顶管工程施工工法分类、施工主要设备及其作用

                  顶管工程是非开挖工程中的一个子科目或者说非开挖工程施工的一种工艺。顶管施工是借助顶推设备将工具管或掘进机从工作坑（始发井）内穿过土层一直推到接收坑（到达井）内，依靠安装在管道头部的钻掘系统不断地切削土屑，由出土系统将切削的土屑排出，边顶进，边切削，边输送，将管道逐段向前铺设，与此同时，把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间的一种非开挖施工技术。在顶进的过程中通过激光导向系统纠偏来调节铺管方向。

顶管工程施工的优点很多，在现有道路下进行管线铺设时，不影响交通。施工时产生的噪音及振动很小，不扰民。采用房下非开挖技术能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大经济和社会效益。非开挖技术不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管道寿命亦大于开挖法埋管。

顶管工程施工工法分类

一、刃口式推进工法

1、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。

2、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Φ800mm，否则不便于人员进出；顶进距离不宜过长，一般对于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。

3、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、阻止地表沉降，并加快了顶进速度；再者在这类土中顶进可省去管壁注浆。

4、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。

二、泥水推进工法

1、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，施工后地表沉降小。

2、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。

（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。

（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200MPa。此机型在顶管掘进过程中有如下特点：

①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；

②破碎粒径大，其破碎粒径可达掘进机直径的40-45%之间；

③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；

⑤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；

⑥施工速度快，每分钟可进尺100-180mm之间；

⑦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；

⑧泥水式推进工法适于顶进管径规格为Φ600~3000mm。

三、土压式推进工法

1、土压式推进工法有如下特点：

⑴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；

⑵无需泥浆泵等后部配套装置，整机造价低廉；

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。

2、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施工后地面沉降小；

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％，土压力更切合实际。

3、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。

4、土压式推进工法适用于施工管径规格为Φ1000~3000mm。

四、泥浓式推进工法

1、泥浓式推进工法具有如下特点：

⑴可以不加破碎的排出孔径约为掘进机直径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。

2、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。

3、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Φ700~2200mm。

顶管工程施工主要设备及其作用

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。

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。

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。

4、泥水系统

（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。

5、触变泥浆系统

（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

（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

（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

（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。

顶管工程施工质量通病的防治

一、管道轴线偏差过大

1、偏差结果

管道轴线与设计轴线偏差过大，使管道发生弯曲，甚至造成管节损坏，接口渗漏。

2、原因分析

（1）地层正面阻力不均匀，形成导向偏差，造成管道轴线偏差。

（2）顶管后背发生位移或不平整，使顶力合力线偏移，造成管道轴线偏差。

3、预防措施

（1）顶管施工前对管道通过地带的地质情况认真调查。通过仪器，指导纠偏。纠偏按照“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作方法进行。

（2）加强顶管后背施工质量的控制，确保后背不发生位移，并使后背平整，以保证顶进设备安装精度。顶进过程中随时绘制顶进曲线，以利指导顶进纠偏工作。

4、治理方法

（1）重新调整千斤顶行程、顶力、顶速，或重新调整千斤顶的安装精度。

（2）对顶管后背进行加固，防止位移进行发展，并确保后背平整。

（3）纠偏前认真分析顶进曲线的发展趋势，采取适当的纠偏量，循序渐进，切不可操之过急，适得其反。

二、地面冒浆

1、冒浆结果

顶管施工过程中，在管道轴线两侧一定范围内发生地面冒浆，管道周围建筑物和道路交通及管道等公用设施受到影响，甚至危机到正常使用和安全。

2、原因分析

顶进地层有空洞。

3、防治措施

施工前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，并对有问题地段采取加固保护措施。

三、顶力突然增大

1、顶力增大现象

在顶进过程中顶进压力突然增大。

2、原因分析

（1）土层塌方，或机头前端遇障碍物，使摩阻力增大。

（2）管道轴线偏差形成弯曲，使摩阻力增大。

（3）膨润泥浆配比不当或注入不及时，或注入量不足，减阻效果降低，使摩阻力增大。

（4）顶进设备油泵、油缸、油路发生故障。

（5）顶进施工中，因故停顶时间过久，润滑泥浆失水后，使减阻效果降低。

3、防治措施

（1）顶进过程中严格执行“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作要求，使管道轴线被控制在允许偏差范围内。

（2）按不同地质条件配置适宜的泥浆，保证足量的泥浆储备与循环。

（3）顶进施工前对顶进设备进行认真的检修保养。

（4）停顶时间不能太久，发生故障及时加以排除。

4、治理方法

发生顶力过大的情况时，立即停止顶进，泥浆循环系统保证正常，查找原因，判明情况后采取相应措施进行处理。

四、钢筋混凝土管道接口渗漏

1、渗漏现象

管道接口渗水、漏水。

2、原因分析

（1）管节和密封材料质量不符合技术标准或运输、装卸、安装过程中管节被损坏。

（2）管道轴线偏差过大，造成接口错位，间隙不均匀，填充材料不密实。

（3）接口或止水装置选型不当。

3、预防措施

（1）严格执行管节和接口密封材料的验收制度。

（2）严格控制管道轴线，按技术标准和操作规程进行施工。

（3）在管节的运输、装卸、码放、安装过程中，做到吊（支）点正确，轻装轻卸，保护措施得当。

（4）认真进行接口和止水装置的选型。

4、治理方法

可采用环氧水泥砂浆或化学注浆的方法进行处理。

五、顶速突然增大

1、现象

顶管机在推进过程中一直往下走，即使纠偏使用也不明显。

2、原因

（1）大多发生在粉细砂土中。由于泥水平衡顶管机比较重，且机器转动起会引起震动，这种震动会使粉细砂土很快液化，从而降低了它的承载力，进而使顶管机产生往下沉的趋势。

（2）可能遇到了上下两层不同性质的土，由于下面一层土较软，而使顶管机往下偏。

（3）泥水压力控制不好。

3、防治措施

（1）首先仔细阅读土质资料，如果在粉细砂土层中顶进偏低，可调低进泥的泥浆浓度，减小顶进速度。

（2）如果是遇到两层软硬程度不一样的土，应注意让顶管机的头部略微往上翘一些，同时把前三至四节管与顶管机后壳体联成一体。

六、泥水管内产生沉淀、堵塞现象

1、现象

泥水管内泥水流动不畅通，造成顶管机推进不顺利。

2、原因

（1）在泥水管内产生沉淀这种现象大多发生在砂土层中。一是由于排泥泵效率低下流量不足，在泥水管内的流速小于临界流速使泥砂产生了沉淀。二是在顶管机停止推进以前对管内冲洗力度不足致使泥砂产生沉淀。如果是粉细砂，一旦沉淀在泥水管内，时间持久后板结起来就比较难冲洗干净。

（2）在含水量少的粘土层中，粘土会变成如同鸡蛋一样的泥团，如果泥团过大，它在管道的弯头和阀门处会把管道堵塞。无论是哪一种管道堵塞，都会影响顶管机的正常推进，时间拖长，顶管机就会往下沉，从而影响到顶管的质量。

3、防治措施

（1）如果排泥泵达不到所需的流量要求时，就应该更换。

（2）停止推进前必须对排泥管道进行较为彻底的清洗。

（3）如果是在含水量小的粘土中推进，应减小刀盘每转一圈时所切削泥土的厚度，同时适当加大送水量。另外在排泥管道与基坑旁通之间加一只沉淀箱，可让土块或卵石在该箱里沉淀下来，过一段时间只需打开箱底排出。

七、地面沉降

1、现象

在顶管机过后或顶管施工完成以后，在管机中心线左右两侧的地面产生沉降。并且随着时间的推延，沉降槽的宽度与深度均与日俱增。

2、原因

（1）泥水浓度过低，造成超挖塌方。

（2）顶管过程中对土的扰动而产生的沉降。

（3）润滑浆套内的浆液流失。

（4）采取了辅助的降水施工。

3、防治措施

（1）控制好进尺与出土量之间的关系，做到不超挖。

（2）润滑浆要有一定的稠度，不能太稀。如果对沉降要求很高的情况下顶完全程后，必须用充填浆把润滑浆完全置换出来；尽量少采用降水这一铺助施工手段。

八、地面沉降超标（或过大）

1、现象

在顶管机头位置出现地面沉降超标（或过大）。

2、原因

（1）填土较为松散.

（2）泥水压力过高造成机头前方土体冲刷成空洞。

（3）排泥量过大，使机头前方不能形成压力。

3、防治措施

（1）顶管施工前认识阅读地质勘察报告，土质对顶管施工有影响的地段进行加固注浆处理。

（2）在顶管施工过程中，顶管机操作手要严格按照顶管操作规范进行操作，防止进水压力突然增加或突然减小，严格控制进排泥量，达到泥水压力平衡。

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