顶管的施工方案

泥水平衡式顶管施工工艺流程图泥水平衡式顶管施工工艺流程图王兆铨绍兴磐石基础工程有限公司摘要介绍泥水平衡式顶管施工原理以及在市政、电力、交通等行业中的应用，比较分析该施工方式的特点关键词顶管施工应用随着日新月异的现代化城市建设进程，我们在为治理环境、解决供水、供电等问题作设施配套建设时，通常采用开槽埋管的办法进行工程施工。在市区较繁华的街道、在城市绕城主干道、在刚建成的高等级公路主线上，往往能见到许多次围着安全栏，昼夜作业的开挖场面。施工的地段，一幢崭新的楼房被拆除，车辆被限速绕道通行，深度开挖引起了周围构筑物不同程度的沉降，修复后的路面几年后尚在不停下陷。这一切越来越被人们所重视。近几年，在管线穿越公路主干线时，虽然采用了人工顶管施工方法，但是，由于挤压式短距离顶管施工而引起路面隆起，人工挖掘式顶管施工而引起的路面沉陷时有发生。如何有效的解决以上问题？一种新型的顶管施工技术——泥水平衡式顶管施工工艺，已从日本引进，并在上海、广州等地广泛地应用。这是一种没有开挖那种混乱场面的管道开挖技术，一种在地面下工作的系统，它是一种全遥控的技术，使工人们远离危险环境下的工作方式，加上自动平衡的技术来防止地表隆起和沉降，使管道在垂直和水平方向上达到正负1英寸的精确度，这种革命性的技术称作为顶管施工。顶管施工技术是一种管道铺装技术，无需开挖地面，有具大推力的液压千斤顶可用在有遥控装置的顶管掘进机的后方，使掘进机及紧随其后的管道穿越土层，达到预先设计的位置上，这就称为顶管工程。挖掘发生在顶管机的前方，被挖掘物质通过泥浆循环系统用泵排出，到达地表。微型顶管掘进技术有4个方面优于其它隧道开挖技术：1)、微型顶管掘进机是一种遥控技术，可降低工作强度和提高工作地点的安全性；2)、按照表面土压由掘进机进行土压平衡，实际上消除了地下运动及地表沉降，保持了地下土质的原状性；3)、当有地下水存在时，顶管机无需排水，而且微型顶管掘进机能设计成在各种土壤条件下进行施工；4)、微型顶管掘进机能在几乎所有的土壤中铺设管道，从而不破坏地下环境，无需使用昂贵的注浆及抽水技术，其最终结果是完成一条完整的管道线，加上绝对小的地表破坏。1、施工测设与调查顶管工程从周密的设计开始，由全面的现场勘测及调查报告，还有可能遇到的不同土质，地下水位详情报告，工程的其它方面的调查，诸如管道的长度、深度、直径，所顶管道的规格性质，所有的一切都仔细考虑好了，最佳的计划便制订成了。2、工作井与接收井第一阶段要求工作井和接收井，通常建筑在设计线的两端，在入孔位置上有工作井，另一端有接收井，工作井可以是圆型的，长方形的，但它必须有一定的长度，以便容纳顶管设备，尤其是后靠墙液压千斤顶系统，微型顶管机及井口止水圈等；接收井在另一端，其大小可以撤走微型顶管机头即可。井的建设可以有以下几个方法：1）、打板桩法2）、衬砌板法3）、竖桩和打板法4）、波纹技术管法5）、扇形衬固法6）、预先浇箱结构法（沉井）7）、浅开挖扩展法和钢板支持式挖掘法。在一些情形下，井的建设需要进行预先治理，地下治理包括：①井点降水②化学稳定，以及在非常困难条件下的地下凝固。井的建设的方法常常由工程建设需要来定，然而，施工者的个人偏爱、经济条件及地下水位、土壤特点亦起着主要作用。工作井墙体完成以后，再准备浇筑用于顶管机安装所需底板来支撑顶管系统，需要时，还要建一部后座板墙来支撑液压产生反作用力，安装一个进洞止水圈，顶管进洞前进入止水圈，止水圈由厚大于16mm橡胶板制成，必要时，还需注浆加固，以防止由于地下土质较差，而引起土体下坍、流出以及地下水位的喷出。3、顶管机的工作原理一旦工作井完成以后，经调试完毕的液压系统，顶管掘进机便通过运输至工地，并安装就位，微型掘进设备包括，操纵室和遥控台，液压装置，后方主油泵，泥水循环装置，激光定位装置，减摩剂搅拌注入装置，泥水处理装置；其他辅助装置包括起重机，发电机、卡车、电焊机等。随后，真正的微型掘进装置，便被安全地降落到导轨上。应付不同土壤条件的掘进机品种较广，直径在于250mm~3000mm。掘进开始，微型掘进机被主顶油缸向前推进，掘进机头进入止水圈，穿过土层到达接收井，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。挖掘的土质，石块等在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，在那里与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。在挖掘过程中，采用复杂的土压平衡装置来维持水土平衡，以至始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面的沉降和隆起的效果。掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，它被推到掘进机的尾套处，与掘进头连接管顶进以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。顶进机在掘进过程中，采用了激光导向控制系统。位于工作后方的激光经纬仪发出激光束，调整好所需的标高及方向位置后，对准掘进机内的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到机内摄像机的影像内，并输送到挖掘系统的电脑显示屏内。操作者可以根据需要开启位于掘进机内置式油缸进行伸缩，为达到纠偏的目的，调整切削部分头部上下左右高度。在整个掘进过程中，甚至可以获得控制整个管道水平、垂直向30cm内的偏离精度。4、泥水处理系统：泥浆系统有两个作用：送走被挖掘机的渣土和平衡地下水。泥浆系统是由密封的管道组成，通过机头循环，形成泥浆混合物，由排泥管送走，最后沉淀在地面上的泥浆池内，泥浆通过众多的排泥泵被排出。再由进水泵进水送入机头，排泥由变速的排泥泵进行控制。机坑旁通装置可控制进排泥浆的速度、方向，以防止泥渣堵塞管道，淤积现场。当挖粘土时，可能使普通粘土，有一定的粘合度，可以直接将泥浆排入泥浆池内，但是当挖沙土时，泥浆中必须添加一定的粘合剂（诸如膨润土等）以增加泥浆粘度，以达到排渣的最终目的。夹带泥砂的泥浆，可通过振动筛、循环沉淀器、干燥器等，处理分离渣质，泥浆被再用，渣质被积累后处理。进排泥水系统起着第二个作用：在有地下水存在的地方，掘进机表面的压力可以降低到小于水中的压力。这样避免了抽地下水的需要。进排泥水系统中的压力感应器可测出地下水的压力。机内泥水循环系统，电磁阀，旁通装置及载水阀可以起到调节水压的作用。机内电磁阀和旁通系统，可以阻止水压的变化，保持水压，在加管道时，不至于减小机头的水压，保证内部压力平衡。5、顶进用管：管道用于顶管时，叫做顶进用管，基本上是一种埋入式的厚壁管，它一端由一个凹形接口、钢环套、本质垫圈，另一端为一个凸接口、密封圈。当两者连接在一起时，形成一个密封永久的管接口。管道的外表面是光滑的。以使它在穿越土层时减少摩阻力，而夹垫圈缓冲两管端之间的负荷，以降低局部挤压所形成的压力差。砼管、PVC管以及玻璃钢管在顶进中非常多见，但钢管以及铸铁管亦被应用于顶管，其管径从而50mm到3000mm，每节长度从1m到10m。6、主顶液压系统与中继间*：主顶液压系统提供所需的推进力来移动顶管，顶管所需的推进力均由这个系统提供，推力从而200T——4000T，范围广泛。主顶液压系统位于工作井的后方，当一段顶管被到导向轨上以后，油缸开始工作，缓缓推进，由位于地面的液压动力站提供动力，加压到油缸，使推进速度与微型顶管机同步，推进管与油缸的套环确保了油缸的顶力传递到顶管，同时，顶管的反作用力通过受压板将顶管的反力作用于墙上。主顶液压油缸系统可以是双冲程的千斤顶，一次推进可以推顶进一根顶管的长度（1m-10m），但是需要有一个较大的工作井，有时为减小工作井的长度，可以设置短程千斤顶，加上可移位的顶铁，各种双冲程式和短冲程式的千斤顶，均为了一个目的——就是使顶推背有较小的推力和减少工作井。推进顶管所需一定的推进力，这种推力取决于诸多因素，一般根据管道表面积来计算，当掘进长度增加时，管道与土层的摩擦力也会增加，这样便要求更大的顶进力量。可以设置一种作用于管道表面的、起滑润作用的高分子化合物，来注入于土层与管壁向，形成一层浆套。减摩剂通过机内的减摩剂注入孔由顶管掘进机的后面通过滑材泵注入，也能按规定的间隔注入于管材表面，这样，大大减少了摩阻力，提高了顶管顶进长度，然而在某些情况下，管道的摩阻力可能超过千斤顶顶力以及管材自身的承受力或者是后座墙所能承受的推力极限，这样就需要使用一个或多个中继间，这些中继间提供额外的顶力以满足整条管道所需的推力。内置式油缸由众多小的液压油缸组成，这些油缸沿着中继间内表面安装，中继间在管道之间，按计划线在必须时向前移动，第一个油缸开启了，向微型顶管掘进机向前移动了一个行程、然后掘进机内的主油缸开启，导致内置油缸的关闭而只有管道的后段前进、这样的过程在掘进之间一直重复着，到掘进快完成时，内置油缸被移去，管道闭合，实际上留下一段标准的管道连接。7、操作控制系统：一名受过高度训练的操作人员，在地面控制室外内操作并仔细检测着整个操作系统、观察掘进机内的土压、油压、激光束位置。控制台提供操作数据和控制整套系统的电子按钮。控制板可以是人工控制方向和数据记录，或者是全自动控计算机控制方向和记录，其他的工作人员则负责井内管道和顶铁的更换以及进行、进排泥管和电缆的连接。正常的工作时间是每周5天、每天8-10小时，仅仅在特殊的条件下增加工作时间至每天24小时。当掘进机到达接收井时，挖掘会暂时中断，如果遇到有地下水或软土层时，还需有洞口止水圈安装在接收口墙上。最后，掘进机头从土层出来进接收井，就完成整个管道的铺装。这以后，掘进机被撤走，建造人工出口，接收井被关闭。一个工程常常有几个掘进段组成，这时，在工作井内的顶进设备变换方向，重新开始另一方的顶进工作，这个过程每过一个工作井重复二次，最后铺设成了整个下水道或输送管道。9、泥水平衡式顶管施工最大的优点是：（1）适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高，以及变化范围很大的条件下，它都适用。（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，采用此方法顶管引起的地面沉降较小。（3）与其他类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以特别适用于长距离顶管。（4）工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险的作业。（5）泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。顶管与其它非开挖技术的对照表微型顶管掘进技术是一种已经证实的替代开糟挖埋式铺管的先进技术，它对于减少地面及建筑物的破坏，减少不必要的施工冲突，减少地下运动的危害，以及减少工人的工作强度，保证工作场地交通及行人的安全，势必为一种理想的工作方法。微型顶管掘进技术也是一项高新的施工技术，施工区域内地质的变化，管材的采用，工作井的设置，均会影响顶进的质量及精确度，如何确保顶管施工的万无一失，除了不断学习借鉴国外的施工经验外，因地制宜选择施工方案尤为重要。我们相信，在人类保护地球、保护环境的今天，顶管施工将会被广泛应用于市政、电力、交通等行业，同时，将越来越被人们所重视。注：*中继间，有的也称中继站或中继环，是安装在一次顶进管子的某个部位，把这段一次顶进的管道分成若干个推进区间。在顶进过程中，先由若干个中继间按先后程序把管子推进一小段距离以后，再由主顶油缸推进最后一个区间的管子，这样不断地重复一直到把管子从工作坑顶到接收坑的—种顶管施工手段。