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    常用的几种顶管施工工法、适用土质及顶管3D工作原理图

    2017-01-16  海竣云


     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?#35328;?#26469;越普及,?#35328;?#29992;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?#36865;?#22797;,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 


    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。 


    图 施工工艺分类


     3.1 开放型刃口推进工法 

    图 刃口式推进工法施工工?#24080;?#24847;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,?#35805;?#31216;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?#20064;?#29289;可立即采用人工方式排除;其缺点是顶进管径应大于Φ800mm,否则不便于人员进出;顶进距离不宜过长,?#35805;?#23545;于Φ800mm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?#20004;?#29616;象,不适用于已建成的建筑物区域,?#35805;?#22312;类似于农田对地面?#20004;?#35201;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?#25605;?#30722;层时难以控制出土量,因此?#20004;?#20063;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?#28023;?#30001;于土质?#20808;懟?#23380;隙比大,切削和顶进都?#20808;?#26131;,其机头?#35805;?#21152;工?#30722;?#25950;开式或活瓣式,让二?#31181;?#19968;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、阻止地表?#20004;擔?#24182;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Φ800~3000mm。


     3.2 封闭型泥水推进工法 

    图 泥水式推进工法施工工?#24080;?#24847;图

    泥水推进工法有如下特点: 

    ⑴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;

    ⑵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;

    ⑶无需地基改良或降水处理,施工后地表?#20004;?#23567;。

    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?#25512;?#24515;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?#20004;?#35201;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?#27827;?#20110;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?#36136;?#19968;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?#21490;?#26465;形焊接在?#31859;?#20307;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?#33267;?#25509;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?#31181;?#30340;间隙也不断的由最小变到最大这样循?#32321;?#21270;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?#31181;校?#20174;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。?#35805;?#24773;况下,刀盘每?#31181;?#33021;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200MPa。此机型在顶管掘进过程中有如下特点:

    ⑴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1-50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; 

    ?#30772;?#30862;粒径大,其破碎粒径可达掘进机直径的40-45%之间; ⑶施工精度高,施工后的偏差极小; 

    ⑷由于具有偏心运动,进土的间隙?#30452;?#36739;小,即使用清水作为进水,也能保持挖掘面的稳定; 

    ⑸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; ⑹施工速度快,每?#31181;?#21487;进尺100-180mm之间;

    ⑺机具结构紧凑、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Φ600~3000mm。


     3.3 封闭型土压式推进工法 

    图 土压式推进工法施工工?#24080;?#24847;图

    土压式推进工法有如下特点:

     ⑴通过向切削仓内注入一定?#22756;?#30340;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;  

    ⑵无需泥浆泵等后部配套装置,整机造价?#22303;?/span>

    ⑶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: 

    ⑴适用的土质范围非常广,除岩石外的其他类土质均适用,且不需采用其他辅助手段; 

    ⑵施工后地面?#20004;?#23567;;

    ⑶弃土的处理比较简单

    ⑷可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工;

     ⑸有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能;

     ⑹开口率达100%,土压力更切合实?#30465;?/span>


     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?#31181;?#27880;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?#36947;?#35777;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?#22303;?#32467;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?#35805;?#37117;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?#31181;?#33021;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Φ1000~3000mm。



    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?#24080;?#24847;图


    泥浓式推进工法具有如下特点:

    ⑴可以不加破碎的排出孔?#23545;?#20026;掘进机直径1/3的卵砾石;

    ⑵采用了二次注浆方法,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?#25353;?#26045;工工法在日本应用较广?#28023;?#22312;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?#20302;?#36816;,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?#28023;?#38500;岩石外所有土质条件均可适用。它适用顶进管径规格为Φ700~2200mm。


     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:

    大口径中口径小口径微型顶管四种。大口径多指Ф2m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1.2~1.8m,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500~1000mm,人只能在其?#20449;?#34892;,有时甚至爬行都比较困?#36873;?#24494;型顶管的直径通常在400mm以下,最小的只有75mm。


    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普通距离顶管长距离顶管。顶进距离长短的划分目前?#24418;?#26126;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:

    顶管机可分为泥水平衡式项管机土压平衡式顶管机、泥浓式推盾机多功能顶管机等。


    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。

    (4)顶进速度快,最快顶进速度每?#31181;?00mm。 

    (5)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?#24120;?#23433;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?#22369;?#26059;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?#20004;?#25110;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?#20004;怠?#24323;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?#20808;?#22303;?#25163;?#20351;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?#27850;?#22312;一些问题如下:施工噪音较大,容易阻碍交通,容易引起地盘?#20004;?#31561;。

    非开挖顶管施工采用油压驱动,施工时噪音?#23545;?#23567;于开槽式敷设管道,几乎没有地盘?#20004;?#30340;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:





     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?#20808;?#30340;海浪岸流及?#27605;?#30340;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,?#35805;?#37117;大于30%,饱和度?#35805;?#22823;于90%,液限?#35805;?#22312;35-60%之间,软土的天然重度较小,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?#35805;?#30340;黏土大,?#35805;?#22312;20μ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?#32622;?#26377;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?#22270;?#26377;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?#20005;?#33879;变化,含有大量黏土质黏土矿物。风化?#20005;?#24456;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。


     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,硬度很高的岩石。在此地层中顶进较困难,而且?#35805;?#39030;进距离超过100米时需要更换刀头。中风化岩?#20808;恚?#20854;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,故未能在表中?#20174;常?/span>

    由表下知,对于淤泥质粘土,由于其土质?#20808;懟?#20999;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?#31890;?/span>



    表中介绍的各类顶管掘进机均可采用。

    对于易产生流砂现象的砂性土可根据其含水量及其标准贯入度选用土压式推进工法和泥水式推进工法。当标准贯入度较小时可选用多刀盘土压平衡掘进机,当标准贯入度较大时,除多刀盘土压平衡掘进机和敞开式掘进机以外的以上各种掘进机都适应此种土质。

    对于黄土土质条件下,可以根据其含水量情况及N值分别选用敞开式掘进机、单刀盘土压平衡掘进机?#25512;?#24515;破碎泥水平衡掘进机。

    对强风化岩,当其含水量较少、N值大于18、地下水位低于顶进管道时,可采用敞开式掘进机,否则可采用单刀盘土压平衡掘进机?#25512;?#24515;破碎泥水平衡掘进机。

    如顶进管道轴线附近可能存在大的石块,桩基础等不明?#20064;?#29289;,可采用排障方便、成本?#22303;?#30340;敞开式掘进机,地下水位较高的话可采取井点降水等辅助施工方法。

    中风化岩以及弱风化岩条件下如果地下水含量较高就只能采用岩盘掘进机了。该机型的刀头类似于牙轮钻,可以在岩石中顶进,也是一种全土质的机型,但该机种的造价很高。


     07 顶管机工作原理三维视频图 


    7.1 挖掘式顶管机工作原理 



    7.2 泥水平衡顶管机工作原理 


     7.3土压平衡顶管机工作原理 



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