泥水平衡顶管施工工法—(国家优秀奖)

泥水平衡顶管施工工法

泥水平衡顶管施工工法是机械化顶管施工的主要方法之一，属于机械化、长距离顶进施工技术，该工法在我国沿海富水地区近年来逐步得到推广应用，而在贫水的西北地区，此项技术应用尚属空白，本工法对施工技术管理有较高的要求，主要体现在对顶管设备操作的严谨性、对施工工艺参数计算和选择的准确性和合理性等。为了规施工管理，提高施工技术水平，促进本地区非开挖管道机械化施工技术的应用和发展，在分析西北地区土质、总结成功施工经验的基础上，将泥水平衡顶管施工工法予以推广应用。

一、工法特点

泥水平衡顶管施工工法采用机械掘进技术，其特征为：刀盘将切削的土壤送入泥水仓，然后由送水泵将具有一定浓度的泥水送至挖掘面，通过刀盘充分搅拌后由排泥泵经排泥管道将泥水送至地面泥浆池，经沉淀或分离后泥水可重复利用，残渣外运；掘进过程通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力；采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程中不间断，施工速度快；无需土质改良或降水处理，施工后地表沉降小。通常泥水平衡顶管的主要设备有：掘进机、主顶设备、测量设备、井旁通、控制系统等；辅助设备包括：泥水处理设备、注浆设备、中继间等。

泥水平衡顶管工法示意图

二、适用围

泥水平衡顶管施工工法适用于各种粘土、粉土、砂土和渗透系数较大的砂卵石，也适应强风化岩等恶劣地质条件下的室外给水、排水、电力及其它适用于顶管施工的管道工程。

泥水平衡顶管一般适用于管径D400~2400mm的管道施工，由于泥水平衡顶管顶距长、不需降水、能很好控制地面隆沉、施工安全等特点，并可适用于各类复杂地质条件，因此像穿越重要公路、铁路、建筑物等特殊工程地段、穿越砂层、淤泥质土等特殊地质构造地段应用泥水平衡顶管施工工法，可达到良好的效果。

三、工艺原理

泥水平衡顶管施工技术是利用泥水压力来平衡土压力和地下水压力的一种顶管施工方法。其基本原理是由送水泵将具有一定浓度的泥水送至挖掘面，再经井旁通压力调整阀及调整排泥泵转速来调整进水压力大小，使其平衡地下水压及挖掘面土压力，尽量使掘进机刀盘

在平衡压力下工作，从而可防止由于挖掘面的失稳，造成地面沉降和隆起。

四、工艺流程及操作要点

一）、基本工艺流程

二）、操作要点

1．施工准备

泥水平衡顶管施工前应编制详细的施工组织设计，其中施工方案应包括以下容：

（1）施工依据、容、围

施工方案应依据经过批准的工程文件，按照经过批准的地堪资料进行工艺设计；施工方案应明确施工容和围并绘制施工现场平面布置图。

（2）顶管设备选择

泥水平衡顶管机有多种类型，应根据不同的地质条件选择适用的机型，以达到良好的顶进效果。我公司与广鑫机械设备合作开发的NPD-B多边形偏心破碎泥水平衡顶管机可适用于西北地区复杂地质条件，是一种全土质顶管机。

NPD-B型泥水平衡顶管机可用于用通常意义上的泥水平衡，也可用于全岩石顶管机。NPD-B泥水平衡顶管机的关键是如何保住泥水仓的泥水不让其流失。为此该设备采取三个保水措施：第一、在刀盘上加两块面板，减小刀盘的开口率，隔断大部份泥水流失的通道以保水；第二、在面板上设计注浆孔，向挖掘面上注入粘土泥浆，让泥土仓的把透水性好的粗砂变成不透水性的泥沙以保水；第三、施工过程中把进水泥水的比重设定在1.15～1.20之间，漏斗粘度在45～55秒之间（到施工时视情况经试验确定一个最佳值），让它形成较结实的泥膜以保水。

NPD-B偏心破碎泥水平衡顶管机构造图

改进设计的NPD-B型泥水平衡顶管机仍然可用于粘土等其他土质。采用泥水平衡顶管施工的进度快、顶进阻力也小。

这种顶管机的刀盘是由一组十字形刀排和安装在刀排后的多边形锥体组成。泥土仓则是由一个多边形喇叭状的壳体和刀排后的多边形锥体组成。两个多边形的边数是不等的，且多边形锥体与主轴之间有一固定的偏心量。

多边形锥体的后部安装有一块隔栅板和刮泥板，它们都在泥水仓中随刀盘一起转动。只有当破碎后的泥土、石块小于隔栅板栅孔的间隙时才能进入泥水仓，尔后通过排泥管被排出。如果泥水仓粘聚或沉积有土砂时，就会被刮泥板刮起，通过排泥管排出。

每当刀盘作偏心转动时，它就对泥土、石块形成第一次压碎。由于多边形刀盘的每一个边与多边形泥土仓壳体的每一个边所构成的空间，在刀盘作偏心旋转的过程中，一会儿不断地增大，一会儿变小，这就对泥土、石块形成第二次更为功能更强大的破碎。

当多边形刀盘的每一个边与多边形泥土仓壳体的每一个边所构成的空间在由小变大的一瞬间，即使是粘土，也会拽成一定的缝隙，泥水可通过这些缝隙送达到挖掘面上。加之我们在多边形泥土仓壳体上设有数个高压水喷嘴，一旦送入高压水就会对粘土进行切割、粉碎。因此，多边形偏心破碎泥水平衡顶管机能适用一般泥水平衡顶管机不能适用的聚力很大的固结性粘土。

（3）施工工艺

施工工艺主要包括：顶管区间段长度的确定，是否使用中继间以及中继间的数量和布置；初始顶进的方案及措施；测量及纠偏的方法；长距离顶进减阻的方案及措施；泥水的运输方案。

（4）施工工艺参数的计算

工艺参数计算主要包括：顶力的计算、后背承载力的计算、土压力和泥水压力控制值计算、泥水的稠度控制计算、注浆系统的相关计算等。

（5）顶管工作井的设计和施工方法

工作井的设计和施工方法主要包括以下容：工作井的位置及断面形式的选择；工作井的尺寸；工作井的开挖及支撑方法；后背结构的设计及安装方法；洞口密封的设计；工作平台的支搭方法；工作井的降水措施等。

（6）设备安装调试的技术措施

施工设备的安装、调试的技术措施主要包括：施工设备的安装位置、安装精度和牢固要求、安装顺序、调试方法和要求等。

（7）施工过程控制的技术措施

施工过程控制的技术措施主要包括以下容：工作井管子的吊运的安装、泥水处理、测量等作业的空间布置以及及平行或交叉作业的安排等；顶管入洞及出洞措施；施工过程中操作室与掘进机头、中继间的联络方式等。

（8）质量安全技术措施

质量及安全技术措施主要包括：控制顶进轴线、高程误差及其他质量因素的措施；顶进操作及设备维护的技术与安全措施；控制地面隆起、沉降的措施；穿越重要构筑物的技术与安全措施。

（9）应对突发事件的预案

进行施工过程术、质量、安全的风险分析，制订处理风险事件的应急措施。

（10）顶管施工记录

记录包括顶进过程中的顶进长度、顶力数值或油泵压力表数值、管位偏差及其校正情况、机械运转情况、中继间使用情况、土质水位变化及出现的问题等。

2．工作井

（1）工作井位置的选择应根据管道设计、地形、地层结构、施工环境条件等因素选定。

（2）工作井的开挖深度应满足顶进设备轨道高程及基础厚度的要求。

（3）工作井的结构及支撑应根据开挖断面、挖深、土质条件、