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頂管施工工藝

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

頂管施工的分類

（1)按所頂進的管子口徑大小分：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)按一次頂進的長度（指頂進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。頂進距離長短的劃分目前尚無明確規定，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械式頂管施工方法，其中機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

1、淤泥質黏土：此種軟土的形成是在較弱的海浪岸流及潮汐的水動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。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，強度低的特點。

2、砂性土：由于曾受到海水的沖擊，部分地區沉積層含有海水所搬運的大量沉積物，其中主要為細砂及粉砂。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，呈單粒結構。孔隙比較大，很容易在水動力的作用下產生流沙現象。

3、黃土：凡以風力搬運沉積又沒有經過次生擾動的、無層理的黃色粉質、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、強風化巖：強風化巖是指風化很強的巖石，此種土質的組織結構已大部分破壞，礦物成分已顯著變化，含有大量黏土質黏土礦物。風化裂隙很發育，巖體被切割成碎塊，干時可用手折斷或捏碎，浸水或干濕交替時可較迅速地軟化或崩解。用鎬或鍬可挖掘，干鉆可鉆進。

5、微風化及中風化巖： 微風化巖是指巖質新鮮，表面稍有風化跡象的巖石，強度大于50Mpa，硬度很高的巖石。在此地層中頂進較困難，而且一般頂進距離超過100米時需要更換刀頭。中風化巖較軟，其組織結構部分破壞。礦物成分發生變化，用鎬難挖掘。

以上介紹了常見的幾種土質，從N值為3-40的土質都有。這就需要針對不同的土質情況選用不同類型的頂管掘進機。

⑴多刀盤土壓平衡頂管掘進機

對于淤泥質黏土，由于其土質較軟，切削容易，因此我們可以選用以下所介紹的各種掘進機，對此我們先介紹多刀盤土壓平衡式頂管機。多刀盤土壓平衡頂管掘進機把通常的全斷面切削刀盤改成四個獨立的切削攪拌刀盤，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，由于此機采用了的土壓平衡原理，因此，采用此機進行頂管施工后，對地面及地下的建筑物、構造物、埋設物的影響較小。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于一倍管外徑左右。

從無數的施工實例證明，用此機進行頂管施工作業，不僅安全、可靠，而且施工進度快、效率高。與單刀盤土壓平衡掘進機相比，此機具有價格低廉、結構緊湊、操作容易、維修方便和質量輕等特點。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，的特點是排出的土或泥漿一般都不需要再進行泥水分離等二次處理。施工占地小，對周圍環境污染也很少。它與手掘式及其他形式的頂管施工相比較，又具有適應土質范圍廣和不需要采用其他輔助施工手段的優點。如采用輸土泵的方式出土，頂進效率也很高，平均24小時可頂進15-20米。但是它的缺點也很明顯，由于不是全斷面切削，切削不到的部分只能通過擠壓進入機頭，因此迎面頂力較大，只適合于軟土地質情況下施工，

⑵刀盤可伸縮式泥水平衡掘進機

如需穿越建筑物、構造物、埋設物等對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機，此種機頭的刀盤是一個直徑比掘進機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，也可以單獨伸縮。而且，不論刀盤停在哪一個位置上，切削刀架都可以把刀盤的進泥口關閉。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。刀盤可伸縮式掘進機的工作原理如下：刀盤前土壓力過小時，它就往前伸；刀盤前土壓力過大時，它就往后退。刀盤前伸時，應減小進泥口開度并加快推進速度；刀盤后退時，應加大進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定的范圍內。

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

對于易產生流沙現象的砂性土可根據其含水量及其標準貫入度選用不同類型的掘進機，當標準貫入度較小時可選用多刀盤土壓平衡式掘進機，當標準貫入度較大時，除多刀盤土壓平衡式掘進機以外的以上各種掘進機都適應此種土質。

⑶單刀盤土壓平衡頂管掘進機

對于地質為黃土的情況下我們可采用單刀盤土壓平衡式掘進機和偏心破碎泥水式掘進機。單刀盤土壓平衡頂管掘進機有以下優點：1．適用的土質范圍非常廣。2．施工后地面沉降小。3．棄土的處理比較簡單。4。可在復土層僅為管外徑0.8倍的淺土層中施工。5．有完善的土體改良系統和具有良好的土體改良功能。6．開口率達100％，土壓力更切合實際。

⑷偏心破碎泥水式掘進機

對于地質為強風化巖的情況下我們可采用偏心破碎泥水式掘進機。此機種與普通泥水掘進機的不同點是其頭部。殼體內的泥土倉是一個前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的內壁是用耐磨焊條堆焊的一圈環形焊縫。安裝在殼體泥土倉內的是一個前面小、后面大的錐體，錐上也堆有一環環形焊縫。切削刀呈輻條形焊接在該錐體上，且略微向前傾斜。刀盤的正面焊有堅固而且耐磨的切削刀頭，所有這些構成一個刀盤。這樣，在掘進機工作時，刀盤一邊旋轉切削土砂的同時還一邊作偏心運動把石塊軋碎。被軋碎的石塊只有比泥土倉與泥水倉聯接的間隙小才能進入掘進機的泥水倉，然后從排泥管中被排出。另外，由于刀盤運動過程中，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水泵的泥水能通過此間隙到達泥土倉中，從而保證了掘進機不僅在砂土中，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4--5轉，每當刀盤旋轉一圈時，偏心的軋碎動作達20-23次。由于此機型有以上這些特殊的構造，因此它的破碎能力是所有具有破碎功能的掘進機中的，破碎的粒徑可達掘進機直徑的40%--45%之間，破碎的卵石強度可達200Mpa。此機型的個特點就是它幾乎是全土質的掘進機。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中使用，而且推進速度不會有太大的變化。它的第二個特點是破碎粒徑大，可達掘進機直徑的40%--45%之間。它的第三個特點是施工精度高，施工后的偏差小。它的第四個特點是由于有偏心運動，進土的間隙又比較小，即使用清水作為進水，也能保持挖掘面的穩定。它的第五個特點是可以進行長距離頂進，也可用于曲率半徑比較小的曲線頂進。它的第六個特點是施工速度快，每分鐘可進尺100mm--180mm之間。它的第七個特點是結構緊湊、維修保養簡單、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敞開式掘進機

如頂進管道軸線附近可能存在大的石塊，樁基礎等不明障礙物。我們采用排障方便、成本低廉的敞開式掘進機。地下水位較高的話可采取井點降水等輔助施工方法。另外，對于含水量較少并且N值大于18的黃土和強風化巖，也可采用敞開式掘進機頂進。敞開式掘進機在類似于農田對地面沉降要求不嚴格的情況下也可采用。此種機型的缺點是頂速慢、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的。

⑹巖盤頂管機

中風化巖以及弱風化巖條件下如果地下水含量較高就只能采用巖盤頂管機了。該機型的刀頭類似于牙輪鉆，可以在巖石中頂進，也是一種全土質的機型，但該機種的造價很高，而且目前在國內是一項空白。