参考资料 顶管施工法_secret

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：①开挖部分仅仅只有工作坑和接收坑，而且安全、对交通影响小；②在管道顶进过程中，只挖去管道断面部分的土，挖土量少；③作业人员少，工期短；④建设公害少、文明施工程度高；⑤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：①曲率半径小而且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难；②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；③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；④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：①管径一般在200～3500mm；②管材一般混凝土管、钢管、陶土管、玻璃钢管；③管线长度一般为50～300m，最长大可达1500m；④各种地层，包括含水层。

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：①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。

②可有效地保持挖掘面的稳定，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。

③所需的总顶进力较小，尤其是在黏土层，适宜于长距离顶管。

④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。

⑤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：①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、晾晒等，则处理起来不仅麻烦，而且处理周期也比较长。

②所需的作业场地大，设备成本高。

③口径越大，它的泥水处理量也就越多。

事。

而且，⑤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。

⑥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立起来。

前面已强调过，泥水的密度必须大于1．03，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。

在黏土层中，由于其渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，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<1×10-3cm/s 的砂土中，泥浆密度应适当增加。

这样，在挖掘面上使泥膜在较短的时间内就能形成，从而泥水压力就能有效地控制住挖掘面的失稳状态。

在渗透系数适中，如1×10-3 cm/s<K<1×10-2 cm/s的砂土中，挖掘面容易失稳。

这就需要我们注意，必须保持泥水的稳定。

即进入掘进机泥水仓的泥水中必须含有一定比例的黏土和保持足够的密度。

为此，在泥水中除了加入一定的黏土以外，须再加一定比例的膨润土及CMC作为增黏剂，以保持泥水性质的稳定，从而达到保持挖掘面稳定的目的。

在砂砾层中施工，泥水管理尤为重要，稍有不慎，就可能使挖掘面失稳。

由于这种土层中一般自身的黏土成分含量极少，所以在泥水的反复循环利用中就会不断地损失一些黏土，这就需要我们不断地向循环用泥水中加入一些黏土，才能保持住泥水的较高黏度和较大的密度，只有这样，才可使挖掘面不会产生失稳现象。

在泥水平衡顶管施工过程中，还应注意以下几个问题。

①当掘进机停止工作时，一定要防止泥水从土层中或洞口及其他地方流失。

否则，挖掘面就会失稳。

尤其是在出洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水。

②在顶进过程中，应注意观察地下水压力的变化，并及时采取相应的措施和对策，以保持挖掘面的稳定。

③在顶进过程中，要随时注意挖掘面是否稳定，不时检查泥水的浓度和相对密度是否正常，还要注意进排泥泵的流量及压力是否正常。

应防止排泥泵的排量过小而造成排泥管的淤积和堵塞现象。

三、土压平衡顶管土压平衡顶管是机械式顶管施工中的一种。

它的主要特征是在顶进过程中，利用土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力，排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。

它与泥水平衡顶管相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理。

土压平衡顶管掘进机的分类方法主要有四种，第一种是以土仓中的泥土类型分为泥土式、泥浆式和混合式三种。

其中，泥土式又可分成压力保持式和泥土加压式两种。

压力保持式就是使土仓内保持有一定的压力以阻止挖掘面产生塌方或受到压力过高的破坏。

泥土加压式就是使土仓内的压力在顶管掘进机所处土层的主动土压力上再加上一个△p，以防止挖掘面产生塌方。

泥浆式是指排出的土中含水量较大，可能是由于地下水丰富，也可能是人为地加入添加剂所造成，后者大多用于砾石或卵石层。

由于砾石或卵石在挖掘过程中，不具有塑性、流动性和止水性的特征，在加入添加剂以后就使它具有较好的塑性、流动性和止水性的特征。

它与泥水平衡顶管掘进机的区别在于前者采用的是管道及泵排送泥浆，而后者则是采用螺旋输送机排土。

混合式则是指以上两种方式都有。

第二种是依据顶管掘进机的刀盘形式分为有面板刀盘和无面板刀盘两种。

有面板的掘进机土仓内的土压力与面板前挖掘面上的土压力之间存在有一定的压力差。

而且，这个压力差的大小是与刀盘开口大小成反比的，即面板面积越大，开口越小，则压力差也就越大；反之亦然。

无面板刀盘就不存在上述问题，其土仓内的土压力就是挖掘面上的土压力。

第三种是根据土压平衡顶管掘进机有无加泥功能分为普通土压式和加泥式两种。

所谓加泥式就是具有改善土质这一功能的顶管掘进机。

它可以通过设置在掘进机刀盘及面板上的加泥孔，把黏土及其他添加剂的浆液加到挖掘面上，然后再与切削下来的土一起搅拌，使原来流动性和塑性比较差的土变得流动性和塑性都比较好，还可使原来止水性差的土变成止水性好的土。

这样可大大扩大土压平衡顶管掘进机适应土质的范围。

第四种是根据刀盘的机械传动方式来分，将土压平衡顶管掘进机分为三种。

图中3-6 所示的是中心传动形式。

刀盘安装在主轴上，主轴用轴承和轴承座安装在壳体的中心。

驱动刀盘的可以是单台电动机及减速器，也可以是多台电动机和减速器，或者采用液压马达驱动。

中心传动方式的优点是传动形式结构简单、可靠、造价低，主轴密封比较容易。

缺点是掘进机的口径越大，主轴必须越粗，使它的加工、联接等更麻烦。

因此，这种传动方式适宜在中小口径和一部分刀盘转矩较小的大口径顶管掘进机中使用。

图3—7中所示的是中间传动形式。

它把原来安装在中心的主轴，换成由多根联接梁组成的联接支承架把动力输出的转盘与刀盘联接成一体，以改变中心传动时主轴的强度无法满足刀盘转矩要求这一状况。

这种传动方式可比中心传动传递更大的转矩。

但是，它的结构和密封形式也较复杂，造价较高。

它适用于大、中口径中刀盘转矩较大的顶管掘进机。

图3—8所示的是周边传动形式。

其结构与中间传动形式基本相同，只不过它的动力输出转盘更大，已接近壳体。

因此，它的优点是传递的转矩最大。

缺点是结构更为复杂，造价也十分昂贵。

另外，它还必须把螺旋输送机安装部位提高，才能正常出土。

在设计这种形式的掘进时，壳体必须有足够的刚度和强度。

以上三种传动形式都可以采用电动机驱动和液压马达驱动两种动力驱动，一般采用电动机驱动方式，这是因为：①普通顶管掘进机的口径一般不会超过4 m ，驱动功率也不会很大，电动机驱动足以 能够胜任。

②电动机驱动的效率高、噪声小、体积小、起动方便，机内环境比较好；关键是要处理 好多台电动机先后起动这个难题。

③液压传动效率低、噪声大、体积也庞人；机内由传动效率低而产生的热量大，大量发热又使液压油易蒸发，污染机内操作环境：因此，即使它具有起动方便、可靠的优点也不足以抵消它的缺点。

四、小口径顶管(一) 小口径顶管概述小口径顶管施工法又称小口径顶管法，起源于日本，是指人不进入管内作业的遥控式顶管施工法，一般用于口径在900mm 以下的管道铺设。

但实际上可以铺设更大直径的管道，最大可达3000mm ，甚至更大。

小口径顶管不仅用于下水道施工中，而且还广泛用于自来水、煤气、电缆、通信等各个领域的管道敷设工程中。

过去，由于这些管道埋深浅、口径小，所以大多采用开挖法施工。

但是，随着城市建设规模的不断扩大，城市中道路等级也越来越高，加上交通量的不断上升，许多建成区内已无法采用开挖法施工。