泥水平衡矩形顶管机简介及案例分析

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　　摘要：顶管施工技术最早始于1896年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。1948年日本第一次采用顶管施工方法，在尼崎市的铁路下顶进了一根内径600mm的铸铁管，顶距只在6米。 欧洲发达国家最早开发应用顶管法，1950年前后，英、德、日等国家相继采用。
　　      顶管施工主要用于地下进水管、排水管、煤气管、电讯电缆管的施工。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，是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法。    
　　一随着时间的推移，顶管技术也与时俱进地得到迅速发展。主要体现在以下方面：
　　（1）一次连续顶进的距离：越来越长；（2）顶管直径：向大小直径两个方向发展；（3）管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢顶管；（4）挖掘技术：机械化程度越来越高；（5）顶管线路的曲直度：曲线形状越来越复杂，曲率半径越来越小。
　　1.1顶管施工的基本原理
　　   先在工作坑内设置支座和安装液压千斤顶，借助主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，与此同时，紧随工具管或掘进机后面，将预制的管段顶入地层。边顶进，边开挖地层，边将管段接长的管道埋设方法。
　　1.2顶管施工的分类
　　（1）按所顶进的管子口径大小分：
　　 大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指Ф2m以上的顶管。中口径顶管的管径多为1.2～1.8m，大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为500～1000mm，微型顶管的直径在400mm以下，最小的有75mm。
　　（2）按一次顶进的长度:
　　 普通距离顶管和长距离顶管。可把500m以上的顶管称为长距离顶管。
　　（3）按顶管机的类型分：
　　 手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式 ）。
　　（4） 按管材分：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、其他管材的顶管。
　　（5）按顶进管子轨迹的曲直分：直线顶管和曲线顶管。
　　（6）按掘进的断面分：圆形、矩形、异形断面
　　1.3 顶管法施工的优越性
　　顶管法是使用得最早的一种非开挖施工方法，具有以下五个优点：
　　(1)可以穿越障碍物
　　顶管法施工可以穿越铁路、公路、河流和密集建筑群，可以在城市中心和管线密集的道路下施工；
　　(2)节能环保、绿色施工程度比明挖施工高
　　顶管施工可以减少噪音和振动，减少对附近环境干扰，节能环保，大大的提高了绿色施工程度；
　　(3)对交通的干扰小，无需隔断交通
　　采用顶管施工，开挖部分仅为工作坑和接收坑，土方量较小，对交通干扰小，无需隔断交通；
　　(4)控制精度高，地面影响小
　　顶管法施工竖直和水平向都有纠偏千斤顶控制，能够准确到达预定位置，施工过程中对地面沉隆影响很小，环境效应很好；
　　(5)工期比明挖施工短
　　顶管施工不需要土方回填，管节是预制品，大大缩减了施工工期，提高经济效益和社会效益。
　　1.5盾构法和顶管法的主要异同点
　　相同点：
　　（1）二者都属于暗挖法施工，为地下工程的主要施工方法。（2）二者都要开挖工作基坑（工作井和接收井）。（3）二者工作面的开挖方法，出、进洞施工技术基本相似。（4）二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边环境保护等问题，都要进行注压浆。
　　二  矩形顶管机简介
　　矩型顶管机外型尺寸：长：宽：高＝5.5m：6.04m：4.32m
　　2.1 顶进系统
　　1、主顶系统装置由：后座垫铁、导轨、千斤顶及千斤顶支架、后座泵站组成其作用是完成管道的推进。
　　   主顶液压站：功率22kw×2；泵流量64L/min×2；最高压力：31.5Mpa
　　   总主顶顶力：200t×14＝2800t    总顶进行程：1800mm
　　   顶进速度：20mm～50mm/min
　　2、后靠背设计：选用装配式后垫铁。后垫铁用20mm厚钢板焊成纵横加劲肋的箱形体，为顶管的反力提供一个垂直的受力面，每个千斤顶受力面焊一块500×500mm的30mm厚的钢板，使箱体受力更均匀。
　　后垫铁安装无误后，在后垫铁与工作井后墙空隙间填充浇注水泥砂浆，以使井壁受力均匀，不受破坏。
　　2.2刀盘
　　 1、刀盘尺寸：刀盘为2.5*3.5m矩形面板，
　　 2、刀盘上面布有两种齿具，用高强度合金材料制成：球面齿和平面十字齿，球面齿比平面十字齿高出约2cm
　　 3、转向：两刀盘正常运转只能相互相反转动，不能同时按相同转向运转。当顶管机出现扭转时才能选择性相同方向转动。
　　 4、刀盘摆式转动：全断面切削；
　　 5、刀盘底部有3块刮泥板（黑色部分），底部与机外壳底平齐。工作时可将刀盘底部泥块刮走。
　　 6、刀盘的动力系统；矩型顶管机总功率：240Kw；每个刀盘由4个30Kw电机带动，刀盘转速4.5转/min。
　　 7、曲轴驱动：每个刀盘4个曲轴联动
　　2.3泥水系统：
　　泥水循环过程：净泥浆→泥浆池→进浆泵→进浆管→机内旁通 →顶管机泥水仓（渣土与清泥浆充分混合成浓泥浆）→排浆管→排浆泵→泥水处理器→净泥浆循环使用→砂土运走 。
　　 1、本机为泥水平衡施工：顶管机排渣土采用2套泥水循环系统同时排渣土。
　　进浆泵：37Kw/台，共2台；排浆泵；45 Kw/台，共2台；进排泥浆管：Φ150mm
　　 2、泥水循环排渣的机内旁通工作原理
　　 3、两台“黑旋风”泥水分离器：将泥浆过滤处理，泥浆可循环使用。
　　 4、泥浆指标：根据在此地层顶进的经验，泥浆指标控制切削面土体稳定措施
　　泥浆比重：
　　a 进浆1.05-1.10；b 排浆1.20-1.25
　　泥浆粘度：25s～28s
　　2.4测量导向系统
　　 1、测量系统：由激光经纬仪、测量靶和监示器组成。
　　 2、作用：监示顶管施工过程中顶管机推进的轴线偏差。
　　 3、安装调试：顶管机安放在工作井内的道轨上，调整测量靶中心与管道中心线基本一致，与管道中心线垂直。
　　 4、激光点在测量靶向右移动，表明机头往左侧偏移。机头偏移方向与激光点相反，激光点持续移动时，当偏移量20mm/1000mm必须起动纠偏。
　　2.5纠偏抗扭系统
　　顶管机要按设计要求的轴线、坡度进行顶进。主要是顶进机头部测量与纠偏的相互配合。
　　1、主千斤顶纠编
　　可通过14个主千斤顶上下或左右组合，实现对顶管机姿态的纠编，但由于顶铁的原因，纠偏的范围有限。
　　2、纠偏千斤顶：
　　纠偏力：上下各3组纠偏千斤顶，左右各2组纠偏千斤顶，每组纠偏力120t×2；最大纠偏角：2°
　　纠偏 ：上、下、左、右共计4组，每组2个千斤顶，纠偏不宜多方向纠偏，每次纠偏只能单方向动作。每次单方向纠偏共有三组同时伸缩。 例如：往左纠偏：上、左、右三组千斤顶同时伸缩。
　　3、纠扭翼板：
　　扭转辅助，左右各两组方向相反的抗扭翼板。（伸力：10t/组；收力：15t/组）动作时应需同时左右两边相对作用组伸缩。 例如：顺时针纠扭：左下和右上翼板同时伸出
　　4、刀盘转向纠扭辅助：调换一个刀盘的电源相序，使刀盘转向相同。
　　  例如：顺时针纠扭：刀盘转动方向与扭转方向相反。
　　5、纠偏原则：
　　纠偏是完成管道线型的主要手段。纠偏原则如下：
　　（1）纠偏过程中，纠偏千斤顶伸出时应在停止顶进完成，回缩时应在顶进过程中完成；（2）纠偏量控制：计算轴线的偏差角度与顶管机的纠偏角度一致。（3）纠偏宜按“一次到位、多回调、早纠偏、小纠偏、及时复位”原则，尽量控制偏差保持最小范围内，控制顶管机前进方向和姿态；

　　2.6触变泥浆系统
　　1、触变泥浆作用：
　　（1）管壁四周润滑减阻，
　　（2）触变泥浆及时填充管壁外土体空隙,稳定上部土体；
　　2、触变泥浆的控制：
　　  （1）在顶管机前后段、前3节管应设置触变泥浆管，顶进时不间断压浆；其余管节每隔2～4节管设置一道，顶进时间断补浆。
　　  （2）压浆原则：“先注后顶、随顶随注、及时补浆”。
　　  （3）压浆压力宜控制在0.08Mpa左右，且应高于地下水压力20Kpa。
　　  （4）触变泥浆的性能及配合比应按膨润土的性质确定，按膨润土产品说明的要求制作，按不同的地质调整触变泥浆的技术参数。
　　2.7中继环接力系统
　　1)中继环接力系统（以圆形顶管为例，主要设备：小千斤顶、液压泵站、外壳体组成。油泵站千斤顶外壳.2)中继环接力系统的作用：将整段管道分段推进，减少主推顶力。
　　2.7矩形管节
　　1、本工程采用工厂预制的钢筋砼管节，砼强度C50、抗掺等级P8，每节长1.5m，尺寸为： 6×4.3×0.5m，每节重35t。
　　2、顶管管节吊装及拼装需要，管节沿环向设置预留孔，每边设置两个；
　　3、每环管节沿环向设置10注浆孔，施工过程事注浆减阻，施工完毕后置换双液浆；
　　4、承口接口及防水构造
　　          管片接口采用“F”型承插式，为防止钢套环与混凝土结合面渗漏，在该处设了一个遇水膨胀的橡胶止水圈。
　　三桂城站过街通道工程
　　桂城站过街通道，采用顶管法施工；顶管长度43.5m，穿越南桂东路。管顶覆土深度为4.4m。管道截面外包尺寸6.0m×4.3m；始发井平面尺寸11.5m×12.3m，支护采用600mm厚19.8m深的地下连续墙，基坑开挖深度约11.3m。接收井平面尺寸9.4m×10.6m，支护与始发井基本相同，基坑开挖深度约10.5m。
　　顶管穿越土层主要为淤泥质粉砂。
　　3.1桂城站矩形顶管的重难点
　　1、地质情况复杂，砂层较厚，含水量丰富，连续墙成槽容易倾斜、偏位，旋喷桩难以成型，施工止水困难。2、管顶覆土浅，地面车流量大，顶进时需严格控制顶进速度、轴线偏差、机身扭转、地面沉隆。3、始发井紧邻沃尔玛地下室，顶进轴线上方管线众多。需对地下管线和周边环境进行监测。4、矩形顶管机为新设备、矩形管节为新成品、矩形顶管施工为新技术，其检查验收均无规范指引，只能逐步摸索。
　　3.2桂城站顶管穿越地层地质情况
　　根据地质勘察报告，桂城站过街通道顶管主要穿越<2-2 >淤泥质粉细砂地层，其特征为：<2-2>淤泥质粉细砂(Q3mc):浅灰色，灰色，深灰色，饱和，松散~稍密状。属饱和液化砂土层，而且含量较丰，透水性较好；施工时易因水头产生流砂、管涌、崩塌，亦会因外来震动产生液化。
　　3.3桂城站端头加固方案
　　始发井原加固方案为：
　　         连续墙外采用6排Φ600@450×450双重管旋喷桩加固，整体加固宽度约为2.85m。旋喷桩要求嵌入不透水层0.5m，超过顶管底部10m，桩长19.5m。
　　始发井止水加固补强方案：
　　     采用在连续墙围护结构与原旋喷桩之间补充一道低标号素混凝土墙止水，素混凝土墙墙厚1.0m，在离素混凝土墙前方3.3m设置两个降水井，降水井离洞门侧1.5m。
　　接收井原加固方案为：
　　     连续墙外采用4排Φ600@450×450双重管旋喷桩加固，整体加固宽度约为1.95m。旋喷桩要求嵌入不透水层0.5m，超过顶管底部10m，桩长19.5m。
　　始发井止水加固补强方案：
　　   接收井洞门止水加固方法为紧贴连续墙施工1道800mm厚掺量素混凝土墙
　　3.4地面监测
　　路面测点布置：
　　         在顶管施工前沿轴线布设好地面和管线沉降的监测点。地面沉降观测点沿轴线每隔5米一排布置，每排设五个点，点间距为3米。
　　
　　4.1出洞时端头加固区塌陷事件
　　        2011年5月30日，监理部组织了参建各方对顶管机的始发条件进行了节点验收。同意其始发。
　　          6月1日，尝试顶进40cm; 6月2日，尝试顶进40cm。在顶进过程中，顶管机和主体结构的横框梁、洞门帘板等方面出现了不同程度的漏浆。
　　 1、初始穿墙顶进时，顶进速度为1-2mm/min，刀盘转动较轻松。当时穿墙口上部衬墙与连续墙的止水板缝、纠扭翼板间空隙漏浆，泥水压力为0.03Mpa，压力不能起立在0.08Mpa，泥浆浓度没达到25s，由于过于承包商过于自信出洞后流砂会堵塞缝隙，在这种情况没有处理继续顶进。
　　 2、素混凝土墙宽度为1000mm ，穿顶进墙400mm，由于顶进过快致使刀盘转动时推动机头抬起摆动，刀盘被卡住，承包商决定后退机头150mm多次起动，两刀盘转动，排土时只有少量的碎石。当时也分析刀盘底部堆积较大量的碎石致使刀盘抬动机头。
　　    3、 调整顶进速度为1-2mm/min，刀盘转动较轻松，无振动。穿顶进墙至800mm时，右边刀盘正常运转时突然卡住，之后无法再转动。项目部决定后退机头100mm，经多次起动，两刀盘无法启动。
　　   在顶管机多次后退处理，土仓内泥水压力波动较大，直接造成掌子面及上部土体出现坍塌，机头前方砂土大量涌入进机头泥土仓内，随排浆口大量排出。造成一个2m×2m深0.4m的塌陷区。
　　    4、塌陷区处理：
　　           回填砂土及黄泥，并在面层覆盖混凝土约30cm。
　　4.2刀盘被卡及解困经过
　　 1、 由于本刀盘为矩形、摆式转动，破碎能力较差，初步分析：剩余的200mm厚素混凝土墙在外土压力的推动坍塌，当底部堆积较大量的碎石，致使刀盘抬动机头，以至最终在刀盘运转至下部被卡。
　　 2、刀盘解困
　　措施一：在机头外前方250mm开一排10个孔，间距600mm；采用高压旋喷浓泥浆对刀盘周边积砂喷散，特别是底部的硬块和小碎石冲散, 然后采用直喷泥浆对刀盘积砂进行冲洗,然后转动刀盘。
　　 3、左侧采用高压旋喷措施后，左刀盘恢复转动，右刀盘能转动一些位置，左边进排浆管可以正常循环，右边仍不时堵塞。
　　 4、措施二，采用并排四条直喷泥浆对刀盘积砂进行冲洗。另一端外接2.2kW潜水泵。
　　 5、启动泥水循环，初时排出的碎石量较多，左刀盘转动前排砂量约4m3，多次起动后能正常转动，为了防止再次卡刀，还继续部分排砂。
　　   6、采用同样的方法对右刀盘排砂，但右刀盘只能转动4/5圈，不能全部转动，转到底部被硬块顶住，还是卡住。
　　措施三：采用定点横喷对右刀盘底部沉积物冲散：
　　A、为了加快泥水流速，钢管一端接缩径Φ25弯头，进浆采用4台2.2kW泥水泵，排浆采用原排浆泵。
　　B、不断转动右刀盘1/4圈，减少刀盘压住沉积物。
　　措施四：在刀盘前方10cm外采用Φ400钻机成槽，槽长3.2m，深11m，比顶管机底深1.5m。然后推进，将右刀盘底部的碎石推进孔内，然后转动刀盘顶进。
　　成槽后采用空压机清槽，预计清槽后将顶管机缓慢顶进，将机头处阻碍刀盘转动的渣土推入槽坑中，从而恢复右刀盘转动。
　　在用空压机清渣过程中，渣土将一根Φ150进浆镀锌钢管埋住了，在用吊机拔管时管在接头处断裂，断管遗落在清渣槽中，管段长度6m。
　　措施五：用旋挖钻机在原400mm宽槽段前钻3个直径1000mm的孔，孔深11m，孔串接成槽并与原槽连通成更宽的槽； 派潜水员下去取出断裂钢管，并进一步清除刀障碍物，右侧刀盘脱困。
　　4.3案例的经验教训
　　 1、顶管机设计缺陷：刀盘为摆式，破岩能力差，刀盘下部易被卡。2、泥水循环进、出浆口太近，形成泥水环流较小，土仓底部的易形成沉淀；措施：仓底重新加设四条高压注浆管。3、横框梁、帘布、电机密封等处多处漏浆严重，未及时封堵，直接造成泥水压力较低，掌子面不稳定；措施：漏浆处重新密封处理。4、刀盘下部被卡后，多次让顶管机退缩，造成泥水压力波动大，直接造掌子面垮塌，加固体前的砂土流入土仓。5、矩形洞门环板及帘布比圆形洞门的密封性较差些，再加是频繁后退，也直接造成帘布的二次破坏，造成漏浆严重。措施：重新的帘布外施做一道砼的门式框梁。6、对地层不了解，初始顶进无经验，技术操作规程未指明技术参数指标。措施：明确此地层的掘进参数，各工种均明确技术交底。
　　
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