顶管法施工技术.docx

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顶管法施工技术

顶管法施工

1、技术简介

顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术.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.

非开挖工程技术彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。

这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的，它将为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。

非开挖技术是近几年才开始频繁使用的一个术语，它涉及的是利用少开挖，即工作井与接收井要开挖，以及不开挖，即管道不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换,顶管直径DN800—4500。

通过工作井把要埋设的管子顶入土内，一个工作井内的管子可在地下穿行1500米以上，并且还能曲线穿行，以绕开一些地下管线或障碍物。

它的技术要点在于纠正管子在地下延伸的偏差。

特别适用于大中型管径的非开挖铺设。

具有经济、高效,保护环境的综合功能。

这种技术的优点是：

不开挖地面;不拆迁，不破坏地面建筑物；不影响交通；不破坏环境；施工不受气候和环境的影响；不影响管道的段差变形；省时、高效、安全，综合造价低.

该技术在我国沿海经济发达地区广泛用于城市地下给排水管道、天燃气石油管道、通讯电缆等各种管道的非开挖铺设.它能穿越公路、铁路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物.采用该技术施工,能节约一大笔征地拆迁费用、减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。

2、技术原理

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、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。

顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。

与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间,以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法.

3、现状分析

经过多年的发展，顶管技术在我国已得到大量地实际工程应用,且保持着高速的增长势头，无论在技术上、顶管设备还是施工工艺上取得了很大的进步，在某些方面甚至达到了世界领先水平.

2001年上海隧道股份有限公司在江苏省常州完成了长2050m、直径2m的钢筋水泥管顶管工程,是目前已完成的我国最长的顶管工程。

2001年8月～12月嘉兴市污水处理排海工程一次顶进2050m超长距离钢筋混凝土顶管，由于选择了合理的顶管机具型式、成功地解决了减阻泥浆运用和轴线控制等技术难题,用约5个月完成全部顶进施工，创造了新的顶管施工记录。

全长3600m、管径为1.8米的钢管从23至25米深的地下于2002年9月成功横穿黄河,无论从顶进长度、埋深、地质条件,还是钢管直径在国内尚属首次。

其中最长的一段位于黄河主河床上，长达1259米,还要穿越较厚的砾砂层与黄河主河槽，既是我国西气东输项目的关键工程，也是目前世界上复杂地质条件下大直径钢管一次性顶进距离最长的顶管工程.

2001年的上虞市污水处理工程中，玻璃纤维夹砂管首次成功地应用于顶管。

2008年在无锡长江引水工程中中铁十局十公司采用国产设备直径2200mm钢管双管同步顶进2500米.以上工程均标志着我国的顶管施工水平达到一个新的高度，与世界先进水平日益靠近。

然而与国外发达国家，如日本、德国等先进的机械设备及施工技术水平相比，我国仍然有着显著的差距。

4、发展方向

随着我国经济持续稳定地增长,城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加.加之人们对环境保护意识的增强顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。

非开挖技术的发展必将向规模化、规范化、国际化的方向发展。

在我国经济高速增长的支持下，顶管技术的发展将面临前所未有的机遇，在加快引进国外先进技术的基本上,努力消化创新，加强研发和人才培养，其前景是非常乐观的。

纵观国内外顶管技术的发展，发展方向将是多元化和多样化。

在顶管直径方面，除了向大口径管的顶进发展以外，也向小口径管的顶进发展.目前顶管技术最小顶进管的口径只有75mm，最大的已达到5m（德国）,大口径顶管有取代小型盾构的趋势。

在适应性方面，发展宽范围、全土质型顶管机是必然趋势，适应范围将大为延伸，从N值为极小的土到N值为五十多的砾石,直至轴压强度达两百MPa的岩石。

将微电子技术、工业传感技术、实时控制技术和现代化控制理论与机械、液压技术综合运用于顶管机械上是顶管技术的发展趋势。

数字化、信息化、智能型顶管机的研制将得到更多的关注，纠偏精度、自动化程度也将得到大力提高。

在不久的将来，一些全自动、高精度的掘进机会成为施工机械的主流。

顶管的用途随着相关技术的发展也将继续扩，从目前的主要用于管道铺设将发展为管道铺设、涵顶进、地下人行通道管棚式施工等多用途型。

现在的顶管截面形状基本上都是圆形,今后的发展趋势是圆形、矩形、圆拱形、多边形等，以适应箱涵顶进等各种工程的需要，故截面形状多元化是必然趋势.目前的顶管施工形式主要为土压式、泥水加压式，以后的发展将在进一步吸收国外技术的基础上，应用管套式、气泡式等等各种形式的顶管施工技术.随着高精度长距离测量技术进一步的发展应运，通风系统的完善，中继间技术、注浆减摩技术的进步，排渣系统的发展、刀盘切削系统、推进系统、出土输送系统、供电液压系统、监控系统、测量导向系统,等一系列技术的突破，现有的一次性顶进距离将不断刷新，各种复杂曲线顶管也将陆续出现。

目前我国已成立北京、上海、广州和武汉四个非开挖技术研究中心，我国国际非开挖技术协会单位会员已突破100个，数量居世界第4、亚洲第1。

形成了行业协会、科研单位、研究中心和设备生产和施工企业组成的强大的阵营,而且每年不断有很多人不断加入到从事顶管等非开挖工作的行列,我国的顶管技术的必将迎来一个崭新的阶段。

5、顶管法施工工艺

顶管法敷管的施工工艺类型很多,按照开挖工作面的施工方法，可以分为敞开式和封闭式两种。

5.1敞开式施工工艺

敞开式施工工艺一般适用于土质条件稳定，无地下水干扰，工人可以进入工作面直接挖掘而不会出现大塌方或涌水等现象.因其工作面常处于开放状态，故也称为开放式施工工艺。

根据工具管的不同可分为手掘式、挤压式、机械开挖式、挤压土层式掘进顶管.

（1）手掘式顶管

工人可以直接进入工作面挖掘,施工人员可随时观察土层与工作面的稳定状态，造价低、便于掌握，但效率低,必须将水位降低至管基以下0.5m后，方可施工.当土质比较稳定的情况下，首节管可以不带前面的管帽,直接由首节管作为工具管进行顶管施工，也是常用的一种顶管施工方法，也称为人工掘进顶管。

（2）挤压式顶管

挤压式掘进顶管一般适用于大中口径的管道，对潮湿、可压缩的黏性土、砂性土较为适宜。

该方法设备简单、安全，又避免了挖装土的工序，比人工挖掘提高效率1～2倍。

它是将工作面用胸板隔开后，在胸板上留有一喇叭口形的锥筒，当顶进时将土体挤入喇叭口内，土体被压缩成从锥筒口吐出的条形土柱.待条形土柱达到一定长度后,再用钢丝将其割断，由运土工具吊运至地面。

其结构形式如图8-2所示。

（3）机械开挖式顶管

机械开挖式顶管是在工具管的前方装有由电动机驱动的刀盘钻进挖土，被挖下来的土体由皮带运输机运出，从而代替了人工操作。

一般适用于无地下水干扰、土质稳定的黏性土或砂性土层。

其结构形式如图8—3所示.

（4）挤压土层式顶管

挤密土层式顶管前端的工具管可分为锥形和管帽形，仅适用于潮湿的黏土、砂土、粉质黏土，顶距较短的小口径钢管、铸铁管，且对地面变形要求不甚严格的地段。

这种工具管安装在被顶管道的前方，顶进时,工具管借助千斤顶的顶力将管子直接挤入土层里，管子周围的土层被挤密实，常引起地面较大的变形。

其结构形式如图8—4所示。

5.2封闭式施工工艺

封闭式施工工艺一般适用于土质不稳定、地下水位高，工人不能直接进行开挖的施工条件。

为防止工作面塌方、涌水对人身造成危害,常将机头前端的挖掘面与工人操作室之间用密封舱隔开，并在密封舱内充入空气、泥浆、泥水混合物等,借助气压、土压、泥水混合物的压力支撑开挖面，以达到稳定土层、防止塌方、涌水以及控制地面沉降的目的。

（1）水力掘进顶管法

水力掘进顶管的挖土是利用高压水枪的射流将顶进前方的土冲成泥浆,再通过泥浆管道输送至地面储泥场。

整个工作是由装在混凝土管前端的工具管来完成的，其结构形式如图8—5所示。

工具管的前端为冲泥舱。

掘进时先开动千斤顶,由刃脚将土切入冲泥舱，然后用人工操纵水枪操作把，将土冲成泥浆。

泥浆经过格栅进入真空室由泥浆管吸入工作坑，再由泥浆泵排至储泥场。

冲泥舱是完全密封的，其上设有观察孔和小密封门，用于操作和维修。

管道的掘进方向由中间部位的校正管控制。

工具管的后端是气闸室.

气闸室是作为维修人员进出高压区时的升压和降压之用。

当前端工具管出现故障时,维修人员可通过小密封门进入冲泥舱,为防止小密封门打开后涌入大量泥水，可先封闭气闸室，经升压后再进行操作，保证气压和泥水压力的平衡。

维修完毕后，再逐渐降压，恢复正常掘进。

水力切削式机头生产效率高,其冲土、排泥连续进行，可改善劳动条件，减轻劳动强度，但需耗用大量的水,且需要有较大的存泥浆场地，故在某些缺水地区受到限制.

（2）土压平衡式顶管法

土压平衡就是将刀盘切削下来的土、砂中注入流动性和不透水性的“作泥材料”，然后在刀盘强制转动、搅拌下，使切削下来的土变成流动性的、不透水的特殊土体使之充满密封舱,并保持一定压力来平衡开挖面的土压力.此法的密封舱设置在工具管的前方，工作人员可在密封舱外,通过操作电控开关来控制刀盘切削和顶进速度。

螺旋输送器的出土量和顶进速度，应与刀盘的切削速度相配合，以保持密封舱内的土压力与开挖面的土压力始终处于平衡状态。

土压平衡式顶管法常用于含水量较高的黏性、砂性土以及地面隆陷值要求控制较严格的地区。

其结构形式如图8-6所示.

（3）泥水平衡式顶管法

泥水平衡顶管常用于控制地面变形小于3cm，工作面位于地下水位以下，渗透系数大于10—1cm/s的黏性土、砂性土、粉砂质土的作业条件。

其特点是挖掘面稳定，地面沉降小,可以连续出土，但因泥水量大，弃土的运输和堆放都比较困难。

此法和土压平衡式顶管法一样，都是在前方设有密封舱、刀盘、螺旋输送器等设备.施工时，随着工具管的推进，刀盘不停地转动,进泥管不断地进泥水,而抛泥管则不断地将混有弃土的泥水抛出密封舱。

在密封舱内，常采用护壁泥浆来平衡开挖面的土压力，即保持一定的泥水压力,以此来平衡土压力和地下水压力.管道顶进方法的选择,应根据管道所处土层的性质、管径、地下水位、附近地上与地下建筑物、构筑物和各种设施等因素确定。

本章将重点介绍手掘式顶管法的施工工艺.

6、顶管工作坑的布置

顶管工作坑又称竖井，是顶管施工起始点、终结点、转向点的临时设施，工作坑内安装有导轨、后背及后背墙、千斤顶等设备.

6。

1工作坑的种类及设置原则

根据工作坑顶进方向,可分为单向坑、双向坑、多向坑、转向坑和交汇坑等形式，如图8-7所示。

工作坑的位置根据地形、管线位置、管径大小、地面障碍物种类等因素来决定.排水管道顶进的工作坑通常设在检查井位置；单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水；根据地形和土质情况，尽量利用原土后背；工作坑与穿越的建筑物应有一定的安全距离，并应考虑

6.2工作坑的尺寸

工作坑应具有足够的空间和工作面，方能保证顶管工作顺利进行。

其尺寸和管径大小、管节长度、埋置深度、操作工具