大直径长距离顶管施工技术

1、大直径长距离顶管施工技术杜殿锁（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津塘沽 300456）内容提要：天津开发区体育会展排水工程，采用多刀盘土压平衡掘进机顶管技术，2000mm和2200mm四排管同时顶进。一次连续顶进284.5m，属全国最长，累计顶进3650m亦属全国之最。该技术应用，对管路控制满足设计和施工规范，对地表扰动小，同时取得了良好得经济及社会效益，值得推广应用。为长大顶管提供借鉴。关 键 词：大直径 长距离 顶管1 概述1·1 国内外发展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技术，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、河川，地面建筑物、地下构筑物以及各

2、种地下管线等。它始于十九世纪末美国北太平洋铁路铺设工程施工中，我国在二十世纪五十年代才开始试验研究，当初为手掘式顶管，设备简陋。上世纪六十年代至七十年代，上海已经成功研制小口径土压式机械顶管机。1978年前后，上海又研制成功挤压法顶管，1984年前后，我国各地相继引进国外先进的机械顶管设备，同时引进了一些顶管理论、施工技术和管理经验。从此顶管技术和理论上升至一个新水平，简单的手掘式顶管施工由泥水土压平衡掘进机和多刀盘土压平衡掘进机等先进的顶管施工所代替，且一次顶进的距离越来越长，顶管口径越来越大。过去顶管大多只能顶直线，而现在发展成曲线顶管，自动测量、自动记录、自动纠偏技术逐渐成熟。1

3、3;2 天津开发区体育会展排水工程概况天津开发区体育会展排水工程，就是借助国内先进的多刀盘掘进机进行顶管施工的一成功典范。该工程起点为天津开发区泰达大街与太湖路交口，终点为五大街现状方涵，顶管为双向四排管，管径为2000mm和2200mm各两排，其中2000mm顶管2×485m，2200mm·工程量大：共计顶管3650m，为天津市之最，在全国屈指可数；一次顶距长284.5m，在大管径施工一次连续顶距国内最长。管体埋深深浅不一，最深处9.6m，最浅处4.0m，地质条件差（全部为淤泥质软土，土体流动性大，土体的内摩擦角接近于零），周边建筑物、管线较多，且四排管并行，施工难度非常

4、大。天津开发区体育会展排水工程，原设计方案为大开挖施工，鉴于其地质条件差，大多管体埋置较深，周边建筑物多，管线多，明挖施工开挖量非常大，需要支护的工程量亦很大，且对地表周围建筑物安全影响也很大，因此此方案费用高且对周围建筑物不利。开工后经过多次方案论证变更为顶管施工。该顶管施工采用多刀盘全断面掘进机，顶管速度单机每天达到1617m，顶管过程中，采用红外线经纬仪跟踪定位技术，在顶管过程中即时定位，纠偏调整，保证了顶管的设计线路方向，使顶管最大误差仅3cm，精度非常高，得到业主、监理与设计部门的一致好评。1·3 天津开发区体育会展排水工程顶管施工技术特点（1） 大直径顶管施工，且双向四排

5、管同时顶进。（2） 一次性顶进284.5米，且累计顶进距离达3650米。（3） 在地质条件差，周围建筑物多的情况下，地面沉降控制满足规范和设计要求。（4） 采用适用于本工程的多刀盘土压平衡掘进机，顶进速度快，单机1617m/d.（5） 通过各工序施工的严格控制，关键部位进行精确计算，利用自动测量、自动纠偏与红外线跟踪测量相结合，确保了施工安全和精度要求。2 顶管施工顶管施工是借助于主顶推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推至接收坑吊起，与此同时达到敷设地下管道的目的，它是一种非开挖式管道铺设施工方法。2·1 工作坑和接收坑布置及受力分析工作坑是顶进设备的安放场所，是顶管掘进的

6、始发地，又是承受主顶油缸反作用力的构筑物，接收坑则是接收顶管掘进机或工具管的场所。工作坑比接收坑坚固、可靠，尺寸也较大。工作坑和接收坑一般多采用沉井、地下连续墙、钢板桩、混凝土砌块、钢瓦楞板拼装及其他特殊施工方法构筑。本工程根据其土质特点，采用多排咬合深层搅拌桩作工作坑和接收坑维护，其形状采用矩形坑。本工程选址与其他工程不同，它有其优缺点：其优点为排水工程相隔一定距离设有检查井，可以择其方便位置的检查井作其工作坑位置；同时设计检查井井位是确定的，不容改变的，因此又受其制约，在连续几个检查井不能作为工作坑的情况下，其一次连续顶管距离势必会增长，本工程一次顶管长度达到284.8m，就是因此而造成。

7、在连续几个检查井有障碍的情况下，利用长284.8m外两个检查井作工作坑和接收坑。采用多排咬合深层水位搅拌桩作坑壁维护，特别是工作坑后座，它承受所顶管最大推力的反作用力，因此其受力需经过严格检算，防止出现管子被顶坏或后座被顶翻的不良后果。如图1所示，四台主顶油缸，呈左右对称布置，每边两台。假设这个合力p作用在后座墙底边上高度h0的位置上，则有： ph02pj（h1h2） 式中：p主顶油缸总推力h0合力作用点的高度pj每台油缸的推力h1上面一组油缸作用点的高度h2下面一组油缸作用点的高度 很显然：p4 pj 合力作用点的高度h0=（h1+ h2）/2图1 工作坑示意图工作坑的后座必须能完全承受千斤

8、顶油缸总推力p的反力，计算时，我们把钢制后靠背忽略而假设主顶油缸的推力通过后座墙而均匀的作用在工作坑的土体上，它的受力分析如图2所示。反力r应为总推力p的1.21.6倍，以确保安全。则r=b（h2 kp/2 + 2 c h kp1/2+h h kp）式中 r总推力之反力系数，取1.52.5b后座墙的宽度土的容重h后座墙的高度kp被动土压系数，等于tg2（45º/2）c土的内聚力h地面到后座墙墙顶土体高度由式中可知主顶油缸总推力的作用点高于后座被动土压力的合力点时，后座所承受的推力最小，也就是说后座所能承受的推力潜力越大，因此在工作坑施工时，把工作坑相对做得深一些，后座墙埋入土中多一些

9、，使其安全度较大。接收坑与工作坑大同小异，它不需要设置千斤顶后座，尺寸相对较小，坚固程度相对较弱。图2 后座受力分析图2·2 各项工作准备（1）顶管设备主顶采用双油路千斤顶5台（备用一台），四台千斤顶设一个主控台，以使四台千斤顶同时工作，保持步调一致，均匀使力。（2）基坑导轨基坑导轨是安装在工作坑内为管子出洞时提供一个基准的设备。导轨必须具备坚固、挺直、耐磨、不变形等特性。以往施工多采用钢轨作导轨，但往往出现可焊性差，发生裂缝、脱焊等现象，且具有脆性、易断性，因此我们采用正在施工的轻轨工程中采用的pd3型整根新轨，性能比普通u71mn轨得到改善，而且整根轨无焊缝，避免了此类问题的发生

10、。（3）顶铁顶铁作为主顶油缸行程不足时垫块之用，又使主顶油缸几点推力均匀地分布到管端上，同时起到保护管端面的作用，该工程中我们使用弧形顶铁。（4）后靠背后靠背是后座中安装在后座墙与主顶间的钢构件，以往施工中往往简单地采用50mm70mm的厚钢板，由于其刚度较差，本工程中采用由钢板和型钢焊制的钢构件，大大增大了其刚度。（5）出土设备出土设备包括两方面：管内采用小轨道车，由电瓶车带动；管外出土至地面采用小型龙门吊车，以电动葫芦为动力，提升至地面后，龙门吊行走卸至运输车上远运至弃土点。（6）注润滑浆设备顶管施工发展到现阶段都离不开润滑浆及其设备，润滑浆使所顶管道的周边与土体之间摩阻降低一半以上。注浆

11、设备有往复活塞式注浆泵、曲杆泵、胶管泵，前者有较大的脉动性，现在顶管施工中已不太常用，后者在国外施工中较普遍，本工程采用国内普遍使用的曲杆泵，曲杆泵最大的特点所压出的浆液完全没有脉动，而且顶进长达130m亦不使用中继站。（7）管接口采用8mm钢板焊制的t型管接口，同时安装止水圈。（8）顶管管材顶管管材采用丰南管厂生产的优质平口顶管，该管厂在北方周围地区生产能力最强，质量最优且稳定，因此选择该厂为我们生产顶管管材。2·3 顶管施工顶管施工的形式很多，有手掘式顶管，它设备简单、工序少、成本低，对于土质较好的顶管施工亦可采用，因本工程地处沿海地带，土质多为流塑性淤泥，显然手掘式不适宜，其工

12、作效率较低，泥水式顶管施工，它是利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的顶管形式，这类掘进机具有泥水平衡功能，泥水式顶管优点很多，但弃土运输和存放都比较困难，口径越大，泥水处理量越大，用水量亦很大，所需场地大，设备成本高，泥水顶管设备比较复杂，各个部分相互制约，遇透水层泥水压力无法作业。因此我们采用多刀盘土压平衡顶管掘进机进行施工，它对于天津开发区沿海地区软土顶管施工是非常适合的，它利用土压平衡原理，作业安全、可靠和高效，与全断面切削的土压平衡顶管机相比，本机价格低廉，较手掘式效率高得多，与泥水式掘进机相比，弥补了其不足之处。（1）多刀盘土压平衡机构造多刀盘土压平衡顶管掘进机四把切削搅拌刀盘对称

13、地分布在前壳体的隔舱板上，隔舱板把前壳体分为两舱，泥土舱和动力舱，螺旋输送机倾斜状安装在隔舱板上，螺旋杆伸到泥土舱内。隔舱板中心开550mm的人孔（通常是覆盖住的），在盖板中心，安装有一个向后伸展的测量激光靶。前后壳体之间由呈“井”字形分布的8台纠偏油缸联接。后壳体插入前壳体的间隔里有两道密封圈，确保在纠偏过程中此间隔里不会发生渗漏。电气控制系统安装在后壳体内，由电气操作台、机内液压动力源、电气柜，操纵台上安装数字显示仪，可以显示前壳体沿轴线在顶进过程中所处的水平方向的状态，以便于判断高程纠偏的效果或掘进机的趋势。（2）顶管顶进在各项工作准备就绪，确认洞门无任何障碍以后可以进行顶进，顶进分初顶

14、进和正常顶进两个阶段。初顶进是掘进机从顶进开始到第 一节管子接上并与掘进机联好之前的顶进过程，在此之后称为正常顶进。初顶之前，根据开发区淤泥土质，确定四个刀盘中左两个向右转，右两个向左转，这样使掘进机断面上的土压比较均匀，出土顺畅。当刀盘全部起动旋转后，后方主顶油缸起动，徐徐把掘进机往前推动，此时，最好只用下部两主顶，速度稍放慢，同时检查显示盘各项指标方向、水平、压力和前壳体状态是否正常，一有异常立即停止顶进，一切正常后可继续徐徐顶进。当任何一只土压力表所示的压力大于掘进机所处土层的压力下限时，打开旋转输送机排土，当轨道输送车（土斗车）盛满土后，即把旋转输送机关掉，在运土过程中，亦不要把刀盘停

15、下来。在初顶过程中，注意观察掘进与与基准导轨的接触情况是否正常。同时始终观察仪表显示数据有无大的变化，如不正常或有大的变化必须停止掘进，从中找出原因，分析解决后再继续顶进。在第一节管与掘进机联接后继续推进属正常顶进，正常顶进过程中可以纠偏，要勤测勤纠，微纠和对趋势进行纠偏，纠偏过程中如果高程和方向同时产生偏差，此时先纠高程后纠方向偏差。纠偏通过仪表显示和仪器测量双控，仪表显示每时每刻、仪器测量一节管观测一次。在正常顶进中，由于天津开发区的土质为流塑性淤泥，其土压力始终存在，土压力应控制在其上下限之间，顶进时应正确掌握其速度。同样如初顶进一样由于土压力的存在，刀盘启动较困难，因此刀盘在出土完一车

16、后，切削刀盘不可停下来。在顶进过程中，掘进机发生异常，如偏转，此时应在偏向的一侧内加配重，最好是铅块、铁块等。（3）顶管掘进机进洞顶管掘进机在一段顶管完毕后，进入接收坑，这一过程中同出洞一样利用刀盘慢慢把洞封门切削掉或把接收坑封门挤倒，一直往前推直到进洞洞口的止水圈起作用为止，这就完成进洞过程，然后把掘进机导向另一出洞位置，进行下一轮顶管。（4）顶管掘进控制顶管掘进控制主要是通过掘进机自动信号检测和控制，由纠偏系统自动控制实现的，为了核对机器本身的误差，每一节管或几节管后可由人工通过红外线全站仪观测与其比较可以调整其数据参数，重新输入再操作掘进机的纠偏系统，从而达到顶管掘进机的高低和左右方向。

17、顶管掘进的同时，在所穿过的地表设观测点并定期进行观测防止事故发生，在所顶管道3650m，共计912.5m的路线上每5m设沉降观测点一个，每天用精密水准仪进行观测一次，通过观测发现该顶管施工对地表物无扰动，最大沉降点只有3mm，比设计允许公差10mm小得多，控制效果很好。3 几点体会和建议通过天津开发区体育会展区排水顶管工程施工，从施工进度、施工过程控制，更重要的是土压平衡顶管技术的应用无疑是成功的，从中我们得出几点体会：1、现代地下施工技术采用盾构机、tbm掘进机、土压平衡掘进机，它们都代表着先进的施工技术、先进的施工工具。从顶管施工来看，在超大直径顶管盾构掘进机是比较合适的，地质岩层较好可采用tbm掘进机，大、中直径顶管多刀盘土压平衡掘