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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 1.11.1 顶管施工的应用顶管施工的应用 顶管施工技术被广泛应用于穿越公路、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。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，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，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。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。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。决定，所以各种顶管方法都有其局限性。 1.21.2 顶管施工的适应性顶管施工的适应性 施工前必须要充分了解地质情况，选用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。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。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：顶管施工常采用的施工方法： 1 1、敞开人工手掘式、敞开人工手掘式 2 2、气压法、气压法 3 3、密封机械式、密封机械式 2.12.1、顶管施工的分类、顶管施工的分类 1 1、人工手掘式顶管施工常用的施工方法：、人工手掘式顶管施工常用的施工方法： 敞开式、气压法式。敞开式、气压法式。 2 2、机械式顶管施工常用的施工方法：、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。泥水平衡式和土压平衡式。 3 3、其他顶管施工方法：、其他顶管施工方法： 水冲枪式。水冲枪式。 4 4、顶管施工常用的管材：、顶管施工常用的管材： 钢筋混礙土管、钢管、夹砂玻璃钢管。钢筋混礙土管、钢管、夹砂玻璃钢管。 5 5、管材外型：、管材外型： 圆型、矩型。圆型、矩型。 土压平衡顶管机土压平衡顶管机 泥水平衡顶管机泥水平衡顶管机 2.22.2机械式顶管施工常用的施工方法：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。泥水平衡式和土压平衡式。 2.32.3、机械式顶管施工、机械式顶管施工 土压平衡式和泥水平衡土压平衡式和泥水平衡 式顶管施工是常用的机械密式顶管施工是常用的机械密 封式顶管施工，主要是在顶封式顶管施工，主要是在顶 进过程中利用大刀盘及仿形进过程中利用大刀盘及仿形 刀盘对机头正面土体的全端刀盘对机头正面土体的全端 面切削，利用主顶设备把机面切削，利用主顶设备把机 头向前推进，把切削下来的头向前推进，把切削下来的 泥土挤进机头土仓内，在顶泥土挤进机头土仓内，在顶 管机的刀盘及搅拌杆的搅拌管机的刀盘及搅拌杆的搅拌 均匀，泥浆在土压仓通过排均匀，泥浆在土压仓通过排 泥系统排出渣土。泥系统排出渣土。 土压平衡式通过控制土压平衡式通过控制 螺旋出土器排土量或顶管螺旋出土器排土量或顶管 机前进速度来平衡地下水机前进速度来平衡地下水 和土压力，使此土压力与和土压力，使此土压力与 切削面前方的静止土压力切削面前方的静止土压力 和地下水压力保持平衡，和地下水压力保持平衡， 保证开挖面的稳定；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，引起地面稳定，对所周围的土体扰动较小，引起地面 沉降较小。沉降较小。 机械式顶管适应的土质范围广，机械式顶管适应的土质范围广，如高地如高地 下水软弱地层，淤泥质土层、粘土层、粉土下水软弱地层，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，最浅覆土深度可达常工作，最浅覆土深度可达0.80.8倍顶管机外倍顶管机外 径；但土压平衡式不能连续性顶进，顶进速径；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。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 4140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施工最常用的一种，泥水平衡式顶管施工适 用于大于内径用于大于内径DN600DN600管道顶进施工。管道顶进施工。 顶管施工时，在主顶千斤顶推动管道向顶管施工时，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。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，泥水平衡式顶管适应的土质范围更广， 如如高地下水软弱地层，淤泥质土、粘土层、高地下水软弱地层，淤泥质土、粘土层、 粉土层、中粗砂层，以及软岩地层粉土层、中粗砂层，以及软岩地层也适用；也适用； 同时平衡式顶管掘进机有简易的破碎功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。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：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 进浆格栅冲进浆格栅冲 洗处，防止粘洗处，防止粘 土粘附阻塞格土粘附阻塞格 栅孔栅孔 2.42.4特殊地质顶管施工采用的施工方法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在纯中、粗砂层顶进循环泥浆浓度小于 1.101.10时，排渣土时砂土易沉积堵管。泥水循环时，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，控制在进浆泥水的比重，控制在1.101.101.121.12之间。之间。 格栅孔格栅孔 泥土仓 在硬质泥岩地层和强风化岩层顶进时，刀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，减少合可通过格栅孔进入泥土仓和刀盘前面，减少合 金刀干磨。金刀干磨。 在穿越浅覆土河道时，在穿越浅覆土河道时， 可在河道堆载砂包，增加其可在河道堆载砂包，增加其 覆土量。也可以在管道内前覆土量。也可以在管道内前 段堆载重物增加重量，防止段堆载重物增加重量，防止 管道上浮。管道上浮。 但在含泥量少、地下水丰富的卵石和贝壳较但在含泥量少、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。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，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。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。应多种变化地层施工。 2.52.5、敞开式人工顶管施工：、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，如穿越地层部顶管机无法顶进的地层施工，如穿越地层部 分有分有中、微风化岩层中、微风化岩层短距离顶进，以及管道短距离顶进，以及管道 轴线上可能存在大的轴线上可能存在大的石块、桩基础石块、桩基础等不明障等不明障 碍物地层，碍物地层，缺少水资源缺少水资源的特殊条件等可采用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，施工成本长，顶速慢，轴线控制变化较大，施工成本 较低。较低。 顶进开挖前必须通风，要进行毒气控测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。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：敞开式人工顶管常用的可分为： 全敞开式、挤压式、格栅式等。全敞开式、挤压式、格栅式等。 半敞开挤半敞开挤 压格栅式压格栅式 顶管机顶管机 1 1、在地层无地下水或少量地下水、并且、在地层无地下水或少量地下水、并且N N值值 大于大于1818的黄土坚硬土层、砂层、中、微风化的黄土坚硬土层、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。采用全敞开式顶进施工。 2 2、在有地下水较软的地层，可采用挤压式。、在有地下水较软的地层，可采用挤压式。 3 3、在有地下水的砂质土宜采用挤压格栅式，、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。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：特殊地层采用的敞开式人工顶管方法： 2.62.6、气压平衡式顶管施工：、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。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。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。面的作用。 三、顶管施工主要设备 及其在施工中作用 1 1、顶管机：、顶管机： 顶管机的作用顶管机的作用切削土体并搅拌均匀切削土体并搅拌均匀, , 控控 制顶进的方向。制顶进的方向。 土压平衡顶管机 泥水平衡顶管机 2 2、主顶系统：、主顶系统： 主顶系统装置由：后座垫铁主顶系统装置由：后座垫铁 、导轨、千斤顶及千斤顶支架、导轨、千斤顶及千斤顶支架 、后座泵站组成，、后座泵站组成，其其作用是完作用是完 成管道的推进。成管道的推进。 千斤顶 主顶泵站 后座顶铁 环型顶铁 3 3、穿墙止水环、穿墙止水环 穿墙止水环安装在穿墙止水环安装在 工作井预留洞口，具工作井预留洞口，具 有防止地下水、泥砂有防止地下水、泥砂 和触变泥浆从管节与和触变泥浆从管节与 止水环之间的间隙流止水环之间的间隙流 到工作井。地下水丰到工作井。地下水丰 富、压力大，或管道富、压力大，或管道 埋深较深时，压板可埋深较深时，压板可 加工成绞接，防止止加工成绞接，防止止 水橡胶因地下水压力水橡胶因地下水压力 往外翻出。往外翻出。 导轨洞口止水环 预留洞口 4 4、泥水系统、泥水系统 进、排泥浆泵 泥水分离装置 1 1、泥水式排泥系统的主要设备、泥水式排泥系统的主要设备 ：包括进排泥浆泵、泥浆管、泥：包括进排泥浆泵、泥浆管、泥 水处理装置、泥水箱等。水处理装置、泥水箱等。 2 2、排泥系统有两个作用：一排、排泥系统有两个作用：一排 土，二平衡地下水。土，二平衡地下水。 循环管 5 5、触变泥浆系统、触变泥浆系统 泥浆搅拌桶 触变泥浆泵 触变泥浆管 1 1、主要设备：由拌浆、主要设备：由拌浆 、注浆和管道三部分组、注浆和管道三部分组 成。成。 2 2、作用：减少顶进过、作用：减少顶进过 程中的管节与土体的摩程中的管节与土体的摩 阻力。阻力。 6 6、测量系统、测量系统 激光经纬仪 操作台 机头测量靶 1 1、测量系统的主要设备：、测量系统的主要设备： 激光经纬仪、测量靶和激光经纬仪、测量靶和 监示器组成。监示器组成。 2 2、测量系统的作用：、测量系统的作用： 监示顶管施工过程中顶监示顶管施工过程中顶 管机推进的轴线偏差。管机推进的轴线偏差。 7 7、纠偏系统、纠偏系统 纠偏液压泵 纠偏千斤顶 1 1、主要设备：纠偏千斤顶、主要设备：纠偏千斤顶、 油泵站、位移传感器和倾斜油泵站、位移传感器和倾斜 仪组成。仪组成。 2 2、作用：控制顶管施工中的、作用：控制顶管施工中的 顶管机推进方向。顶管机推进方向。 8 8、中继间、中继间 外壳 油泵站 千斤顶 1 1、主要设备：、主要设备： 小千斤顶、液压泵站小千斤顶、液压泵站 、外壳体组成。、外壳体组成。 2 2、中继间的作用：、中继间的作用： 将整段管道分段推进将整段管道分段推进 ，减少主推顶力。，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：进浆泥浆浓度：进浆1.05-1.101.05-1.10 排浆排浆1.20-1.251.20-1.25 泥水压力表 进、排泥浆管 4 4、测量、测量 5 5、纠偏、数据传输、纠偏、数据传输 4组纠编千斤顶 纠偏千斤顶设在顶管机前纠偏千斤顶设在顶管机前 后段之间，共后段之间，共4 4组千斤顶。通组千斤顶。通 过组合动作，控制顶管机的顶过组合动作，控制顶管机的顶 进方向。进方向。 当激光点偏移测量当激光点偏移测量 靶中心，表明顶管机偏靶中心，表明顶管机偏 移轴线推进，就要启动移轴线推进，就要启动 纠偏动作。（如激光点纠偏动作。（如激光点 往上移动，说明机头是往上移动，说明机头是 往下偏移，必须伸出下往下偏移，必须伸出下 面的面的2 2组千斤顶）。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正确性是通过远程数据传输来实现 。 1 1、纠偏量的控制是通过安放在纠、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。偏千斤顶上的位移传感器来实现。 2 2、顶管机的状态（水平倾斜、扭、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转）由安放在机头的角度倾斜仪来 体现。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。侧喷谢触变泥浆，降低顶进的阻力。 触变泥浆管设置一般触变泥浆管设置一般 在顶管机后面在顶管机后面3 34 4节管每节管每 节管都设置触变泥浆管，节管都设置触变泥浆管， 在管节外壁形成完整的浆在管节外壁形成完整的浆 套。以后的管节间隔套。以后的管节间隔2 23 3 节管设置一道，用来对浆节管设置一道，用来对浆 套进行补浆。套进行补浆。 触变泥浆管 注浆孔的形状及布置：在每节管的前注浆孔的形状及布置：在每节管的前 端布置一道触变泥浆注浆孔，数量为端布置一道触变泥浆注浆孔，数量为3 34 4 个，孔的布置均匀。经过不段压浆，在管个，孔的布置均匀。经过不段压浆，在管 外壁形成一个泥浆套。外壁形成一个泥浆套。 7 7、中继间接力顶进：、中继间接力顶进： 中继间是经机械加工的内外套组合，通过中继间是经机械加工的内外套组合，通过 中间的小千斤顶的伸动作，推动外套往前伸出中间的小千斤顶的伸动作，推动外套往前伸出 ，外套向前推动管节一段距离，又通过后部主，外套向前推动管节一段距离，又通过后部主 顶推力顶进，使小千斤顶复位。在长距离顶进顶推力顶进，使小千斤顶复位。在长距离顶进 时，可分段减少主顶的压力，它可以与其他中时，可分段减少主顶的压力，它可以与其他中 继间和后座通过程序连动，一环接一环，自动继间和后座通过程序连动，一环接一环，自动 切换。切换。 主 顶 推 力 中继间工作原理：中继间工作原理： 通过中继间的小千斤顶通过中继间的小千斤顶 的伸出动作，推动外套往前的伸出动作，推动外套往前 推出，外套向前推动管节一推出，外套向前推动管节一 段距离后（示图段距离后（示图2 2），又通），又通 过后部主顶或下一个中继间过后部主顶或下一个中继间 推动管道运动，使小千斤顶推动管道运动，使小千斤顶 缩回复位（示图缩回复位（示图3 3）。）。 不断往复运动推进管段不断往复运动推进管段 ，使整段管道向前推进。，使整段管道向前推进。 中继间安放时，第一个中继间应放置在比中继间安放时，第一个中继间应