泥水平衡式机械顶管施工工法

泥水平衡式机械顶管施工工法

编制单位: 中建五局土木工程有限公司

批准单位: 中国建筑第五工程局有限公司

工法编号: GF/3-05-009-2007

编制人:罗桂军刘平王彰庆陈益马鸿

1前言

随着城市现代化建设进程，在环境整治、解决供水、供电等问题作设施配套建设时，开槽埋管会导致使市区繁华的街道、城市主干道、高等级公路上新的楼房被拆除，车辆被限速绕道通行，深度开挖引起了周围构筑物不同程度的沉降，修复后的路面几年后尚在不停下陷。为了避免以上情况发生，更好的节省投资，部分城市在管线穿越公路主干线采用了土压式顶管施工，因挤压式短距离顶管施工引起了路面隆起，人工挖掘式顶管施工引起了路面的沉陷。为了解决这些困难，重新研究出一种新型的施工工艺——泥水平衡式顶管施工。

在日常所见的顶管方法一般有：1、人工挖掘式顶管法；2、多刀盘土压平衡式机械顶管法；3、泥水平衡式机械顶管法。第一种方法施工顶管距离短、工期长、安全隐患多（路面沉陷、涌水、涌砂、有毒气体等）；第二种方法施工顶管外界影响大（路面隆起、建筑物破坏等）、耗电量大、受土层限制；第三种泥水平衡式顶管法有效的克服了前两种方法的缺点，弥补了它们的不足。

泥水平衡式机械顶管施工最大的优点是：

（1）适用的地质范围比较广，在地下水压力很高、地质变化范围大等土质的条件下，它都适用。

（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，引起地面的沉降比较小。

（3）与其他类型的机种相比，泥水顶管的切削力矩小，最适宜于砂砾及硬土里顶管。

（4）工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水输送弃土，没有搬运土方及吊土等较易发生危险的作业。可以在各种环境下作业。且挖掘面稳定，不会造成地面沉降而影响交通及各种公用管线的安全。

（5）泥水输送弃土为连续作业，因此大大提高了推进速度，最适宜于长距离顶管。

2 特点

泥水平衡式机械顶管施工的四大功能：

顶管机顶进、破碎处理一体化，无需任何辅助工艺；

机内旁通装置标准化，大大缩短安装时间和防止泥水管道的阻塞；

激光反射型方向诱导装置能使操作简单而精确；

适用土层范围广、顶管距离长。

对水质量要求低，泥水经过泥水分离后可循环使用。

水拌和泥土通过输送管道排入净化池，整个管道保持干燥，施工检查方便。

管头采用机械掘进，有效的防止了塌方、涌水、涌砂及有毒气体等。

3 适用范围

本工法适用于人工挖掘困难，危险性大的圆砾层、涌水涌砂、易塌方、含有毒气体以及路面与建筑物容易遭到破坏的土层。大中城市中，该工法特别适用于穿越道路、桥梁以及建筑物的管道（雨污水管、自来水管、煤气管等）的施工。

4材料性能

顶管为玻璃钢夹砂管，相邻两节管由特制接头承插连接，采用见水膨胀橡胶圈和契型密封圈防水密封。

5工艺原理

泥水平衡式机械顶管是一种专业的非开挖施工技术，它主要是将含有一定量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力。泥浆水在挖掘面上形成一层泥膜，加上一定的压力就可以平衡地下水压力和土压力，从而防止地下水的渗透，借助主顶油缸的推力将掘进机头推入洞口的止水圈，穿过土层往接收井的方向，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层，最终掘进机和工具管被推到接收井内吊起，同时把紧随掘进机和工具管后的管道埋设在两坑

之间，设计管道铺设完成（如下图）。

工艺原理图

6工艺流程及操作方法

工艺流程

操作方法 6.2.1施工方案

泥浆

泥浆净化池

水池

一节管道完成

泥

水

水

泥浆排放 三通一平

工作井的设计及开挖

顶管设备安装

顶管施工

泥土运输

接收坑

机械设备清理 隐蔽工程验收 整个工程验收 管道吊装

泥浆分离器

管道铺设完成

管缝处理 闭水试验

工程竣工

工作井完成后，将调试合格的液压系统和顶管掘进机安装到导轨上，准备掘进。掘进开始，微型掘进机被主顶油缸向前推进，掘进机头进入工作井预留洞口的止水圈，严格按照在设计图纸线路（轴线和标高符合设计规范要求）穿过土层到达接收井。在穿过土层时，电动机提供能量转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。挖掘的土质、石块等在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。在挖掘过程中，利用平衡原理，采用复杂的土压平衡装置来维持水土平衡，以至始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面沉降和隆起的效果。掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，它被推到掘进机的尾套处，电缆、泥浆管被连接，液压系统重新开始工作，管道顶进以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。

掘进过程中，采用先进的激光导向控制系统来控制管道的轴线和管内底标高。位于工作后方的激光经纬仪发出激光束，调整好所需的标高及方向位置后，对准掘进机内的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到机内摄像机的影像内，并输送到控制系统的电脑显示屏内。操作者可以根据需要开启位于掘进机内置式油缸进行伸缩，调整切削部分头部上下左右高度，达到纠偏的目的。在整个掘进过程中，甚至可以获得控制整个管道水平、垂直向3cm 内的偏离精度。

泥水平衡式顶管的管材采用钢筋混凝土钢插口管，它一端由一个凹形接口、钢环套、木质垫圈，另一端为一个凸接口、密封圈。当两者连接在一起时，形成一个密封永久的管接口。整个管材外表面光滑（使用前，在钢插口管的外壁涂上一层润滑油或打蜡），在穿越土层时减少摩阻力，通过夹木垫圈缓冲两管端之间的负荷，以降低局部挤压所形成的压力差。

主顶液压系统提供所需的推进力来移动顶管，顶管所需的推进力均由这个系统提供。主顶液压系统位于工作井的后方，当一段顶管被安装到导向轨上以后，油缸开始工作，缓缓推进，由位于地面的液压动力站提供动力，加压到油缸，使推进速度与微型顶管机同步，推进管与油缸的分压环确保了油缸的顶力传递到顶管；同时，顶管的反作用力通过受压板将顶管的反力作用于后背墙上。为了节约成本，尽可能减小工作井的长度和缩短管材的长度，主顶液压油缸系统采用短冲程的千斤顶，一次推进长度为0.0m～1.0m，采用短程千斤顶与可移位的顶铁相结合，达到一个使顶推背有较小的推力和减少工作井的目的。推进顶管需要一定的推进力，这种推力取决于诸多因素（比如：管径、土层、管道长度等）。一般