8-掘进第七讲-顶管

第七章顶管掘进技术

()

第一节概述

一、顶管掘进技术概述

1、国内外概况

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。

（1）国外

它最早始于1896年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。

据资料记载，日本最早的一次顶管施工是在1948年，施工地点是在尼崎市的一条铁路下面。（现在，这条铁路也已经废弃了）当时顶的是一根内径为600mm的铸铁管，顶距只有6m，主顶是一种手摇液压千斤顶。用现在的眼光来看，那次顶管的确是非常原始的。直到1957年前后，日本才采用液压油泵来驱动油缸作为主顶动力。

（2）国内

初始阶段：

我国的顶管施工最早始于1953年的北京。

后来上海也在1956年开始顶管试验。但一开始都是些手掘式顶管，设备也比较简陋。

在1964年前后，上海一些单位已进行了大口径机械式顶管的各种试验。当时，口径在2m的钢筋混凝土管的一次推进距离可达120m，同时，也开创了使用中继间的先河。

在此以后，又进行了多种口径、不同形式的机械顶管的试验。由于当时的顶管掘进机的设计还停留在比较原始的阶段，也没有一套完整的理论作指导，施工时又没有针对土的性质因地制宜，所以，当时的顶管掘进机还不够完善。

1967年前后，上海已研制成功人不必进入管子的小口径遥控土压式机械顶管机，口径有700mm—1050mm多种规格。在他们的施工实例中，有穿过铁路、公路的，也有在一般道路下施工的。这些掘进机，全部是全断面切削，采用皮带输送机出土。同时，已采用了液压纠偏系统，并且纠偏油缸伸出的长度已用数字显示。到1969年为止，这类掘进机累计施工距离已达400余米。

1978年前后，上海又开发成功挤压法顶管，这种顶管特别适用于软粘土和淤泥质粘土，但要求覆土深度须大于两倍的管外径。采用挤压法顶管，比普通手掘式顶管效率提高一倍以上。

发展阶段

1984年前后，我国的北京、上海、南京等地先后开始引进国外先进的机械式顶管设备。从而，使我国的顶管技术上了一个新台阶。尤其是上海市政公司引进了日本伊势机公司的内径800mm Telemale顶管掘进机(具有机械平衡土压力和泥水平衡地下水压力的双重平衡和电视遥控功能)以后，随之也引进了一些顶管理论、施工技术和管理经验。随后，诸如土压平衡理论、泥水平衡理论、管接口形式和制管新技术都慢慢地流行起来。

1988年，上海研制成功我国第一台2720mm多刀盘土压平衡掘进机，先后在虹漕路、浦建路等许多工地使用，取得了令人满意的效果。该类机种到目前为止，已有4.6km的累计顶进长度的业绩。

1992年，上海研制成功国内第一台加泥式1440mm土压平衡掘进机。用于广东省汕头市金砂东路的繁忙路段施工，施工结束所测得的最终地面最大沉降仅有8mm，该点位于出洞洞口前上方。其余各点的沉降均小于1mm。该类型的掘进机目前已成系列，最小的为1440mm，最大的为3540mm。该机中的1650mm机种荣获了上海市1995年科技成果三等奖。

到现在管径更大。

到目前为止，顶管施工随着城市建设的发展已经越来越普及，应用的领域也越来越宽。我们知道，顶管施工最初主要用于下水道施工。可是，近来运用到自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环水冷却系统等许多管道的施工中。并在顶管的基础上发展成一门非开挖施工技术、还成立了各种非开挖施工协会，创办了有关的专业刊物。

目前世界最大盾构法隧道成功穿越黄浦江最深处

2006.5我国首台遥控式大截面矩形盾构

该盾构组合后外径可达15.43米

盾构机直径11.38米，总长57米，重1100吨

２、理论、技术发展

随着顶管施工的普及和专业化．它的理论也日臻完善。即使最简单的手掘式顶管施工，也需要从理论上来论证其挖掘面是否稳定的问题。

稳定包括两个方面的内容：第一是工具管前方挖掘面上的土体是否稳定；第二是工具管前上方的覆土土层是否稳定。如果发现有不稳定的现象，就必须采用有效的辅助措施使其保持稳定。

目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。

（1）气压平衡

气压平衡又有全气压平衡和局部气压平衡之分

全气压平衡使用得最早，它是在所顶进的管道中及挖掘面上都充满一定压力的空气，以空气的压力来平衡地下水的压力。

局部气压平衡则往往只有掘进机的土仓内充以一定压力的空气，达到平衡地下水压力和疏干挖掘面土体中地下水的作用。

（2）泥水平衡理论

就是以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的一种顶管施工理论。按照该理论，泥浆水在挖掘面上能形成泥膜，以防止地下水水的惨透，然后再加上一定的压力就可平衡地下水压力，同时，也可以平衡土压力。该理论用于顶管施工始于50年代末期。

（3）土压平衡理论

就是以掘进机土舱内泥土的压力来平衡掘进机所处土层的土压力和地下水压力的顶管理论。

3、顶管类型的变化

现在，长距离大口径的顶管日渐增多。

过去，顶管是作为一种特殊的施工手段，不到万不得已，一般不轻易采用。因此，顶管常被当作穿越铁道、公路、河川等的特殊施工手段，施工的距离一般也比较短，大多在20m 一30m左右。

现在顶管施工作为一种常规施工工艺已广泛地被业主所接受，而且，一次连续顶进的距离也越来越长。现在，一次连续顶进百米已是司空见惯的事，最长的一次连续顶进距离可达数千米之远。

常用的顶管管径也日渐增大，实际施工中，最大的顶管口径已达4m。我国和日本都把3m 口径的混凝土管列入顶管口径系列之中，德国最大的顶管口径为5m。

为了克服长距离大口径顶进过程中所出现的推力过大的困难，注浆减摩成了重点研究课题。现在顶管的减摩浆有单一的也有由多种材料配制而成的。它们的减摩效果之明显已被广大施工单位所认识。在粘性土中，混凝土管顶进的综合摩阻力可降到3kPa(0.3tf／m2)，钢