参考资料 顶管施工法_secret

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1、一、顶管施工概论一、顶管施工概论 顶管施工法是继盾构法之后而发展起来的一种地下管道施工方法，也是使用得最早的 一种非开挖施工方法，起源于美国。最初，顶管施工法主要用于跨越孔施工时顶进钢套管， 随着技术的改进，顶管法也用于无套管情况下顶进永久性的公用管道，主要是重力管道。 按工作面的开挖方式可将顶管法分为普通顶管(人工开挖)、机械顶管(机械开挖)、水射 顶管(水射流冲蚀)、挤压顶管(挤压土柱)等。采用何种方法要根据管径、土层条件、管线长 度以及技术经济比较来确定。在顶管施工中，最为流行的三种工作面平衡理论是：气压、土水和泥水平衡理论。顶管施工与开挖施工法相比，具有以下优点： 开挖部分仅仅只有工作

2、坑和接收坑，而且安全、对交通影响小； 在管道顶进过程中，只挖去管道断面部分的土，挖土量少； 作业人员少，工期短； 建设公害少、文明施工程度高； 在覆土深度大的情况下，施工成本低。 但是，它与开挖施工法相比较，顶管施工也存在以下不足之处： 曲率半径小而且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难； 在软土层中容易发生偏差，而且纠正这种偏差又比较困难，管道容易产生不均匀下 沉；推进过程中如果遇到障碍物时处理这些障碍物则非常困难； 在覆土浅的条件下显得不很经济。顶管施工法的适用条件为： 管径一般在 2003500mm； 管材一般混凝土管、钢管、陶土管、玻璃钢管； 管线长度一般为 50300m，最长大可达

3、1500m； 各种地层，包括含水层。 二、泥水平衡顶管二、泥水平衡顶管在顶管施工分类中，通常把用水力切削泥土以及虽然采用机械切削泥土而采用水力输 送弃土，同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水 平衡顶管施工。在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的 泥水，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，以阻止泥水向挖掘面里面渗透。同时， 该泥水本身又有一定的压力，因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力。这就是泥水平 衡顶管最基本的原理。如果从输土泥浆的浓度来区分，又可把泥水平衡顶管分为普通泥水顶管、浓泥水顶管 和泥浆式顶管三种。完整的泥

4、水平衡顶管系统分为八大部分，如图 3-3 所示。第一部分是 泥水平衡顶管掘进机。它有各种形式，因而是区分各种泥水平衡顶管施工的主要依据。第 二部分为进排泥系统。普通泥水顶管施工的进排泥系统大体相同。第三部分是泥水处理系 统。不同成分的泥水有不同的处理方式：含砂成分多的可以用自然沉淀法；含有黏土成分 多的泥水处理是件比较困难的事。第四部分是主顶系统，它包括主顶油泵、油缸、顶铁等。 第五部分是测量系统。第六部分是起吊系统。第七部分是供电系统。第八部分是洞口止水 圈、基坑导轨等附属系统。泥水平衡顶管施工的主要优点是： 适用的土质范围较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，也能适用。可有效地

5、保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小。因此，采用泥水 平衡顶管施工引起的地面沉降也比较小。所需的总顶进力较小，尤其是在黏土层，适宜于长距离顶管。作业环境比较好，也比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运 土方等容易发生危险的作业。由于是在大气常压下作业，也不存在采用气压顶管带来的各 种问题及危及作业人员健康等问题。 由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，所以它作业时的进度比较快。 但是，泥水平衡顶管也有它的 缺点，主要是： 弃土的运输和存放都比较困 难。如果采用泥浆式运输，则运输 成本高，且用水量也会增加。如果 采用二次处理方法来把泥水分离， 或让其自然沉淀、晾晒

6、等，则处理 起来不仅麻烦，而且处理周期也比 较长。 所需的作业场地大，设备成 本高。 口径越大，它的泥水处理量 也就越多。因此，在闹市区进行大 口径的泥水顶管施工是件非常困难 的事。而且，泥水一旦流入下水道以后极易造成下水道堵塞。因此，在小口径顶管中采用 泥水式是比较理想的。 如果采用泥水处理设备则往往噪声很大，对环境会造成污染。 由于设备比较复杂，一旦有哪个部分出现了故障，就得全面停止施工作业。因而相 互联系、相互制约的程度比较高。 如果遇到覆土层过薄或者遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作业就会因此受阻。因为在这样的土层中，泥水要么溢到地面上，要么很快渗透到地下水中去，致使泥水 压力无法建

7、立起来。 前面已强调过，泥水的密度必须大于 103，即必须是含有一定黏土成分的泥浆。但 是，在泥水平衡顶管施工过程中，应针对各种不同的土质条件，来控制不同的泥水。详细 情况可参见表 3-4。不同土质条件下的泥水密度不同土质条件下的泥水密度 表表 3-4土质名称渗透系数，cm/s颗粒含量，密度黏土及粉土110-9110-75151.0251.075粉砂及细砂110-7110-515251.0751.125砂110-5110-325351.1251.175粗砂及砂砾110-3110-135451.1751.225砾石110-1以上45 以上1.225 以上在黏土层中，由于其渗透系数极小，无论采用的

8、是泥水还是清水，在较短的时间内， 都不会产生不良状况，这时在顶进中应以土压力作为考虑基础。在较硬的黏土层中，土层 相当稳定，这时即使采用清水而不用泥水，也不会造成挖掘面失稳现象。然而，在较软的1-掘进机；2-进排泥管路；3-泥水处理装置；4-主顶油泵；5-激光经纬仪；6-行车；7-配电间；8-洞口止水圈黏土层中，泥水压力大于其主动土压力，从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。但实际上， 即使在静止土压力的范围内，顶进停止时间过长时，也会使挖掘面失稳，从而导致地面下 陷。这时，应适当提高泥水压力。 在渗透系数较小，如 K钻头钻进速度，钻头后退，入口开大；(c)顶进速度钻头钻进遗度，钻头前进，入口缩小

9、，甚至关闭地下水的压力可由排土的泥浆压力来平衡。如果有地下水时，泥浆室内的浆液压力一 般高于地下水压力的 1020。 2.施工机具 泥水式小口径顶管为主要的施工机具，它也是由切削钻进系统、排土系统、导向系统 和操作系统等组成，其中切削钻进系统、导向系统和操作系统与螺旋式小口径顶管掘进机 相似，这里不再作介绍。 排土系统包括泥浆室、供浆管和排浆管、泥浆泵、沉淀池或泥浆分离装置。根据土层 条件和地下水情况，可选用清水、膨润土泥浆或聚合物泥浆作为输送介质。 双步施工法施工中专门设计的临时管(图 3-25)内装有排浆管、给浆管以及其他服务管 线，可简化施工时各种管线的连接。 泥水式小口径顶管施工法的设

10、备配置见图 3-9，图 3-26 为典型的泥水式小口径顶管掘 进机的结构。图 3-25 为双步施工法专门设计的临时管图 3-26 典型的泥水式小口径顶管掘进机l-切削头；2-切削齿；3-破碎工作室；4-破碎机构；5-主轴承；6-主驱动装置；7-密封圈；8-导向千斤顶；9-排浆管；lo-给浆管；u-目标靶；12-激光束；13-旁通接头 i14-阀柜3应用范围 标准的泥水式小口径顶管施工法可用于直径为 250900mm 的各种管道铺设，最大顶进 长度可达 300m；适用于 N550 的各种地层，包括含饱和水的地层(最大水压头达 25m)； 施工精度同样可控制在上下(垂直方向)偏差25mm 以内，左

11、右(水平方向)偏差在50mm 以 内。 泥水式小口径顶管施工法的主要缺点是： (1)受排浆管的限制，可处理的最大粒度为 3050mm； (2)每种管径要求使用与其相适应的设备。 为了处理粒度大于 3050mm 的大块卵砾石，可采用如下的措施： (1)采用特殊的切削具； (2)在小口径顶管掘进机内增加-个二次破碎机构。 常用的方法是采用具有滚刀型切削具的小口径顶管掘进机。这种小口径顶管掘进机可 以破碎土层中的大块卵砾石和混凝土结构，但是在黏性土层容易造成堵塞现象，降低施工 速度。 小口径顶管掘进机内增加一个二次破碎机构后，大块卵砾石经二次破碎后再排出，因 而可大大减少堵塞现象。在图 327 中，

12、一个回转式破碎机构固定在泥浆室内，并与驱动 轴相连，切削刀头切削下来的土经过刀盘上的入口和挡板上的可调式闸门进入泥浆室，在 此经回转式破碎机构二次破碎后可使其最大粒度降到 50 mm 以下。这种破碎机构可处理的 最大粒度可达顶管掘进机直径的 20%。图 3-27 带回转式破碎机构的小口径顶管掘进机(a)钻头切削钻进；(L)切削下来的土进入带破碎机构的泥浆室；(c)破碎土中的大块砾石；(d)土及破碎后的砾石随泥浆排出另一种处理大块卵砾石的小口径顶管掘进机采用偏心的破碎机构。它主要由带切削轮 的内锥体和带内倒锥的壳体组成，前者的轴线相对于后者的轴线有一个偏心量。内锥体作 偏心回转运动时，可改变与壳体的间隙，达到破碎大块卵砾石的目的。这种偏心破碎机构 的小口径顶管掘进机可将最大粒度为 1/3 管径的卵砾石破碎到 1925mm。与回转式破碎机 构相比，偏心式破碎机构的优点是： (1)不易引起堵塞，尤其是在黏性的土层； (2)松散的土在进入排土系统之前处于压密状态或成团块状，有利于排土和分离； (3)钻头的磨损大大减轻。