《地下工程施工技术》7顶管法施工(4)

边顶进， 边开挖地层， 边将管段接长的管道埋设方法。
1-预制的混凝土管；2-运输车；3-扶梯；4-主顶油泵；5-行车；6-安全护栏；7-润 滑注浆系统； 8-操纵房；9-配电系统；10-操纵系统；11-后座；12-测量系统； 13-主顶油缸；14-导轨；15-弧形顶铁；16-环形顶铁；17-已顶入的混凝土管；
手掘式顶管机也即是非机械的开放式(或敞口式)顶管 机，适用于能自稳的土体中。在顶管的前端装有工具 管，施工时，采用手工的方法来破碎工作面的土层， 破碎辅助工具主要有镐、锹以及冲击锤等。如果在含 水量较大的砂土中，需采用降水等辅助措施。
手掘式顶管机主要由切土刃角、纠偏装置、承插口等 组成。所用的工具管有一段式和两段式。
井内布置内容主要包括前止水墙、后座墙、基础底 板及排水井等。后座要有足够的抗压强度，能承受 得了主顶千斤顶的最大顶力。前止水墙上安装有洞 口止水圈，以防止地下水土及顶管用润滑泥浆的流 失。在顶管工作井内，还布置有工具管、环形顶铁、 弧形顶铁、基坑导轨、主顶千斤顶及千斤顶架、后 靠背。其中主顶千斤顶及千斤顶架的布置尤为重要， 主顶千斤顶的合力的作用点对于初始顶进的影响比
（c）马蹄形顶铁
7.5 长距离顶管
长距离管道的主要困难是，设置在顶进坑内的 主推力有限，不足以克服管道长距离顶进时遇到 的总阻力。需要采取相关的措施。目前在发展长 距离顶管技术的过程中，减摩和设置中继环两项 措施已得到较多研究，并已成为成熟的技术。
增设中继环（间）
为了适应长距离顶进管道的需要，研制了中继环（又 称中继间、中间站）。即在管道顶进的中途设置辅助 千斤顶，靠辅助千斤顶提供的动力继续顶进管段，延 长顶管的顶进长度，满足敷设长距离管道的需要。
18-运土车；19-机头
7.1.2 顶管施工技术的应用及发展
顶管施工技术最早始于1896年美国的北太平洋 铁路铺设工程的施工中。1948年日本第一次采 用顶管施工方法，在尼崎市的铁路下顶进了一 根内径600mm的铸铁管，顶距只在6米。 欧 洲发达国家最早开发应用顶管法，1950年前后， 英、德、日等国家相继采用。
坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁。在钢板桩工作坑中， 须在坑内的后方与钢板桩之间挠筑一座与工作坑宽度相等的、 厚度为0.5~1.0m的、其下部最好能插入到工作井底板以下 0.5～1.0m的钢筋混凝土墙，目的是使推力的反力能比较均匀 地作用到土体中去。后座墙的平面一定要与顶进轴线垂直。 （3）后靠背是靠主顶千斤顶尾部的厚铁板或钢结构件，称之为 钢后靠，其厚度在300mm左右。钢后靠的作用是尽量把主顶千 斤顶的反力分散开来，防止将混凝土后座压坏。
7.2.4 顶管机选择
（1）黏性或沙性土层，无地下水时，宜用手掘式或机 械挖掘式
（2）软土无障碍物，上覆土厚时，宜用挤压式或网格 式顶管法。
（3）黏性土要控制地面宜用土压平衡顶管法 （4）粉砂土控制地面宜用泥水平衡顶管法 （5）顶进长度较短，管径小的金属管，宜用挤密土层
顶管法。
7.3 工作井及其布置
缺点：施工场地大，设备费用高，需在地面设置泥 水处理、输送装置；机械设备复杂，且各系统间相 互连锁，一旦某一系统故障，必须全面停止施工。
7.2.3 土压平衡式顶管机
土压平衡顶管机由土压平衡盾构机移植而来，其平衡 原理与盾构相同。与泥水顶管施工相比，最大的特点 是排出的土或泥浆一般不需再进行二次处理，具有刀 盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、地面 和建筑的沉降较小等特点。
（7）若主顶千斤顶的行程不能一次将管节顶到位时，必须 在千斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。顶铁有环形顶 铁和弧形或马蹄形顶铁之分。环形顶铁的内外径与混凝土 管的内外径相同，主要作用是传力；弧形和马蹄形顶铁的 作用有两个，一是用于调节油缸行程与管节长度的不一致， 二是把传力。
（a）环形顶铁
（b）U形顶铁 顶铁的断面形状
可靠性和先进的技术性。它又称为泥土加压式顶管机， 国内称为辐条式刀盘顶管机或者加泥式顶管机。它由 刀盘及驱动装置、前壳体、纠偏油缸组、刀盘驱动电 机、螺旋输送机、操纵台、后壳体等组成。没有刀盘 面板，刀盘后面设有许多根搅拌棒。适用于 φ1.2~3.0m口径的混凝土管施工，在软土、硬土中 都可采用，并且可与盾构机通用，可在覆土厚度为0.8 倍管道外径的浅埋土层中施工。
工作井（工作坑或基坑），按其作用分为顶进井（始 发井）和接收井两种。顶进井是安放所有顶进设备的 场所，也是顶管掘进机的始发场所，是承受主顶油缸 推力的反作用力的构筑物，供工具管出洞、下管节、 挖掘土砂的运出、材料设备的吊装、操纵人员的上下 等使用。在顶进井内，布置主顶千斤顶、顶铁、基坑 导轨、洞口止水圈以及照明装置和井内排水设备等。 在顶进井的地面上，布置行车或其他类型的起吊运输 设备。接收井是接收顶管机或工具管的场所，与工作 井相比，接收井布置比较简单。
泥水平衡式顶管机结构及施工
泥水平衡工具管正面设刀盘，并在其后设密封舱，在 密封舱内注入稳定正面土体的泥浆，刀盘切下的泥土， 沉在密封舱下部的泥水中而被水力运输管道运至地面 泥水处理装置。泥水平衡式工具管主要由大刀盘装置、 纠偏装置、泥水装置、进排泥装置等组成。在前、后 壳体之间有纠偏千斤顶，在掘进机上下部安装进、排 泥管。
前段壳体 纠偏油缸 后段壳体
一段式手掘式工具管
两段式手掘式工具管
7.2.2 泥水平衡式顶管机
泥水平衡顶管机是指采用机械切削泥土、利用压力来 平衡地下水压力和土压力、采用水力输送弃土的泥 水式顶管机，是当今生产的比较先进的一种顶管机。
泥水平衡式顶管机按平衡对象分有两种，一种是泥水 仅起平衡地下水的作用，土压力则由机械方式来平 衡；另一种是同时具有平衡地下水压力和土压力的 作用。
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。
7.2 顶管机及其选型
7.2.1 手掘式顶管机
手掘式顶管施工是在特定的土质条件下和采用一定的 辅助施工措施后具有施工操作简便、设备少、施工成 本低、施工进度快等优点，所以至今仍被许多施工单 位顶管机
螺旋出土机 纠偏千斤顶
多刀盘式土压平衡顶管机
小刀盘
隔仓板把前壳体分为左右两仓，左仓为泥土仓，右仓为动力 仓。隔仓板的水平轴线左右和垂直轴线的上部各安装有一只隔 膜式土压力表。在隔仓板的中心开有一人孔，通常用盖板把它 盖住。在盖板的中心安装有一向右伸展的测量用光靶。由于该 光靶是从中心引出的，所以即使掘进机产生一定偏转以后，只 需把光靶作上下移动，使光靶的水平线和测量仪器的水平线平 行就可以进行准确的测量，而且不会因掘进机偏转而会产生测 量误差。
土压平衡顶管机按泥土仓中所充的泥土类型分，有泥 土式、泥浆式和混合式三种；按刀盘形式分，有带面 板刀盘式和无面板刀盘式；按有无加泥功能分，有普 通式和加泥式；从刀盘的机械传动方式分，有中心传 动式、中间传动式和周边传动式；按刀盘的多少分， 有单刀盘式和多刀盘式。
（1）单刀盘式（DK型）顶管机 单刀盘式土压平衡顶管机具有广泛的适应性、高度的
7.1.4 顶管施工的分类
按所顶进的管子口径大小分：大口径、中口径、小口 径和微型顶管四种。Ф2m;1.2～1.8m;500～ 1000mm;400mm，最小的只有75mm。
按一次顶进的长度分：普通距离顶管和长距离顶管。 尚无明确规定。
按顶管机的类型分：手掘式人工顶管、挤压顶管、水 射流顶管和机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩 石式 ）。
较大。
1
234
5
6 78
9
图7-11 顶进工作井内布置图 1-管节；2-洞口止水系统；3-环形顶铁；4-弧形顶铁；5-顶进导轨；6-主顶油缸；
7-主顶油缸架；8-测量系统；9-后靠背；10-后座墙；11-井壁
（1）管节一般为钢筋混凝土管节或钢管节。 （2）后座墙构造因工作坑的构筑方式不同而不同。在沉井工作
采用中继环时，管道沿全长分成若干段，在段与段之 间设置中继环。中继环是一个由钢材制成的圆环，内 壁上设置有一定数量的短行程千斤顶，产生的推顶力 可用于推进中继环前方的管道。
中继环示意图
（1）中继环推进过程
被推进的只是该中继环和前面一个中继环之间的管段。 在顶进作业中，主千斤顶在每个循环中都最后推进。 借助中继环的逐级接力过程，可将顶管的顶推距离延 长，以适应长距离顶管施工的需要。
（4）洞口止水圈是安装在进出洞洞口，具有制止（减少）地 下水和泥砂流出的功能。
（5）顶进导轨由两根平行的轨道所组成，其作用是导向，引 导管节按设计的轴线顶入土中，同时使顶铁能在导轨面上滑 动。在钢管顶进过程中，导轨也是钢管焊接的基准装置。
（6）主顶装置由主顶油缸、主顶油泵、操纵台及油管等四部 分构成。在管径比较大的情况下，主顶油缸的合力中心应比 管节中心低5％的管内径左右。
我国较早的顶管施工约在上世纪50年代，初期 主要是手掘式顶管，设备也较简陋。我国顶管 技术真正较大的发展是从上世纪80年代中期开 始。1988年上海研制成功我国第一台土压平衡 掘进机。
随着时间的推移，顶管技术也与时俱进地得到迅速发 展。主要体现在以下方面： 一次连续顶进的距离：越来越长 顶管直径：向大小直径两个方向发展 管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢顶管 挖掘技术：机械化程度越来越高 顶管线路的曲直度：曲线形状越来越复杂，曲率半径越来 越小。
（2）中继环的结构形式
图7-15 中继环结构形式 1-中继管壳体；2-木垫环；3-均压钢环；4-中继环
油缸； 5-油缸固定装置；6-均压钢环；7-止水圈；8-特殊
管
（3）中继环的布置
中继间的布置要满足顶力的要求，同时使其操作方便、 合理，提高顶进速度。
7.6 微型顶管
微型顶管一般指口径在400mm以下的顶管施工。微 型顶管施工设备主要由切削系统、激光导向系统、出 碴系统、顶进系统、控制系统等组成，根据激光导向 系统测量偏斜数据，可操纵液压纠偏系统，从而实现 调节铺管方向的目的。微型顶管的一次顶进长度大多 在50～60m，也有的达到百米及以上。