顶管施工技术标准.doc

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3-2-38顶管掘进施工技术

1前言

1.1施工技术现状

非开挖顶管施工技术在近年得到广泛的应用。

由于它不需要开挖面层，能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道，节省大量投资和时间。

这项技术的快速发展也使市政工程需敷设的大量上、下水道、煤气、电力、通信工程以及建设地下人行通道等综合管道时，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低。

顶管技术在经济、生态和环境上又有许多优点，是真正的无污染、高效率的施工技术。

1.2适用范围

城区水污染治理的截污管施工；在能源供应中液化气、天然气输送管、油管施工；动力电缆、宽频网、光纤网等电缆的管道施工；城市市政地下工程中穿越公路、铁路、建筑物下的综合通道及地铁人行通道施工都可以采用顶管敷设管道的施工技术，以减小投资和降低对周围环境的影响。

适用于非开挖顶管掘进施工。

2顶管机设备适应性分析及选型

2.1顶管机设备介绍

顶管机主要有敞开式掘进机、多刀盘土压平衡掘进机、单刀盘土压平衡掘进机、刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机、偏心破碎泥水平衡掘进机、岩盘掘进机、矩形顶管机。

2.2顶管机适应性分析

2.2.1多刀盘土压平衡顶管掘进机

多刀盘土压平衡顶管掘进机把通常的全断面切削刀盘改成四个独立的切削搅拌刀盘，它尤其适用于软粘土层的顶管。

如果在泥土仓中注入些粘土，也能用于砂层的顶管。

另外，由于采用了先进的土压平衡原理，对地面及地下的建筑物、构造物、埋设物的影响较小。

用它可以安全地穿越公路、铁路、河川、房屋以及各种地下公用管线，其最小覆土深度可以相当于一倍管外径左右。

从无数的施工实例证明，用此机进行顶管施工作业，不仅安全、可靠，而且施工进度快、效率高。

与单刀盘土压平衡掘进机相比，具有价格低廉、结构紧凑、操作容易、维修方便和质量轻等特点。

它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。

它与泥水式顶管施工相比，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。

施工占地小，对周围环境污染也很少。

它与手掘式及其他形式的顶管施工相比较，又具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段的优点。

如采用输土泵的方式出土，顶进效率也很高，平均24小时可顶进15-20米。

但是它的缺点也很明显，由于不是全断面切削，切削不到的部分只能通过挤压进入机头，因此迎面顶力较大，只适合于软土地质情况下施工。

2.2.2刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机

刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机适用于需穿越建筑物、构造物、埋设物等对地面沉降要求很小的情况，此种机头的刀盘是一个直径比掘进机前壳体略小的具有一定刚度的圆盘。

圆盘中还嵌有切削刀和刀架。

刀盘和切削刀架之间可以同步伸缩，也可以单独伸缩。

不论刀盘停在哪一个位置上，切削刀架都可以把刀盘的进泥口关闭。

刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸，刀架伸缩油缸则安装在刀盘加压装置的上方。

刀盘可伸缩式掘进机的工作原理如下：

刀盘前土压力过小时，它就往前伸；刀盘前土压力过大时，它就往后退。

刀盘前伸时，应减小进泥口开度并加快推进速度；刀盘后退时，应加大进泥口开度并降低顶速。

就可使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。

使用此种掘进机地面隆沉极小，经验丰富的操作人员可使地面隆沉控制在10mm以内。

由于采用了泥水作为运输介质，在顶进的过程中无需停顿出泥，因此它的顶速也很快，24小时可顶进20-30米。

缺点也很明显：

由于进泥口开度限制，在含有直径大于6cm砾石的土层中无法施工。

2.2.3单刀盘土压平衡式掘进机

单刀盘土压平衡式掘进机适用于地质为黄土的情况下施工。

有以下优点：

（1）、适用的土质范围非常广；

（2）、施工后地面沉降小；

（3）、弃土的处理比较简单；

（4）、可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工；

（5）、有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能。

（6）、开口率达100％，土压力更切合实际。

2.2.4偏心破碎泥水式掘进机

偏心破碎泥水式掘进机适用于地质为强风化岩的情况下，此机种与普通泥水掘进机的最大不同点是其头部。

壳体内的泥土仓是一个前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的内壁是用耐磨焊条堆焊的一圈环形焊缝。

安装在壳体泥土仓内的是一个前面小、后面大的锥体，锥上也堆有一环环形焊缝。

切削刀呈辐条形焊接在该锥体上，且略微向前倾斜。

刀盘的正面焊有坚固而且耐磨的切削刀头，所有这些构成一个刀盘。

在掘进机工作时，刀盘一边旋转切削土砂的同时还一边作偏心运动把石块轧碎。

被轧碎的石块只有比泥土仓与泥水仓联接的间隙小才能进入掘进机的泥水仓，然后从排泥管中被排出。

另外，由于刀盘运动过程中，泥水仓和泥土仓中的间隙也不断的由最小变到最大这样循环变化着，因此，它除了有轧碎小块石头的功能以外还能保证进水泵的泥水能通过此间隙到达泥土仓中，从而保证了掘进机在砂土及黏土中正常工作。

一般情况下，刀盘每分钟能旋转4--5转，每当刀盘旋转一圈时，偏心的轧碎动作达20-23次。

此机型破碎能力是所有具有破碎功能的掘进机中最大的，破碎的最大粒径可达掘进机直径的40%～45%之间，破碎的卵石强度可达200Mpa。

特点一就是它几乎是全土质的掘进机。

它可以在N值从0～15的黏土，N值1～50的砂土以及N值10～50的砾石层等所有土质中使用，而且推进速度不会有太大的变化。

特点二是破碎粒径大，可达掘进机直径的40%～45%之间。

特点三是施工精度高，施工后的偏差极小。

特点四是由于有偏心运动，进土的间隙又比较小，即使用清水作为进水，也能保持挖掘面的稳定。

特点五是可以进行长距离顶进及曲率半径比较小的曲线顶进。

特点六是施工速度快，每分钟可进尺100mm～180mm之间。

特点七是结构紧凑、维修保养简单、操作方便。

无论在工作坑中安装还是在接收井中拆除都很方便。

2.2.5敞开式掘进机

敞开式掘进机适用于顶进管道轴线附近可能存在大的石块，桩基础等不明障碍物。

此顶管机具有排障方便、成本低廉的特点。

地下水位较高的话可采取井点降水等辅助施工方法。

另外，对于含水量较少并且N值大于18的黄土和强风化岩，也可采用敞开式掘进机顶进。

敞开式掘进机在类似于农田对地面沉降要求不严格的情况下也可采用。

此种机型的缺点是顶速慢、遇到流沙土层难以控制出土量，因此沉降也是大于以上几种顶管掘机的。

2.2.6网格水冲式掘进机

网格水冲式掘进机具有土压式以及泥水式顶管机的优点，这种掘进机头在遇到障碍物时工人可进入泥水仓排除障碍物，而且由于采用水力出泥，顶进速度也不受出泥速度的影响，因此当土质条件较好时是一种经济实用的掘进机。

但这种掘进机也有它的局限性，首先要求土质比较软，土体的孔隙比要小，而且要求有足够的清水作为水源，泥浆处理以及用电量都很大，使用成本较高。

当遇到沙土层时，由于沙土的透水系数很大，用于平衡正面土压力的气压很容易从沙土的间隙泄露，因此也就很难做到平衡，因此在沙土中顶进沉降很难控制。

2.2.7岩盘顶管机

岩盘顶管机适用于地下水含量较高的中风化岩以及弱风化岩，该机型的刀头类似于牙轮钻，可以在岩石中顶进，也是一种全土质的机型，但该机种的造价很高，目前在国内是一项空白。

2.3选型原则及依据

选型原则：

按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行顶管机的选型。

选型依据：

拟建场地工程地质及水文地质条件，管道埋深、线路走向、施工条件及周边环境，参考国内外已有顶管工程实例及相关的顶管技术规范。

2.4选型确定

根据工程项目拟建场地工程的地质条件及对顶管机的要求以及结合国内外顶管的施工经验，合理的进行顶管机的选型，使所选顶管机能满足工程施工对地质条件、周边环境保护的要求。

根据对各种顶管机的适应性的分析，在进行顶管机选型时可参照表2-1进行选定：

表2-1顶管机选型适用情况表

地质条件

掘进机种

敞开式

掘进机

多刀盘土

压平衡掘进机

单刀盘土压平衡掘进机

刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机

偏心破碎泥水平衡掘进机

岩盘掘

进机

淤泥质

黏土

掘进速度

适

用

慢

适

用

一般

适

用

较快

适

用

快

适

用

快

适

用

快

耗电量

小

较大

一般

较大

较大

较大

劳动力

较少

一般

一般

多

多

多

环境影响

小

小

小

大

大

大

砂型土

掘进速度

适

用

一般

适

用

较快

适

用

快

适

用

快

适

用

快

耗电量

较大

一般

较大

较大

较大

劳动力

一般

一般

多

多

多

环境影响

小

小

大

大

大

黄土

掘进速度

适

用

慢

不

适

用

适

用

较快

适

用

快

不

适

用

适

用

快

耗电量

小

一般

较大

较大

劳动力

较少

一般

多

多

环境影响

小

小

大

大

强风

化岩

掘进速度

适

用

慢

不

适

用

适

用

较快

不

适

用

适

用

较快

适

用

快

耗电量

小

一般

较大

较大

劳动力

较少

一般

多

多

环境影响

小

小

大

大

岩石

掘进速度

含水量小适用

慢

不

适

用

不

适

用

不

适

用

不

适

用

适

用

快

耗电量

小

大

劳动力

大

多

环境影响

小

小

3顶管施工工艺

3.1顶管施工工艺特点

顶管技术是极为更要的一种都市铺设管道的施工手段，采用顶管施工法铺设管道具有如下优势：

（1）顶管施工是顶管铺管技术的一种，其在国外已广泛使用，在国内也己逐渐普及。

由于不开挖地面，所以能穿越公路、铁路、河流，其至能在建筑物底下穿过，是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法。

（2）顶管施工不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管寿命亦大于开挖法埋管。

（3）采用房下顶管施工法能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大的经济效益。

（4）顶管工艺不仅仅用于管线铺设，它还具有灵活的排管施工方式。

它在管棚施工方面也具有优势。

管棚施工是指在地下构筑物施工前，先利用密排的钢管作成各种断面形状的管棚，对地面建筑物在施工过程中起到保护作用或者是为了达到某种特殊要求而采取的一种辅助施工措施。

（5）顶管施工范围的扩大，顶管机械的性能越来越适应各种土质。

顶管特别适用中小型管径管道的非开挖铺设。

与其它非开挖设备相比，其具有独特的优点。

3.2施工工艺流程

顶管施工工艺流程如下图3-1所示：

图3-1顶管施工工艺流程图

3.3顶管工作井端头地基加固

（1）地基加固目的

顶管机在进出洞之前工需对洞口进行地基加固，一方面用作出洞口止水，防止顶管机出洞时涌水漏砂；另一方面加固洞口地基，防止机头出洞时“磕头”。

（2）常见地基加固形式及方法

顶管进出洞口地基加固形式常见的有水泥土搅拌桩和高压旋喷桩两种形式，水泥土搅拌桩大多采用双轴或三轴水泥土深层搅拌桩，高压旋喷桩采用二重管法或三重管法高压旋喷桩进行加固。

1）、水泥土深层搅拌桩施工方法

①施工工艺流程

开挖导沟

（构筑导墙）

设置机架移动导轨

搅拌机定位

搅拌机架设

残土处理

报监理工程师

制作试块

搅拌、提升、喷浆

水泥材质检验

报监理工程师

水泥浆拌制

施工完毕

施工工艺流程如下图3-2所示：

图3-2深层搅拌桩施工工艺流程图

②施工方法

A桩位放样：

由现场技术员根据设计图纸和测量控制点放出桩位，桩位平面偏差不大于50mm。

在两侧定位架上以设计间距，用红色油漆做好标记，保证搅拌桩每次准确定位。

B开挖沟槽：

开挖过程中，根据基坑围护内边控制线，采用挖机开挖，清除地下障碍物。

C调整桩架垂直，桩机移位由当班机长统一指挥，移动前必须仔细观察现场情况，移位要做到平稳、安全。

桩机定位后，由当班机长负责