（水利工程专业论文）土压平衡式顶管掘进技术在软土地基中的应用.pdf

中文摘要 随着现代城市的发展，建筑物密集、地下管线众多、场地狭小、明挖施工困 难，非开挖施工技术正越来越广泛地应用于建设工程当中。顶管技术由于不需要 开挖面层，就能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道，在我国得到了 迅速发展。 顶管机是一种非开挖施工地下管道( 外径可达3 8 m ) 的专用掘进机械设备， 它的形式由手掘式、挤压式发展到半机械式。由于城市建设的发展，对施工周 围的环境保护提出了较高的要求，随着施工经验的积累、科学技术的进步与机 电制造水平的提高，使项管机的形式向着机械旋转切削式、泥水平衡式、土压 平衡式以及能适应软硬土层的先进机型发展。目前，大刀盘电机驱动的土压平 衡顶管机在我国已成系列，该顶管工法也被评为国家级工法，并得到了广泛的 应用。 本文通过对设计引入的土压平衡式顶管掘进技术的工程实践，克服了软土 地基下埋深大、项进长，不破坏和影响上部铁路、南港公路正常运行以及分布 的水、电、污水、绿化等各种管线正常使用的种种困难，成功的实现了土压平 衡顶管掘进的施工，该工法在本工程的实践中取得了良好的经济和技术效果。 本文主要论述了大刀盘顶管掘进机结构、特点、技术参数和工作原理，结 合软土地基中土压平衡顶管掘进技术的控制标准、工艺流程及要点，通过工程 中的监测得出结论，该工法在天津港情况复杂的软土地基情况下施工取得了成 功，得到了成功的应用。该工程的实践扩展了该工法的应用范围，对今后的工 程施工提供了很好的借鉴。 关键词：土压平衡管掘进技术工作原理软土施工工艺技术参数 a b s t r a c t i nt h em o d e r nc i t i e s ，t h e r ea l es om a n yb u i l d i n g s ，l a r g en u m b e ro f u n d e r g r o u n d p i p e l i n e s ，a n ds m a l lv e n u e s t h e s ep r o b l e m sm a k el a r g es c a l ee x c a v a t i o nv e r y d i f f i c u k u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t r e n c h l e s st e c h n o l o g yi su s e dm o r ea n dm o r ei n c o n s t r u c t i o np r o j e c t s b e c a u s ep i p ej a c k i n gt e c h n o l o g yi sa b l et op a s st h r o u g ht h e g r o u n ds t r u c t u r e s ，u n d e r g r o u n dp i p e l i n e s ，r o a d s ，r a i l w a y s ，r i v e r sw i t h o u ts u r f a c e e x c a v a t i n g ，i th a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yi no u fc o u n t r y p i p ej a c k i n gm a c h i n ei san o n e x c a v a t i o nt y p ed e d i c a t e db o r i n gm a c h i n eo ft h e u n d e r g r o u n dp i p e l i n ec o n s t r u c t i o n ( d i a m e t e ru pt o3 8 m ) t h ef o r mh a sd e v e l o p e d f r o mh a n d d u gt y p e ，s q u e e z e - s t y l et y p et ot h es e m i - m e c h a n i c a lt y p e a sar e s u l to f t h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n , t h e r ei s h i g h e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n r e q u i r e m e n t f o rc o n s t r u c t i o na r e a s w i t ht h ea c c u m u l a t i o no f e x p e r i e n c e i n c o n s t r u c t i o n , p r o g r e s so fs c i e n t i c f i ca n dt e c h n o l o g i c a ll e v e la n da p p r o v e m e n to f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lm a n u f a c t u r i n g ，t h ef o r mo f p i p ej a c k i n gm a c h i n ed e v e l o p e s t o w a r dm e c h a n i c a lr o t a r y c u t t i n gt y p e ，p l a s t e r sb a l a n c e dt y p e ，e a r t hp r e s s u r e b a l a n c e d ( e p b ) t y p e ，a sw e l la sa d v a n c e dm o d e l sa d a p tt oh a r da n ds o f ts o i l a t p r e s e n t ，t h em o t o r - d r i v e nc u t t e rd i s ke p bp i p ej a c k i n gm a c h i n ei no u rc o u n t r yh a s b e c o m eas e r i e s ，t h ep i p ej a c k i n gm e t h o dh a sa l s ob e e nn a m e dan a t i o n a le n g i n e e r i n g m e t h o da n di sw i d e l yu s e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g no fe a r t hp r e s s u r eb a l a n c eb o r i n gp i p ej a c k i n g t e c h n o l o g ye n g i n e e r i n gi np r a c t i c e t h i sd e s i g no v e r c o m em a n yd i f f i c u r i e si nt h e c o n s t r u c t i o ns u c ha st h ed e e pa n dl o n gw a yu n d e rt h es o f ts o i l , n o n - d e s t r u c t i o na n d t h ei m p a c to ft h eu p p e rr a i l , t h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es o u t hr o a da n dt h e d i s t r i b u t i o no f w a t e r , e l e c t r i c i t y , s e w a g e ，g r e e n i n gt h en o r m a lu s eo f t h e p i p e l i n e t h i s p r o j e c th a sm a d eg o o de c o n o n l i ca n dt e c h n i c a le f f e c t s t h i sa r t i c l ef o c u s e so ns t u d y i n gt h eb i gp i p eb o r i n gm a c h i n ed i s ks t r u c t u r e ， c h a r a c t e r i s t i c s ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e b a s e do nt u r k e yp i p e j a c k i n gb e r i n gp r e s s u r ec o n t r o lt e c h n o l o g ys t a n d a r d si ns o f ts o i la n dp r o c e s sa n dg i s t m o n i t o r i n gt h r o u g ht h ep r o j e c t ，w ef o u n dt h a tt h i sm e t h o di ss u k a b l ef o rt h es o f ts o i l i nt i a n j i n t h i sp r a c t i c ew i l lp r o v i d eu s e f u le x p e r i e n c e si nt h ea p p l i c a t i o no ft h i s t e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ： e p b ，i p e j a e k i n gt u n n e l i n gt e c h n o l o g y , o r k i n gp r i n c i p l e ，o f t s o i l ，o n s t r u c t i o nt e c t m o l o g y , e c h n i c a lp a r a m e t e r s ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天洼太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作：龙峰黼期：泐9 年夕月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 日签字日期： z 缈k 务 明 嘭p ： 年 名 9 辚 唧 眷 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 天津大学硕七学位论文第一章绪论 1 1 顶管施工的历史 第一章绪论 顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需 要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及 各种地下管线等。它最早始于1 8 9 6 年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。 据资料记载，日本最早的一次顶管施工是在1 9 4 8 年，施工地点是在尼奇市的一 条铁路下面。当时顶的是一根内径为中6 0 0 r a m 的铸铁管，顶距只有6 m ，主项是 一种手摇液压千斤顶。用现在的眼光来看那次顶管的确是非常原始的。 我国的顶管施工最早始于何时，已无资料记载，据了解是始于1 9 5 3 年的北 京，后来上海也在1 9 5 6 年开始顶管试验。但一开始都是些手掘式顶管，设备也 比较简陋。在1 9 6 4 年前后，上海一些单位已进行了大口径机械式顶管的各种试 验。同时也开创了中继间的先河。 在此以后，又进行了多种口径、不同形式的机械顶管的试验，其中土压式 居多。由于当时的顶管掘进机的设计还停留在比较原始的阶段，也没有一套完 整的理论作指导，施工时又没有针对土的性质因地制宜，所以当时的顶管掘进 机还不够完善。 1 2 顶管施工的现状 到目前为止，顶管施工随着城市建设的发展越来越普及，应用的领域也越 来越宽。我们知道，顶管施工最初主要用于下水道施工。可是近来运用到自来 水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环水冷却系统等许多管道的施 工中。 目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和 土压平衡理论。从目前发展趋势来看，土压平衡理论的应用已越来越广，其主 要原因是：首先，它的适用范围都比气压平衡、泥水平衡宽，有的可以说是全 土质顶管掘进机。其次，土压平衡掘进机在施工过程中所排出的渣土要比泥水 平衡掘进机所排出的泥浆容易处理，加之土砂泵的出现，使其渣土的长距离输 送和连续排土、连续推进已成为可能。再次，土压平衡掘进机的设备要比泥水 平衡和气压平衡简单得多。 现在，长距离大口径的顶管日渐增多。过去顶管是作为一种特殊的施工手 天津大学硕士学位论文第一章绪论 段，不到万不得已，一般不轻易采用。因此，顶管常被当作穿越铁路、公路、 河川等的特殊施工手段，施工的距离一般也比较短，大多在2 0 m 、3 0 m 左右。现 显然，现在则不同，顶管施工正在广泛的被接受，而且一次顶进的距离也越来 越长。常用的顶管管径也日渐增大，实际施工中顶管的口径已达4 m 。我国和日 本都把3 m 口径的混凝土管列入项管口径系列之中，德国最大的顶管口径为5 m 。 i 3 顶管施工的基本原理 顶管施工就是借助于主项油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进 机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起。与此同时，也就把紧随工具管 或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的敷设地下管道的施工方 法。 i 髭凝土管；2 运输车：孓掳锈：4 奎顶溜聚：5 仟专：昏蜜全挟拦：7 澜漪海菜系统；擞缴痨；9 一冠电系缓：l 壤纵系统； 1 1 后庵：i 冬翻鼍器i 览：i 孓土穗锏缸；1 4 l 罐辘；1 5 - 娠彤顼歙；1 6 _ 矫形璜铁；1 7 越凝臂；l 蜘运十车；i 州l 虫 图i - i 顶管施工 1 4 主要研究内容和研究意义 i 4 i 主要研究内容 本论文论述了天津港工程项目采用土压平衡顶管掘进技术的机理、参数设 计、施工工艺、工后检验效果以及技术经济指标，主要分析和探讨了该工法顶 进过程的参数设计及施工工艺，详细论述了复杂软土地基情况下的施工要求、 施工工艺流程、施工机具选择、控制标准、深基坑开挖观测施工要点等。 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 研究意义 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。近十年来，随着各国经济的不断发展、城市化进程的加速和下水 道普及率的提高以及旧城区的改造，公用事业的发展，顶管施工也越来越普及。 顶管施工有一个最突出的特点就是适应性问题。针对不同的土质、不同的 施工条件和不同的要求，我们必须选用与之适应的项管施工方式，这样才能达 到事半功倍的效果；反之则可能是顶管施工出现问题，严重的会使顶管施工失 败，给工程造成巨大损失。 本次天津港采用的土压平衡式顶管掘进施工也是在该地地区首次使用，并 且施工中克服了埋深大、顶进长，地上情况复杂等困难，本文通过论述该法的 机理、参数设计及调整、施工工艺以及工后检验效果，为以后在软土地基的设 计、施工提供参考。 天津大学硕士学位论文第二章大刀盘电机驱动土压平衡顶管掘进机的工作原理和特点 第二章大刀盘电机驱动土压平衡顶管掘进机的工作原理和特 点 2 1 大刀盘顶管掘进机的结构 大刀盘电机驱动土压平衡顶管机主要由大刀盘、大刀盘驱动装置、前后壳 体、止转装置、联接两壳体的纠偏油缸组和铰接密封装置、出土螺旋输送机、 纠偏油缸液压动力站和液压管路、润滑油脂泵和油脂输送管路、加泥( 水) 装置、 驱动电机电器柜及顶管操纵台等组成。 2 2 大刀盘顶管掘进机的特点 ( 1 ) 大刀盘无面板，由3 - 4 根辐条或加强杆( 圈板) 与轴套构成，幅条前面根 据不同土质设置不同切削刀头，辐条后面设置数根搅拌棒，能对密封土仓中的 切削土进行不断的搅拌，使仓内土体具有很好的塑性、流动性和止水性，使土 顺利地排出；刀盘中心有三角鱼尾形切削刀，在辐条上和刀盘中心处设有注浆 孔； ( 2 ) 大刀盘采用中心支承，无大轴承； ( 3 ) 应用国产行星齿轮减速器和离合器的动力传递结构，整个刀盘驱动装置传 动效率高、噪声小、发热低、安装和维护简单，工作可靠； ( 4 ) 采用电动机驱动、无中心轴的带式螺旋输送机，其出土口设在端面，能形 成较长的土塞，还可以输送一定尺寸的石块和砾石； ( 5 ) 顶管机前壳体中装有隔仓板( 其上设置注浆管和土压计) ，把前壳体分成密 封土仓和动力仓，大刀盘驱动装置设在隔仓板中间，隔仓板下部安装螺旋输送 机； ( 6 ) 顶管机后壳体的左侧安放纠偏油缸液压动力站、电器柜与润滑油脂泵，右 侧安装操纵台； ( 7 ) 该类顶管机在出洞施工时不需液压动力设备的二次转换工艺，整套设备结 构简单、施工方便、可靠性好。( 图2 1 为大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机结 构示意图。) 4 无津人学硕士学位论文第二章大刀盘电机驱动土压平衡项管掘进机的工作原理和特点 l _ 大w 盘；2 - 大月盘自装置3 一前体；4 一加( 水) 装i 回转接头；5 一纠偏 缸m ：6 一月盘自电自n7 一螺旋* 帆g 功屯动机：8 * 式螺旋精机9 一* 操m 台：1 扣口壳体1 l 旋输送机m 门装i 图2 - 1 大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机结构示意图 23 顶管机的工作原理 先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进同时大刀盘旋转切削土体， 切削r 的土体进 密封土仓与螺旋输送机中，并被挤压形成具有一定土压的压 缩土体：经过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。密封上仓内的上压力值 可通过螺旋输送机的出土量或项管机的前进速度来控制，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。 由于大刀盘无面板，其开口率接近1 0 0 ，所以设在隔仓板上的土压计所测 得的土压力值就近似于掘削面的土压力。 根据顶管机开挖面不同地层的特性，通过向刀盘正面和士仓内加入清水、轱 土浆( 或膨润土浆) 、各种配比与浓度的泥浆或发泡剂等添加材料，使一般难以施 工的硬粘土、砂土、含水砂土和砂砾土改变成具有塑性、流动性和止水性的泥 状土不仅能被螺旋输送机顺剥排出，还能顶住开挖面前的土压力和地下水压 力，保持刀盘前面的土体稳定。 若增加刀盘的驱动动力和变换刀盘体，还能在泥岩、强风化与中风化砂岩中 掘进施工，也能用于易坍塌的含水砂层以及混有卵石豹砂砾层等各种地层，这 种顶管机对土层的适应性较强。 天津大学硕士学位论文第二章大刀盘电机驱动土压平衡顶管掘进机的工作原理和特点 2 4 顶管机的技术参数 表2 1 列出了日本大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的技术参数，表2 2 为国 内几种典型大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的主要技术参数表。 表1 1 口本大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的技术参数 外形全 力矩回转数 动力 纠缩 液压 螺旋 通过 捧土量 工称 输送机 尺寸长 油缸工作站 动力 直径5 0 h t刚l蛐k w x 醴v l 洲x v 有 无轴 ，o m6 0 h t 巾1 2 ，f l1 4 6 0 x 9 加3 ， q l7 62 4 02 鹤 ，j 3 2 7 0 5 0 g1 7 x 柏02 2 4 0 0 1 l s 2 m5 s6 6 0 1 3 5 0 1 6 3 0 x 9 0 03 姗1 3 31 1 i2 ，1 92 6 37 5 x 4 x 4 0 04 2 0 卯8 3 7 4 0 07 5 4 0 0 1 2 02 3 07 08 5 1 5 0 01 8 1 0 x l 如4 1 5 01 7 6 1 4 7 1 时 2 1 9 3 4 0 04 5 0 s3 7 x 4 0 07 5 4 0 01 2 02 3 07 08 5 由1 6 5 01 9 8 0 x1 5 04 瑚2 3 41 9 51 8 3上1 9l l 4 4 0 05 5 0 x5 0 b3 7 钟0l l x 4 0 01 ”2 6 01 2 ol4 5 巾l 啪2 1 5 0 x1 5 04 0 0 02 2 拍1 4 5i 7 4i l 4 0 06 3 0 1 0 0 x 83 7 4 0 0l l x 4 0 01 4 52 6 01 2 01 5 3 由2 0 0 02 3 7 5 1 5 04 1 5 0 辐 3 3 71 3 2 1 5 9 l l 5 x 4 0 07 5 0 1 0 0 83 7 4 0 01 5 x 4 0 01 7 5粥1 2 71 7 0 巾2 2 0 02 6 1 0 1 8 04 2 5 05 4 54 5 3l _ 1 81 4 21 l 6 4 0 06 3 0 x1 0 0 x1 237 4 0 01 5 x 4 0 01 7 53 2 51 4 01 7 o 中2 4 0 02 s o l 的4 3 0 06 3 65 3 0i 0 l1 2 l1 1 6 x 4 0 07 如l 1 23 7 4 0 01 5 1 7 53 2 5l 01 7 0 巾2 6 3 0 7 0 x 1 8 04 3 0 08 3 36 9 4n 9 0i1 0i l 7 4 0 01 0 0 0 xi x 85 5 4 0 01 8 5 x 4 0 01 7 53 2 51 4 01 7 o 中2 j ；0 03 3 0 0 x1 8 04 5 0 09 8 i8 2 007 7n 9 21 l 7 4 0 0l o x1 0 0 x s5 5 4 0 01 85 4 0 01 7 53 2 51 4 01 7 0 表2 2 国内几种典型大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的技术参数 项目1 4 0 0 机型1 6 5 0 机型1 8 0 0 机型2 2 0 0 机型2 4 0 0 机型2 6 0 0 机型3 0 0 0 机型 掘进机外径( m m ) 1 4 4 02 0 5 02 2 2 02 6 6 0 2 9 0 0 3 1 2 03 5 4 0 到盘转矩( 刖m )5 7 71 3 1 31 5 72 5 7 2 4 5 ( 5 3 2 1 5 2 36 6 5 4 到盘转矩系数2 1 1 5 1 4 61 4 5 i 4 ( 2 2 2 1 7 51 5 到盘转速( r m i n ) 3 1 42 92 41 9 3 1 8 4 ( 1 4 2 ) 1 9 71 9 5 到盘驱动所需电机功率：k w 2 l l2 x 1 52 2 24 x 1 54 xi 8 5 ( 4 x 2 2 l +4 x 3 04 3 7 括号内参数是用于n 值大于3 0 的硬粘土或砂粒土。 2 5 顶管机的应用 2 5 1 广东汕头市输水工程 广东汕头市输水工程中有一条穿越汕头市主干道( 金沙东路) 的长为5 8 m 、外径 为1 4 0 0 r a m 的输水钢管。施工采用了半遥控式q ) 1 4 0 0 m m 大刀盘电机驱动土压平 6 无漳大学硕士学位论文第二章大刀盘电机驱动土压平衡顶管掘进机的工作原理和特点 衡顶管机( 图2 2 ) 。 图2 - 2 中1 4 0 0 h a 土压平衡顶管机 管道顶进地层为砂土( 以中砂为主，还含有一些直径为l o 1 4 m 的贝壳) ， 地下水位在地表05 m 以下，管顶覆土厚3 3 m ，且有较复杂的地下管线要保护。 在1 3 天内完成了5 8 m 的项程地面沉降量在o l o 哪。 2 5 2 西安排水顶管工程 西安市有一条雨水截流总管，其中的b 标段管道长5 1 2 m ，沿途穿越民房群 与城市交通干道，设计纵向坡度7 1 0 0 0 0 ，平均埋深9 m ，雨水管道采用规格为 甲3 0 0 0 m m 的钢筋混凝土管，管节长2 5 m ，施工采用了肇3 0 0 0 m m 大刀盘电机驱 动土压平衡顶管机，设置两个中继间。由于顶进土层为湿陷性粘土，土中有氧 化斑点及贝壳碎片，层间夹砂，具湿陷性呈硬塑可塑状，土的粘聚力值高 达4 5 5 5 k p a ，为此，除了在刀盘正面与螺旋机上有注水口，还在顶管机土仓的 隔板上布置了8 个注水孔并在摘工时，根据刀盘驱动电机的电流值，严格控 制注水量，以保证湿陷性黄土的承载力。施工中房屋无裂缝，地面交通正常， 施工后经测量整个施工段管位高程、左右偏差均满足设计要求，沿线的地面 沉降量小于5 衄。 2 5 3 上海污水治理工程 币1 6 5 0 m ( 图2 - 3 ) 、中1 8 0 0 m m 、中3 0 0 0 衄( 图2 - 4 ) 与中2 0 0 0 m 几种规格的 大刀盘电机驱动土压平衡顶管机，先后应用于上海污水治理工程的顶管施工中， 采用定速出土、变速顶进的土压平衡施工技术，安全地穿越了简阳房屋、铁路、 交通繁忙的马路、地下管线、河川与堤岸防汛墙等建筑物，达到了地面沉降小、 方向控制好的效果。 天津大学顾士学位论文第二章大刀盘电机驱动土压平衡项管掘进机的工作蠛理和特点 圈2 - 3m1 6 5 0 曲土压平衡顶管机同2 _ 4 巾3 0 0 ( 】衄土压平衡顶管机 25 4 广州荔湾湖电力隧道工程 广州荔湾湖申3 0 0 0 蛐电力隧道工程全长4 0 0 糸米，采用外径为3 6 0 0 m m 的 大刀盘电机驱动土压平衡顶管机( 图2 5 ) 进行顶进施工，管道疆土4 6 m ，处于 粉细砂土层地下水位较高。顶管施工从2 0 0 2 年1 2 月扔到2 0 0 3 年1 月底结束， 历时约两个月，安全穿越了黄沙大道、地下管线、荔湾湖与1 幢楼房的基础( 混 凝土灌注桩) 。 囝2 - 5 巾3 6 0 0 r a m 土压平衡项管机 255 在其他工程中的应用 大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机还应用于北京、浙江，江苏、安徽、湖 北、河南、广东、甘肃等地区的市政工箨地下管道的施工。如广东东莞市截污 主干管工程中应用2 0 0 0 r a m 大刀盘电机驱动土压平衡顶管机顶进8 7 1 m ， 币2 4 0 0 n r n 大刀盘电机驱动土压平街项管机顶进4 0 0 m ：甲1 6 0 0 加大刀煮土压平衡 顶管机应用于安徽蚌埠治准路污水管网工程，顶进长度7 4 0 m ：平1 6 5 0 m 大刀盘 电机驱动土压平衡顶管机应用于甘肃某市天然气管道过黄河工程中，顶进长度 约1 5 0 m ，管底埋鞫 约2 0 m ，穿越地层为泥质砂岩、泥岩；郑州市政总公司应用2 台口2 6 0 0 m 大刀盘电机驱动土压平衡顶管机进行顶进施工，豢计每靠顶管机顶 进长度约3 k m 。 天津大学硕士学位论文第三章软土地基中土压平衡式顶管掘进技术的应用与控制标准 第三章软土地基中土压平衡式顶管掘进技术的应用与控制标 准 3 1 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3 0 ，饱和度一般大于 9 0 ，液限一般在3 5 - 6 0 之间，软土的天然重度较小，约在1 5 1 9 k n m 立方米之 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。 ( 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2 0 p 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。 ( 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) 。 ( 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。 ( 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5 0 m p a ，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1 0 0 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。 3 2 软土地基设备的选用 目前，常用的机械化顶管机多为泥水平衡式和土压平衡式。泥水平衡顶管 9 天津大学硕士学位论文第三章软土地基中土压平衡式顶管掘进技术的应用与控制标准 机在顶进过程中，泥土仓内泥浆易从土层缝隙或局部土壳薄弱处外泄。土压平 衡顶管掘进机一般用来进行中、大口径的管道施工；能在覆土比较浅的状态下 正常工作，最浅覆土深度仅为0 8 倍掘进机外径，这是其他形式的顶管无法做到 的；适用的土质范围广，是全土质的顶管掘进机；能保持挖掘面的稳定，可以 使地面变形极小：弃土的运输、处理都比较方便、简单，没有泥水平衡式顶管 那样的泥水处理装置等；操作方便、安全，不需要泥水式的泥水循环系统。在 穿越公路、铁路、地下管线、河流、地上重要建筑等地段( 以下简称特殊地段) 的顶管施工一般采用多刀盘土压平衡式顶管机或泥水、泥浆平衡式顶管机。土 压平衡式项管机出土为固体形式，较泥水、泥浆平衡式顶管机出土为液体形式 在土方处置方面较为便利，故在能满足沉降要求的情况下，通常采用土压平衡 式顶管机。该机型适用于饱和含水地层中的粘土、粉质粘土、淤泥质粘土、粉 砂土或砂性土。 对于淤泥质黏土，由于其土质较软，切削容易，因此我们可以选用以下所 介绍的各种掘进机，对此我们先介绍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项管。如果在泥土仓中注入些粘土，它也能用于砂层的 顶管。另外，由于此机采用了先进的土压平衡原理，因此，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、i , - - ) l i 、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。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。它与手掘式及其他形式的顶管施工 相比较，又具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段的优点。 如采用输土泵的方式出土，顶进效率也很高，平均2 4 小时可顶进1 5 - 2 0 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，只适合于软土地质情况下施工，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 l o 天津大学硕士学位论文第三章软土地基中土压平衡式顶管掘进技术的应用与控制标准 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。使用此种掘进机地面隆沉极小，优秀的 操作人员可使地面隆沉控制在l o m m 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，2 4 小时可顶进2 0 - 3 0 米。缺 点也很明显：由于进泥口开度限制，在含有直径大于6 c m 砾石的土层中无法施 工。 3 3 软土地基土压平衡顶管施工的控制标准及要点 1 机型选择。施工前必须充分调查特殊地段的详细情况，根据实际地质情况合 理选择顶管机机型，布置好监控测点。结合洞口具体情况，采取合适的加固和 环境保护措施。 2 方向控制。施工中根据监控点监测所得反馈数据，不断调整相关技术参数使 得沉降值控制在有关部门允许的范围之内，加强测量，避免较大的纠偏动作。 做好管道轴线偏差控制。顶管施工前应对管道通过地带的地质情况认真调查， 设置测力装置，直到纠偏，纠偏应按照勤测量、勤纠偏的测量方法迸行。加强 项管后背施工质量的控制，确保后背不发生位移，并应使后背平整，以保证项 进设备的安装精度。 3 地面沉降与隆起的控制。施工前应对工程地质条件和环境情况进行周密细致 的调查，制定切实可行的施工方案，正确选用工具管，并对距离管道较近的建 筑物和其他设施采取相应的加固保护措施。设置测力装置，掌握顶进压力，保 持项进力与前端土体压力的平衡。 4 软土地基防止顶力突然增大。顶进过程中应严格执行勤测量、勤纠偏的操作 要求，是管道轴线被控制在允许偏差范围以内。按不同地质条件配置适宜的泥 浆，并采取同步注浆的方法，及时足量的注入泥浆。项进施工前应对顶进设备 进行认真的检修保养。停项时间不能过久，发生故障应及时加以排除。 5 地面建筑物和管线保护。对施工影响到的构筑物，根据影响程度不同，可采用 地下连续墙、树根桩、注浆加固等措施予以保护。对横跨施工管道的管线，施工 前可开挖暴露做支吊保护。施工穿越房屋和管线时，应严格控制顶进状态，及时调 整顶进速度，使顶进施工时的控制土压力处于主动土压力和被动土压力之间，并 加强地面沉降监测，确保房屋安全。加强变形观测，变形量大时及时采取强化措施 补救。 天津大学硕士学位论文第四章现场软土地基实施方案及分析 4 1 概述 第四章现场软土地基实施方案及分析 根据渤海湾所处地理位置、腹地经济发展需求以及在我国和区域综合运输 体系中的地位和作用，天津港是我国沿海主枢纽港和综合运输体系的重要枢纽， 是京津冀现代化综合交通网络的重要节点和对外贸易的主要口岸，是华北、西 北地区能源物资和原材料运输的主要中转港，是北方地区的集装箱干线港和发 展现代物流的重要港口，也是亚欧大陆桥的东端起点。随着天津滨海新区开发 开放纳入国家总体发展战略布局，天津港的蓬勃发展将加速中国第三级的经济 增长。目前，天津港主航道水深达至l j - 1 9 5 m ，可满足2 5 万吨级船舶进出，3 0 万 吨级船舶趁潮进出港条件。 为了解决天津港直接腹地原油供需紧张，提高港口功能等级，天津港集团 决定进行天津港3 0 万吨级原油码头工程建设，进一步提升对区域发展的拉动作 用。 4 2 工程概况 天津港3 0 万吨级原油码头位于天津港航道里程1 4 + 2 2 0 处，泊位数量一个， 岸线总长为4 6 8 米，停泊水域设计底高程近期- 2 2 5 米，最终浚深至- 2 5 m ，设计 年吞吐量为2 0 0 0 万吨。分为码头水工工程和陆域引桥工程。 陆域引桥铁路南港路穿越工程为天津港3 0 万吨级原油码头的配套工程，两 根输油管线1 0 1 6 须设涵保护穿越神华铁路专用线、南疆铁路专用线和南港公路。 该工程是通过南端主工作基坑将两条钢筋砼套管顶进穿越南疆港区铁路、南港 路进入北侧副工作基坑。单根顶进长度为1 3 4 4 m 两根共2 6 8 8 m ，两管水平外净 间距为3 米。顶进砼套管管顶高程为一1 1 l m 管外底高程一3 9 9 m 。管顶复土厚 度7 2 5 m ( 南港路) 及1 2 2 5 m ( 铁路高路基) 。 4 3 工程位置及现场情况 工程位于天津港南疆南港路与南二路交口向东5 0 米处，顶管轴线与南港 路垂直。顶管将穿越神华进港铁路线一股、蓟港铁路线三股和南港路。项管将 1 2 天津大学硕士学位论文第四章现场软土地基实施方案及分析 穿越的地埋管线为( 自南向北) ：铁路南电缆沟、铁路与南港路之间的d n 6 0 0 供 水管线、路灯照明电缆、南港路北侧污水管道、路灯电缆、直埋动力电缆、d n 3 0 0 供水管线、绿化给水管线、污水压力管线及电力控制电缆等，并且在南港路北 侧还将穿过铁塔架空高压电线，该高压电线在顶管处距地面的垂直距离约8 m 。 在南港公路下有塑料排水板桩，铁路路基下有水泥搅拌桩，搅拌桩直径中6 0 0 m m ， 梅花状布置，水泥含量1 8 ，给管涌顶进增加困难。 图4 1 顶进圆涵涵址平面图 4 4 工程所处区域地质概况 4 4 1 地形地貌 工程位于陆域回填区，地形平坦。地面高于海平面5 6 m 。 4 4 2 工程地质 勘察现场为铁路、公路及各种管线，孔口标高为5 8 4 7 0 5 米，其下 土层根据时代、成因类型及土层的物理力学性质，分为5 大层，自上而下 分层描述如下： ( 1 ) 填土层( q m l ) 天津大学硕士学位论文第四章现场软土地基实施方案及分析 表层杂填土，主要成分为粘性土夹碎石、煤块、炉渣、碱渣等，松密不均。 下部素填土，主要为粉质粘土夹少量杂物，较均匀。为可塑状态，中高压缩性 土层。层底标高4 2 5 、3 1 5 米，层厚2 7 3 8 米。 ( 2 ) 淤质粉质粘土与淤泥( q 4 2 m ) 海相沉积土层( 上部为吹填土) ，层底标高一4 9 5 、一6 9 5 米，层厚8 7 1 0 1 米，灰色，饱和，主要为淤质粉质粘土，其次淤泥质粘土，夹有淤泥层，局部 见粉土透镜体。夹粉土薄层，含有机质，见少量碎贝壳。为流塑状态，高压缩 性连续分布土层。 ( 3 ) 淤泥质粘土( q 4 2 m ) 海相沉积土层，层底标高- 1 3 1 6 - 1 3 4 4 米，层厚6 4 8 4 米，灰色，饱和， 均匀淤泥质粘土。见少量碎贝壳，为流塑、软塑状态，高压缩性，连续分布土层。 ( 4 ) 粉质粘土( q 4 1 a 1 ) 河口三角洲相沉积土层，层底标高- 1 8 0 5 、- 2 2 1 7 米，层厚4 7 6 8 米，灰 色，均匀粉质粘土，标贯击数平均9 8 8 击，为可塑状态，中压缩性连续分布土 c j 力io ( 5 ) 粉土、粉砂( q 4 1 a 1 ) 揭露标高- 2 4 6 1 米，上部为粉土，下部为粉砂，灰色，标贯击数1 6 7 8 击， 平均5 3 2 7 击，为密实状态土层。 4 5 工程设计 4 5 1 结构设计 1 项管 输油管道直径1 0 1 t i m ，加保护层共计1 2 1 6 m m ；铁路工程设计防火规范 要求防护套管的内径大于穿越管道的外径0 3 m ，考虑到以后检修维护的需要并 结合施工工艺，设两个内径为2 4 m 的圆管保护涵，两涵狰距3 m 。 每个管节尺寸：内径2 4 m ，外径2 8 8 m ，壁厚0 2 4 m ，长2 4 m 。 顶进工程处北侧有中石化库区围墙及长输管线，南侧有1 1 0 k v 变电站进线 电缆沟。考虑躲避障碍并结合输油管道的走向，最终确定单个圆管涵长1 3 4 4 m ， 管节5 6 个，两涵涵长共计2 6 8 8 m ，管节共计1 1 2 个。 2 竖井 1 4 天津大学硕士学位论文第四章现场软土地基实施方案及分析 为了便于以后输油管道的检查维修，顶进施工完毕后，在主副工作坑内各 设一个检查竖井。主工作坑内竖井大小为1 2 5 4 m ，井深1 1 8 m ，中间设一道 横墙。墙宽为0 6 m 。副工作坑内竖井大小为1 1x 5 4 m ，井深1 2 2 m ，中间设一 道横墙，墙宽0 6 m 。 井底下1 m 用c 2 0 混凝土封底，经检算，结构物自重大于水浮力，另因为坑 底有水泥搅拌桩加固，可做到不沉降不上浮。竖井高出地面1 5 m 2 o m ，防止 地表水流入。 竖井防水等级按三级考虑，竖井侧墙与地下水接触部分涂t t i f - i 型防水层。 竖井底即封底混凝土下面用反粘橡胶沥青防水卷材设防水层；涵管与竖井接口 部分因为结构变形及管道伸缩量较小，采用主管直接埋入混凝土内的固定防水 法，应预留凹槽，槽内用嵌缝材料嵌填密实。竖井施工缝应埋入钢板橡胶止水 带或背贴式止水带。 3 防腐蚀措施 地下水对混凝土结构有中腐蚀性，地下水对钢筋混凝土结构中钢筋在干湿 交替情况下有强腐蚀性，在长期浸水情况下有弱腐蚀性。混凝土最大水胶比、 最小胶凝材料用量满足耐久性暂规局部修订条文的通知要求：涵身与地下 水接触的表面涂t q f - 1 型防水层。永久性结构竖井、涵身钢筋的混凝土保护层 的最小厚度满足耐久性暂规第6 0 1 0 条表6 0 1 0 的要求。 4 5 2 附属结构设计( 包括线路加固情况) 1 线路加固 吊轨 采用“3 - 5 - 3 ”制吊轨，钢轨接头需错开1 o m 以上，两端伸出路基防护桩 外4 0 m ，吊轨与枕木用p2 0 u 型螺栓联结，钢轨采用5 0 k g m 轨。 2