浅谈顶管技术在城市建设中的应用

浅谈顶管技术在城市建设中的应用城市建设日新月异，同时人们对美好环境的追求也是日益提高，因此城市建设人们生活带来的诸多不便也日益凸现。污水处理系统、自来水、煤气、电力通讯等建设开挖矛盾更甚，笔者通过多年的建设施工，认为顶管技术的应用可以较好地解决问题。一、技术特点顶管技术是极为更要的一种都市铺设管道的施工手段，采用顶管施工法铺设管道具有如下得天独厚的优势：（1）顶管施工是顶管铺管技术的一种，其在国外已广泛使用，在国内也己逐渐普及。于不开挖地面，所以能穿越公路、铁路、河流，其至能在建筑物底下穿过，是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法，堪称为环境保护施工时的环境保护。（2）顶管施工不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管寿命亦大于开挖法埋管。（3）采用房下顶管施工法能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大的经济效益。（4）顶管工艺不仅仅用于管线铺设，它还具有灵活的排管施工方式。更为重要的是顶管施工作为一种工艺，它不仅仅铺设管线，它在管棚施工方面也具有优势。管棚施工是指在地下构筑物施工前，先利用密排的钢管作成各种断面形状的管棚，对地面建筑物在施工过程中起到保护作用或者是为了达到某种特殊要求而采取的一种辅助施工措施。以下是顶管技术与其他工法的比较：顶管盾构定向钻水平钻机夯管锤工法特点（优点）顶进精度高，方向控制精度可达5cm之内适用于大口径隧道施工速度快施工速度快施工速度快、成本低工法特点（缺点）施工成本较高管材成本高由于精度限制，无法用于污水管道施工施工精度较低方向控制精度低、施工震动大，仅适用于钢管施工适用范围通信管、排污管、煤气管、自来水管、综合管道综合管道、地铁、隧道通信管、煤气管、自来水管通信管、煤气管、自来水管通信管、煤气管、自来水管适用管径Φ350--Φ4000Φ3000--Φ14000Φ100--Φ1000Φ100--Φ1500Φ200--Φ1800施工精度50mm以内50mm以内1000mm以内500mm以内施工速度2--4天/100m1天/100m1--2天/100m1--2天/100m不可否认顶管技术也存在一定的缺点，要求我们在今后的施工中认真加以解决：（1）对土质要求高。（2）地面沉降对其影响较大，变位较多。（3）工期较长。（4）费用较高。（5）对管材要求高，一般需采用加筋管、T型、F型砼管等。二、分类顶管技术主要有以下分类：（1）刃口推进工法（2）泥水式推进工法通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力。采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程中不间断，施工速度快。无需地盘改良或降水处理，施工后地表沉降小。（3）土压式推进工法通过向切削仓内注入一定比例的混合材料，使得充满泥仓的泥土混合体平衡正面土压以及地下水压力。无需泥浆泵等后部配套装置，整机造价低廉。无需泥浆处理，施工成本低。（4）泥浓式推进工法可以不加破碎的排出孔径约为顶管机直径1/3的砾石，采用了二次注浆方法，大大的减少了磨阻力，适合长距离顶进。三、不同土质对顶管机械的选择目前顶管所常见的几种土质1、淤泥质黏土：此种软土的形成是在较弱的海浪岸流及潮汐的水动力作用下逐渐形成的。土的颜色多呈灰色或黑灰色，光润油滑且有腐烂植物的气味，多呈软塑或半流塑状态。其天然含水量很大，一般都大于30%，饱和度一般大于90%，液限一般在35-60%之间，软土的天然重度较小，约在15-19KN/m3之间。孔隙比都大于1，因其天然含水量高、孔隙比大，就带来了软土地基变形大，强度低的特点。对于淤泥质黏土，由于其土质较软，切削容易，因此我们多选用多刀盘土压平衡式顶管机。多刀盘土压平衡顶管掘进机把通常的全断面切削刀盘改成四个独立的切削搅拌刀盘，所以它尤其适用于软粘土层的顶管。如果在泥土仓中注入些粘土，它也能用于砂层的顶管。采用此机进行顶管施工后，对地面及地下的建筑物、构造物、埋设物的影响较小。用它可以安全地穿越公路、铁路、河川、房屋以及各种地下公用管线。其最小复土深度可以相当于一倍管外径左右。2、砂性土：由于曾受到海水的冲击，部分地区沉积层含有海水所搬运的大量沉积物，其中主要为细砂及粉砂。由于含黏土的成分较少，我们可称之为砂性土。砂性土的土颗粒较一般的黏土大，一般在20μ以上，土颗粒之间的凝聚力较小，呈单粒结构。孔隙比较大，很容易在水动力的作用下产生流沙现象。对于易产生流沙现象的砂性土可根据其含水量及其标准贯入度选用不同类型的掘进机，当标准贯入度较小时可选用多刀盘土压平衡式掘进机，当标准贯入度较大时，除多刀盘土压平衡式掘进机以外的以上各种掘进机都适应此种土质。3、黄土：凡以风力搬运沉积又没有经过次生扰动的、无层理的黄色粉质、含碳酸盐类并具有肉眼可见的、大孔的土状沉积物成为黄土（也称原生黄土），其它成因的、黄色的、又常具有层理和夹有砂、砾石层的土状沉积物称之为黄土状土（也称次生黄土）。对于地质为黄土的情况下我们可采用单刀盘土压平衡式掘进机和偏心破碎泥水式掘进机。单刀盘土压平衡顶管掘进机有以下优点：1．适用的土质范围非常广。2．施工后地面沉降小。3．弃土的处理比较简单。4。可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工。5．有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能。6．开口率达100％，土压力更切合实际。4、强风化岩：强风化岩是指风化很强的岩石，此种土质的组织结构已大部分破坏，矿物成分已显著变化，含有大量黏土质黏土矿物。风化裂隙很发育，岩体被切割成碎块，干时可用手折断或捏碎，浸水或干湿交替时可较迅速地软化或崩解。用镐或锹可挖掘，干钻可钻进。对于地质为强风化岩的情况下我们可采用偏心破碎泥水式掘进机。此机型的第一个特点就是它几乎是全土质的掘进机。它可以在N值从0--15的黏土，N值1--50的砂土以及N值10--50的砾石层等所有土质中使用，而且推进速度不会有太大的变化。它的第二个特点是破碎粒径大，可达掘进机直径的40%--45%之间。它的第三个特点是施工精度高，施工后的偏差极小。它的第四个特点是由于有偏心运动，进土的间隙又比较小，即使用清水作为进水，也能保持挖掘面的稳定。它的第五个特点是可以进行长距离顶进，也可用于曲率半径比较小的曲线顶进。它的第六个特点是施工速度快，每分钟可进尺100mm--180mm之间。它的第七个特点是结构紧凑、维修保养简单、操作方便。无论在工作坑中安装还是在接收井中拆除都很方便。5、微风化及中风化岩：微风化岩是指岩质新鲜，表面稍有风化迹象的岩石，强度大于50Mpa，硬度很高的岩石。在此地层中顶进较困难，而且一般顶进距离超过100米时需要更换刀头。中风化岩较软，其组织结构部分破坏。矿物成分发生变化，用镐难挖掘。中风化岩以及弱风化岩条件下如果地下水含量较高就只能采用岩盘顶管机了。该机型的刀头类似于牙轮钻，可以在岩石中顶进，也是一种全土质的机型，但该机种的造价很高，目前在国内使用较少。四、顶管技术在污水工程中的应用（一）适用条件在污水管道直径较大（Φ600mm以上），施工现场无法有采用明沟开挖埋管施工而管道沿线又无其它建筑物基础时，可考虑采用使用顶管法施工。（二）施工原理顶管法施工原理是在管道的沿线按设计的方案设置工作井和接收井，工作井内设置坚固的后座，吊进油压千斤顶以及要顶进的钢管或混凝土管，接好照明，泥浆管，油管等管线，然后用油压千斤顶缓慢顶进，通过压浆系统使管节周围形成泥浆套，管道在泥浆套中滑行，在顶进的过程中通过激光经纬仪测量顶管的方向，边顶进边排土边调整，直至将钢管或混凝土管顶至接收井内。（三）顶管的施工1、工作井及接收井、检查井施工，根据地质情况及现场条件，采用合适的支护方式开挖，然后尽快做好底板及壁板混凝土，并进行顶管所需的后靠背混凝土以及土体的强度复核，确定混凝土以及钢板垫块的厚度。这是管节能否顺利顶进的关键。2、油压千斤顶吊放就位，轨道安装。3、管节的选用、安装：管节必须全面检验，发现外观有缺陷的一律禁止使用。管道吊放前上好橡胶止水圈。将管节吊放在轨道上，安放环形顶铁，缓慢推进，让接头平顺对接。如发现有破坏、翻转、出槽等现象，必须退出管节重新更换、调整橡胶圈，重新安装对接。接头对好后，继续开动液压千斤顶将管节顶进。4、管节顶进a、顶进的流程为：b、顶进的阻力主要为正面阻力、管道周边摩阻力两部分组成。为减少顶进正面阻力，顶进的机头可改良为尖钻头。随着顶管距离的增长，推力上升很快。为避免管节超过受压极限破坏，管壁外的减阻是工程顺利完成的必要措施。施工时采用管节周围注触变泥浆，将管节与土之间的干摩擦变为湿摩擦，达到减阻的目的。触变泥浆按膨润土：烧碱：CMC：水=0.3：0.2：0.01：1的配比配制后静置24小时后使用。施工时通过压浆系统从机头，前三节管的注浆孔压入触变泥浆，形成约10mm厚的泥浆套，使顶管在泥浆套中滑行，减少摩阻力。根据压力表和流量表，控制压浆的压力约为自然地下水压的1.1～1.2倍。在施工操作时，必须“先压浆后顶管，边压浆边顶进，停顶进勤补浆”的办法维持泥浆套的性能。c、顶进线路的控制机头自身有一段纠偏段，纠编最大角度范围能够达到上下1.7°左右1.2°。顶进线路的控制主要依靠设备的正确操作以及预见性。为了使管道按照设计要求的高程和方向顶进，在顶进过程中应不断对工具管的高程方向转动进行测量，“勤测勤纠”，根据测量反馈结果，调整纠偏千斤顶，使机头改变方向，从而实现顶进方向的控制，确保管道按设计轴线顶进。纠偏贯穿顶进施工的全过程，尽量做到纠偏在偏位发生的萌芽阶段。测量是采用2″激光经纬仪进行方向的测量的，对于扭转，则由机头的角度仪测出。激光经纬仪经校正后，牢固固定在千斤顶端，然后管道的机头端安装反射玻璃，并将测量的结果直接输出至控制液压千斤顶的电脑上，方便操纵。顶管穿墙时要防止工具管发生偏差。在穿墙的初期，因入土较少，工具管的自重仅由两点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。土体支承面上承载力较低，使机头容易下沉。因此，机头穿墙时，在穿墙管下部要有支托，工具管的推进要迅速，缩短穿墙管内的土体暴露时间，以减少安全隐患。管道顶出穿墙管及在长度3－4m范围内的偏差是影响全段偏差的关键，特别是出墙洞时，由于管段长度短，机头重量大，近出洞口土质容易受扰动等因素的影响，往往会导致向下偏，此时，应该综合运用机头自身纠偏和调整千斤顶的作用力合力中心来控制顶管方向。d、泥土外运泥屑由泥水系统随泥浆管排出，在泥浆池过滤土渣并及时外运。e、管内动力及照明管内动力主要用来掘进、纠偏、出土及顶进，选择380V动力电源。由于管内环境潮湿，照明必须采用安全低压照明。采用变压器变为36V安全电压照明。f、顶管注意事项注意防止地面的沉降或隆起：在顶管施工沿线按一定间距布设沉降观测点，监测顶管顶进施工期间的地面沉降量。开挖端面的取土过多或过少，会造成地面的沉降或隆起。为避免这种不良影响，可采取以下措施：在压浆时要控制好压力，恰好能平衡“泥浆套”以上土体的压力。严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。在某些管节埋藏较浅，离地面不足1.5米的位置，可采用沿管线局部压钢板，上堆砂包加载的形式，防止管节顶进时触变泥浆上浮使到泥浆套失效。工具管纠偏后，刃脚后形成一个空隙，管道顶进时周围的土体会塌入空隙，造成地面沉降。为避免这种情况，在顶管顶进时，要及时测量，勤测勤纠，避免大角度纠偏。社会发展，城市建设日新月异，人们环保意识不断加强，城市的规划日趋严格，建设中大规模开挖带来的问题很多，随着顶管技术应用的日渐成熟，必将有效的解决相关问题。