常用的几种顶管施工工法、适用土质及顶管3D工作原理图

01顶管施工概述 长期以来，城市建设过程中，城市道路被频繁开挖严重影响了人民的生活。一项 非开挖施工技术顶管施工技术，不需开挖地面，并且能够穿越公路、铁路、 河道、湖泊、建筑物、以及各种地下管线等，解决了市政施工难题，而且，顶管 施工随着城市建设的发展已越来越普及，已运用到给排水、煤气、电力、通信等 管道的施工。顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的 摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层 之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等 推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。管道紧 随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。02顶管施工的基本原理图顶管施工原理图顶管施工法是先在工作井内设置支座和安装主千斤顶，所需铺设的管道紧跟在工 具管后，在主千斤顶推力的作用下工具管向土层内掘进，掘出的泥土由土泵或螺 旋输送机排出或以泥浆的形式通过泥浆泵经管道排出.，推进一节管道后，主千 斤顶缩回，吊装上另一节管道，继续顶进。如此往复，直至管道铺设完毕。管道 铺设完毕后，工具管从接收井吊至地面。03顶管施工工法分类图施工工艺分类K本尤撤进Itt据介绍，目前，顶管施工常采用的施工工法分为敞开人工手掘式（开放型）和密 封机械式顶管（密封型）施工方法，其中机械式顶管施工常用的施工方法又有泥 水平衡式和土压平衡式两种，顶管施工常用的管材有砼管、钢管、玻璃夹砂钢管。 施工所采用的主要设备为信息化及全自动化泥水平衡顶管机。3.1开放型刃口推进工法图刃口式推进工法施工工艺示意图刃口式推进工法的掘进机结构较简单，其刃口部分（即机头）加工简便，可以根 据土质条件加工成全敞开式、半敞开式或活瓣式，一般称之为敞开式掘进机。刃口式推进工法可适用于软土地层中、地下水位以上黄土地层中、地下水位以上 强风岩地层中。刃口式推进工法的特点是施工成本低，在顶进过程中如遇前方障碍物可立即采用 人工方式排除；其缺点是顶进管径应大于0800mm ;否则不便于人员进出；顶进 距离不宜过长，一般对于。800mm顶管、其顶进距离不宜超过150m ;管径较大 时可适当延长顶进距离；同时在管内应设置照明、通风和通讯设备；由于是采用 敞开式或半敞开式取土，顶进完成后地表均有沉降现象，不适用于已建成的建筑 物区域，一般在类似于农田对地面沉降要求不严格的情况下或随新建市政道路工 程同时施工的情况下采用。此种机型的缺点是顶速慢、遇到流砂层时难以控制出 土量，因此沉降也是大于以下所述几种顶管掘进机。刃口式推进工法在我国东南沿海海相沉积的淤泥质粘土中应用较广泛，由于土质 较软、孔隙比大，切削和顶进都较容易，其机头一般加工成半敞开式或活瓣式, 让二分之一或更少的软土被取出，其余的土被挤压至管径周边，这样可减少取土 量、P且止地表沉降，并加快了顶进速度；再者在这类土中顶进可省去管壁注浆。在黄土或强风岩中顶进时，由于土体摩擦力较大，为便于顶进，应采用全敞开式 掘进机，并应在管壁周边进行注浆润滑。刃口推进工法适于顶进管径规格为0)8003()00mm。3.2封闭型泥水推进工法密閉型大中口径管推進工法泥水式推進工法(600mm 3000mm)图泥水式推进工法施工工艺示意图 泥水推进工法有如下特点：(1)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；无需地基改良或降水处理，施工后地表沉降小。泥水式推进工法所采用的掘进机常用的有刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机和偏心 破碎泥水平衡掘进机。3.2.1刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机 如需穿越建筑物、构造物、埋设物等对地面沉降要求很小的情况下，可采用刀盘 可伸缩式泥水平衡掘进机，此种机头的刀盘是一个直径比掘进机前壳体略小的具 有一定刚度的圆盘。圆盘中还嵌有切削刀和刀架。刀盘和切削刀架之间可以同步 伸缩，也可以单独伸缩。而且，不论刀盘停在哪一个位置上，切削刀架都可以把 刀盘的进泥口关闭。刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸，刀架伸缩油缸则安装 在刀盘加压装置的上方。刀盘可伸缩式掘进机的工作原理如下：刀盘前土压力过 小时，它就往前伸；刀盘前土压力过大时，它就往后退。刀盘前伸时，应减小进 泥口开度并加快推进速度；刀盘后退时，应加大进泥口开度并降低顶速。这样, 就可使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。使用此种掘进机顶进施工时地面隆 沉极小，优秀的操作人员可使地面隆沉控制在10mm以内。由于采用了泥水作为 运输介质，在顶进的过程中无需停顿出泥，因此它的顶速也很快，24小时可顶 进20-30米。缺点也很明显：由于进泥口开度限制，在含有直径大于6cm卵石的 地层中无法施工，同时需对泥浆进行二次分离处理。3.2.2偏心破碎泥水平衡掘进机对于土质为强风化岩的情况下，我们可采用偏心破碎泥水平衡掘进机。此机与普 通泥水掘进机的最大不同点是其头部。壳体内的泥土仓是一个前面大、后面小的 喇叭口，喇叭口的内壁是用耐磨焊条堆焊的一圈环形焊缝。安装在壳体泥土仓内 的是一个前面小、后面大的锥体，锥体上也堆有一圈环形焊缝。切削刀呈辐条形 焊接在该锥体上，且略微向前倾斜。刀盘的正面焊有坚固而且耐磨的切削刀头, 所有这些构成一个刀盘。这样，在掘进机工作时，刀盘一边旋转切削土体的同时还一边作偏心运动把石块轧碎。被轧碎的石块只有比泥土仓与泥水仓联接的间隙 小才能进入掘进机的泥水仓，然后从排泥管中被排出。另外，由于刀盘运动过程 中，泥水仓和泥土仓中的间隙也不断的由最小变到最大这样循环变化着，因此， 它除了有轧碎小块石头的功能以外还始终能保证进水泵的泥水能通过此间隙到 达泥土仓中，从而保证了掘进机不仅在砂土中，即使在粘土中也能正常工作。一 般情况下，刀盘每分钟能旋转4-5转，每当刀盘旋转一圈时，偏心的轧碎动作达 20-23次。由于此机型有以上这些特殊的构造，因此它的破碎能力是所有具有破 碎功能的掘进机中最大的，破碎的最大粒径可达掘进机直径的40-45%之间，破 碎的卵石强度可达200MPao此机型在顶管掘进过程中有如下特点：它几乎是全断面全土质的掘进机。它可以在N值从0-15的粘土，N值1-5()的 砂土以及N值10-50的卵砾石层等地层中使用，而且推进速度不会有太大的变 化；破碎粒径大，其破碎粒径可达掘进机直径的40-45%之间；施工精度高，施 工后的偏差极小；(4)由于具有偏心运动，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；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；施工速度快, 每分钟可进尺100-180mm之间；(7)_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;泥水式推进工法适于顶进管径规格为06003000mm。3.3封闭型土压式推进工法土圧式推進工法(1 OOOmm 3000mm)密閉型大中口径管推進工法图土压式推进工法施工工艺示意图 土压式推进工法有如下特点：a)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 正面土压力以及地下水压力；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。土压式推进工法所采用的顶管掘进机可根据机头所载刀盘数量分为单刀盘土压 平衡掘进机和多刀盘土压平衡掘进机。3.3.1单刀盘土压平衡掘进机单刀盘土压平衡掘进机有以下优点：适用的土质范围非常广，P余岩石外的其他类土质均适用，且不需采用其他辅助 手段；施工后地面沉降小；弃土的处理比较简单可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工；有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能；开口率达100% , 土压力更切合实际。3.3.2多刀盘土压平衡掘进机多刀盘土压平衡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中顶管施工。如果在泥土仓中注入些粘土，它也能用 于砂层中顶管施工。另外，由于此机采用了先进的土压平衡原理，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。其最小覆土深度可以 相当于一倍管外径左右。从无数的施工实例证明，用此机进行顶管施工作业，不 仅安全、可靠，而且施工进度快、效率高。与单刀盘土压平衡掘进机相比，此机 具有价格低廉、结构紧凑、操作容易、维修方便和质量轻等特点。另外，它排出 的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。它与泥水式顶管施工相比， 最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理。施工 占地小，对周围环境污染也很少。如采用皮带输送机或螺旋出土机（如图4.2.2 ) 方式出土，顶进效率会更高，平均24小时可顶进15-20米。但是它的缺点也很 明显，由于不是全断面切削，切削不到的部分只能通过挤压进入机头，因此迎面 顶力较大。土压式推进工法适用于施工管径规格为0) 10003000mm。图皮带输送机及螺旋出土机3.4封闭型泥浓式推进工法图泥浓式推进工法施工工艺示意图 泥浓式推进工法具有如下特点：(1) 可以不加破碎的排出孑L径约为掘进机直径1/3的卵砾石；(2) 采用了二次注聚方法，大大的减少了磨阻力，适合长距离顶进。泥浓式顶进工法所采用的顶进掘进机制造工艺较复杂且精良，在顶进过程中顶进 操作人员处于顶进管道中，目前此施工工法在日本应用较广泛，在中国台湾也有 应用报道。此工法在顶进过程中，将废弃物分成两部分通过不同的方式排至地表后再外运处 理。通过泥浆将顶进中所遇到的粘粒、砂砾等细小颗粒排至泥浆处理设备中，经 泥浆处理设备二次分离处理后，粗颗粒部分由泥浆运输车外运，余下的优质泥浆 再次循环利用；顶进中遇到的卵砾石、块石等粗大颗粒物储存于储存槽中，经管 道运输至工作井内，再由门架吊至地表后外运。因此泥浓式顶进工法适用的土质条件较广泛，除岩石外所有土质条件均可适用。 它适用顶进管径规格为07002200mm。04顶管机的分类4.1顶管机的分类按所顶进的管子口径大小分：大D径、中口径、摄n微里领晉0种。大口径多指02m以上的顶管，人可 以在其中直立行走。中口径顶管的管径多为1.21.8m ,人在其中需弯腰行走， 大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为5001000mm ,人只能在其中爬 行，有时甚至爬行都比较困难。微型顶管的直径通常在400mm以下，最小的只 有75mme按一次顶进的长度分：按顶进工作坑和接收工作坑之间的距离分聋遲思竜源0长距离顶管。顶进距离 长短的划分目前尚无明确规定，过去多指100m左右的顶管。目前，千米以上的 顶管已屡见不鲜，可把500m以上的顶管称为长距离顶管。按平衡原理理论分： wwm分为泥水平衡式项管机、土压平衡式顶管机、泥浓式推盾狐多功能项 按管材分：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。按顶进管子轨迹的曲直分：直线顶管和曲线顶管。4.2泥水平衡式顶管机泥水平衡式顶管机是在加入添加剂、膨润土、粘土以及发泡剂等使切削土塑性液 化的同时，将切削刀盘切削下来的土砂用搅拌机搅拌成泥水状，使其充满开挖面 与管道隔墙之间的全部开挖面，使开挖面稳定。图泥水平衡顶管机 泥水平衡式顶管机特点：(1) 适用土质范围广，软土、粘土、砂土、砂砾土、硬土均可适用。(2) 破碎能力强，破碎粒径大，个数多。(3) 具有独立注水、注浆系统。顶进速度快，最快顶进速度每分钟200mm。施工精度高，上、下、左、右纠偏，最大纠偏角度达3.5。(6)采用地面集中控制系统，安全、直观、方便。4.3 土压平衡顶管机土压平衡顶管机的基本工作原理是先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进, 同时刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机并被挤压，形 成一定的土压；再通过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。控制螺旋输送机 的出土量或顶管机前进速度，来控制密封土仓内的土压力值，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，从而保证开挖面的稳定，防止地面 的沉降或隆起。图土压平衡顶管机 土压平衡顶管机特点：大刀盘土压平衡顶管机适用在软土、硬土、砂砾和卵石层中掘进，是全土质的顶 管掘进机。通过合理的注浆方式，可改良土体，保持控制面稳定及地面沉降。弃 土的运输和处理方便、简单，作业环境好，操作安全、方便，适合中、大型口径 顶管作业多刀盘土压平衡顶管机在较软土质中使用，其设备成本低、重量轻、结构简单, 通过迎面注水、周边注浆等方式改良土体。最小复土深度可以相当于一倍管径左 右，对地面建筑物、构造物、埋设物影响较小。05顶管施工优点在城区内施工如果地下水不是十分丰富以及管道埋深较浅的情况下采用开挖式 敷设管道比较经济。但是也存在一些问题如下：施工噪音较大，容易阻碍交通,容易引起地盘沉降等。非开挖顶管施工采用油压驱动，施工时噪音远远小于开槽式敷设管道，几乎没有 地盘沉降的现象，对周遭的影响降低到最小程度。而且在较深的埋深情况下施工 成本要小于开槽式敷设管道。顶管施工的优点：无需隔断交通可以安全的穿 越铁路噪音以及震动都 很小对施工周遭的影 响很小可以在很深的地 下敷设管道可以穿越障碍物06不同土质可采用的顶管施工工法6.1常见的顶管施工常见土质6.1.1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，$欠土的天然重度较小，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。6.1.2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20H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。6.1.3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）。6.1.4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，干钴可钴进。6.1.5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 , 5更度很 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。6.2顶管施工工法适用土质 根据以上四类顶管施工工法的介绍分析，将各类顶管施工工法及相应的掘进机所 适用的土质条件、顶进施工中的顶进速度快慢、耗电量多少、劳动力需求情况和 对环境的影响程度列于下表。在施工过程中，可以根据下表针对不同的土质情况 选用不同的顶管施工工法及其相应类型的顶管掘进机(泥浓式施工法在国内应用 较少，S文未能在表中反映）。由表下知，对于淤泥质粘土，由于其土质较软、切削容易，上述四类施工工法均 适用，表推进工法、掘进机械适用土质条件表（点击放大阅读）施iJJ去刃口工法十压式椎!# 丁法土质韵mmji客刀盘十压平衡掘进机单刀平麵腿淤泥质粘土掘进速度适用慢适用-SS适用耗罐小-般劳动力-m.环境影响小小小砂型土mmm.不适用适用-m.适用耗电是m：-般劳动力-ss环驟响小