泥水平衡顶管施工工法

泥水平衡顶管施工工法

扬州广鑫重型设备有限公司总工程师余彬泉

1. 泥水平衡顶管施工工法的基本原理

1.1 泥水平衡顶管施工工法是用泥水平衡顶管机施工的一种顶管施工工艺。它在施工时通过进水管向顶管机刀盘后的泥水舱内供给一定比重、一定黏度、一定压力的粘土及其他添加剂和水混合而成的泥水，让其在顶管机挖掘面上形成一层泥膜，并以泥水舱内泥水的压力来平衡挖掘面上的土压力和地下水压力，同时又是通过排泥管把顶管机刀盘切削下来的土砂变成泥水输送到基坑地面上的一种顶管施工方法。

1.1.1 泥水平衡顶管机刀盘都设有面板，其开口率多在20%以下。

1.1.2 通常供给的泥水会因土质的不同而要求有不同黏度、比重等，比重须控制在1.03～1.30之间。

1.1.3 泥水平衡顶管机在保持泥水压力的稳定方面有两种结构形式：一种是通过进水泵和排泥泵的排量直接来控制，另一种是通过设在泥水舱后气压室内的压缩空气来控制。由于压缩空气是一只气体弹簧，这就使泥水压力的控制更精确、更稳定。

1.1.4 泥膜是防止地下水和土舱内泥水之间串通的屏障，必须始终保持它的有效性。

1.1.5 泥水压力通常设定得比地下水压力高20kPa。

2. 泥水平衡顶管施工工法适应的范围和土质：

2.1 泥水平衡顶管施工工法适应的范围

2.1.1 适用于靠近江、河、湖、海这些有水源的地方；

2.1.2 尤其适用于作业人员无法进入的小口径顶管；

2.1.3 适用于覆土深度大于1.5倍管外径的条件下施工；

2.1.4 适用于地下水位高和地下水压波动比较大的的条件下施工；

2.1.5 适用于长距离顶管施工；

2.1.6 适用于除粘性土以外的地下水水位以下的场合施工。

2.2 泥水平衡顶管施工工法适应的土质

2.2.1 适用于各种粘土和N值小于50的砂土；

2.2.2 适用于砾径小于20mm，砾石含量不大于30%的砂砾土；

2.2.3 有破碎功能的顶管机适用于它所描述的土质范围。

2.3 泥水平衡顶管施工工法不适用于渗透系数大和卵石含量多的砂卵石地层。

3. 泥水平衡顶管施工工法的优缺点

3.1 泥水平衡顶管施工工法的优点

3.1.1 优点之一是：施工速度快、施工精度高、挖掘面稳定、地面沉降小。

3.1.2 优点之二是：具有施工安全、可靠和施工作业环境好。

3.1.3 优点之三是：可集中控制，能减少施工作业人员。

3.1.4 泥水平衡顶管施工的优点之四是：辅助设备的通用性强。

3.2 泥水平衡顶管施工工法的缺点

3.2.1 缺点之一是：辅助设备和泥水处理设备庞大、复杂、站地大，水和电能的消耗较高，施工成本也高。而且泥水处理设备会产生震动和较大的噪音。

3.2.2 缺点之二是：一旦顶管机前遇到障碍物，处理起来比较困难。

4. 泥水平衡顶管施工工法的主要设备

图4—1 泥水平衡顶管施工工法的主要设备布置图

4.1 泥水平衡顶管施工工法的设备布置图可参见图图4—1，主要有：泥水处理装置、进水泵、排泥泵、液压动力源、中央控制台、基坑旁通阀、泥水平衡顶管机、洞口止水圈、后靠板、顶进管、顶铁、主顶油缸、基坑导轨等。

4.1.1 泥水处理装置可分为两大部分：其一是，把来自于排泥泵的泥沙从泥水中分离出来，然后运走；其二，把剩下的泥水进行检测，看其黏度、比重等是否符合指标，如果不符合指标则须调整，这是泥水管理中非常重要的一环。

4.1.2 泥水平衡顶管机的形式有许多种，图4—2所示的泥水平衡顶管机的刀排是可以伸缩的。刀排的伸缩，改变了进土口的大小，不仅可以改变顶管机推进速度的快慢，更重要的是可以改变作用在顶管机刀盘上土压力的大小。

图4—2 泥水平衡顶管机

当顶管机刀盘上的土压力增大时，刀排前伸，进土口开大，进土量多，土压力就会减小；当顶管机刀盘上的土压力减小时，刀排后缩，进土口变小，进土量少，刀盘上的土压力就会增大。控制进土口的大小，

可达到控制进土量的多少，从而达到用顶管机的刀盘来平衡土压力的目的。

4.1.3 图4—3是用压缩空气来平衡的泥水平衡顶管机的机构原理图。在顶管机胸板1的上部开有连通孔，在泥水舱3和气压室4之间用一块隔板5把上部隔开，下部却是连通的，隔舱板2把气压室、泥水舱与顶管机后边的作业舱完全隔断。

压缩空气12在气压室中形成一个气体弹簧，通过它，能精确地调节泥水压力。

图4—3 用压缩空气来平衡的泥水平衡顶管机

1－顶管机胸板；2－隔舱板；3－泥水舱；4－气压室；

5－隔板；6、7－排泥管；8－进水管；9－高压水管；

10－空气管；11排气管－；12－压缩空气；13－隔栅。

压缩空气12在气压室中形成一个气体弹簧，通过它，能精确地调节压缩空气12在气压室中形成一个气体弹簧，通过它，能精确地调节

泥水压力。万一当泥水压力过低时压缩空气通过隔板5下部逃逸到泥水舱3里面去时，在重新建立泥水压力过程中可通过排气管11把残余的压缩空气排出。

4.1.4进排泥泵

4.1.4.1排泥泵一般置于基坑内，它是在顶管机刀盘切削下来的土砂搅成泥水后，再通过排泥管将其输送到基坑地面上泥水处理装置的泥水分离器内水泵。因此，在选择排泥泵时需要有足够的扬程以外还需有不堵泵排污功能。如图4—4所示的螺旋叶轮不堵式泵是较为理想的泵。

图4—4 螺旋不堵式泵

另外，如图4—5所示的自吸式无堵排污泵由于它可抽吸含有大颗粒固体块、长纤维的污物、沉淀物、废矿杂质及一切工程污水物和胶质液体，又具有使用、移动、安装方便、性能稳定、少维修价格低廉等特点，也是一种使用较广的排泥泵。

图4—5 ZW型自吸无堵排污泵

4.1.4.2进水泵是向顶管机输送泥水的，所以通常放置在基坑的地面上。凡是排泥泵都可以用作进水泵，只是排量略比排泥泵小点。进水泵和排泥泵用同一型号泵有一个好处是，当该泵不能用做排泥泵时，一边可采购新的排泥泵，一边可把它与同型号进水泵进行对换，这样不影响施工。

4.1.5洞口止水圈的结构如图4—6所示，它是用来防止泥水和地下

橡胶圈

安装环

防止橡胶圈

外翻的压板

图4—5 洞口止水圈

水外漏的止水圈，安装在工作坑的出洞口和接收坑的进洞口。

4.1.6主顶油缸主顶油缸有各种各样规格、形式，小口径顶管的主顶油缸以推力1050t～150t为好，而中、大口径顶管的主顶油缸以推力200t～300t为好。油缸推力太小，需布置的数量多，比较复杂；油缸推力太大，虽所需的数量少，但推力过于集中，容易把砼管子顶碎。

4.1.6.1普通主顶油缸的行程在1500mm～2000mm。图4—6为200t普通主顶油缸的外形图。

图4—6 200t普通主顶油缸

图4—7 200t等推力主顶油缸

4.1.6.2 等推力主顶油缸的行程2500mm～3500mm。图4—7为200t等推力主顶油缸的外形图。等推力主顶油缸从它的外形看，有一粗、一细两根活塞杆，油缸伸出时有两节。按常规看，它是一只两级油缸，两根活塞杆伸出时推力是不相等的。但是，在等推力油缸的小内活塞杆内还有一个辅助活塞，这个辅助活塞与小活塞的面积相加与大活塞的面积基本相等，所以推力也基本相等，据此把称之谓等推力油缸。

4.1.6.3由于大口径顶管的主顶装置都是用多台主顶油缸组合而成的，如图4—8所示的是用6台油缸的普通油缸组合而成的，所以就要有一个油缸架来安装油缸。

图4—8 安装6台主顶油缸的油缸架

4.1.7液压动力源也称液压动力站或主顶油泵站，它由油泵、油箱、控制阀、电机、电器控制设备及管路等附件组成。主顶油泵站可以控制油缸的伸缩换向以及油缸伸缩速度的快慢。

主顶油泵大多用柱塞泵，因为柱塞泵的压力较高。柱塞泵又可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两种。轴向柱塞泵的体积小、转速高、排量大；而径向柱塞泵相对与轴向柱塞泵而言，则体较大、转速较低、排量较小，但径向柱塞泵维修较为方便。

图4—9 CY型轴向柱塞油泵电机组

图4—9是用得最为普遍的一种轴向柱塞油泵电机组：CY型轴向柱塞泵与电动机组合在一起的形式，它的最小排量为1.25毫升/转，最大排量为400毫升/转，公称转速为1500转/分钟，公称压力为31.5MPa。用得最多的是定量泵和手动变量泵。

油泵电机组与传统的油泵—联轴器—电机传动装置相比，省去联轴器和泵支架，安装底板可缩小1/2以上，轴向总长度可减少1/3-1/4，具有结构紧凑、体积小、重量轻、振动小、噪音低、使用方便等优点。

CY型油泵是缸体旋转的泵，手动变量泵时，是靠改变斜盘的角度来变量的。由于柱塞头部的滑靴和斜盘之间，配油盘和缸体之间，采用

了油压静力平衡的最佳油膜厚度设计，使上述两对运动副之间处在纯液体摩擦下运转，并省去了重型推力轴承，因而与其它类型泵相比较，具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、寿命长、自吸能力强等特点。

4.1.8后靠板的主要作用是把主顶油缸的反力分散地均布在后靠板后面的混凝土后座墙的墙体上，不让混凝土后座墙由于压力集中而损坏。对后靠板的要求是一要有足够的刚度，二要有足够的面积。后靠板大多是钢板焊接而成的钢结构的形式。

中小口径顶管用的后靠板可以是一块整体的，大口径顶管用的后靠板可以分成左右对称的两块。

后靠板安装时要注意与主顶油缸的轴线保持垂直，另外，还要注意后靠板必须紧贴混凝土后座墙，若后靠板与后座墙之间有空隙一定要用素混凝土、细纱或薄木板填实。

4.1.9顶铁有环形顶铁和门形顶铁两类

4.1.9.1 环形顶铁的功能就是通过它把主顶油缸的推力均布在顶进

图4—10 环形顶铁

管管口的端面上，这样就可保护所顶管子的管口不易遭到破坏。图4—10是环形顶铁。

4.1.9.2 门顶铁的作用是为了弥补主顶油缸行程的不足，而不能一次就把一节管子推入土中的一种垫块，当主顶油缸回缩后它加在主顶油缸和所顶管子之间，以便再顶，因此顶铁必须要有足够的刚度和强度。

图4—11 泥水平衡用顶铁

泥水平衡顶管施工时由于有进排泥管，其顶铁如图4—11所示，是倒扣在基坑导轨上的。

4.1.10基坑导轨基坑导轨在顶管施工中的主要作用是：在顶管机和所顶的管子出洞时能起到导向的作用。另外，它也放置顶管机、管子、顶铁等组合在一起的托架。基坑导轨主要由图4—12中所示的三大部分组成：1—整平螺栓、2—轨道、3—轨枕。

图4—11 基坑导轨

在混凝土管顶管中，轨道的平面一般都设计得与混凝土管的管底标高相同，这样就便于测量。在钢管或玻璃钢夹砂管顶管中，由于它们的管壁较薄，轨道的平面一般都高于约10%管径的管底标高。

基坑导轨安装时必须正确、牢固，并且在整个顶进过程中，基坑导轨不能有丝毫的位移。

4.1.11 常用的顶进管有钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管和树脂混凝土管这四种。

4.1.11.1 顶管用钢筋混凝土管多采用离心成型、立式震动成型、休模振动成型这三种成型工艺制成的管子。

离心成型制成的管子其外表面最光滑，管内则没有外表面光滑。立式震动成型制成的管子其内外表面都比较光滑。而采用休模振动成型工艺制成的管子用的是干性混凝土，坍落度为零，所以其内外表面都比较毛糙。

顶管用钢筋混凝土管外观质量标准应该是管子的内、外表面较平整，管子应无粘皮、麻面、蜂窝、塌落、露筋和空鼓。钢筋混凝土管外表面不允许有裂缝，内表面裂缝宽度不得超过0.05mm。表面龟裂和砂浆层的干缩裂缝除外。

无论哪种管接口，在安装齿形橡胶密封圈时都要均匀，橡胶密封圈套上以后都必须用螺丝刀插入橡胶密封圈底部，然后沿管接口外周至少转三圈，最后用粘接剂粘牢。另外，齿形橡胶密封圈安装时要注意防止被钢套环挤坏或切除。

图4—12 注浆孔设置

注浆孔一定要按图4—12的方式设置，因为这种设置方式有两个好处：其一，在注浆的时候，浆液是从钢套环内均匀的、成环状往外注的，便于将套的形成；其二，在不注浆的时候，泥砂不易把注浆口及注浆管堵住。另外，注浆孔内应安装一个单向阀，以防止流沙涌入注浆管内。

4.1.11.2 因为钢管没有活动的接头，不存在接头漏水问题，又因为钢管的强度高，焊接成形后质量好，所以在自来水行业应用得比较普遍。但是整根钢管纵向刚度大，在顶进过程中的纠偏也不如一节节管节的钢筋混凝土管来得灵活，施工时技术难度高。钢管接头的焊接工作量大、比较费工费时。再加上钢管价格较贵、防腐处理复杂等因素制约了钢管在顶管工程中的使用。

制造顶管用钢管的材料多选用低碳钢中Q235B其综合碳当量指数低，可焊性好。钢管纵向焊缝可采用直缝，也可采用螺旋缝。

钢管与钢管接头间焊缝坡口应采用双单边V形坡口，也称K形坡口。这种接口在与环形顶铁接触的端面是平的，顶进时不会发生卷边。并且，这种形式的坡口在焊接对口时也比较容易。

4.1.11.3 玻璃钢夹砂管中的纤维缠绕玻璃钢管（也称FRP管）具有以下特点：

4.1.11.3.1 有优良的耐腐蚀性能。

与传统管材相比具有优良的耐化学腐蚀性能，可以耐酸、碱、盐、氧化剂、有机溶剂、各类油脂、污水、海水等。它的内衬采用耐腐蚀性能优良的树脂（饮用水管道采用食品级树脂）作为原材料，所以不需要任何防腐处理。

4.1.11.3.2 无毒害、无二次污染。

在使用过程中不结垢、不生锈、不滋生藻类和其它的微生物，不需要阴极保护及其它防护措施，不会对水质或其它介质产生二次污染。

4.1.11.3.3 比重小、重量轻。

玻璃钢管的比重一般为 1.8g/cm3,管径相同的条件下,单位长度的玻璃钢管重量只有碳素钢管的1/5、铸铁管的1/8、预应力钢筋混凝土的1/2左右，长途运输和施工搬运都比较简便，费用也比较低

4.1.11.3.4 机械性能好、优良的绝缘性能。

管道的拉伸强度低于钢，高于球墨铸铁管和混凝土管，而比强度大约是钢管的3倍，球墨铸铁管的10倍，混凝土管的25倍。

4.1.11.3.5 水力学性能优异、节省能耗。

玻璃纤维夹砂管具有光滑的内表面，适用于大口径（≥φ500mm）输水管道的特点，磨阻系数小，水力流体特性好，而且管径越大其优势越明显。正是这一特点，在相同直径的管道流量中，RPMP最大。反之，在管道输送流量相同的情况下，工程上可以采用内径较小的玻璃纤维夹砂管代替，从而降低了一次性的工程投入。玻璃纤维夹砂管道在输水过程中与其它的管材相比，可以大大减少压头损失，节省泵的功率和能源。

4.1.11.3.6 热膨胀系数小。

由于RPMP热膨胀系数小，在使用中不需要加温度补偿措施，可在地表、地下、架空、海底、高寒、沙漠、冰冻、潮湿、酸碱等各种恶劣条件下正常使用。

4.1.11.3.7 使用寿命长、安全可靠。

玻璃纤维夹砂管经久耐用，安全系数一般都在4以上。据实验室的模拟试验表：一般给水、排水玻璃纤维夹砂管的寿命可达50年以上，是钢管和混凝土管的2倍。对于腐蚀性较强的介质，其使用寿命比钢管和不锈钢管高几倍。

4.1.11.3.8 综合造价低、长期经济效益好。

对于相同口径的管材，FRP单管管材价格稍高于混凝土管，而低于铸铁管和钢管。管道口径越大，管材造价差别也越大。因此，若考虑到管道长期使用的维护费用和动力消耗等其它的运行费用，以及使用年限和输送能力等因素，FRP的综合效益均优于其它管材。

目前，制造用于顶管的玻璃钢管的生产工艺有两种：一种是缠绕成型工艺，另一种是离心成型工艺。

4.1.11.4 强力管是一种玻璃纤维增强树脂混凝土管的简称。由于它具有一系列优点，所以有非常广阔的市场前景。

图4—13 强力管

强力管的结构请参见图4—13，它由1—内层玻璃纤维层、2—外层玻璃纤维层、3—树脂混凝土、4—钢或不锈钢套筒。

管子的外层若不覆以玻璃纤维层，也可覆以环氧胶。树酯混凝土是由不含波特兰水泥的树脂或乙烯基酯树酯聚合体充填以砂、石英粉和添加固化剂、色素、染料等组成。套筒可用玻璃钢或不锈钢制成。

强力管有以下几个特点：

4.1.11.4.1 强力管的抗压强度很高。最小可达91MPa，几乎比普通的钢筋混凝土管高一倍。这就意味着有同样口径能承受同等推力的管道，强力管的壁厚要比钢筋混凝土管薄一半左右。

4.1.11.4.2 强力管的耐腐蚀性能极强。在硫磺酸溶液1.0N（Ph0.5）的酸性环境下，该环境超过生活污水的酸浓缩；或者在PH值为10的水和氢氧化钠的碱性环境下，经过连续10000小时的浸泡试验，得出的结论是使用寿命可达100年。

4.1.11.4.3 糙率系数低、摩擦阻力小、输水能力强。强力管的内壁非常光滑，曼宁糙率系数为0.009，因此，强力管的能显著减少沿程的水头损失，提高输送能力。在输送相同流量时,可选用内径较小管径的管道，降低工程投资。

4.1.11.4.4 强力管的自重轻。强力管的密度为 2.0，只有钢的2

5.5%，钢筋混凝土管83%左右,因此运输安装十分方便。

4.1.11.4.5 因为生产强力管内不需要能耗大的钢筋材料，也不需像生产要混凝土管那样的蒸气养护，所以它是一种节能产品。

4.1.11.4.6 生产强力管没有像生产混凝土管那样的粉尘污染和也没有像生产要离心管那样的废水污染。

4.1.11.4.7 由于曼宁糙率系数低、摩擦阻力小，再加之强力管不吸收水分，所以，管子顶进时，管外不会带土，顶进的阻力小。根据试验

段在粘土中顶进的数据计算结果，强力管的综合摩擦阻力仅为0.08～0.18t/m2。

4.1.12 基坑旁通阀通常由数个阀和管道组成。通过各个阀的开、关组合，它可有三个用途：一是让进水泵和排泥泵实现两泵之间的顶管机外循环；二是让进水管和排泥管交换，实现对排泥管的清洗功能；三是在拆除进、排泥管前，用它先把进、排泥管内的积水排出。

4.1.13 中央控制台是集泥水平衡顶管的所有操作与一体、兼有数据存储、数据输出的操纵台，如图4—14所示。

图4—14 中央控制台

5. 泥水平衡顶管施工工法的施工作业

图4—15 泥水平衡顶管施工工法的施工程序