩材料，这种高分子材料具有吸水的功能，当与水接触，它能从一颗很小的颗粒变得很大，直径可以达到0.5～2 mm，质量可以变成之前的百倍以上。其具有很多优点：
①这些吸水后的颗粒状材料，附着在管道周围，像很多颗钢珠，减少摩擦的作用很明显。
②不像其他润滑剂，当顶管顶进暂停一段时间再次启动时，它的阻力增加不显著，基本和之前阻力保持相同。
③这种颗粒材料吸水后直径较大，不容易渗透到周围土层中去，因而使用起来较方便，不会流失太多。
④这种浆液的配置十分简单，操作也十分方便。
注浆工艺及技术控制要点如下：
①在一定的压力下，膨润土含量较高时有利于泥浆套的形成，且向土壤中扩散较少，因而开始顶进时浆液中膨润土含量要高。
②补充的悬浮液中膨润土含量需进行调整。含量大的悬浮液，运动流限大，顶管阻力大；含量过小时，悬浮液会很快渗入土壤中去。所以要根据顶力情况调整膨润土含量。
③注入浆体的量与顶进速度有关，注浆量为管道与周围土体之间空隙体积的7～9倍。
④注浆压力值应保持一定，使其不仅能顺利压到管道外壁，而且不会使周围土体产生扰动。
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