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頂管施工工藝

頂管技術(shù)也被稱為液壓頂管技術(shù)。該施工方法的實(shí)質(zhì)就是，所要頂進(jìn)的管道在主頂工作站的作用下(有時(shí)需要中間站或中繼站輔助)，由始發(fā)井始發(fā)，頂進(jìn)至目標(biāo)井。在施工中，通過位于節(jié)管道的可控頂管機(jī)(或盾構(gòu)機(jī))，可以實(shí)現(xiàn)直線或曲線頂進(jìn)，一般情況下，頂管機(jī)的操作和控制可以直接在地下的工作現(xiàn)場(chǎng)由操作人員來完成，特殊情況下(如微型隧道施工技術(shù))，也可以通過位于地表的控制臺(tái)進(jìn)行遙控。巖石的破碎方法可以在工作面上通過手工、機(jī)械或者水力的方法進(jìn)行分步破碎來實(shí)現(xiàn)，也可以通過機(jī)械全斷面破碎來實(shí)現(xiàn)。破碎下來的巖粉或泥土可以通過壓力墻上的進(jìn)土口進(jìn)入頂管機(jī)，并通過已鋪設(shè)好的管線運(yùn)至地表。

頂管施工的分類

（1)按所頂進(jìn)的管子口徑大小分：大口徑、中口徑、小口徑和微型頂管四種。大口徑多指Ф2m以上的頂管，人可以在其中直立行走。中口徑頂管的管徑多為1.2～1.8m，人在其中需彎腰行走，大多數(shù)頂管為中口徑頂管。小口徑頂管直徑為500～1000mm，人只能在其中爬行，有時(shí)甚至爬行都比較困難。微型頂管的直徑通常在400mm以下，小的只有75mm。 

(2)按一次頂進(jìn)的長度（指頂進(jìn)工作坑和接收工作坑之間的距離）分：普通距離頂管和長距離頂管。頂進(jìn)距離長短的劃分目前尚無明確規(guī)定，過去多指100m左右的頂管。目前，千米以上的頂管已屢見不鮮，可把500m以上的頂管稱為長距離頂管。 

(3)按頂管機(jī)的類型分：目前，頂管施工常采用的施工方法分為敞開人工手掘式和密封機(jī)械式頂管施工方法，其中機(jī)械式頂管施工常用的施工方法又有泥水平衡式和土壓平衡式兩種。

(4)按管材分：鋼筋混凝土頂管、鋼管頂管、玻璃夾砂鋼管頂管、球墨鑄鐵管頂管等。 

(5)按頂進(jìn)管子軌跡的曲直分：直線頂管和曲線頂管。 

目前頂管所常見的幾種土質(zhì)

1、淤泥質(zhì)黏土：此種軟土的形成是在較弱的海浪岸流及潮汐的水動(dòng)力作用下逐漸形成的。土的顏色多呈灰色或黑灰色，光潤油滑且有腐爛植物的氣味，多呈軟塑或半流塑狀態(tài)。其天然含水量很大，一般都大于30%，飽和度一般大于90%，液限一般在35-60%之間，軟土的天然重度較小，約在15-19KN/m3之間。孔隙比都大于1，因其天然含水量高、孔隙比大，就帶來了軟土地基變形大，強(qiáng)度低的特點(diǎn)。

2、砂性土：由于曾受到海水的沖擊，部分地區(qū)沉積層含有海水所搬運(yùn)的大量沉積物，其中主要為細(xì)砂及粉砂。由于含黏土的成分較少，我們可稱之為砂性土。砂性土的土顆粒較一般的黏土大，一般在20μ以上，土顆粒之間的凝聚力較小，呈單粒結(jié)構(gòu)?？紫侗容^大，很容易在水動(dòng)力的作用下產(chǎn)生流沙現(xiàn)象。

3、黃土：凡以風(fēng)力搬運(yùn)沉積又沒有經(jīng)過次生擾動(dòng)的、無層理的黃色粉質(zhì)、含碳酸鹽類并具有肉眼可見的、大孔的土狀沉積物成為黃土（也稱原生黃土），其它成因的、黃色的、又常具有層理和夾有砂、礫石層的土狀沉積物稱之為黃土狀土（也稱次生黃土）。

4、強(qiáng)風(fēng)化巖：強(qiáng)風(fēng)化巖是指風(fēng)化很強(qiáng)的巖石，此種土質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，礦物成分已顯著變化，含有大量黏土質(zhì)黏土礦物。風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體被切割成碎塊，干時(shí)可用手折斷或捏碎，浸水或干濕交替時(shí)可較迅速地軟化或崩解。用鎬或鍬可挖掘，干鉆可鉆進(jìn)。

5、微風(fēng)化及中風(fēng)化巖： 微風(fēng)化巖是指巖質(zhì)新鮮，表面稍有風(fēng)化跡象的巖石，強(qiáng)度大于50Mpa，硬度很高的巖石。在此地層中頂進(jìn)較困難，而且一般頂進(jìn)距離超過100米時(shí)需要更換刀頭。中風(fēng)化巖較軟，其組織結(jié)構(gòu)部分破壞。礦物成分發(fā)生變化，用鎬難挖掘。

以上介紹了常見的幾種土質(zhì)，從N值為3-40的土質(zhì)都有。這就需要針對(duì)不同的土質(zhì)情況選用不同類型的頂管掘進(jìn)機(jī)。

⑴多刀盤土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)

對(duì)于淤泥質(zhì)黏土，由于其土質(zhì)較軟，切削容易，因此我們可以選用以下所介紹的各種掘進(jìn)機(jī)，對(duì)此我們先介紹多刀盤土壓平衡式頂管機(jī)。多刀盤土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)把通常的全斷面切削刀盤改成四個(gè)獨(dú)立的切削攪拌刀盤，所以它尤其適用于軟粘土層的頂管。如果在泥土倉中注入些粘土，它也能用于砂層的頂管。另外，由于此機(jī)采用了的土壓平衡原理，因此，采用此機(jī)進(jìn)行頂管施工后，對(duì)地面及地下的建筑物、構(gòu)造物、埋設(shè)物的影響較小。用它可以安全地穿越公路、鐵路、河川、房屋以及各種地下公用管線。其小覆土深度可以相當(dāng)于一倍管外徑左右。

從無數(shù)的施工實(shí)例證明，用此機(jī)進(jìn)行頂管施工作業(yè)，不僅安全、可靠，而且施工進(jìn)度快、效率高。與單刀盤土壓平衡掘進(jìn)機(jī)相比，此機(jī)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、操作容易、維修方便和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。另外，它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量較多的泥漿。它與泥水式頂管施工相比，的特點(diǎn)是排出的土或泥漿一般都不需要再進(jìn)行泥水分離等二次處理。施工占地小，對(duì)周圍環(huán)境污染也很少。它與手掘式及其他形式的頂管施工相比較，又具有適應(yīng)土質(zhì)范圍廣和不需要采用其他輔助施工手段的優(yōu)點(diǎn)。如采用輸土泵的方式出土，頂進(jìn)效率也很高，平均24小時(shí)可頂進(jìn)15-20米。但是它的缺點(diǎn)也很明顯，由于不是全斷面切削，切削不到的部分只能通過擠壓進(jìn)入機(jī)頭，因此迎面頂力較大，只適合于軟土地質(zhì)情況下施工，

⑵刀盤可伸縮式泥水平衡掘進(jìn)機(jī)

如需穿越建筑物、構(gòu)造物、埋設(shè)物等對(duì)地面沉降要求很小的情況可采用刀盤可伸縮式泥水平衡掘進(jìn)機(jī)，此種機(jī)頭的刀盤是一個(gè)直徑比掘進(jìn)機(jī)前殼體略小的具有一定剛度的圓盤。圓盤中還嵌有切削刀和刀架。刀盤和切削刀架之間可以同步伸縮，也可以單獨(dú)伸縮。而且，不論刀盤停在哪一個(gè)位置上，切削刀架都可以把刀盤的進(jìn)泥口關(guān)閉。刀盤加壓裝置是安裝在主軸中的油缸，刀架伸縮油缸則安裝在刀盤加壓裝置的上方。刀盤可伸縮式掘進(jìn)機(jī)的工作原理如下：刀盤前土壓力過小時(shí)，它就往前伸；刀盤前土壓力過大時(shí)，它就往后退。刀盤前伸時(shí)，應(yīng)減小進(jìn)泥口開度并加快推進(jìn)速度；刀盤后退時(shí)，應(yīng)加大進(jìn)泥口開度并降低頂速。這樣，就可使刀盤前的土壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。

使用此種掘進(jìn)機(jī)地面隆沉小，的操作人員可使地面隆沉控制在10mm以內(nèi)。由于采用了泥水作為運(yùn)輸介質(zhì)，在頂進(jìn)的過程中無需停頓出泥，因此它的頂速也很快，24小時(shí)可頂進(jìn)20-30米。缺點(diǎn)也很明顯：由于進(jìn)泥口開度限制，在含有直徑大于6cm礫石的土層中無法施工。

對(duì)于易產(chǎn)生流沙現(xiàn)象的砂性土可根據(jù)其含水量及其標(biāo)準(zhǔn)貫入度選用不同類型的掘進(jìn)機(jī)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入度較小時(shí)可選用多刀盤土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入度較大時(shí)，除多刀盤土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)以外的以上各種掘進(jìn)機(jī)都適應(yīng)此種土質(zhì)。

⑶單刀盤土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)

對(duì)于地質(zhì)為黃土的情況下我們可采用單刀盤土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)和偏心破碎泥水式掘進(jìn)機(jī)。單刀盤土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：1．適用的土質(zhì)范圍非常廣。2．施工后地面沉降小。3．棄土的處理比較簡單。4?？稍趶?fù)土層僅為管外徑0.8倍的淺土層中施工。5．有完善的土體改良系統(tǒng)和具有良好的土體改良功能。6．開口率達(dá)100％，土壓力更切合實(shí)際。

⑷偏心破碎泥水式掘進(jìn)機(jī)

對(duì)于地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化巖的情況下我們可采用偏心破碎泥水式掘進(jìn)機(jī)。此機(jī)種與普通泥水掘進(jìn)機(jī)的不同點(diǎn)是其頭部。殼體內(nèi)的泥土倉是一個(gè)前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的內(nèi)壁是用耐磨焊條堆焊的一圈環(huán)形焊縫。安裝在殼體泥土倉內(nèi)的是一個(gè)前面小、后面大的錐體，錐上也堆有一環(huán)環(huán)形焊縫。切削刀呈輻條形焊接在該錐體上，且略微向前傾斜。刀盤的正面焊有堅(jiān)固而且耐磨的切削刀頭，所有這些構(gòu)成一個(gè)刀盤。這樣，在掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，刀盤一邊旋轉(zhuǎn)切削土砂的同時(shí)還一邊作偏心運(yùn)動(dòng)把石塊軋碎。被軋碎的石塊只有比泥土倉與泥水倉聯(lián)接的間隙小才能進(jìn)入掘進(jìn)機(jī)的泥水倉，然后從排泥管中被排出。另外，由于刀盤運(yùn)動(dòng)過程中，泥水倉和泥土倉中的間隙也不斷的由小變到這樣循環(huán)變化著，因此，它除了有軋碎小塊石頭的功能以外還始終能保證進(jìn)水泵的泥水能通過此間隙到達(dá)泥土倉中，從而保證了掘進(jìn)機(jī)不僅在砂土中，即使在黏土中也能正常工作。一般情況下，刀盤每分鐘能旋轉(zhuǎn)4--5轉(zhuǎn)，每當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，偏心的軋碎動(dòng)作達(dá)20-23次。由于此機(jī)型有以上這些特殊的構(gòu)造，因此它的破碎能力是所有具有破碎功能的掘進(jìn)機(jī)中的，破碎的粒徑可達(dá)掘進(jìn)機(jī)直徑的40%--45%之間，破碎的卵石強(qiáng)度可達(dá)200Mpa。此機(jī)型的個(gè)特點(diǎn)就是它幾乎是全土質(zhì)的掘進(jìn)機(jī)。它可以在N值從0--15的黏土，N值1--50的砂土以及N值10--50的礫石層等所有土質(zhì)中使用，而且推進(jìn)速度不會(huì)有太大的變化。它的第二個(gè)特點(diǎn)是破碎粒徑大，可達(dá)掘進(jìn)機(jī)直徑的40%--45%之間。它的第三個(gè)特點(diǎn)是施工精度高，施工后的偏差小。它的第四個(gè)特點(diǎn)是由于有偏心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)土的間隙又比較小，即使用清水作為進(jìn)水，也能保持挖掘面的穩(wěn)定。它的第五個(gè)特點(diǎn)是可以進(jìn)行長距離頂進(jìn)，也可用于曲率半徑比較小的曲線頂進(jìn)。它的第六個(gè)特點(diǎn)是施工速度快，每分鐘可進(jìn)尺100mm--180mm之間。它的第七個(gè)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、維修保養(yǎng)簡單、操作方便。無論在工作坑中安裝還是在接收井中拆除都很方便。

⑸敞開式掘進(jìn)機(jī)

如頂進(jìn)管道軸線附近可能存在大的石塊，樁基礎(chǔ)等不明障礙物。我們采用排障方便、成本低廉的敞開式掘進(jìn)機(jī)。地下水位較高的話可采取井點(diǎn)降水等輔助施工方法。另外，對(duì)于含水量較少并且N值大于18的黃土和強(qiáng)風(fēng)化巖，也可采用敞開式掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)。敞開式掘進(jìn)機(jī)在類似于農(nóng)田對(duì)地面沉降要求不嚴(yán)格的情況下也可采用。此種機(jī)型的缺點(diǎn)是頂速慢、遇到流沙土層難以控制出土量，因此沉降也是大于以上幾種頂管掘機(jī)的。

⑹巖盤頂管機(jī)

中風(fēng)化巖以及弱風(fēng)化巖條件下如果地下水含量較高就只能采用巖盤頂管機(jī)了。該機(jī)型的刀頭類似于牙輪鉆，可以在巖石中頂進(jìn)，也是一種全土質(zhì)的機(jī)型，但該機(jī)種的造價(jià)很高，而且目前在國內(nèi)是一項(xiàng)空白。