顶管土压平衡技术

第三组主讲：陈茂制作人：王建明发言人：王建明资料：张伟强概述顶管技术目前主要分为气压平衡、土压平衡和泥水平衡三种。其中，土压平衡技术应用很广泛，因为该技术先进，方便高效，缺点是施工管理要求较高，施工作业要求严格。一、应用优势⑴施工不需开挖路面，占地少，能保持地面稳定，避免了城区道路反复多次开挖的难题，大大降低了对城区交通、环境的影响。⑵施工速度较快，昼夜平均顶进10～15m，一次性连续顶进距离最长可达500m以上，相应缩短了施工工期，提高了施工效率。⑶工程施工占地少，几乎不受地形地貌变化的限制，不用对地面上的各种市政设施等管道进行拆迁、重装，不需赔偿损失，节省了巨大的工程拆迁费。⑷能大量节约劳动力，一套顶管掘进设备昼夜轮班作业只需50人左右就可完成，可大大减少周转材料的投入。⑸操作方便，只需在敞开的工作坑内指挥吊装管段和装拆延长的管线，不需进入渠道内专业，不仅确保了安全生产而且节约了安全设施费用。二、工作原理图示为土压平衡式顶管示意图。•土压平衡式顶管机是利用安装在顶管机最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少顶管推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。土压平衡式顶管机与泥水平衡式的差异是密封舱内的承压介质不同。泥水平衡式顶管对应的介质是泥水；土压平衡式顶管对应的介质是泥土，但是稳定开挖面的基本原理是一致的。由于是管道内的掘削作业，从地层的应力关系看，相当于卸载。因此要想使开挖面稳定必须施加相当于卸载的土压与水压。所以土压平衡必须满足以下两个方面条件：⑴在顶进过程中，顶管机与其所处土层的土压力和地下水压力处于平衡状态；⑵其排土量与顶管机切屑刀盘破碎下来的土的体积处于一种平衡状态。土压平衡式顶管的原理示意图如图•土压平衡式顶管属封闭式顶管，顶管推进时其前端刀盘旋转掘削地层，掘削下来的土体涌入土舱。当掘削土体充满土舱时，由于顶管的推进作用，致使掘削土体对开挖面加压。当该加压压力与掘削地层的土压水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为开挖面平衡。要想维持排土量与掘土量相等，掘削土必须具备一定的流塑性和抗渗性。有些地层的掘削土仅靠自身的流塑性和抗渗性，即可满足开挖面稳定的要求。此外，多数地层土体的流塑性和抗渗性无法满足稳定开挖面的要求，为此需加入提高流塑性和抗渗性的添加材，实现稳定开挖面的目的。三、开挖面的稳定原理3.1土压顶管开挖面稳定的必要条件：•1泥土压必须可以对抗面上地层的土压和水压；•2必须可以利用螺旋输送机等排土机构调节排土量；•3对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土（混入添加材的掘削土）的塑流性和抗渗性提高到满足掘面稳定要求的水准。3.2开挖面稳定管理•稳定开挖面的管理重点应以泥土压管理，泥土流塑性管理及掘土量管理为中心。另外，开挖面的稳定状态，还应根据地层变形测量，开挖面坍塌探查等施工管理数据综合判断。•土压力大小的控制与以下几个方面有关:1)顶进速度：如果螺旋输送机输土量不变，顶进速度与土压力成正比。2)螺旋输送机的排土量：如果推进速度恒定，控制土压力与螺旋输送机的排土量成反比。3)顶进速度与排土量同时改变，也可以控制土压力在规定的范围内。当推进速度提高时，土压力随之上升，同时也提高了螺旋输送机的排土量。一般来说，土压力应该控制在主动土压力Pa和被动土压里P之间。b•如果地下水压力为Pw，则土压力P按下列条件控制：P+PwPP+Pw。实际上，在覆土比较深的时候，从P到P的变化范围较大，再加上理论计算与实际之间存在误差，所以必须进一步限定控制土压力的范围。一般把土压力设置在静止土压力P=20KPA范围内.+–baba0四.不同地层开挖面的土体改良方法•由于添加材的作用，土压顶管排出的掘削土体几乎均为含水率高和流动性大的土体。所以必须在施工现场对掘削土体作改良处理，进而作为建设污泥废弃或作再生利用。土体改良方法包括物理方法和化学方法。土体改良法物理方法化学方法水土分离法日晒法强制脱水法改良水泥法石灰改良法高分子改良法五.土压平衡顶管机的基本构造5.1系统构成•图4-30为土压平衡式顶管系统概况图。从设备方面看，与稳定开挖面有直接关系的装置有顶进装置，添加材注入装置，搅拌装置以及排土装置四种。只有当这些系统均正常工作时，方可确保开挖面稳定。土压平衡式顶管系统概况图：5.2顶进装置土压平衡式顶管机的顶进装置主要有刀盘，刀具，支承及传动系统组成。1刀盘的主要功能刀盘具有开挖，稳定开挖面及搅拌渣土的功能。、1）开挖功能：对开挖面的底层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱；2）稳定功能：支承开挖面，具有稳定开挖面的功能；3）搅拌功能：通过搅拌机构对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，通过输送机将土输出，并同日奥正控制土舱中的土压力，防止土层崩塌和隆起。5.3刀盘形式1）刀盘的正面形状（1）面板型：面板型刀盘可以防止开挖面过度坍塌，有利于开挖面稳定。有时在面板上设有切口开闭装置可用来调节土砂排出量，也可以在开挖停止时关闭切口，防止切口引起开挖面坍塌。开挖黏土性土时，由于土砂粘在面板表面，常常妨碍刀盘旋转，而且会扰乱开挖面，所以必须予以注意。面板型用于土压平衡式和泥水平衡式顶管。（2）辐条型：辐条型刀盘可以减轻切削刀的实际荷扭矩；开口率大，颗增大排出开挖土砂的效果；将土腔内土压有效传递给开挖面，而且对前面的道具进行检查或更换较为容易；轮辐的数量由运行特性确定，轮辐不会使土料在土舱出口有不规则的流动；轮缘可做成圆柱形或圆锥形机壳一部分，能将其受里分配至各个轮辐上。他的缺点是轮辐必须承受很大一部分因切削刀盘驱动产生的力，因而重量大；轮缘在周边增大了摩擦面，从而增大了所需的扭矩。它多用于土压平衡式。2）刀盘的纵面形状刀盘的纵面形状有垂直平行，抽心形和鼓筒形。（1）垂直平行：垂直平行刀盘是平面切削开挖面的，以平面状态稳定开挖面。（2）抽芯形：在刀盘中心装备有突头的刀头，抽芯就是为了提高开挖性能和方向性而采用的形状。（3）鼓筒形：鼓筒形刀盘的设计中引入了岩石盾构的设计思路，主要用于巨砾层和岩基。3)刀盘的支承方式如图4-31所示，刀盘的支承方式有中心轴方式，中间支承方式和周边支承方式。表4-21列出了上述三种支承方式的定义和特点。这些方式在已知顶管直径，对象土质，施工长度的土压平衡式的场合下，要考虑到螺旋输送机的直径，位置等进行选定。施工长度长的时候，从土砂密封的耐久性方面看，大多选择中心轴支承方式。5.4切削刀头•按照刀头的形状划分，刀头的种类有T形刀头，屋顶形刀头，薄壳形刀头和圆盘式刀头，如图4-32所示。T形刀头和屋顶形刀头主要用于砂，粉砂和粘性土等比较软弱的围岩。薄壳式刀头和圆盘式刀头耐磨性较强，主要用于砾石层，岩石层和风化花岗岩等硬质围岩。切削刀头图示目的种类名称切削位置开挖面正面的开挖掘削刀头面板正面齿轮钻头先行开挖山体破碎先行刀头面板正面导向钻头刀具外围保护开挖阻力减少外围保护刀头面板正面的外圈部修整刀头面板外圈部背面面板保护背面保护刀头掘削刀头背面面板其他加泥口保护刀头加泥口位置障碍物切削刀头面板正面外圈部切削刀头的切削目的和种类•刀具布置原则既要考虑刀盘开挖性能又要考虑渣土的流动性及开挖面的稳定性。顶管机刀盘开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证；渣土的流动性则需要合理布置开口及结构形状，配置渣土改良材料的注入口及刀盘背面搅拌棒；开挖面的稳定性通过刀盘开口率来控制。因此顶管机刀盘需要充分考虑顶管开挖面的地质情况，进行针对性的设计，合理选择刀具，保证刀盘结构的强度和刚度。•（1）施工时会遇到各种复杂不同的地层，地质资料提供的只是部分的钻探资料，还不能完全准确反映实际地质情况，会有误差，因此在顶管机刀盘选型时必须考虑对地质进行充分的分析和研究，刀盘及刀具配置要有一定的富裕和能力储备。一般每个轨迹上至少布置俩把刀具，在周边工作量相对较大，可适当布置较多刀具。考虑刀盘的正反旋转切削，刀具应对称布置。刀具一般采用螺栓固定便于更换。切削刀伸出刀盘面板的高度应该保证渣土的流动，防止刀盘面板与开挖面间产生泥饼。•(2)不同地质地层需要合理配置不同刀具。软土层只需要切削型刀具；软岩地层除配置切削型刀具外，还需要配置双刃滚刀或齿刀；硬岩地层处配置切削型刀具外，还需要配置单刃滚刀或齿刀。•（3）刀具的位置应充分考虑刀盘的受力性能，力求刀径向载荷的合力通过刀盘的中心，使主轴的承受力状况良好。考虑到刀盘受力的均匀性，刀具布置应具有对称性。•(4)刀具固定点在切削轮面上形成螺旋线，这样在开挖时刀具可以相互支撑。•（5）刀具是易损件，因此必须进行定期检查，维护保养，使刀盘和刀具保持完好状态。当刀具磨损量在8~15mm时，需要进行刀具更换。刀具的磨损量颗根据刀盘的转动距离和刀盘的磨损量的关系曲线估算。•（6）刀具直径应考虑刀具磨损后开挖直径大于顶管机切口环的直径，保证顶管姿态的调整。•（7）在曲线半径小的情况下进行掘进时，为了保证顶管机的调向，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上应配置有扩孔刀和仿形刀（仿形到的类别有滚刀型和齿刀型，需要根据地质情况确定）•（8）为提高刀盘的寿命，刀盘面板及周围应焊有耐磨条。5.5刀盘转速的确定•对顶管机而言，高速较为有利，这是因为：顶管机的推进速度=切削刀盘×切入深度。在相同的掘进速度情况下，刀盘转速高速时的切入深度比低速时小，与切入深度成正比的刀盘扭矩推进力相对较小;,因此刀具承载负荷也就相对的较小，在顶管反馈参数信息允许的前提下可提高掘进速度。•但刀盘转速在高速时对软弱围岩的扰动较大，有可能造成围岩失稳而坍塌，同时高速时出土较快，会增大螺旋输送机的工作负荷。因此，在软弱围岩的地质情况下，刀盘转速主要选用低速。但为使顶管机充分发挥效能，在条件允许的情况下还应尽量地选用高速。5.6刀盘驱动方式•刀盘机构对传动的要求为•1传动可靠，具有防止过载功能；•2具有调速功能，可以实现正反转；•3维护简单，控制方便，具有价格优势。•刀盘驱动形式主要有液压驱动和电机驱动两种。液压驱动有液压马达通过减速装置驱动刀盘旋转，而电机驱动是由电机通过减速装置驱动刀盘旋转。前者通过改变泵流量进行调速，后者通过变频或变极调速。液压驱动能够调速方便、过载保护能力强，但效率相对变频电机驱动较低。对于功率可控制的液压驱动，最大旋转速度时扭矩通常只有其最大值的三分之一到一半。随着切削刀盘阻力的增大，刀盘转速会自动减小到切削刀盘停止。切削刀盘功率较大，一般采用多马达驱动（一般为偶数）。使用液压马达一般是低速大扭矩马达和高速小扭矩马达。前者不需要减速箱，或需要传动比较小的减速箱，后者需要较大的传动比的减速箱。六添加材注入装置•6.1添加材•对于砂性地层而言，刀盘切削下来的泥土很难形成流塑性，很难满足排土装置直接排放的条件。因此必须向这种掘削地层中注入添加材，以便改变其流塑性和抗渗性，从而达到排土装置可以排放的条件。通常使用的添加材有膨润土、粘土、陶土等天然矿物类材，高吸水性树脂类材料、水溶性高分子类材料或表面活性类特殊汽包剂材料。•6.2注入装置•添加材的注入装置有添加材的注入设备、添加材注入泵、输入添加材的管道以及设置在刀盘中心转头前端的添加材注入口等。•考虑到掘削泥土和添加材的搅拌混合效率，可以把主入口设在刀盘中心突出头的前面、辐条上及土舱隔板上。因为注入口直接与泥土接触，需配置防止泥土和地下水涌入的防护头和逆流防止阀。注入口的设计数量与顶管的直径、刀盘的支承方式、刀盘的形状等有关。多个注入口的情形下应保持个注入口的喷射量均等。6.4搅拌装置•搅拌机构的功能是搅拌注入添加剂后的舱内掘削土体，提高其流塑性，严防堆积粘固，提高排土效果。搅拌机必须在刀盘的开挖部位、取土部位有效的使土砂进行相对运动，防止发生共转、附着、沉淀等现象。顶管机以下构件都能起到搅拌作用：①刀盘：刀盘上的刀具、轮辐、中间梁在开挖过程中叶起到搅拌作用；②刀盘背面的