顶管施工技术

广东地区顶管施工技术应用广东省基础工程公司钟显奇、黎东辉一、顶管施工应用二、顶管施工分类三、顶管施工设备及其作用四、顶管施工主要施工工艺五、顶管施工3D视频一、顶管施工应用1.1顶管施工的应用顶管施工技术被广泛应用于穿越公路、铁路、河流、闹市区等不允许或不能开挖条件下进行各种管道的铺设、更换和修复，由于顶管施工技术具有综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通、施工安全性好等优点，在市政给排水、通信电缆、燃气管道、电力电缆等地下管线中广泛的应用。特别在广东省内，由于地质条件复杂，同一埋深的地层中往往有多种地质出现。顶管施工技术要求高、实施难度大。随着社会的发展、环境的保护和文明施工的要求，促使近年来我国顶管施工工程技术高速发展，并已形成了一个新兴的产业。顶管施工技术应用前景广阔，经济效益和社会效益巨大。顶管施工是一门涉及知识面广、施工管理要求高、施工作业要求严的综合性施工技术，最突出的特点是适应性。顶管施工采用何种施工方法是根据工程的特点、环境、地质、施工条件等因素决定，所以各种顶管方法都有其局限性。1.2顶管施工的适应性施工前必须要充分了解地质情况，选用与之适应的顶管施工方法。特别是广东省内复杂地层，一段顶管施工可能多种地层同时出现，甚至可能出现不同的障碍物，所以在不同的地质情况取用不同的施工工艺。1.3、顶管施工基本原理顶管施工是从地面开挖两个基坑井，然后管节从工作井安放，通过主顶千斤顶或中继间的顶推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿出，穿越土层到达接收井的预留口边，然后通过接收井的预留口穿出，形成管道的施工。二、顶管施工的分类广东近几年在非开挖顶管施工方面的发展也初见成效，为了更好地推进顶管施工的应用，现以常用的几种常用顶管机加以分析和选型。顶管施工常采用的施工方法：1、敞开人工手掘式2、气压法3、密封机械式2.1、顶管施工的分类1、人工手掘式顶管施工常用的施工方法：敞开式、气压法式。2、机械式顶管施工常用的施工方法：泥水平衡式和土压平衡式。3、其他顶管施工方法：水冲枪式。4、顶管施工常用的管材：钢筋混礙土管、钢管、夹砂玻璃钢管。5、管材外型：圆型、矩型。土压平衡顶管机泥水平衡顶管机2.2机械式顶管施工常用的施工方法：泥水平衡式和土压平衡式。2.3、机械式顶管施工土压平衡式和泥水平衡式顶管施工是常用的机械密封式顶管施工，主要是在顶进过程中利用大刀盘及仿形刀盘对机头正面土体的全端面切削，利用主顶设备把机头向前推进，把切削下来的泥土挤进机头土仓内，在顶管机的刀盘及搅拌杆的搅拌均匀，泥浆在土压仓通过排泥系统排出渣土。土压平衡式通过控制螺旋出土器排土量或顶管机前进速度来平衡地下水和土压力，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，保证开挖面的稳定；机械式顶管施工可有效地保持挖掘面的稳定，对所周围的土体扰动较小，引起地面沉降较小。机械式顶管适应的土质范围广，如高地下水软弱地层，淤泥质土层、粘土层、粉土层、砂层，以及软岩强风化岩也适用。土压平衡顶管在覆土较浅的状态下也正常工作，最浅覆土深度可达0.8倍顶管机外径；但土压平衡式不能连续性顶进，顶进速度较慢，顶力相对泥水平衡的大。目前使用较多的机械式顶管施工方法是泥水平衡式顶管施工，顶进速度快，外径Ø4140管道顶进一天可达15m，最快的一天顶进30m，所以泥水平衡式顶管施工也适应长距离、超大直径的顶管施工。下面着重分析泥水平衡式顶管施工。泥水平衡顶管施工示意图泥水平衡式顶管施工是机械密封式顶管施工最常用的一种，泥水平衡式顶管施工适用于大于内径DN600管道顶进施工。顶管施工时，在主顶千斤顶推动管道向前进。推进过程中通过顶管机的刀盘切削土体，切削下来的土体挤压在泥土仓内，通过刀盘的转动搅拌均匀进入泥水仓与与进浆管送入的泥浆搅拌成浓的泥浆，再通过排浆管道将浓泥浆排出机头。泥水平衡式顶管适应的土质范围更广，如高地下水软弱地层，淤泥质土、粘土层、粉土层、中粗砂层，以及软岩地层也适用；同时平衡式顶管掘进机有简易的破碎功能，有部分块石或卵石的土体也可以施工。泥水平衡顶管施工适应的土质：在高粘性的土层采用泥水平衡顶进时，需将部分循环泥水引入泥土仓内，减少粘土粘附在在刀盘刀架上，避免产生刀盘形成泥饼。泥土仓进浆格栅冲洗处，防止粘土粘附阻塞格栅孔2.4特殊地质顶管施工采用的施工方法在纯中、粗砂层顶进循环泥浆浓度小于1.10时，排渣土时砂土易沉积堵管。泥水循环的泥水可通过格栅孔进入泥土仓，不能很好地起到护壁和作用，所以在纯砂层顶管时宜提高进浆泥水的比重，控制在1.10～1.12之间。格栅孔泥土仓在硬质泥岩地层和强风化岩层顶进时，刀盘也需配置具有高强的先行贝壳合金刀和多重合金刮刀对弱岩层切削，同时泥水循环的泥水可通过格栅孔进入泥土仓和刀盘前面，减少合金刀干磨。在穿越浅覆土河道时，可在河道堆载砂包，增加其覆土量。也可以在管道内前段堆载重物增加重量，防止管道上浮。但在含泥量少、地下水丰富的卵石和贝壳较多的地层、粗砾石层和覆土较薄的地层采用泥水平衡顶管较难。遇到覆土层过薄，或者遇上渗透系数大含泥量少的砾石、卵石层，虽然顶管机有破碎功能，但泥浆通过泥土仓向外土层渗透，泥水无法循环，作业将受阻。只要在前期工作中充分了解地质的变化，在不同的地质采用不同的工艺，对有弱岩地段事先配装贝壳先行刀，对有障碍物的地层在顶进前清理完成，对少量的中风化及微风化的地层采用冲孔桩方式破碎岩层等技术措施，可以顺利完成多变地质的顶管施工。终观以上所述，泥水平衡顶管施工可以适应多种变化地层施工。钻孔深度(m)钻孔间距(m)11.6512.107.9712.1515.4812.056.9212.257.5812.157.6212.057.4112.1514.901素填土7粉质粘土8砂质粘性土ZK129.64ZK229.84ZK330.29ZK430.51ZK530.74ZK630.96ZK731.20ZK832.64▽1.50▽1.70▽1.80▽1.80▽2.00▽1.80▽2.00▽2.00▼N=33▼N=25▼N=22▼N=247▼N=25▼N=20▼N=24▼N=26▼N=23▼N=25▼N=31▼N=25▼N=23▼N=24▼N=36▼N=19▼N=21▼N=25▼N=30▼N=26▼N=24▼N=25▼N=28▼N=22▼N=24▼N=24▼N=26▼N=23▼N=24▼N=25▼N=271.505.0011.651.405.3012.101.406.0012.151.204.8012.051.204.6012.251.105.0012.151.204.5012.056.5012.15高程(m)3330272421181512.0515.3512.3514.4512.1515.2412.1530.0712.0515.081素填土7粉质粘土8砂质粘性土ZK932.12ZK1032.57ZK1132.97ZK1333.80ZK1433.91▽2.00▽2.20▽2.20▽2.20▽2.20▽2.20▼N=25▼N=20▼N=24▼N=26▼N=25▼N=19▼N=23▼N=29▼N=26▼N=20▼N=23▼N=28▼N=25▼N=24▼N=24▼N=29▼N=24▼N=21▼N=25▼N=281.206.5012.151.307.5012.051.507.5012.351.106.0012.151.206.5012.151.605.8012.052.5、敞开式人工顶管施工：敞开式人工顶管的优点，可在密封机械顶管机无法顶进的地层施工，如穿越地层部分有中、微风化岩层短距离顶进，以及管道轴线上可能存在大的石块、桩基础等不明障碍物地层，缺少水资源的特殊条件等可采用人工顶管。敞开式人工顶管一般顶进距离不长，顶速慢，轴线控制变化较大，施工成本较低。顶进开挖前必须通风，要进行毒气控测措施，防止地层含有毒气体伤及施工人员。敞开式人工顶管常用的可分为：全敞开式、挤压式、格栅式等。半敞开挤压格栅式顶管机1、在地层无地下水或少量地下水、并且N值大于18的黄土坚硬土层、砂层、中、微风化岩层等，这种地层不易坍塌、难以挤压，可采用全敞开式顶进施工。2、在有地下水较软的地层，可采用挤压式。3、在有地下水的砂质土宜采用挤压格栅式，地下水位较高可采取井点降水等辅助施工方法。遇到流沙土层难以控制出土量。特殊地层采用的敞开式人工顶管方法：2.6、气压平衡式顶管施工：在地下水丰富、有流砂地层，同时又需排除障碍物时，在不适用采用泥水（土压）平衡式机械顶管机掘进，可采用气压平衡式，辅以人工掘土、钻爆法等掘土顶进技术。气压平衡式顶管的工作原理是，通过作用于临时掘进工作面上的气体压力（这里的气体压力一般根据工具管底部的地下水压力来确定），来阻止地下水。在整个掘进工作面的高度范围内，作用的气体压力是相等的，但地下水的压力是有梯度的，因此在工具管的顶部就形成一个超过平衡压力的气体压力区。在这一压力作用下，地层空隙中的水被挤出，地层也从原来的饱和状态过渡到半饱和状态，从而起到平衡挖掘面的作用。三、顶管施工主要设备及其在施工中作用1、顶管机：顶管机的作用①切削土体并搅拌均匀,②控制顶进的方向。土压平衡顶管机泥水平衡顶管机2、主顶系统：主顶系统装置由：后座垫铁、导轨、千斤顶及千斤顶支架、后座泵站组成，其作用是完成管道的推进。千斤顶主顶泵站后座顶铁环型顶铁3、穿墙止水环穿墙止水环安装在工作井预留洞口，具有防止地下水、泥砂和触变泥浆从管节与止水环之间的间隙流到工作井。地下水丰富、压力大，或管道埋深较深时，压板可加工成绞接，防止止水橡胶因地下水压力往外翻出。导轨洞口止水环预留洞口4、泥水系统进、排泥浆泵泥水分离装置1、泥水式排泥系统的主要设备：包括进排泥浆泵、泥浆管、泥水处理装置、泥水箱等。2、排泥系统有两个作用：一排土，二平衡地下水。循环管5、触变泥浆系统泥浆搅拌桶触变泥浆泵触变泥浆管1、主要设备：由拌浆、注浆和管道三部分组成。2、作用：减少顶进过程中的管节与土体的摩阻力。6、测量系统激光经纬仪操作台机头测量靶1、测量系统的主要设备：激光经纬仪、测量靶和监示器组成。2、测量系统的作用：监示顶管施工过程中顶管机推进的轴线偏差。7、纠偏系统纠偏液压泵纠偏千斤顶1、主要设备：纠偏千斤顶、油泵站、位移传感器和倾斜仪组成。2、作用：控制顶管施工中的顶管机推进方向。8、中继间外壳油泵站千斤顶1、主要设备：小千斤顶、液压泵站、外壳体组成。2、中继间的作用：将整段管道分段推进，减少主推顶力。主顶推力四、主要顶管施工技术顶管施工的工艺流程图：加中继环包括施工准备地下管线勘察工作井/接收井施工设备安装后座、导轨安装液压系统、千斤顶安装穿墙止水环安装泥水循环系统安装触变泥浆系统安装测量系统安装照明、通风系统安装掘进机吊装穿墙顶进下放管节、接管安装中继环正常顶进、测量是否到接收井回收掘进机是下一段顶管施工设备调试否全段测量1、出洞洞口止水洞口土体加固顶管机和后续管段顶部叠加配重，防止顶管机出洞“叩头”。西江引水顶管工程17、18标2、正常顶进3、泥水循环泥浆浓度：进浆1.05-1.10排浆1.20-1.25泥水压力表进、排泥浆管4、测量5、纠偏、数据传输4组纠编千斤顶纠偏千斤顶设在顶管机前后段之间，共4组千斤顶。通过组合动作，控制顶管机的顶进方向。当激光点偏移测量靶中心，表明顶管机偏移轴线推进，就要启动纠偏动作。（如激光点往上移动，说明机头是往下偏移，必须伸出下面的2组千斤顶）。角度倾斜仪位移传感器纠偏动作控制在地面操作室的操作台远程控制，如何确认操作的正确性是通过远程数据传输来实现。1、纠偏量的控制是通过安放在纠偏千斤顶上的位移传感器来实现。2、顶管机的状态（水平倾斜、扭转）由安放在机头的角度倾斜仪来体现。数据显示表6、触变泥浆在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大。为了提高顶进施工的效率，在施工过程中尽可能地降低管道外侧的阻力，通常情况下往管外侧喷谢触变泥浆，降低顶进的阻力。触变泥浆管设置一般在顶管机后面3－4节管每节管都设置触变泥浆管，在管节外壁形成完整的浆套。