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2.1泥水平衡式机械顶管施工的四大功能：2.1.1 顶管机顶进、破碎处理一体化，无需任何辅助工艺；2.1.2 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；2.1.3 激光反射型方向诱导装置能使操作简单而精确；2.1.4 适用土层范围广、顶管距离长。

2.2 对水质量要求低，泥水经过泥水分离后可循环使用。

2.3 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。

2.4 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6.1工艺流程泥至地面上。

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）。

一般地质（粘土）条件的情况，可根据管道的外表面积来计算顶管的推力（也是摩阻力），当顶管掘进长度增加，管道与土层的摩阻力也会增加，顶管的推力也随之增大。

施工过程中，尽可能的减小推力。

为了达到这样的目的，我们在管材外壁涂润滑油，顶管过程中在管道内向管道外侧注触变泥浆，使整个管道的外表面与土层之间形成一层起滑润作用的浆套。

触变泥浆通过预设在管壁上规定间距（一般情况下，每4米预留2个注浆孔）的注浆孔注入于管材表面，通过这种方法可大大减少了摩阻力，提高顶管的顶进长度。

施工过程中，如管道的摩阻力超过千斤顶顶力、管材自身的承受力、后背墙所能承受的推力极限等任何一种，管道仍未顶到预设的井位时，我们可以采取增设一个（或者多个）中继间的方法，通过中继间提供额外的顶力来满足整条管道所需的推力。

这些摩阻力、管材自身的承受力、后背墙所能承受的推力极限和千斤顶顶力在管道掘进前要经过仔细核算，并在具体的位置进行预留。

内置式油缸由众多小的液压油缸组成，这些油缸沿着中继间内表面安装，中继间在管道之间，按计划线在必须时向前移动，第一个油缸开启了，向微型顶管掘进机向前移动了一个行程、然后掘进机内的主油缸开启，导致内置油缸的关闭而只有管道的后段前进、这样的过程在掘进之间一直重复着，到掘进快完成时，内置油缸被移去，管道闭合，实际上留下一段标准的管道连接。

1）顶管进洞技术措施为了防止掘进机进洞时机头下沉，可采取机头固定或洞口处注浆加固的措施。

①机头进洞时，将机头与后面的五节管用拉杆连接起来，使之成为一个整体，并在导轨上用两个手拉葫芦间隔一米拉紧，从而使机头沿着导轨方向顺利顶进。

②对洞口进行注浆，注浆完毕后，对洞口的砖缝处钻洞做实验，检查是否有水涌出，出现水涌，我们重新增加注浆排数，直到不再出现水涌为此，这样就确保了掘进机头顺利进洞。

2）安装洞门止水装置顶进前，为了防止洞口处的水土沿掘进机头外壁与洞门的间隙涌入工作井，在工作井内洞口处安装一道环形橡胶止水圈。

在顶进施工过程中又可防止减摩浆（触变泥浆）从洞口流失，保证泥浆套的完整，以达到减小顶进阻力的效果。

3）管节运输根据施工场地情况，管节可由吊车（或龙门吊）卸到指定位置后，再由吊车（或龙门吊）将地面管节吊运至井内的轨道上。

4）管节顶进管节顶进过程中，必须做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制，不仅根据控制台显示屏激光点及时调节纠偏油缸，使其能持续控制在轴线范围内，而且还要对管道内的轴线和标高进行检测。

5）顶管顶进与地层形变控制顶管引起地层形变的主要因素有：掘进机头开挖面引起的地层损失、机头纠偏引起的地层损失、机头后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面损失、管道在顶进中与地层摩擦而引起的地层扰动、管道接缝及中继间渗漏而引起的地层损失等。

所以在顶管施工中要根据不同土质、覆土深度和地面沉降的情况，配合测量报表的分析，及时调整泥水与土压平衡值，同时要求坡度保持相对的平稳，控制纠偏量（出现偏差及时调整，不能出现大偏差时才一次调整到位），减少对土体的扰动。

根据顶进速度，控制排泥量和地层变形的信息数据，及时调整注浆压力和注浆量，从而将轴线和地层变形控制在最佳的状态。

6）顶管进接收坑阶段技术措施①顶管机出洞前洞口土体加固根据顶管进展情况，为保证掘进机能顺利进入接收坑，防止掘进机出洞后水土沿工具管与井圈之间的建筑空隙涌入接收坑内，保证井内接头能顺利施工。

在掘进机机头到达接收坑前，可参照8.1条的方法，对洞口土体进行注浆加固，加固范围洞口前5m范围内，洞口四周距管道外侧2～3m。

②掘进机状态的复核测量掘进机进入接收坑前的复核应测量顶管机所处的方位，是确认顶管状态、评估掘进机出洞时状态和拟定施工轴线及施工方案等的重要依据，使掘进机在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好的状态、准确无误地进入接收坑内。

③凿除砖墙掘进机进接收坑前，当接收坑砖墙封门破坏后掘进机头应迅速、连续顶进管节，尽快缩短出洞时间。

掘进机整体出洞后应尽快把机头和混凝土管节分离，并把管节和接收井的接头按设计要求进行处理，减少水土流失。

7）泥浆的排放及处理泥浆处理装置将沉淀的泥浆通过排泄管排出至泥浆池，通过处理重复利用。

如管道铺设全部完成，直接将其排入废浆池，然后由汽车运至指定地点废弃，确保生态环保卫生。

8）压浆孔的处理顶管顶进完成后，对管节上的压浆孔清洗干净，并用普通水泥、麻絮等材料对压浆孔进行封堵措施。

9）顶管施工测量①测量及控制指标为了保证顶进轴线控制在设计轴线允许偏差范围内，在顶进过程中密切注意激光点的偏向。

轴线测量的控制系统设在工作井内液压主顶装置中间。

施工中需经常对控制台进行复测，以保证测量精度，控制台基础应用混凝土浇筑在沉井底板上。

按独立坐标系放样后用测量控制台使它精确地移动至顶管轴线上，用它正确指挥顶管的施工方向。

②施工顶管测量在后顶观察台架设一台经纬仪，通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各一测回，编排程序计算顶管的头部及尾部的平面及高程。

③注意问题顶管施工初次放样及顶进尤为重要，另外由于顶管后靠顶进中要产生变化，后台的布置应保持始终不变形、移位来确保顶管施工测量的正确性。