大直径顶管施工方法探讨Word下载.docx
《大直径顶管施工方法探讨Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大直径顶管施工方法探讨Word下载.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
在顶管施工分类中，通常把用水力切削泥土，以及虽然采用机械切削泥土而采用水力输送弃土，同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水平衡顶管施工。
在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，以阻止泥水向挖掘面里面渗透。
同时，该泥水本身又有一定的压力，因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力，这就是泥水平衡顶管最基本的原理。
如果从输土泥浆的浓度来区分，又可把泥水平衡顶管分为普通泥水顶管、浓泥水顶管和泥浆式顶管三种。
完整的泥水平衡顶管系统分为八大部分（具体见附图1）：
第一部分是泥水平衡顶管掘进机。
它有各种形式，因而是区分各种泥水平衡顶管施工的主要依据。
第二部分为进排泥系统。
普通泥水顶管施工的进排泥系统大体相同。
第三部分是泥水处理系统。
不同成分的泥水有不同的处理方式：
含砂成分多的可以用自然沉淀法；
含有黏土成分多的泥水处理是件比较困难的事。
第四部分是主顶系统，它包括主顶油泵、油缸、顶铁等。
第五部分是测量系统。
第六部分是起吊系统。
第七部分是供电系统。
第八部分是洞口止水圈、基坑导轨等附属系统。
泥水平衡顶管施工的主要优点是：
①适用的土质范围较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，也能适用。
②可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小。
因此，采用泥水平衡顶管施工引起的地面沉降也比较小。
③所需的总顶进力较小，尤其是在黏土层，适宜于长距离顶管。
④作业环境比较好，也比较安全。
由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。
由于是在大气常压下作业，也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。
⑤由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，所以它作业时的进度比较快。
但是，泥水平衡顶管也有它的缺点，主要是：
①弃土的运输和存放都比较困难。
如果采用泥浆式运输，则运输成本高，且用水量也会增加。
如果采用二次处理方法来把泥水分离，或让其自然沉淀、晾晒等，则处理起来不仅麻烦，而且处理周期也比较长。
②所需的作业场地大，设备成本高。
③口径越大，它的泥水处理量也就越多。
因此，在闹市区进行大口径的泥水顶管施工是件非常困难的事。
而且，泥水一旦流入下水道以后极易造成下水道堵塞。
因此，在小口径顶管中采用泥水式是比较理想的。
④如果采用泥水处理设备则往往噪声很大，对环境会造成污染。
⑤由于设备比较复杂，一旦有哪个部分出现了故障，就得全面停止施工作业。
因而相互联系、相互制约的程度比较高。
⑥如果遇到覆土层过薄或者遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作业就会因此受阻。
因为在这样的土层中，泥水要么溢到地面上，要么很快渗透到地下水中去，致使泥水压力无法建立起来。
附图1：
泥水平衡顶管系统图
2.2、土压平衡顶管
土压平衡顶管是机械式顶管施工中的一种。
它的主要特征是在顶进过程中，利用土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力，排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。
它与泥水平衡顶管相比，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。
土压平衡顶管掘进机的分类方法主要有四种，第一种是以土仓中的泥土类型分为泥土式、泥浆式和混合式三种。
其中，泥土式又可分成压力保持式和泥土加压式两种。
压力保持式就是使土仓内保持有一定的压力以阻止挖掘面产生塌方或受到压力过高的破坏。
泥土加压式就是使土仓内的压力在顶管掘进机所处土层的主动土压力上再加
上一个△p，以防止挖掘面产生塌方。
泥浆式是指排出的土中含水量较大，可能是由于地下水丰富，也可能是人为地加入添加剂所造成，后者大多用于砾石或卵石层。
由于砾石或卵石在挖掘过程中，不具有塑性、流动性和止水性的特征，在加入添加剂以后就使它具有较好的塑性、流动性和止水性的特征。
它与泥水平衡顶管掘进机的区别在于前者采用的是管道及泵排送泥浆，而后者则是采用螺旋输送机排土。
混合式则是指以上两种方式都有。
第二种是依据顶管掘进机的刀盘形式分为有面板刀盘和无面板刀盘两种。
有面板的掘进机土仓内的土压力与面板前挖掘面上的土压力之间存在有一定的压力差。
而且，这个压力差的大小是与刀盘开口大小成反比的，即面板面积越大，开口越小，则压力差也就越大；
反之亦然。
无面板刀盘就不存在上述问题，其土仓内的土压力就是挖掘面上的土压力。
第三种是根据土压平衡顶管掘进机有无加泥功能分为普通土压式和加泥式两种。
所谓加泥式就是具有改善土质这一功能的顶管掘进机。
它可以通过设置在掘进机刀盘及面板上的加泥孔，把黏土及其他添加剂的浆液加到挖掘面上，然后再与切削下来的土一起搅拌，使原来流动性和塑性比较差的土变得流动性和塑性都比较好，还可使原来止水性差的土变成止水性好的土。
这样可大大扩大土压平衡顶管掘进机适应土质的范围。
第四种是根据刀盘的机械传动方式来分，将土压平衡顶管掘进机分为三种。
附图2所示的是中心传动形式。
刀盘安装在主轴上，主轴用轴承和轴承座安装在壳体的中心。
驱动刀盘的可以是单台电动机及减速器，也可以是多台电动机和减速器，或者采用液压马达驱动。
中心传动方式的优点是传动形式结构简单、可靠、造价低，主轴密封比较容易。
缺点是掘进机的口径越大，主轴必须越粗，使它的加工、联接等更麻烦。
因此，这种传动方式适宜在中小口径和一部分刀盘转矩较小的大口径顶管掘进机中使用。
附图3中所示的是中间传动形式。
它把原来安装在中心的主轴，换成由多根联接梁组成的联接支承架把动力输出的转盘与刀盘联接成一体，以改变中心传动时主轴的强度无法满足刀盘转矩要求这一状况。
这种传动方式可比中心传动传递更大的转矩。
但是，它的结构和密封形式也较复杂，造价较高。
它适用于大、中口径中刀盘转矩较大的顶管掘进机。
附图4是周边传动形式。
其结构与中间传动形式基本相同，只不过它的动力输出转盘更大，已接近壳体。
因此，它的优点是传递的转矩最大。
缺点是结构更为复杂，造价也十分昂贵。
另外，它还必须把螺旋输送机安装部位提高，才能正常出土。
在设计这种形式的掘进时，壳体必须有足够的刚度和强度。
以上三种传动形式都可以采用电动机驱动和液压马达驱动两种动力驱动，一般采用电动机驱动方式，这是因为：
①普通顶管掘进机的口径一般不会超过4m，驱动功率也不会很大，电动机驱动足以能够胜任。
②电动机驱动的效率高、噪声小、体积小、起动方便，机内环境比较好；
关键是要处理好多台电动机先后起动这个难题。
③液压传动效率低、噪声大、体积也庞人；
机内由传动效率低而产生的热量大，大量发热又使液压油易蒸发，污染机内操作环境：
因此，即使它具有起动方便、可靠的优点也不足以抵消它的缺点。
附图4 周边传动形式
附图3 中间传动形式
2.3气压平衡顶管的工作原理
气压平衡顶管是在顶进管道的前方工具管（机头）内设置两道气压密封门，关闭第一道门。
向前舱充入压缩空气，由于压缩空气向正面土层的空隙中渗透。
将工具管前方土层中的地下水从土壤的孔隙中排挤到远方，给工具管作业提供一个无水稳定的环境，同时，气体的压力也支撑着机头前的土体开挖面维持稳定而不坍落。
当第二道门关闭且增压，使后舱前舱压力相等后．打开第一道门，管道向前顶进同时将机头前挖出的土运到一、二道门之间的转运舱内：
然后关闭第一道门，气压继续稳压机头前舱再将后舱逐渐减压为零．再打开第二道门，使后舱与管道相通，将转运舱的土运到工作井。
管道是边挖边顶，开挖量与顶进长度相匹配。
这是全气压人工挖土顶进法，工人需带压作业。
气压平衡顶管工法的优点是气压平衡法优点是能在前面有障碍物的地层中施工，排障能力强，适宜于大口径施工，设备成本低。
气压平衡主要缺点：
不适用于工作面不稳定地层：
作业环境较差，作业进度相对较慢。
3顶管施工方案选择
以上三种顶管施工目前常采用的是气压式和泥水平衡式顶管施工。
泥水平衡式顶管施工虽有许多优点，但其设备成本高，一次型投入巨大，同时设备比较复杂，一旦哪个部分出现了故障，就得全面停止施工作业。
如果遇到长江大堤内大的石块和其他障碍物或者遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作业就会因此受阻。
在这样的土层中，泥水要么溢到地面上，要么很快渗透到地下水中去，致使泥水压力无法建立起来。
气压平衡顶管虽作业环境较差，作业进度相对较慢，但施工排障能力强，设备成本低，而且目前有现存的设备、熟练的操作和施工技术人员，经验丰富。
根据现场地质情况、场地条件,和公司的实际情况，结合以往类似顶管工程实践，经多次方案研讨，从工程工期、质量、安全、经济等多方面进行了综合考虑，采用泥水切削网格式气压平衡水力机械顶管机进行施工。
同时考虑到顶管顶进长度较大，在施工中采用中继间和应用触变泥浆膨润土的施工措施，确保顶管施工顺利进行。
泥水切削气压平衡工具管的工作原理是：
正面的土体经网络分割挤压后进入泥水仓，被泥水仓内的高压水枪破碎冲成泥水，然后经出水管排至地面沉浆池沉淀处理，顶进时选用头部开挖仓内局部气压来稳定挤压面的土体，具体见附图5。
选用该种型式工具管在粉质砂性土中顶进时可加入局部气压防止流砂现象的产生，保护长江大堤的安全。
其特点是：
①结构简单实用，可操作性强，施工速度快，适用性强，在砂层顶进时，可利用局部气压来疏干砂土中的含水量，有效地防止产生流砂现象。
②正面障碍物处理可经在气压下完成，能处理直径400mm～500mm或更大的障碍物。
③开挖面与操作仓相互隔离，出土也是通过密封管道输送，施工人员不受地下沼气等可燃气体的影响。
④开挖面土体可通过观察窗直接观察其土质变化，便于施工参数的适应性调整。
工具管共分开挖舱和操作舱两部分。
中间有钢板密封隔离，开挖舱设有挡土搁栅、泥土搅拌器、防爆照明灯、高压水枪、加气孔，底部为吸泥口。
隔离钢板中央设一道水密闸门可供人员进入开挖舱排障。
上部左右各有一个观察孔，两边为水枪喷射装置。
操作舱内有四组80t纠偏系统、加压装置、出泥控制阀，尾部是一道气闸门，门中央为测量觇标。
开挖舱的土经高压水冲泥浆后由水力机械及排污管道泵通过6寸管道接力输送到工作井后外排。
4．泥水切削网格式气压平衡水力机械顶管施工流程
5、泥水切削网格式气压平衡水力机械顶管施工方法
5.1顶力计算
5.1.1DN3240mm引水管238米长度方向：
钢管顶力通常按下式计算：
式中：
—顶力的标准值（KN）
μ―顶进时，管道表面与周围土层之间的摩擦系数，根据土的类别和不同含水量，钢管采用0.13～0.15，本文取0.14；
γ―土的重度（KN/m3）,地下水位以下取浮重度；
—管道外径（m）
H―管道顶部以上覆盖层厚度（m）；
—管道所处土层的内摩擦角标准值（°
）,本文按土工试验资料取17°
；
—单位长度管道自重标准值（kNPm）;
L―管道的计算顶进长度（m）
—顶进时，工具管迎面阻力标准值（KN）,本文按网格挤压公式
（其中为工具管正面阻力（Kn/m2）,为局部气压标准值（Kn/m2），α为网格截面参数，取16～110，本文按18计算）。
由于该顶力过大，本工程采用触变泥浆减阻，顶力计算如下：
（式中为触变泥浆中管壁与土的平均摩阻力（kPa）,本文按=7kPa计算）。
（式中为触变泥浆中管壁与土的平均摩阻力,本文按
=7kPa计算）。
经计算顶力为18658KN，考虑后座顶力不超过10000KN，则需配中继间。
5.1.2中继间布置计算
①掘进机正面阻力
经以上计算：
迎面阻力N=4123KN
②每米管壁摩阻力：
F=πD·
f
F——管壁每延长米摩阻力（KN）
D——管壁外径（m），D=3.240m
f——管壁单位摩阻力，使用膨润土触变泥浆后可取6KN/m2
经计算：
f=61.01KN/m
③中继间布置
L=（K·
P-N）/F
P——中继环设计顶力（KN）（40只*250KN=10000KN）
N——机头迎面阻力（KN）
F——每米管壁摩阻力（KN/m）
K——顶力系数0.7
L=（0.7×
10000-4123）/61.01=47.1m，（考虑中继间油缸需要纠偏，实际取40m，施工中将根据初始顶进的数据，最终由现场决定）
④主顶千斤顶推进长度计算（主顶配四只4000KN千斤顶）
L=16000×
0.7/61.01=183m
⑤校核
L=40+40+183=263m>
238m满足顶管顶进长度
5.2顶管机选型
5．2.1引水管顶管配置二套直径3240mm的顶管工具头,采用泥水切削网格式气压平衡水力机械顶管机。
根据气压平衡的基本原理，正面的土体经网格分割挤压后进入泥水仓，由泥水仓内的高压水枪破碎冲成泥水，然后经出水管排至地面泥浆池后外排，顶进时局部气压用来稳定正面的土体。
保证开挖面的土体稳定，控制地表的隆起和沉降。
该工具管能在稳定性较差的土层中进行顶管施工，并可在局部气压下处理涌土、流砂，同时也可在局部气压下清除前面障碍物（如石块、木桩、木块等），本机采用二段一铰承插式结构，在铰接处设置二道密封装置，并配置有4组8只800KN双作用油缸编组进行纠偏，纠偏角度α=±
2º
。
二段壳体之间设有抗扭装置。
工具管后部设有注浆槽，便于施工时同步注浆，泥浆套厚度20mm，可大大减少管壁阻力。
5.2.2主顶装置
主顶装置由底架、油缸组、顶进环、钢后靠及液压动力站等组成，是顶管施工的重要组成部分。
（！
）、底架：
主要承载顶管机、中继间、管节之用，底架为拼装式钢结构件，设置8只螺旋千斤顶，每只起重量320KN，可以调整底架高度达到施工要求；
底架前端和两侧设置10只水平支撑，能将底架与井壁撑实，防止底架移位。
底架上部设置内外两付轨道，左右对称分布，内轨道作顶管机、中继间、管节的承载之用，外轨道则为顶进环行走之用。
（2）、油缸组：
根据要求，顶管机装备顶力为引水管配置一套16000KN，选用双作用双冲程等推力油缸4只，每只油缸最大推力为4000KN，施工时主顶最大顶力不超过10000KN，避免因顶力过大使钢管节变形，并确保工作井安全。
油缸行程S=3500mm，油缸分两组，并用可分式结构的支座固定，左右对称分布，并用连接梁连成一体。
（3）、顶进环：
由顶环和顶座组成，顶环用螺栓固定在顶座上，顶座底部设置4只滚轮，放于外侧轨道上可往复运行。
顶进时顶环伸入管节尾部，起对中及导向作用，并传递油缸的顶力，使管节受力均布。
（4）、钢后靠：
主要承受油缸顶进时的反力，并将其均匀地传递到工作井钢筋砼井壁上，避免井壁因受力不匀而碎裂。
钢后靠的受力区域设有加强板，应尽可能与主顶进油缸对准。
钢后靠安装时应与顶进轴线保持垂直，与井壁留有约10cm空隙，并用素砼充填捣实。
（5）、主顶装置液压系统
液压泵选用进口的设备，25SCY14-1B和10SCY14-1B手动变量轴向柱塞油泵各一台组合而成，分别配备Y160L-6和Y132M-6型电机。
通过变频调速可自动改变油泵的流量，根据顶进时工况要求及时控制主顶油缸的顶速。
（6）、主顶装置技术参数
油缸尺寸：
D×
d×
L=Ø
325×
Ø
280×
2655mm
油缸数量：
4只*4000KN
油缸行程：
S=3500mm
装备顶力：
Fmax=16000kN（Pmax=31.5Mpa）
额定顶力：
F额≤9000KN（P额≤25Mpa）
顶进速度：
V=0~80mm/min
5.2.3组合密封中继间与自动控制系统
（1）组合密封中继间
本工程中继间采用二段一铰组合式密封可伸缩的套筒承插式结构，其主要特点是密封装置可调节、可组合、解决了在常压下对中继间的磨损而造成的中继间渗漏等技术难题，满足了各种复杂地质条件下特别是砂质土条件和高水头压力下的长距离顶管的工艺要求。
中继间偏转角α=±
2o，长度约2000mm，外形几何尺寸与管节相同。
在铰接处设置二道可径向调节密封间隙的密封装置，确保顶进时不漏浆，并在承插处设置可以压注1号锂基润滑脂的油嘴，以减少顶进时密封圈的磨损。
在铰接处设置4只注浆孔，顶进时可以进行同步注浆，减小顶进阻力。
在正常顶进时，只用第一道密封装置，第二道作为储备。
当第一道密封圈磨损时，发现有漏浆点，即可用径向调节装置，调整密封间隙，使漏浆现象得以及时制止。
当第一道密封圈失效时，即可启用第二道密封装置，从而保证顶进的连续性。
由于顶进距离长，密封圈磨损相当厉害，为防止万一，第一道密封装置设计成可拆卸的，便于更换密封圈，从而达到万无一失。
（2）、中继间装置主要技术参数
168×
140×
650mm
40只*250KN
S=300mm
Fmax=10000kN（Pmax=31.5Mpa）
F额≤9000kN（P额≤27Mpa）
（3）、中继间布置
本工程中每根引水管顶管共布置2道中继间，每道中继间安装40只250KN油缸，合计顶力10000KN；
中继间可通过径向调节螺旋丝自由调节，在圆心角方向可经根据需要局部或整体调节，具有良好止水性能，每道中继环安装一套行程传感器及限位开关与DK-20自动控制台相连。
（4）自动控制台
中继环自动控制采用ZD-20中继控制台进行程序控制，在顶管过程中按摩擦力的大小，由控制台自动控发出信号自动控制中继环，中继环控制台通过控制电缆、中继箱、远程传感器及限位装置与中继环油泵自控箱连接。
按顶进程序自动控制中继环工作。
中继环自动控制台具有如下功能：
①可以控制各中继环按程序要求自动/手动进行顶管。
②可以按要求改变顶进程序。
③可以按受力情况调整每环顶进距离。
④计算机可以从自动控制台自动取样，设置中继环自动/手动工作，并适时打印各类数据，供技术人员分析。
5.2.4、通风系统
在长距离顶管中，通风是一个不容忽视的问题，它直接影响至管内工作人员的健康。
为获得理想的通风效果，本工程采用长鼓短抽组织式通风，通风系统安装在距掘进机12～15m处，抽风风筒与鼓风风筒分别安装于管内左右两侧，两风筒必须重叠5～10m，抽风机的吸入口在前，鼓风机的排风口在后，并在管道中间配置若干处轴流风扇，向井内排出浑浊空气。
5.2.5通讯与工业电视监视系统
管内通讯与工作面现场通讯采用HE系列自动电话总机，用机械拨盘式电话机互相联系。
电话设置在空压机房、压浆棚；
各工种间、中控室、办公室、掘进机、每道中继环、泵房井内。
配备2只低照度摄像头，一只安装于掘进机操作台处，监测操作台各项数据；
一只安装于工作井内，监测主千斤顶的动作，监视器安装中央控制台室，以得技术人员正确指挥。
5.2.6供电系统
本工程两根顶管同时进行施工，供电系统分别设置，以下为单根顶管为例。
顶管现场为适应供电要求配置电容补偿柜。
输出端电缆分三路，分别人井上供电系统、井下顶管机头、及井内主千斤顶。
第一路：
泥浆间：
2×
10KW
各工作间：
现场照明：
20KW
第二路：
后座油泵：
22KW=44KW
电焊机：
4×
10KW=40KW
第三路：
工具头：
泥水切削气压平衡255kw
中继间：
11KW×
4
管内照明：
40KW
管内用三相四芯式50m2电缆供电。
管内供电系统配备可靠的触电、漏电保护措施。
井上井下与管内照明用电采用36v的低压行灯。
现场配电间为适应上述要求，安装600A主受电柜一只，分别输入3只配电屏，经3路分送至各用电部门。
5.2.7、出泥系统
出泥系统采用TSWA150×
9及高压水泵抽水用6寸管输送高压水。
送至工具管尾部后一路输送至顶管掘进机头部高压水枪。
高压水枪将正面土体破碎形成泥浆，由水力机械将泥浆吸出并水平输送排放到泥水沉淀池。
在施工时随顶进距离增加时如遇出泥效率较差时，可先将泥浆排入工作井泥浆箱中，然后再启动渣浆泵或备用水力机械进行二级提升。
5.2.8、泥浆系统
①泥浆减阻:
用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要环节之一。
在顶管施工过程中，如果注入的润滑泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，则其减摩效果将是十分令人满意的，一般情况摩阻力可由12～30KN/m2减至3～8KN/m2。
本工程采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式进行减阻。
补浆管一般布置于中继环后面第二节管段及中继环与工具头及后座中间位置，补浆孔按900设置。
每道补浆环有独立的阀门控制。
润滑泥浆材料主要彭润土、纯碱、CMC，物理性能指标：
比重1.05~1.08g/m3，粘度30~40S，泥皮厚3~5mm。
施工时按具体情况设置。
②泥浆置换:
顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压注。
压浆体凝结后（一般为24小时）拆除管路换上封盖，将孔口用环氧水泥封堵抹平。
③注浆设备:
符合物理性能要求的润滑泥浆用BW-200压浆泵通过总管、支管、球阀、管节上的预留注浆孔压到管子与外管土体之间，包住钢管。
管道内的压浆系统布置如图所示。
5.2.9、测量系统
（!
）、平面控制网的建立
地面上按甲方提供的井位轴线控制桩定位。
采用T2经纬仪测量。
顶管施工时，按泵房井穿墙孔的实际坐标测量放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到泵房井测量平台上和井壁上。
在沉井四周建立测量控制网，并定期进行复核各控制点。
泵房井上下点的投放采用索佳PD-3天底仪（精度<
1/200000）
升级会员 