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1、106工程机械与维修 CM&M 2010.08 施工专家Construction Expert顶管机及顶管施工技术（上） 赵明 上海宝冶建设有限公司 顶管机在国内的发展国内顶管机经历了技术引进、研发、发展等几个时期，从最初的手掘式顶管机、气压平衡式顶管机到目前的水压、土压平衡式顶管机，不断吸收国外先进技术进行改进，到目前已经拥有一批具有自主知识产权的自主品牌，并在一些技术领域如纠偏、测量等方面取得了一定的成绩，达到或接近国际先进水平。如上海管道工程股份有限公司研制的2 2 0 0 型泥水平衡式顶管机其纠偏装置采用模块化结构，采用背景噪声抑制功能（A NS ）和微型可编程控制器（P L C ），
2、管理计算机有多个页面可供选择，能全面反映各项施工参数，运用触模屏进行操作；北京市市政工程研究院2 1 5 0 型加泥式土压平衡式顶管机其纠偏系统设计独特，运行状况集中显示和控制，并采用激光靶跟踪和倾角仪测斜的动态方位误差监控系统，使监测和操作工作更直观便利。目前国内顶管机规模较大、技术力量雄厚的生产企业主要有上海管道工程股份有限公司、北京市市政工程研究院、中铁一局市政环保工程总公司等，这几家公司的产品基本上都具有自动控制、机电液一体化、激光定位导航以及自动纠偏等功能。另有其他一些在技术力量、产品质量、生产规模等方面均有不足的生产厂家，其产品主要靠低价占有市场。目前，国外顶管机产品大都具有刀盘破
3、碎系统设计合理、地层土质针对性较强、采用精确激光纠偏导向系统、计算机控制程度高等技术特点。同时，国外顶管机朝着大负载精确控制、高响应、连续控制、计算机C A N 数字通信国外顶管机产品大都具有刀盘破碎系统设计合理、地层土质针对性较强、采用精确激光纠偏导向系统、计算机控制程度高等技术特点1072010.08 CM&M 工程机械与维修 总线控制、遥控控制、多功能化、微型化等趋势发展。我国顶管机的市场需求越来越大，尤其是对能够在复杂地质条件作业的多功能顶管机的需求将更加广泛。顶管机主要技术特征顶管机施工法之所以能够快速发展和普及，一是城市建设的急速发展造成环境破坏、交通堵塞、占用人类正常生活土地等问
4、题突出，因此人们对地下空间开发的需求越来越大；二是由于明挖工法会对地上交通产生影响以及施工时的噪声、振动、空气等污染对环境的影响和带来的公害，人们要求更加环保的施工方法；三是由于开发研制了适用于各种地质条件的不同类型的顶管机。当今的顶管机是集机械、电气、液压、测量、控制、注浆、排泥等多项技术于一体，专用于铺设地下管道工程的主要技术设备。顶管机适应土质范围广，软土、粘土、砂土、砂砾土、硬土均适用；破碎能力强，破碎粒径大，个数多；采用低速大扭矩传动方式，刀盘切削力较大，过载系数能达到3 以上；施工精度高，可上、下、左、右方向纠偏，最大纠偏角度达2 . 5 ，并可作较长距离顶进；有独立、完善的土体注
5、水、注浆系统，可对挖掘面土体进行改良，从而扩大适用范围；结构紧凑，使用维修保养简单，在工作坑、接收坑中便于拆除。优点 首先是安全性高。顶管施工法除竖井以外，几乎没有地面上的作业，不受地面交通、建筑物、河流等环境影响，可全天候施工。顶管施工是在钢壳的支护下进行的，因此可安全地进行开挖和衬彻等作业。顶管机的推进管道、背衬灌浆等作业都是重复循环进行，因此施工管理简单。其次是环保。顶管机对地面交通无影响，噪声、振动等的危害小，对周围环境干扰少。再次是经济性高。管道工程费用与覆盖土层的深浅无关，适合埋深、长大型管道施工。在确保掘进面安定的情况下，即使地质条件恶劣以及遇到地下设施等障碍，也比明挖工法经济性
6、高。最后是效率高。背衬注浆以及推进中的监控等全部实现了机械化、自动化控制、劳动强度低，施工精度高，掘进速度快。缺点 顶管机组装、解体、运输费用高，刀具磨损维修费用昂贵。顶管机重复使用率较低，一般掘进5 k m就要进行大修。顶管机型式的选择由工程地质、水文地质条件、管道断面尺寸等因素确定，因此，一般不能任意将在其他管道施工用的顶管机重复使用。需根据地质情况需要或制造加工，不能代用；当覆盖层较浅时，在顶管机的推进过程中很难防止地表沉陷，防护措施要求高；竖井附近由于顶管的作业会产生噪声和振动，特别是泥水处理设备的振动筛的低频振动，应加强管理；在曲线段施工时，顶管机因为是曲线推进，会造成急转弯处施工困
7、难，因为后推液压缸压力递增，使后期进入困难。 适用范围顶管机管道铺设可用于城市地下空间的地下水道、电力通讯管道、燃气热力管道、大型排除污水管道、大型引水管道等管道工程。顶管机能够适用于各种复杂的工程地质和水文地质条件。由于顶管施工法对工程地质和水文地质条件的依赖性较高，因此在地下管线密布地区不宜采用明挖法施工，地下水发育、围岩稳定性差，不能采用钻爆法施工时，采用顶管法施工是较为经济合理的施工方法。顶管机型式的选择是根据工程地质、水文地质条件、管道断面尺寸等因素确定，因此，一般不能任意将在其他管道施工用的顶管机重复使用108工程机械与维修 CM&M 2010.08 施工专家Constructio
8、n Expert顶管机的分类根据工作面平衡理论，顶管机可分为泥水平衡式顶管机、土压平衡式顶管机、多功能顶管机等。其中泥水平衡式顶管施工技术是以含有一定量粘土且具有一定相对密度的泥水充满顶管机的泥水舱，并对其施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力的一种顶管施工方法。土压平衡式顶管施工技术是以顶管机土舱内泥土的压力来平衡顶管机所处土层的土压力和地下水压力的一种顶管施工方法。一般将管径在2 m及以上的顶管机称为大口径顶管机，目前顶管施工的最大管径为3 . 6 m。 泥水平衡式顶管机 泥水平衡式顶管机是在加入添加剂、膨润土、粘土以及发泡剂等使切削土塑性液化的同时，将切削刀盘切削下来的土砂用搅拌机搅拌
9、成泥水状，使其充满开挖面与管道隔墙之间的全部开挖面，使开挖面稳定。添加剂注入装置由添加剂注入泵以及设置在切削刀盘或泥土室内的添加剂注入口等组成。注入装置、注入口径个数应根据土质、顶管直径和机械构造等考虑选择。添加剂的注入量、注入压力应根据切削刀盘扭矩的变化、向山体内浸透量、排土出渣状态以及泥土室内的泥土压等情况进行控制。切削刀盘的正面形状有2 种。一是面板形式，这种形式的顶管机是以泥土压+ 面板以维持开挖面的稳定；二是不设面板的轮辐形，这种形式的顶管机是以泥土压和轮辐结合以保持开挖面的稳定。面板形的顶管机，在面板上设有切口开闭装置，顶管机在停止作业时关闭切口，以防止开挖面的坍塌，同时切口可以用
10、来调节土砂的排出量。轮辐可以减轻铣刀的实际负荷扭矩，增大排出开挖土砂的效果。选择哪一种形式要考虑开挖面的安全性、泥水室内维修保养、切削刀头的更换难易程度以及排除障碍物作业的安定性等因素。这种型式的顶管机适用范围较广，一般适用于地下水压力高、细粒径少、流动性差的砂层和砂砺层等。泥水平衡式顶管机是在机械式顶管机的前部设置隔板，其形式是在刀盘切削山体时给泥水施加一定的压力，在使开挖面保持稳定的同时，将切削土以流体的方式输送出去。这种形式的顶管机构造包括开挖山体的切削机构、循环泥水用的排送泥水机构、使泥水分离的泥水处理机构以及将一定性质的泥水输送到开挖面上的配泥机构等。切削机构与机械式顶管机相同，由切
11、削刀盘和安装在前端的切削刀头构成。搅拌机构设置在泥土室内，以防止泥土室吸入口的堵塞及稳定开挖面。搅拌机构包括切削刀盘（刀头、轮辐、中间横梁）、在泥土室下方的排泥口及入口附近设置的搅拌装置和铣刀背面搅拌叶片。排送泥水机构及控制机构由以下几部分组成：将配置的泥水由设置在泥土室上方的送泥管输送到开挖面，控制开挖面水压的送泥管路。将切削的土砂由设置在泥土室下部的排泥管向处理设备输送的排泥管路。作业停止，或管路接长时等用的旁通管路。控制开挖面水压的开挖面水压保持管路。根据施工条件还设有循环管路。在送泥、排泥的各管路中设置数个泵和阀门，在管道中为了控制开挖面一般将管径在2 m及以上的顶管机称为大口径顶管机
12、，目前顶管施工的最大管径为3.6 m1092010.08 CM&M 工程机械与维修 110工程机械与维修 CM&M 2010.08 施工专家Construction Expert水压和土压的稳定而设有压力计、流量计以及密度计等仪器。为了不使泥土在管内沉淀还设置了控制流速机构。在切削砺石层时，被切削下来的石渣中会夹杂有大块砺石，因此应根据排泥设备（泥浆泵、排泥管）的能力设置砺石处理装置。砺石处理装置由设置在泥土室内和设置在排泥管中2种方式。因此，在选择砺石处理装置时，应根据砺石的粒径大小、砺石的数量、顶管的直径和砺石处理能力等因素考虑确定。泥水处理装置的功能是将排送到地面上的泥水经一次分离装置分
13、离后，将砺石、砂等分离出去，将凝集剂加入到剩余的淤泥、粘土等土砂中使之形成团状块，然后经机械或其他强制方法进行脱水分离出去。配泥机构的功能是在分离土砂后遗留下来的泥水里加入泥土、添加剂等，并调整为适当的比重、浓度、粘性等，然后再将配置好的泥水输送到开挖面，形成再循环使用。切削刀盘的长条切口处设有开启装置，根据土质的不同调节其开口大小的幅度，当作业停止时将长条切口全部关闭。泥水式顶管机主要适用于砂层、砂卵层、淤泥、粘土层以及粘土交错层。 土压平衡式顶管机土压平衡式顶管机包括使开挖面稳定的切削机构、搅拌切削土的混合搅拌机构、排出切削土的排土机构和给切削土一定压力的控制机构。土压平衡式顶管机切削机构
14、与机械式相同，具有切削刀盘和在切削刀盘前面安装的切削刀头。混合搅拌机构设置的目的是使切削的土砂产生相对运动，防止切削土的附着和沉淀。混合搅拌机构包括切削刀盘（刀头、轮辐、中间横梁）、铣刀背面搅拌叶片、设置在螺旋搅拌机轴上的搅拌叶片、在隔墙上或在泥土室的隔墙上设置的搅拌叶片和单独驱动的搅拌叶等。排土机构和控制机构设置的目的是为了使切削土的排土量与顶管机掘进速度相匹配。排土机构主要是螺旋输送器，而控制排土量的机构有闸门、排土口加压装置，排土采取旋转送料、压送式和泥浆泵等方式。在选择以上机构形式时，除考虑土质、粒径以及地下水压力等山体条件以外，还需考虑管道的断面及坑道内的各种因素，以选择最合适的设备
15、。在顶管机的隔墙上安装有土压计，用以测量泥土室内的土压力，控制和保持土室内土压保持平衡状态。这种土压式顶管机由于切削土的泥土化方法不同，分为土压式顶管机和泥土加压式顶管机。土压式顶管机的切削刀盘在回转过程中切削土砂，被切削的土砂充满开挖面与顶管隔墙间的泥土室内，顶管在推进的过程中用其推进力给予加压，使土压力作用于全部开挖面，以使开挖面稳定，同时在切削过程中用螺旋输送机排土。土压平衡式顶管机的搅拌机构将切削土砂搅拌成流动状态以便排土。这种顶管机适用于开挖含砂量小的塑性流动性软粘土。 多功能顶管机多功能顶管机集机械、液压、激光、电控（含P L C ）、测量技术为一体，是既可在含有较大砾石、卵石等的软土中施工，又可在岩石或复杂地质条件中进行自动化非开挖地下管道施工的先进设备。主要用于城市及周围的地下管道铺设施工，也可用于开挖施工无法解决的穿越河底、公路、桥梁的管道铺设施工。（待续）土压平衡式顶管机的搅拌机构将切削土砂搅拌成流动状态以便排土。这种顶管机适用于开挖含砂量小的塑性流动性软粘土
