顶管土压平衡技术PPT课件

1、 第三组 概述 顶管技术目前主要分为气压平衡、土压平衡和泥水平衡三种。其中，土压 平衡技术应用很广泛，因为该技术先进，方便高效，缺点是施工管理要求 较高，施工作业要求严格。 一 、 应用优势 施工不需开挖路面，占地少，能保持地面稳定，避免了城区 道路反复多次开挖的难题，大大降低了对城区 交通、环境的影响。 施工速度较快，昼夜平均顶进1015m，一次性连续顶进距 离最长可达500m 以上，相应缩短了施工工期，提高了施工效率。 工程施工占地少，几乎不受地形地貌变化的限 制，不用对地面上的各种市政设施等管道进行拆迁、重装，不需赔偿损 失，节省了巨大的工程拆迁费。 能大量节约劳动力，一套顶管掘进设备昼

2、夜轮班 作业只需50 人左右就可完成，可大大减少周转材料的 投入。 操作方便，只需在敞开的工作坑内指挥吊装管段 和装拆延长的管线，不需进入渠道内专业，不仅确保了安全生产而且节 约了安全设施费用。 二、工作原理 图示为土压平衡式顶管示意图。 土压平衡式顶管机是利用安装在顶管机最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮 留密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少顶管推进对地层土体的扰动，从而控 制地表沉降，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。 土压平衡式顶管机与泥水平衡式的差异是密封舱内的承压介质 不同。泥水平衡式顶管对应的介质是泥水；

3、土压平衡式顶管对应 的介质是泥土，但是稳定开挖面的基本原理是一致的。由于是管 道内的掘削作业，从地层的应力关系看，相当于卸载。因此要想 使开挖面稳定必须施加相当于卸载的土压与水压。所以土压平衡 必须满足以下两个方面条件： 在顶进过程中，顶管机与其所处土层的土压力和地下水压力处 于平衡状态； 其排土量与顶管机切屑刀盘破碎下来的土的体积处于一种平衡 状态。 土压平衡式顶管的原理示意图如图 土压平衡式顶管属封闭式顶管，顶管推进时其前端刀盘旋转掘 削地层，掘削下来的土体涌入土舱。当掘削土体充满土舱时， 由于顶管的推进作用，致使掘削土体对开挖面加压。当该加压 压力与掘削地层的土压水压相等，随后若能维持螺

4、旋输送机的 排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为开挖 面平衡。要想维持排土量与掘土量相等，掘削土必须具备一定 的流塑性和抗渗性。有些地层的掘削土仅靠自身的流塑性和抗 渗性，即可满足开挖面稳定的要求。此外，多数地层土体的流 塑性和抗渗性无法满足稳定开挖面的要求，为此需加入提高流 塑性和抗渗性的添加材，实现稳定开挖面的目的。 三、开挖面的稳定原理 3.1土压顶管开挖面稳定的必要条件： 1 泥土压必须可以对抗面上地层的土压和水压； 2 必须可以利用螺旋输送机等排土机构调节排土量； 3 对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土 （混入添加材的掘削土）的塑流性和抗渗性提高到满足

5、掘面稳定 要求的水准。 3.2开挖面稳定管理 稳定开挖面的管理重点应以泥土压管理，泥土流塑性管理及掘土量管理为中心。另外，开挖面的稳定状态， 还应根据地层变形测量，开挖面坍塌探查等施工管理数据综合判断。 土压力大小的控制与以下几个方面有关: 1)顶进速度：如果螺旋输送机输土量不变，顶进速度与土压力成正比。 2)螺旋输送机的排土量：如果推进速度恒定，控制土压力与螺旋输送机的排土量成反比。 3)顶进速度与排土量同时改变，也可以控制土压力在规定的范围内。当推进速度提高时，土压力随之上升， 同时也提高了螺旋输送机的排土量。一般来说，土压力应该控制在主动土压力Pa和被动土压里P 之间。 b 如果地下水压

6、力为Pw，则土压力P按下列条件控制：P + Pw P P + Pw。实际上，在覆土比较深的时 候，从P 到P 的变化范围较大，再加上理论计算与实际之间存在误差，所以必须进一步限定控制土压力的 范围。一般把土压力设置在静止土压力 P = 20KPA范围内. + ba ba 0 四.不同地层开挖面的土体改良方法 由于添加材的作用，土压顶管排出的掘削土体几乎均为含水率高和流动性大的土体。所以必须在施工现场对 掘削土体作改良处理，进而作为建设污泥废弃或作再生利用。土体改良方法包括物理方法和化学方法 。 土体改良法 物理方法 化学方法 水土分离法 日晒法 强制脱水法 改良水泥法 石灰改良法 高分子改良法

7、 五.土压平衡顶管机的基本构造 5.1系统构成 图4-30为土压平衡式顶管系统概况图。从设备方面看，与稳定开挖面有直接关系的装置有顶进装置，添加 材注入装置，搅拌装置以及排土装置四种。只有当这些系统均正常工作时，方可确保开挖面稳定 。 土压平衡式顶管系统概况图： 5.2顶进装置 土压平衡式顶管机的顶进装置主要有刀盘，刀具，支承及传动系统组成。 1 刀盘的主要功能 刀盘具有开挖，稳定开挖面及搅拌渣土的功能。、 1）开挖功能：对开挖面的底层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进 入土舱； 2）稳定功能：支承开挖面，具有稳定开挖面的功能； 3）搅拌功能：通过搅拌机构对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有

8、一定的 塑性，通过输送机将土输出，并同日奥正控制土舱中的土压力，防止土层 崩塌和隆起。 5.3 刀盘形式 1）刀盘的正面形状 （ 1）面板型：面板型刀盘可以防止开挖面过度坍塌，有利于开 挖面稳定。有时在面板上设有切口开闭装置可用来调节土砂排出 量，也可以在开挖停止时关闭切口，防止切口引起开挖面坍塌。 开挖黏土性土时，由于土砂粘在面板表面，常常妨碍刀盘旋转， 而且会扰乱开挖面，所以必须予以注意。面板型用于土压平衡式 和泥水平衡式顶管。 （2）辐条型：辐条型刀盘可以减轻切削刀的实际荷扭矩；开口率 大，颗增大排出开挖土砂的效果；将土腔内土压有效传递给开挖 面，而且对前面的道具进行检查或更换较为容易；

9、轮辐的数量由 运行特性确定，轮辐不会使土料在土舱出口有不规则的流动；轮 缘可做成圆柱形或圆锥形机壳一部分，能将其受里分配至各个轮 辐上。他的缺点是轮辐必须承受很大一部分因切削刀盘驱动产生 的力，因而重量大；轮缘在周边增大了摩擦面，从而增大了所需 的扭矩。它多用于土压平衡式。 2）刀盘的纵面形状 刀盘的纵面形状有垂直平行，抽心形和鼓筒形。 （1）垂直平行：垂直平行刀盘是平面切削开挖面的，以平面状 态稳定开挖面。 （2）抽芯形：在刀盘中心装备有突头的刀头，抽芯就是为了提 高开挖性能和方向性而采用的形状。 （3）鼓筒形：鼓筒形刀盘的设计中引入了岩石盾构的设计思路， 主要用于巨砾层和岩基。 3)刀盘的

10、支承方式 如图4-31所示，刀盘的支承方式有中心轴方式，中间支承方式和 周边支承方式。表4-21列出了上述三种支承方式的定义和特点。 这些方式在已知顶管直径，对象土质，施工长度的土压平衡式的 场合下，要考虑到螺旋输送机的直径，位置等进行选定。施工长 度长的时候，从土砂密封的耐久性方面看，大多选择中心轴支承 方式。 5.4 切削刀头 按照刀头的形状划分，刀头的种类有T形刀头，屋顶形刀头，薄壳形刀头和圆盘式刀头，如图4-32所示。T 形刀头和屋顶形刀头主要用于砂，粉砂和粘性土等比较软弱的围岩。薄壳式刀头和圆盘式刀头耐磨性较强， 主要用于砾石层，岩石层和风化花岗岩等硬质围岩。 切削刀头图示 目的 种

11、类名称 切削位置 开挖面 正面的开挖 掘削刀头面板正面 齿轮钻头 先行开挖 山体破碎 先行刀头面板正面 导向钻头 刀具外围保护 开挖阻力减少 外围保护刀头面板正面的外圈部 修整刀头面板外圈部 背面面板保护背面保护刀头掘削刀头背面面板 其他加泥口保护刀头加泥口位置 障碍物切削刀头面板正面外圈部 切削刀头的切削目的和种类 刀具布置原则既要考虑刀盘开挖性能又要考虑渣土的流动性及开挖面的稳定性。顶管机刀盘开挖性能主要 通过刀具的选择和布置来保证；渣土的流动性则需要合理布置开口及结构形状，配置渣土改良材料的注入 口及刀盘背面搅拌棒；开挖面的稳定性通过刀盘开口率来控制。因此顶管机刀盘需要充分考虑顶管开挖面

12、 的地质情况，进行针对性的设计，合理选择刀具，保证刀盘结构的强度和刚度。 （1）施工时会遇到各种复杂不同的地层，地质资料提供的只是 部分的钻探资料，还不能完全准确反映实际地质情况，会有误 差，因此在顶管机刀盘选型时必须考虑对地质进行充分的分析 和研究，刀盘及刀具配置要有一定的富裕和能力储备。一般每 个轨迹上至少布置俩把刀具，在周边工作量相对较大，可适当 布置较多刀具。考虑刀盘的正反旋转切削，刀具应对称布置。 刀具一般采用螺栓固定便于更换。切削刀伸出刀盘面板的高度 应该保证渣土的流动，防止刀盘面板与开挖面间产生泥饼。 (2) 不同地质地层需要合理配置不同刀具。软土层只需要切削 型刀具；软岩地层除

13、配置切削型刀具外，还需要配置双刃滚刀 或齿刀；硬岩地层处配置切削型刀具外，还需要配置单刃滚刀 或齿刀。 （3）刀具的位置应充分考虑刀盘的受力性能，力求刀径向载荷 的合力通过刀盘的中心，使主轴的承受力状况良好。考虑到刀 盘受力的均匀性，刀具布置应具有对称性。 (4)刀具固定点在切削轮面上形成螺旋线，这样在开挖时刀具 可以相互支撑。 （5）刀具是易损件，因此必须进行定期检查，维护保养，使刀 盘和刀具保持完好状态。当刀具磨损量在815mm时，需要进 行刀具更换。刀具的磨损量颗根据刀盘的转动距离和刀盘的磨 损量的关系曲线估算。 （6）刀具直径应考虑刀具磨损后开挖直径大于顶管机切口环的 直径，保证顶管姿

14、态的调整。 （7）在曲线半径小的情况下进行掘进时，为了保证顶管机的调向，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上应 配置有扩孔刀和仿形刀（仿形到的类别有滚刀型和齿刀型，需要根据地质情况确定） （8）为提高刀盘的寿命，刀盘面板及周围应焊有耐磨条。 5.5 刀盘转速的确定 对顶管机而言，高速较为有利，这是因为：顶管机的推进速度= 切削刀盘切入深度。在相同的掘进速度情况下，刀盘转速高速 时的切入深度比低速时小，与切入深度成正比的刀盘扭矩 推进 力相对较小;,因此刀具承载负荷也就相对的较小，在顶管反馈参 数信息允许的前提下可提高掘进速度。 但刀盘转速在高速时对软弱围岩的扰动较大，有可能造成围岩 失稳而坍塌，同

15、时高速时出土较快，会增大螺旋输送机的工作 负荷。因此，在软弱围岩的地质情况下，刀盘转速主要选用低 速。但为使顶管机充分发挥效能，在条件允许的情况下还应尽 量地选用高速。 5.6刀盘驱动方式 刀盘机构对传动的要求为 1传动可靠，具有防止过载功能； 2具有调速功能，可以实现正反转； 3维护简单，控制方便，具有价格优势。 刀盘驱动形式主要有液压驱动和电机驱动两种。液压驱动有液压马达通过减速装置驱动刀盘旋转，而电机 驱动是由电机通过减速装置驱动刀盘旋转。前者通过改变泵 流量进行调速，后者通过变频或变极调速。液压驱动能够调速方便、过载保护能力强，但效率相对变频电机 驱动较低。对于功率可控制的液压驱动，最

16、大旋转速度时扭矩通常只有其最大值的三分之一到一半。随着切 削刀盘阻力的增大，刀盘转速会自动减小到切削刀盘停止。切削刀盘功率较大，一般采用多马达驱动（一般 为偶数）。使用液压马达一般是低速大扭矩马达和高速小扭矩马达。前者不需要减速箱，或需要传动比较小 的减速箱，后者需要较大的传动比的减速箱。 六 添加材注入装置 6.1添加材 对于砂性地层而言，刀盘切削下来的泥土很难形成流塑性，很 难满足排土装置直接排放的条件。因此必须向这种掘削地层中 注入添加材，以便改变其流塑性和抗渗性，从而达到排土装置 可以排放的条件。通常使用的添加材有膨润土、粘土、陶土等 天然矿物类材，高吸水性树脂类材料、水溶性高分子类材

17、料或 表面活性类特殊汽包剂材料。 6.2注入装置 添加材的注入装置有添加材的注入设备、添加材注入泵、输入添 加材的管道以及设置在刀盘中心转头前端的添加材注入口等。 考虑到掘削泥土和添加材的搅拌混合效率，可以把主入口设在 刀盘中心突出头的前面、辐条上及土舱隔板上。因为注入口直接 与泥土接触，需配置防止泥土和地下水涌入的防护头和逆流防止 阀。注入口的设计数量与顶管的直径、刀盘的支承方式、刀盘的 形状等有关。多个注入口的情形下应保持个注入口的喷射量均 等 。 6.4搅拌装置 搅拌机构的功能是搅拌注入添加剂后的舱内掘削土体，提高其 流塑性，严防堆积粘固，提高排土效果。搅拌机必须在刀盘的 开挖部位、取土

18、部位有效的使土砂进行相对运动，防止发生共 转、附着、沉淀等现象。顶管机以下构件都能起到搅拌作用： 刀盘：刀盘上的刀具、轮辐、中间梁在开挖过程中叶起到搅 拌作用； 刀盘背面的搅拌翼； 设置在螺旋输送机芯轴上的搅拌翼； 设置在隔壁上的固定翼 6.5排土装置 螺旋输送机是一种可以将开挖装置挖掘下来的土方排送至后方 运输机械的装置，它由螺杆、外壳、排土闸门等部件组成。螺 旋输送机是土压平衡式顶管机的重要组成部分。 1) 螺旋输送机的功能 螺旋输送机的功能主要有以下三点： 运送在切削土舱中切削下来的土； 在螺旋输送机内充满形成螺旋状连续体的切削土，提高止水效 果； 保证土压平衡。 2)出土量的控制 出土

19、量的控制是影响开挖面稳定和周边地基的重要因素，所以必 须充分注意管理： 出土量的控制通过闸门的开度来调整； 出土量的控制靠推进速度及螺旋输送机内的螺旋转速来调整； 出土量的控制要密切配合刀盘的切削速度，使之尽量相等，土 舱内既充满泥土， 又不至于过于饱满。 3）螺旋输送机的形式 螺旋输送机的形式大致区分为有轴和无轴两种形式。挖掘砾石地 层时，需按排土能力研究输送机形式和尺寸大小。尤其在透水性 好的土质条件下使用无轴式时，需认真研究止水性等压力保持能 力。 对于中间有轴的螺旋输送机，能通过的最大土块尺寸可达其净直 径的40。在含有岩石的土层中，为了尽量增加螺旋输送机通 过土块的能力，则采用无轴的

20、螺旋输送机。但是当无轴的螺旋输 送机被堵塞时，由于只有螺旋叶片，故结构较为软弱，它不能通 过反转来消除堵塞，否则螺旋输送机在套管内会立刻被扭坏。 4）螺旋输送机转速控制 螺旋输送机的转速通过顶管推进油缸伸长速度信号及土舱内的土压信号来 控制。另外，系统还需设反馈回路，以消除误差。 5）螺旋输送机的安装位置 螺旋输送机的安装位置与刀盘的支承形式有关。应尽量将其安装在位置较 低处，因为土料是利用其自身重量压入螺旋输送机开口中的。当螺旋输送 机位于中心时，必须将在开挖室下部的土料向上压送以克服重力作用。 6）螺旋输送机驱动形式的选用 螺旋输送机的驱动装置由电动机行星齿轮减速器及联轴器组成。减速器 型

21、号可根据选定的电动机功率及螺旋输送机与电动机转速之比确定。 七 坑内土体运输设备 管道内土体运输方式有两种，即轨道方式和土砂泵运输。 1轨道方式 顶管开挖出的土方经皮带运输机传送到矿车，由电机车、卷扬机或者人工牵 引到洞口或工作井，后者再经垂直起吊送至地面。有轨运输一般不能实现连 续顶进作业，施工效率比较低。但是有轨运输方式特点是不为掘削渣土的性 状所限，从泥浆到砂砾和卵石的所有泥沙几乎都可运输，还可兼用于运进器 材和机械。对于有轨运输，一般经螺旋机排出的土体，再经过皮带输送机输 送到土箱内。所以，皮带输送机的选型应该与螺旋输送机和顶进速度相协调。 土砂泵运输 将经过刀盘切削搅拌并进过螺旋输送

22、机搅拌的土体，通过土 砂泵和管道直接压送到地面。对于大部分土质，应在开挖面压入 一定数量的膨润土泥浆，使得土体成为塑性流动状态，以便土体 能够顺利地输送到地面。该方法能够实现连续顶进，对提高工效 施工现场的文明施工都比较有利。土砂泵排土系统见下图。根 据压送泵的构造种类不同，压送渣土的距离不同，泵的种类有 单轴螺旋泵伸缩式筒状泵旋转叶轮泵等。 土压平衡式顶管机与泥水平衡式的差异是密封舱内的承压介质 不同。泥水平衡式顶管对应的介质是泥水；土压平衡式顶管对应 的介质是泥土，但是稳定开挖面的基本原理是一致的。由于是管 道内的掘削作业，从地层的应力关系看，相当于卸载。因此要想 使开挖面稳定必须施加相当于卸载的土压与水压。所以土压平衡 必须满足以下两个方面条件： 在顶进过程中，顶管机与其所处土层的土压力和地下水压力处 于平衡状态； 其排土量与顶管机切屑刀盘破碎下来的土的体积处于一种平衡 状态。 土压平衡式顶管的原理示意图如图 3.1土压顶管开挖面稳定的必要条件： 1 泥土压必须可以对抗面上地层的土压和水压； 2 必须可以利用螺旋输送机等排土机构调节排土量； 3 对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土 （混入添加材的掘削土）的塑流性和抗渗性提高到满足掘面稳定 要求的水准。 3.2开挖面稳定管理 稳定开