D1500及D1000顶管施工方案

D1500、D1000顶管施工方案
一、D1500顶管施工方案
（一）、工程及地质条件概述
本段顶管工程管道的设计直径为D1500，采用“F”型接口的Ⅱ级钢筋混凝土管，接口密封采用契型橡胶密封圈，顶管管道埋深在5.29米至6.6米之间。

需采用机械顶管的井位及顶距如下：
W34——W41段 269米
W41——W42段 40米
W42——W49段 367米
W49——W51段 78米
W75——W81段 290米
以上管段均处于西安地区特有砂层中，这种砂未扰动时坚硬，遇水变软塌陷，成拱性极差，含水量低，渗透系数大。

以上管段砂层分布极无规则，呈鸡窝状分布，管顶堆积厚度最大3米。

顶管工程地貌属皂河一级阶地，在工程场地勘探深度内的地层岩性主要为第四系松散堆积物，即由全新统素填土、冲洪积黄土状土、中粗砂、粉质粘土等组成。

地质勘探中对于粗砂的描述为“粗砂，Q4al+pl、灰黄色、稍密、砂质纯净、级配一般。

成份为石英、长石及少量暗色矿物，呈透镜体分布”。

从现场踏勘所看到挖出来的粗砂中可见到一定数量的粒径大于2mm的砾石，和少许80mm粒径的姜结石。

本次勘探期间，在勘探深度10米范围内未见地下水，地质水文资料显示水位埋深在14.0米左右。

颗粒分析结果统计表显示“中粗砂，不均匀系数在3.4—4.6之间。

曲率系数在1.1—1.5之间。

”
标准贯入试验结果表明“中粗砂N值在12—46之间，标准差8.4,
变异系数0.29。

”
中粗砂的地基承载力为170—200Kpa。

（二）、顶管机的选型
顶管施工能否顺利进行最主要取决于四个基本要素：首先必须要有详细的地质资料；其次必须要针对该地质资料选好适用的顶管机；再次必须选好与上述两要素相适应的施工工法；最后，要有一批训练有素且具有高度责任心的施工人员。

1、顶管机选用的原则
我们在选用顶管机时必须遵循与施工土质相适应的原则、与其他施工条件相适应的原则、确保施工安全的原则和经济性原则。

（1）、与施工土质相适应的原则
与土质相适应的原则，是在选用顶管机时必须遵循的第一个基本原则。

因为如果你选用的顶管机不能与施工的土质相适应，那么，其所导至的后果将是不勘设想的：轻者影响施工进度，重者使顶管施工无法进行。

正因为这一原则特别重要，所以把它单独列一条，并且放在首位。

例如，在无地下水且又特别松散的渗透系数异常大卵石层选用一般的泥水平衡顶管机则是不恰当的。

（2）、与其他施工条件相适应的原则
这里的施工条件是指除土质条件以外的所有条件，它包括地面上的和地下的两个方面。

其中，地面上的有建筑物、街道、公路、铁路、交通、河流、湖泊、大堤、驳岸等。

地下的有覆土深度和地下水的压力、各种构筑物、各种公用管线、桥桩、可能遇到的障碍物、顶进管的口径、顶进管的材质、顶进的长度和线型、工作坑和接收坑的构筑形式等。

这一原则要求我们所选用的顶管机必须和施工条件一一相适应。

（3）、确保施工安全的原则
在选用顶管机时要确保施工安全，这是必须遵循一基本原则。

例如，在穿越覆土较浅的河流时，首先应选远距离控制的泥水平衡或土压平衡顶管机。

因为在一般情况下，它们不需要人常待在管道内，所以，比机内控制的顶管机来得安全。

（4）、施工经济性原则
这一原则是需要有较专业而全面知识的人，在众多的机型和工法中，从顶管机的售价、施工的速度、施工质量的把握、弃土的处理……等一系列的问题进行优化、组合，从中筛选出最经济的机型。

下面就一些常见的顶管机的结构、基本原理以及它的特性作个简单介绍，供各位在选用顶管机时参考。

2、泥水平衡顶管机
（1）、面板式泥水平衡顶管机
图1至图3是日本早期开发成功的面板式泥水平衡顶管机的典型产品的外形。

它们的主要结构有带面板的且可旋转的刀盘、刀盘后面设有泥水仓、与泥水仓相通的进排泥管和机内液压纠偏系统。

图1 面板式泥水平衡顶管机之一
图2 面板式泥水平衡顶管机之二
图3 面板式泥水平衡顶管机之三
泥水平衡顶管机的面板上都开有数条进泥槽，在进泥槽的两侧安装有切削土砂的刀具。

进泥槽的数量与顶管机的外径的大小有关：外径小的，进泥槽的数量就少；外径大的进泥槽的数量就多。

进泥槽的开口面积的总和与顶管机刀盘断面面积之比被称之为谓刀盘的开口
率，它用百分比表示。

顶管机开口率的大小与土质有关：土质越软开口率越小；土质越硬开口率越大。

在淤泥一类很软的土中，其开口率在5%～8%之间；在粉土、粉沙、沙一类土中，其开口率在10%～20%之间。

为了防止大的泥块进入泥水仓引起进排泥管堵塞，有许多顶管机也把进泥槽分隔成一个个小方孔。

这类顶管机的刀盘主要是用来切削土砂的，当它的开口率很小时刀盘也起到平衡土压力作用，可防止挖掘面的坍塌。

不过，通常它的平衡作用都是由充满泥水仓内的有一定压力和比重的泥水来承担的。

由于这种泥水中含有一定的作泥材料，且具有一定黏度和比重，所以它在本质上有别于清水。

它能在挖掘面上形成一层泥膜，能防止地下水与泥水仓内的泥水间相互渗透，从而可使泥水仓内保持一定的压力，这种泥水压力可以起到平衡土压力和地下水压力作用。

根据不同的土质泥水比重可在1.01～1.30之间选取，漏斗粘度可在24～60秒之间选取。

原则上粘性土可取下限，砂性土则应取上限，具体情况还需根据施工条件而定。

泥水管理是这类顶管机的管理重点：管理得好则地面沉降小；管理得不好则地面沉降大，甚至于可能开天窗。

这类顶管机适用于含水量高的淤泥质粘土、粉土、砂土，它可在高水压土层和高承压水土层中施工。

这类顶管机不适用于含水量低的固结性粘土；也不适用于渗透系数很大的或者无地下水的粗砂、砂卵石；还有，若在覆土深度小于2倍管外径，且管顶上方无隔水层的土层中进行顶管施工，也不宜采用这类顶管机。

（2）、刀排可伸缩的泥水平衡顶管机
从面板式泥水平衡顶管机的结构改良而来的是日本伊势机公司
一种刀排可伸缩的泥水平衡顶管机，他的外形如图4所示。

图4 刀排可伸缩的泥水平衡顶管机
这种顶管机的面板上布置有一排一字形的刀排，刀排上安装有许多呈八字形的切削刀，刀排可用油缸来控制其伸缩。

当顶管机遇到较硬的土或在顶进速度加快时需要增加进土量的情况下，可让刀排往前伸，这样，进土口增大，进土量也增多。

反之，当顶管机遇到较软的土或在顶进速度减时慢需要减少进土量的情况下，可让刀排往后缩，这样，进土口减小，进土量也减少。

当顶管机停止工作时，可把刀排往后缩到底，这样就完全关闭了进土口，可避免挖掘面上产生塌方。

图5是扬州广鑫机械有限公司生产的一种两组刀排可轮流伸缩的泥水平衡顶管机，该机主要是为了适应长距离顶管而专门设计的。

它有两组呈十字形布置的刀排，每组刀排都设有八字形的切削刀，且每把切削刀都可以转动一定的角度。

假如当一组刀排伸出，且刀盘向右旋转时，则设在该组刀排上右边的切削刀切削土体。

若此时刀盘改
向左旋转，则设在该组刀排上左边的切削刀切削土体。

假设该组刀排上的刀磨损得无法正常工作时，可把该组刀排缩回，然后伸出另一组刀排继续工作。

图5 刀排可轮流伸缩的泥水平衡顶管机
假设现在要进行1200m的长距离顶管，每组刀排只须承担600m 距离的土体切削工作。

再假设刀盘在600m的顶进中，向左转的时间与向右转的时间相等，那末，每一组切削刀只须承担300m距离的土体切削工作。

这类顶管机的适用范围为与面板式泥水平衡顶管机基本相同，但它更适用于软土和沙性土。

（3）、刀排和刀盘都可伸缩的泥水平衡顶管机
从面板式泥水平衡顶管机的结构改良而来的第二种是刀排和刀盘都可伸缩的泥水平衡顶管机，最典型的就是我国最早引进的日本伊势机公司的Telemole泥水平衡顶管机，该机外形如图6所示。

图6 Telemole泥水平衡顶管机
Telemole是为在软土中进行顶管施工而专门设计的一种顶管机，它在机外进行远距离操作。

它的刀盘是一个用油缸控制的、可以前后伸缩的圆盘，向前可伸出壳体50mm左右，向后可缩进壳体100mm左右。

刀盘上设有螺旋状分布先行切削刀，它们除了切土以外，主要是为了防止刀盘面板的磨损。

它的刀排也是用油缸控制可以前后伸缩的。

在顶管施工时，如果我们把迎面土压力（即控制土压力）设置为8t/㎡，那么，在顶进过程中，当迎面土压力大于8t/㎡时，刀排不动而刀盘就会慢慢地自动往后缩，这时，进土口大了，进的土也多了，随之挖掘面上的土压力就会慢慢地降下来；反之，当迎面土压力小于8t/㎡时，刀排仍不动而刀盘则会慢慢地自动往前伸，这时，进土口小了，进的土也少了，挖掘面上的土压力就会慢慢地上升。

它可以把挖掘面上的土压力始终精确的控制在一个波动很小范围内，而且它的
这一过程完全是自动的。

泥水仓内的泥水则是用来平衡地下水压力的，它具有机械和泥水这双重平衡工能，所以用它施工后的路面沉降非常小，控制得好，中心沉降仅5mm左右。

图7所示的是日本伊势机公司生产的MEP泥水平衡顶管机，其工作原理完全与Telemole相同，只是人在顶管机内操作，这种泥水平衡顶管机比较适用于较大地口径。

国内在吸收消化的基础上已有许多大口径的Telemole泥水平衡顶管机。

图7 刀排和刀盘都可浮动的泥水平衡顶管机
上述两种泥水平衡顶管机都是用刀盘来平衡土压力的，用泥水来平衡地下水压力的，是一种具有双重平衡功能的顶管机。

正因为如此，用它们来进行顶管施工时，如果控制得好则地面的沉降特别小。

它们只适用于含水量高的淤泥、粉土、粉砂等软土。

它们不适用于硬土和渗透系数很大的砂卵石以及覆土深度小于1.5倍管外径且管顶上方无隔水层的土层。

它也不适用于在控制土压力大与25t/㎡的深覆土条件下施工。

在粗砂土层中顶进则需严格控制进泥的比重和黏度。

（4）、气压、泥水平衡顶管机
图8 气压、泥水平衡顶管机
图8是一种欧洲流行气压、泥水平衡顶管机的外形，德国海瑞克公司生产的这种顶管机详细结构请参见图9。

图9 气压、泥水平衡顶管机结构
图9中各部分结构及其他的名称分别是：1—刀盘，2—泥土仓，
3—进土孔，4—泥水仓，5—主轴动力箱，6—气压仓，7—电动机，8—泥水，9—气液交界面，10—进气口，11—排泥管，12—隔仓板，13—纠偏油缸，14—旁通阀，15—排泥泵，16—油箱，17—气压仓隔板，18—气压仓，19—气压控制系统。

它与一般泥水平衡顶管机最大的区别在于有一个气压仓⑹，气压仓内充满有一定压力的压缩空气，形成一个气液交界面⑼，在该交界面以下以及是泥水⑻。

除此以外，在泥土仓⑵和泥水仓⑷中也充满泥水。

平衡土压力和地下水压力的泥水⑻的压力是由气压仓⑹内的压缩空气的压力控制的。

压缩空气的压力高，气液交界面就低；压缩空气的压力低，气液交界面就高。

由于空气与泥水不同，泥水是不可压缩的，而空气是可压缩的，所以气压仓内的压缩空气就如同一个强大的弹簧。

不过，这个弹簧的压缩特性很软，调节的精度又非常高，通过气压控制系统⒆可把压缩空气的压力控制在±0.1kPa以内。

因此，气压、泥水平衡顶管机的控制精度是到目前为止，所有平衡顶型管机中最高的一种。

这种管机适用的范围比较广，适用于有地下水的淤泥、粉土、砂土和砂砾，但渗透系数不能太大。

这种顶管机不适用于含水量低的固结性粘土，因为粘土会把整个泥土仓塞满使顶管机无法工作。

（5）、具有破碎功能的泥水平衡顶管机
具有破碎功能的泥水平衡顶管机有四种类型：第一种是锥体破碎的泥水平衡顶管机，第二种是偏心破碎泥水平衡顶管机，第三种是多边形偏心破碎泥水平衡顶管机，第四种是中心轴破碎的泥水平衡顶管机。

其中德国海瑞克公司锥体破碎的泥水平衡顶管机，如图10所示。

它的泥土仓是由喇叭形的壳体和一个转动的锥体组成，喇叭形的壳体上开有许多小园孔，这些小园孔的后方是泥水仓。

被切削和被破碎的泥土、石块通过这些小圆孔进入泥水仓，然后被排泥管排出。

图10 锥体破碎的泥水平衡顶管机
这种顶管机适用于含水量高的淤泥、粉土、砂土、砂砾和含少量的砂卵石的土层，但是，渗透系数不能太大。

这种顶管机不适用于含水量低的固结性粘土，因为粘土会把整个泥土仓塞满使顶管机无法工作。

与此类似的顶管机还有许多，但它们的共同点都是喇叭形的壳体和一个转动的锥体组成。

如图11所示的就是其中的一种。

德国MTS 公司这种锥体破碎的泥水平衡顶管机除了破碎力强大、破碎效果好以外，它还在壳体、锥体和刀排等多处设有喷水口，能向各个方向和泥土仓内的各个部位喷水，如图12所示。

这使得它的适用范围很广，几乎可以用于各种土质。

图11 另一种锥体破碎的泥水平衡顶管机
这种锥体破碎的泥水平衡顶管机除了破碎力强大、破碎效果好以外，它还在壳体、锥体和刀排等多处设有喷水口，能向各个方向和泥土仓内的各个部位喷水，如图12所示。

这使得它的适用范围很广，
几乎可以用于各种土质。

图12 另一种锥体破碎的泥水平衡顶管机在喷水
这种顶管机适用于含水量高的淤泥、粘土、粉土、砂土、砂砾和含砂卵石的各种土质。

是一种全土质的泥水平衡顶管机。

但它必须在地下水位以下施工。