顶管技术是在管前掘进、管后施加外力将欲铺设的管道顶入地层的非开挖施工技术。按掘进方法可分为人工掘土法（手掘式）和机械掘进法（机掘式）两个大类。人工掘土法顶管最早始于1896年美国北太平洋铁路施工，之后被铁路部门确定为在铁道下穿越铺设管道的标准施工方法。1953年，我国首次在北京采用手掘式顶管方法铺设了排水管道。长期以来，这种方法虽然在国内外的管道穿越铺设中一直有所应用，但仍被作为一种特殊的施工手段，不到万不得已不会轻易采用。自从非开挖技术作为一种环境友好的施工方法全面推广以来，手掘式顶管技术也开始在一些地方迅速推广，经过不长的时间，其在各地已经成为一种常规的施工方法而得到了广泛应用。由于手掘式顶管技术存在效率低、质量差、施工条件恶劣和人员安全难以保障等问题，近年来，随着机掘式顶管技术的日益普及，手掘式顶管施工的市场占有率已逐渐降低。在我国的杭州、广州等地，建设主管部门已经开始明令禁止采用手掘式顶管施工。
机械掘进法顶管源于隧道施工的盾构技术，将其引入地下管道的非开挖铺设后，带来了顶管技术的一次飞跃。自20世纪60年代起，机掘式顶管技术开始被采用并逐步推广。这种方法采用遥控全断面隧道掘进机破碎岩土，应用泥水平衡、土压平衡等方法稳定掘进面，依靠全液压顶管同步完成孔洞的支护（管道铺设），特别是它采用中继站的方法解决了顶进阻力过大、管道强度不足的长距离顶管技术难题，使机掘式顶管技术的应用范围和应用量迅速增加。近年来，日本等国又研究开发出了曲线顶管技术，使其从过去只能进行简单的直线轨迹顶管，扩大到能完成绕过地下障碍物进行曲线轨迹铺管的成功技术。
现在，应用顶管技术不但可以铺设各种管线的套管，也可直接顶进铺设永久性公用管道（如污水、雨水等排水管道）。
1.直接顶管
直接顶管法是一种小直径钢质管道的非开挖铺设方法。在我国非开挖技术推广初期，这种方法有较多应用，随着许多新技术推广，其使用量降低，但因它的施工成本低、操作简便，目前在我国一些地方仍有应用。
直接顶管法施工工艺是采用液压顶管机，将欲铺设的小直径钢质管道直接顶入土层，然后排除管内土芯即可。可一次顶进铺设单根管道，也可分次顶进铺设集束管道。
有的首先顶进一根钢杆（或钻杆），然后回拖钢丝绳，在钢丝绳上连接扩孔器，回拉扩孔，多级反复，直至将孔径扩大到铺管直径，再将管道顶入铺设。
直接顶管法使用的施工设备非常简单，主要是一台由动力机、液压泵、油缸（一般是一对）和油箱等组成的液压顶管机。
直接顶管法施工工序：
①开挖工作坑；
②安装管道和顶管机，瞄准；
③管道顶进；
④排土。
采用这种工法的管道在顶进中不出土，顶进阻力较大，故该工法只能用于较小直径管道的铺设；管道的方向控制主要依靠管道自身的刚性，但由于直径小，容易发生偏斜，并且无法纠正，因而只适用于均质的软土地层。
2.人工掘土法顶管
人工掘土法顶管采用人工和液压顶管机进行挖土、纠偏、测量和顶进等作业，可在不影响相邻地下管线及构筑物、不破坏地面、不干扰交通和不影响环境的条件下，实现管道的非开挖穿越铺设。
人工掘土法顶管的管内操作人员从管道尾部进入，到达挖掘面，依靠人工挖掘土方（或以机械辅助挖掘），形成孔洞，然后借助工作坑内的顶进设备，把欲铺设的管道按照设计轨迹顶入。一般采用的管节不长，挖掘顶进中需要不断加接新的管节，循环往复，直至全部管节顶入完毕。
一般，在管道的前端安装有一节手掘式工具管，人的挖掘操作都在此工具管的掩护下进行，不同工具管的刃口形状和前部结构，还可帮助稳定挖掘面。在软土或松散地层，人工挖掘主要采用短把的镐、锄、铲等工具，遇到硬地层或岩石，可采用风镐帮助挖掘。
掘下的土，一般采用小车人工拖拉或推行运出管外，再从主顶工作坑提出地表。
人工挖土的掘进面每次进尺不能太长，一般20～50 cm即需要及时将管道顶进，以防洞壁坍塌。
顶管一般采用液压油缸，也有的采用手摇千斤顶。为承受巨大的顶力，主顶工作坑后壁一般要制作成加固的“后靠”，以将顶进力可靠传递到地层中去。由于液压油缸行程有限，顶进过程中需要在顶头与管尾之间不断加入顶铁。顶铁一般采用“U”形，以利于从管尾出土。
顶进过程中，要经常检查和测量管道的偏斜情况，一旦发现偏斜，应及时纠正。纠偏可采用挖土纠偏和管头方向纠偏两种方法。前者是人工有意识地向某一侧多挖，以形成纠偏孔洞；后者是利用管内顶木或工具管纠偏油缸，使管头向正确方向前进。对长距离顶管，可采用注浆减摩措施，即从管壁上设置的注浆孔向管外注入膨润土泥浆，利用泥浆的润滑性减小管道摩擦阻力。如果顶力仍然不足，还可采用中继站，但中继站的数量应根据需要来确定。为了留有足够的顶力储备，当顶进过程中的顶力达到中继站顶力的50%时就需要下中继站。
采用这种工法时，由于人不但要进入管道，而且还要在其中进行操作，所以其适用的管道直径较大，一般应大于800 mm。同时，还要特别注意有毒、有害气体和地下水涌入管道，危及操作人员的生命安全。
1）施工所用管道、机具和设备
（1）管道。顶管所用管道大多是专用的钢筋混凝土管道。这种管道与普通直埋管道结构形状差不多，只是其为了适应巨大的轴向顶力需要，一般壁厚要大、钢筋要多、水泥标号要高（具体要求可参考国家有关标准）。管道按接口形式可分为平口式、企口式、双插口式和钢承口式四种。其中，平口式属于对接式，一般采用沥青麻丝密封，用于顶管时纠偏比较方便，但变角后密封不够可靠；后三种均采用橡胶密封圈，密封可靠，但都是插入式连接，管道接头处变角困难，故不易纠偏。
（2）工具管。工具管一般由钢管制成，其口部可有四种刃口形状。其中，第一种平刃口结构简单、使用方便，应用最为普遍；后三种刃口上部伸出，可对挖掘面提供较好支护，故适用于软土或松散土层中的大直径顶管施工。
在工具管刃口内，可安装一块或多块水平隔板以形成挖掘面栅格。栅格的存在可以分层承受土的压力，降低土体的自立面高度，有利于稳定掘进面。有的工具管还带有纠偏油缸，可以帮助控制顶进方向。
（3）顶管机。人工掘土法所用顶管机比较简单，一般由液压动力站和顶进油缸等组成。液压动力站装置有动力机、油箱、液压泵和操作阀，其与油缸采用高压胶管相连。许多液压站都配有多组油缸接头，可根据需要驱动一个或多个油缸顶管。
（4）中继站。中继站又称为中继间，其主要由壳体、均压钢环和沿其周长均匀分布的若干台中继油缸所组成。长距离顶管时，通过加入多个中继站，可将管道的顶进分成若干个推进区间，顶管时先由中继站按前后秩序把区间内管道推进一段距离，最后由主顶油缸来推进最后一段区间的管道。这样循环往复，直到把全部管道顶进完毕。顶管结束后，仍然按先后顺序，依次拆除中继站内的油缸，然后把管道合拢即可。
（5）附属机具。除上述设备外，人工掘土法顶管还应当配备低压照明设备、管道通风设备、起重设备（用于下管和取土）、钢制油缸后靠板、顶铁、轨道等附属设备与机具。
2）人工掘土法顶管施工工序
（1）开挖工作坑。人工掘土法顶管施工一般需要开挖两个工作坑。其中，主顶工作坑主要用于安装管道和顶进油缸；终点工作坑主要用于接收工具管和连接前方管道，故又被称为接收坑或接管坑。主顶工作坑尺寸较大，且坑壁、后壁要作为顶管后靠墙，所以一般都需要采用特殊的支护和加固措施。坑底作为导轨的安装基础，一般也需要做混凝土承台浇筑处理。坑口作为下管和提土的通道，需要安装起重设备（如塔架、卷扬机等），成为施工中的操作平台。工作坑内应干燥无水，如果当地地下水位高，工作坑开挖前就必须降水。因整个顶管施工段都需要进入操作，所以应当将场地地下水位降至人工挖掘面的0.5 m以下。
（2）设备安装。首先安装顶管导轨。导轨是顶管轨迹精度控制的关键，故应牢固、可靠，轨距、高程和方向（包括坡向）准确。一般导轨顶面高程允许偏差为±3 mm，中线位移±3 mm，内距±2 mm。安装后的导轨应牢靠，不得在使用中产生位移，并应经常检查校核。导轨安装完成后，即可安装主顶油缸。主顶油缸应固定在支架上，如果采用多个油缸，还须与过管道中心的铅垂线对称设置，保证其合力的作用点应在管道中心的铅垂线上。
（3）出洞。在导轨上放置并连接第一节管道与工具管，用主顶油缸缓慢把工具管从工作坑预留出洞口顶入地层中。随着工具管出洞，应用测量工具及仪器严格检查工具管状态。这是顶管工程的关键工序，施工中应引起高度重视。工具管出洞后1～4 m的初始顶进段，也要加密测点，以发现偏离而及时纠正。
（4）人工掘土。人工掘土应从上往下，分层挖土，不可超挖和欠挖。工具管下部135°范围内不准超挖，上部超挖量不得大于2 cm，管前超挖量一般不得大于20 cm。
（5）管道顶进。施工过程中，要求勤挖勤顶。顶管应平稳进行，并密切注视顶进力的大小和变化。管道顶进过程中，应坚持每顶进50 cm即测量一次，发现偏差应及时纠正。可根据施工中的进展情况增加测量次数，以确保管道的位置偏差控制在设计范围之内。
（6）纠偏。发现顶管误差超过要求，应及时进行纠正。纠偏一般采用反向超挖、顶木或工具管油缸纠偏法（根据实际需要具体选用）。纠偏工作应逐步、缓慢进行，使管道逐渐回到正确轨迹，不能猛纠硬调，以防管道连接处变角过猛损坏密封或产生相反偏斜。
（7）进洞。工具管在接收坑进洞时，要先做好准备工作。工具管抵近洞口钢封门后，先将其拆除，然后快速将工具管顶入洞口，并迅速封闭工具管与坑壁间隙。
（8）成井或回填工作坑。顶管完成后，应尽快进行建井施工，如无须建井，即可在接管后回填工作坑。
3.机械掘进法顶管(www.zuozong.com)
所谓机械掘进法顶管，即采用掘进机代替人工挖土进行顶管铺设。由于掘进、运土、管道顶进等全部工作都实现了机械化和自动化，所以施工效率、施工质量和施工安全都得以大大提高。
1）施工工艺原理
机械掘进法顶管采用专门的机械化掘进机头破碎管前岩土，取得进尺。机头破碎岩土的轴向压力由位于主顶工作坑内的液压顶进油缸产生，并通过管道传递，所以在进尺的同时，后续管道也就顶了进来。掘进时，破碎下来的弃土使用管道或传送带输送出去。掘进机钻孔施工时，掘进面、刀盘和壳体储泥仓可构成一个相对密闭的空间，因而常应用压力平衡原理对掘进面进行稳定。目前，常用的压力平衡原理有泥水式、土压式和气压式，而前两者使用最多。
（1）泥水平衡式。泥水平衡式采用供液管路将一定压力和流量的水送至刀盘后方的泥水仓，与弃土充分混合，利用其形成的泥水压力来平衡地下水压力和土压力，从而稳定掘进面。混合的泥水由排泥管路输送至地面泥水处理装置，经分离后，再将净化过的水（或低浓度泥水）送入顶管机内循环使用。在复杂地层中，也可采用高浓度的膨润土泥浆代替水，这种膨润土泥浆可在掘进面形成泥膜，阻止地下水进入，从而提高掘进面的稳定性。有人又将此称为泥浆平衡式或注浆平衡式顶管。
（2）土压平衡式。土压平衡式的基本特征是：刀盘切削破碎下来的弃土进入刀盘后方的土仓，螺旋输送机从这里将弃土排出，通过调节土仓排土量，可以调节土仓内的压力，以平衡掘进面土压力，从而维持掘进面的稳定。土压平衡与泥水平衡相比的最大优点是：排出的弃土可立即装运，一般不需要进行二次处理，因而目前使用得最为广泛。
（3）气压平衡式。气压平衡式分为全气压平衡和局部气压平衡两种方式。前者在掘进面和管道中都充以压缩空气，其最早在复杂地层隧道施工和人工掘土法顶管施工中使用，虽然有较好效果，但后来发现这种方式对掘进操作者非常有害，容易使人患上“潜水病”，所以已经基本不用。
局部气压平衡只对土仓充以压缩空气，其与土仓中土或泥水混合，可平衡地下水的压力，同时疏干掘进面土体中的地下水。
（4）导向系统原理。掘进机一般都配套安装有导向系统，可自动或人工控制进行施工中的测量与纠偏。导向系统有惯性导向和激光导向两种方式，目前后者使用最多。激光器一般安装在主顶工作坑稳定的基准台面上，向管内靶标发射激光束。靶标是一个光电接收器，安装在掘进机头内部的适当位置。靶标内装有上下和左右两个光电池，如果激光束从中间穿过，则两电桥处于平衡状态。当机头发生偏离（上下或左右），激光束击中的靶点即相对该电桥失衡，从而输出电压信号，该信号即偏差信号。电桥输出的电压信号高低与机头的偏差大小成正比。导向系统将该偏差信号放大，通过驱动电液伺服阀控制纠偏液压油缸，使机头向正确位置回复，当机头回正后，电桥又处于平衡状态，此时纠偏工作即完成。
长距离顶管时，如果需绕过障碍物，则必须进行曲线顶管，而此时直线状激光束显然难以满足要求。采用激光器及靶标设置方案，可很好地解决曲线顶管的测量与控制问题。
2）施工设备
机械掘进法顶管主要使用以下成套系统。
（1）掘进机系统。
（2）泥浆制作与净化系统。该系统独立放置在现场地表，通过管路与掘进机相连。系统主要由泥浆搅拌机、泥浆泵、排泥泵、旋流除砂器、振动除泥器、管路、沉淀池和储浆池等组成。使用时，先将优质膨润土粉和各种添加剂、处理剂与清水一起倒入搅拌机搅拌，制作成性能指标符合设计要求的泥浆，放入储浆池待用。泥浆泵从储浆池吸入泥浆，加压泵送到送浆管路，通往掘进机泥水仓。泥水仓内的泥水经排泥泵抽吸加压，送到地面沉淀池沉淀处理，再经过旋流除砂器和振动除泥器的进一步处理，即可放入储浆池，循环再使用。
（3）顶进系统。该系统主要由液压泵、液压阀、顶进油缸、管路和油箱等组成。
（4）控制系统。掘进机顶管所用的控制系统一般放置在地面控制室内或控制车上。其主要由测量仪表、计算机、显示屏、控制按钮或手柄、记录仪、打印机等组成，它对顶管施工中所用的全部设备进行集中控制，并特别对掘进机进行远程遥控操作。施工中的各种设备的工况参数、控制参数、机头偏差参数等都实时地通过仪表和显示屏显示出来，操作者据此可方便地进行控制操作。
3）施工工序
（1）开挖工作坑。与人工掘土法顶管施工一样，机械掘进法顶管也需要开挖两个工作坑，且坑的性质和功能都是相近的，此处不再赘述。但是，由于机械掘进法顶管多用于长距离、大直径的管道施工，所以它的工作坑，特别是主顶工作坑的尺寸大、结构复杂、强度要求高，一般都是由钢筋混凝土浇筑而成。
（2）设备安装。机械掘进法顶管设备的安装精度要求也非常高，且需要安装的设备或部件也远比人工掘土法顶管要多得多。
（3）出洞。掘进机头的出洞，是顶管工程的关键工序，直接关系到顶管施工的轨迹精度，故施工中也应反复检查和调整。另外，机械掘进法顶管可在地下水位之下进行，一般不需要降低地下水位，所以，机头出洞还必须确保坑壁洞口密封圈的密封，严格防止地下水和坑外泥土进入工作坑，造成坑外地面沉降。
（4）掘进与顶进。机械掘进法掘进机头破碎岩土的轴向压力是由主顶工作坑内的液压顶进油缸产生且通过管道传递到机头上的，所以，在机头取得进尺的同时，后续管道也就随之顶入铺设了。
（5）进洞。与出洞一样，掘进机头在接收坑进洞，也是一项关键工序。进洞时必须确保地下水和泥土不涌入坑内，造成地面塌陷。
（6）成井或工作坑回填。顶管完成后，应尽快进行建井施工，如果不需要建井，即可在接管后回填工作坑。
4）顶管技术的特点
（1）优点：
①掘进面与管道大小相近，对地面和周围管线干扰较小；
②掘进方法多，对地层适应性好；
③设备与管道材料和规格等关系不固定，可灵活变动；
④由于可使用中继站，铺管长度几乎不受限制；
⑤人工掘土法施工噪声小，对附近居民干扰小。
（2）缺点：
①最适用于直线轨迹管道铺设，曲线顶管困难；
②主顶工作坑开挖和支护工程量大；
③管道强度大、重量大，对地层承载力要求高；
④对操作人员的技术和经验要求高。
5）顶管技术的应用范围
地层：各种地层，包括含水地层，含卵砾石地层（最大卵砾石块的直径不大于切削头直径的1/3）。
管径：150～2500 mm（虽然还可更大，但已不如管片经济）。
管材：可以是混凝土管、陶土管、玻璃钢管、铸铁管、钢管等。管道长度：一般为50～150 m，可超过1000 m或更长。
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