土压平衡顶管的施工管理

1、土压平衡顶管的施工管理混凝土管篇一、顶管施工的作业程序工作坑基础起重设备升降机洞口止水圈地面设备注浆设备工作坑布置顶管机安装联机调试注浆材料出洞准备基准测量初始顶进下混凝土管测量顶进、排土中继间安装接收井50m全线复测进接收坑图1 顶管施工的作业程序二、工作坑的洞口处理工作坑的洞口应按图2所示的方法处理。图2的左边是工作坑的剖面图，右边是从洞口水平中心线剖开的俯视图。图2 工作坑的洞口处理洞口的左边是用槽钢插入做成的钢封门，槽钢的顶端在工作坑沉到位以后离地面以下最多不得超过1米，且要易于拔起。洞口的中间填的是粘土，洞口的右边是砖墙，工作坑的内壁上安装有洞口止水圈。由于沉井下沉过程中有误差，所以

2、在安装洞口止水圈时应使橡胶圈的中心与管道的设计中心一致，不让管道中心出现偏差，以免止水效果不好。三、工作坑布置工作坑布置除了上述的洞口止水圈安装以外，还包括基坑导轨、后靠板、主顶油缸架等的安装，配电箱和电缆的布置，激光径纬仪的安装和校正。在工作坑布置的同时，地面上起重设备等也应进行。在工作坑布置中还必须加设安全护栏，工作坑布置图如图3所示。 图3 工作坑布置图1待用管、 2顶管机、 3混凝土管、 4洞口止水圈、 5基坑导轨、 6顶铁、 7主顶油缸、 8主顶油泵、 9激光径纬仪、10后靠板。 按标高要求把基坑导轨安放好，导轨的前段应尽量靠近洞口。并且导轨用支撑撑在其左右两侧，把导轨固定好。如果土

3、体比较软，还必须在沉井的洞口内安装上一副延长导轨，其导轨面与基坑导轨相一致。延长导轨的主要功能是防止机头出洞以后而产生偏低的情况发生。延长导轨用砖块和水泥浆砌成一个圆弧形托即可。 基坑导轨安装好以后就可以安装后靠板。后靠板安装要注意使其表面与基坑导轨轴线保持垂直。另外，后靠背如果有空隙最好用素砼填实。然后再把主顶油缸架放下，主顶油缸架的前端必须搁在基坑导轨上，后端在与后靠背保持一定距离后就可用木块垫平。最后再把主顶油缸一一安装在油缸架上。 在主顶油缸架的上方搭上一个平台，它与基坑同宽，长度在后靠背与油缸架前端之间即可。此平台上安装主顶油泵、电源箱等。再接下来把油管及油泵电源接上试车。在此同时，

4、应把主顶油缸前的环形顶铁与主顶油缸联接好。工作坑的布置中要注意以下几个问题：1、基坑导轨一定要安装牢固，不能有松动，一定要水平，否则会使顶管失败。2、后靠板安放要垂直，与井壁之间的空隙要用沙石填实。3、主顶油缸与后靠板要垂直，其合力点最好比管中心低50100mm。4、激光径纬仪前要有护栏，防止人碰撞。四、顶管机安装顶管机放置在导轨上要正，偏转仪显示的偏转角度不应大于1度。另外，因为运输过程中倾斜仪可能松动，所以，还要用水平尺测量一下顶管机的水平状态，同时调整一下倾斜仪的读数，使之与实际状态保持一致。刀盘距洞口约600mm左右，以利于破洞。顶管机安装好以后可通电进行联机调试，因为刀盘的切削外径比

5、顶管机壳体大，所以要在顶管机的壳体前端与导轨之间临时垫上20mm钢板，防止刀盘碰上导轨，试运转后再抽去。试运转正常后可准备破洞口。在破洞之前，洞口必须要有防止土体塌方的措施。这个措施就是设在洞口的钢封门。所谓钢封门，即在出洞口沉井外侧用一排钢板桩把整个洞口封住，可参见图二。然后，把井内洞口的砖墙等拆除，再把顶管机徐徐推进洞内，等洞口止水圈起到作用时，再把钢封门的钢板桩一根根拨去。五、初始顶进 初始顶进可分为三步：第一步是初始顶进开始。我们把从拨去钢封门的钢板桩，顶管机推进洞内开始，一直到第一节混凝土管全部推进土中的全过程称之为初始顶进。在这个过程中，当钢封门拆除以后，可把顶管机刀盘开动，用主顶

6、油缸徐徐把顶管机推入土中。这一过程中应注意两个问题：第一个问题是要防止刀盘嵌入土中不转而顶管机壳体旋转，这时，操作人员应集中注意力，一旦发现有异常应迅速关机。第二个问题是要防止主顶油缸一松，顶管机会后退。后一种情况大多出现在覆土比较深的条件下，顶管机在入土过程中，当土压力超过上限时应立即让其排土。在一般情况下，当顶管机的土仓部分全部入土以后应停下来，做其他准备工作。隔四小时以后再观察土压力表的数值与计算的主动土压力值之间有无误差，若无误差则说明计算数据可靠，如果误差较大，则应对数据作必要的修正，使之符合实际情况。在顶管施工中，初始顶进是一个至关重要的阶段，它的成败将取决于整个顶管过程的成败，务

7、必要引起重视。尤其是方向一定要控制好，最好一直是水平顶进，不能让顶管机爬高，也不能让顶管机太低。初始顶进是顶管的协调初始阶段，不仅要让每一个作业人员熟悉自已的作业过程，而且要让每一个作业人员学会与他人的配合过程。因此，在此阶段的作业指导思想不是求进度，而是求协调好、控制好。可以这样说：初始顶进成功了，这段顶管的一半就成功了。初始顶进也是顶管机及其附属设备调试、走合的过程，也是设备带负载调试的过程。初始顶进还是核对本段顶管一些数据的计算与实际有无误差的阶段。当顶管机推进到可以下第二节混凝土管的最小距离时，就应把第二节混凝土管下到基坑中，如果是软土，那么，必须把它与第一节混凝土管联接成一体。此时，

8、初始顶进也就完成了。以后的顶进也与此差不多。六、人员配置土压平衡顶管作业班的核心人员有三个：一个是土建技术人员，他负责测量、记录和全面管理。另一个是机修工，他负责机头内的操作。再有一个就是电工，他负责主顶油泵的操作。电工和机修工的操作岗位也可以对换，他们俩的另一个任务是负责顶管机械设备的维修、保养和故障处理。这三个是作业班的主心骨。另外，配备的人员是：调浆和制浆1人，基坑内出土则应视距离的长短而定为2至4人，地面上出土1人，管材准备工作1人（主要是贴垫板、整理砼管、安装止水圈、安装注浆管等），起重机作业人员1人；总共每班约有9人。另外，如果安装两套以内的中继间则需增加1人。七、方向校正在初始顶

9、进的后期方可以进行正常的方向校正工作，这是因为如果当第一节混凝土管尚未完全顶入土中就进行纠偏，不仅起不到纠偏作用，反而会带来更多的麻烦。在初始顶进阶段，纠偏时尽量先用纠偏油缸推，而少用或不用纠偏油缸拉。方向校正要领：在整个顶管过程中，方向校正必须遵循小幅度纠、勤纠、看趋势纠的三纠原则。所谓小幅度纠，是指每次的纠偏量要小，不能过大，否则容易发生大起大落、起伏过大。所谓勤纠，则是要经常观察它的趋势而随时纠偏，不要等他发展了一段以后再纠，要让顶管在动态过程中保持方向的正确性。所谓看趋势纠则并非一朝一夕即能掌握的，他需要有一个经验积累的过程。如当顶管机偏向左的趋势在发展时，我们应该把它向右边动。但是，

10、当它向右慢慢地发展成一种趋势时，我们又要及时地把这种趋势减下来，不让其发展下去。所以，这只能在长期操作才能掌握的一种本领。纠偏顺序：在纠偏过程中，一般来讲，高低偏差要比左右偏差难纠。这是因为左右两边的土压力呈对称形态，而上下的土压力不仅不等，还会受到顶管机自重等因素影响，因此它远较左右的复杂。当高低和左右都出现偏差时，一般应以高低偏差的纠正为重点，或者先纠高低偏差，后纠左右偏差。影响方向的因素：尽管影响顶管机方向的因素有许多，但从施工实践来看土质和土压力的控制是影响顶管机方向的主要因素。如顶管机在两层不同的土质中推进时，机头会向软的一层土中偏去，这是毫无疑问的。如果顶管机在左右遇到有不同土质时

11、，如左边遇到一个老的河道或水塘，尽管已埋了多年，它还会向左偏的。土压力控制的太低，且低于顶管机所处土层的主动土压力时，顶管机往往会爬高。倾斜仪：我们在顶管机的前壳体中，安装有一台倾斜仪，用它可判断顶管机的水平状态：如果倾斜仪上显示的数值为正，前机壳则处于上仰状态；反之，倾斜仪显示的数值为负，前机壳则处于俯冲状态。这就为我们判断机头的发展趋势提供了又一可靠的方法。倾斜仪小数点前的数值为度，小数点以后三位分别为十分之一，百分之一和千分之一度。偏转仪：我们在顶管机的前壳体中，还安装有一台偏转仪，用它可判断顶管机的旋转（滚动）状态：如果偏转仪上显示的数值为正，表示顶管机处于顺时针旋转状态；反之，偏转仪

12、显示的数值为负，则表示顶管机处于逆时针旋转状态。偏转仪小数点前的数值为度，小数点以后三位分别为十分之一，百分之一和千分之一度。千万要注意的是偏转仪显示的数值表明顶管机朝那个方向旋转，刀盘就必须朝那个方向转动，不得含糊。且偏转角度越小时，校正越容易，故一般不要让偏转仪的偏转角度大于3度。八、测量激光经纬仪的最长距离只能达300m，由于是直线顶管，测量相对简单。但在机头距接收坑约50m处，必须停下来进行一次全面的测量校核工作，校核方法是由两个测量组分别对机头精确位置进行一次各自独立的测量，最后核对结果。如果相差较大，必须由集团派专门人员到现场解决。另外，为了减少许多计算误差，必须把经纬仪的仰角调到

13、管道的设计坡度相一致：没有坡度的把经纬仪的仰角调到0，有坡度的把经纬仪的仰（俯）角调到与设计坡度相一致。九、土压平衡顶管的原理土压平衡顶管施工是一种全新的顶管施工工艺，它的工作原理可参见图4。A B图4 土压平衡顶管的工作原理当图4B中土压平衡顶管机接通刀盘驱动电动机的电源后，顶管机的刀盘就开始转动，设在每根刀排前面的切削刀头则开始切削土砂，同时设在刀排后的搅拌棒对泥土仓内的土砂进行搅拌。如果土砂中的粘粒含量在以上时，可以不必添加作泥材料。如果顶管机处在砂或砂砾层中且粘粒含量在以下时，则必须向泥土仓内注入以作泥材料为主的浆液，同时把它与被切削下来的土砂一起搅拌。只有当泥土仓内的泥土被改良成具有

14、较好的塑性，流动性和止水性这“三性”时，搅拌才算成功，作泥材料的添加也才算合理。在顶进过程中，假设顶管机顶部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为A，顶管机泥土仓内的压力为B；假设顶管机底部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为C，顶管机泥土仓内的压力为D，那么要达到土压平衡的必要条件是必须使A=B，C=D，如图4 A所示。上述这个假设，只是施工过程中的理论控制值。然而，在不同的土质条件和在不同的施工条件下，我们所采用的实际控制土压力P会有所不同，并且会允许在一定的范围内的波动。为此，我们规定了实际控制土压力P，还规定了实际控制土压力P的上下波动范围在20kPa以内。这在实际施工中，是能较

15、容易地做到的。下面，我们来详细阐述这个问题。顶管机在顶进过程中，其土仓中始终有一个压力，我们称之谓控制土压为P。当控制土压力P小于顶管机所处土层的地下水压力Pw与主动土压力PA之和时，土就涌向顶管机土仓，结果就会造成地面沉降。其原因往往是由于推进速度过慢，螺旋输送机的实际排土量大于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。反之，如果当控制土压力P大于顶机所处土层的地下水压力Pw与被动土压力PP之和时，结果就会造成地面隆起。其原因往往是由于推进速度过快，螺旋输送机的实际排土量大大小于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。螺旋输送机的正常排土量应该为顶管机推进过程中理论排土量的。所谓土压平衡顶管，实际

16、上就是把顶管机土仓内的土压力控制在顶管机所处土层的主动土压力与被动土压力之间，也即：PAPPP式中： PA主动土压力（KPa）； P控制土压力(KPa)； Pp被动土压力(KPa)。这样，在整个顶管施工过程中，顶管机土仓内的压力与顶管机所处土层中的土压力终是处于一种平衡的状态，这就是土压平衡顶管机的基本工作原理。在实际施工过程中，每一项的控制土压力除了计算以外还需在顶进时实测，然后拿实测数据与计算的做比较，修正计算值。实测的方法是在初始顶进过程中，当机头已完全进入土中以后，需停下来，待4小时以后，观察机头内土压力表的实际读数，此读数即可视为主动土压力，每一顶顶进之前的计算数据均需交监理工程师备

17、案。由于主动土压力和被土压力之间的压力值范围较广，同时又由于土压力的变化是一个非常复杂的过程，并且，在计算主动土压力和被动土压力时会因为选取的各种参数不准确就很容易造成误差。所以必须在主动土压力和被土压力之间的这个较大范围中取处于中间的那一段，以减少土压力值的波动所带来的影响。因此，常用的控制土压力的取值方法是在顶管机所处土层的静止土压力的基础上，规定一个上限和下限，具体的计算公式为：Pk0P0式中：K0静土压系数；P0静止土压力（KPa）上述静止土压力系数K0在砂性土中可取0.250.33 之间，在粘土中可取0.330.72之间。而静止土压力则为： P0 h式中：土的容量（KNm3） h覆土

18、深度（m）。主动土压力PA为：PAh ·tg2(4502)-2c·tg(450/2)式中：土的内摩擦角（度）；c土的内聚力（KPa）。被动土压力PP为：Pp=h· tg2(450/2)2c·tg(450/2)控制土仓内土压力的方法有三种：一种是用主顶油缸或第一个中继间的推进速度来调节，在排土量不变的条件下，推进速度快，则土压力上升，反之则下降。用这种方法调节时，曲线变化的斜率较陡，特性较硬。第二种方法是利用调节螺旋输送机转速的快慢来调节土压力。在推进速度保持不变的条件下，螺旋输送机的转速越快，排土量则越大，土仓内的压力就下降，反之则上升。用这种方法调节时

19、，曲线变化的斜率较平缓，其特性比较软。第三种方法是利用顶管机后的主推装置和调速螺旋输送机共同来控制土仓内土压力，用这种调节方法最好，但施工成本高。十、土体的改良顶管机在顶进过程中如果遇到中粗砂或砂卵石层，则必须通过设在顶管机主轴中间的注浆孔和土仓上部注浆孔向土仓内注入10%30% 改良土体用的以粘土、膨润土为主的作泥材料制成的粘稠浆液。加入了这些作泥材料为主的粘稠浆液以后的砂或砂砾，不仅流动性和塑性变好了，而且止水性能也好。当有良好的止水性的土充满螺旋输送机的壳体内以后，地下水就不会从螺旋输送机内喷发出来，因而，这种土压平衡顶管机又可在地下水位高的土质条件下施工，如在河道底下施工，也会十分安全

20、。在加泥过程应做到：1、对于不同的土质应选用不同的泥浆配比；2、对于不同的土质应注入不同的泥浆量；3、对于注入泥浆的管理必须引起足够的重视；4、对于注入泥浆的管理必须讲科学。加入的泥浆是由作泥材料和水经过搅拌而成的。目前常用的作为作泥的材料有三种：一种是化学型的高分子材料，其中有聚丙稀酰胺，它的主要原料为丙稀腈，将它与水的一定的比例混合，经水合、提纯、聚合、干燥等工序即可制成。它是一种高分子聚合物，易溶于水。它具有絮凝性、粘合性、减阻性和增稠性等特性。另一种是膨胀润土，它的主要化学成份为SiO2、AL2O3、CaO、MgO、Na2O+K2O等。它的矿物成份主要是蒙脱石、云母、石英和少量高岭土等

21、。还有一种作泥材料就是粘土。必须指出的是无论是膨润土还是粘土，都必须经过球磨成颗粒很细的粉粒。若如在砂卵石中顶进，其主要的圆砾至卵石土、中等密度、饱和状。砾径一般在30-50mm，大的可达80mm，呈亚圆形，级配较好，中砂和粗砂的含量约为，且渗透系数较大为1.736×10-1。由于土质的渗透系数较大，作泥材料所配成的泥浆应具有较大的稠度，其C型粘度计值在800010000之间，比重在1.301.50之间，具体的可以从以下配合比中选配： 材 料1m3时比 重C型粘度（cp）200#粘土360-390kg1.30-1.508000-10000250#膨润土160-198kg清水810-8

22、30kg泥浆的注入量具体要注多少则须根据螺旋输送机所排出土的状况而定。只有当泥土仓内的泥土被搅拌成具有较好的塑性、流动性和止水性这“三性”时，才能使土仓内的土压力处于一种均匀的平衡状态。加泥以后的塑性和流动性都很好的土充满泥土仓时，泥土仓内的土压力是比较均匀，这就使检测到的土压力较准确，而且使泥土仓内的土压力能较好地平衡顶管机所处土层的静止土压力和地下水压力，才能做到真正的土压平衡。泥浆注入必须有专人负责，对注入压力、注入量、泥浆配比等都应有详细的记录，这些都有待通过初始推进阶段试验以后再决定。十一、注浆减摩注浆减摩是顶管施工中最为经济的一种增加推进距离的手段。减摩剂有三种型：一种是由工厂调配

23、好的注浆减摩材料，使用时只需兑水即可。如浙江临安膨润土矿生产的顶管专用膨胀土即是该种材料中较好的一种。使用时兑上810倍的水，经充分搅拌，膨胀34小时即可用。膨润土须选钠基膨润土，浙江临安是国内为数不多的钠基膨润土矿产地之一。另一种也是工厂里出产的单一高分子材料聚丙稀酰胺。还有一种是用膨润土加上粘剂和分散剂、润滑剂调配而成。这种性能不稳定，其性能会因膨润土的各项指标的差别相差甚远。注浆孔应设在铰节管中，注浆孔中应设且有单向阀。如果不设单向阀，当注浆停止时，管外的泥砂会顺着注浆管流向管内，沉淀下来会把注浆管堵塞。注浆效果的好坏与用和不用单向阀有关。浆液的调制也是一个极须重视的问题。调制浆液时，必

24、须经过充分搅拌。搅拌的方式可以用机械式的，也可以用水力式的。但都必须注意搅拌均匀。调制好的浆液用一枝木质铅笔插入，铅笔能自立于浆液中不倒则可用了。注浆用螺杆泵为好，螺杆泵出来的浆液没有脉动，易于形成浆套，其他的泵效果较差。注浆压力一般只须比地下水压力略高一点即可。不过，这还要看土质而定。如果是粘土，渗漏系数很小，注浆压力也可小一些。如果是砂土,渗漏系数大，则注浆压力也应大一些，而且浆液也稠一些，唯有如此，浆液才能较好地形成二个包裹在管外的浆套。注浆需专人负责，每班的注浆压力及注浆是均需有记录。十二、中继间的使用中继间，也称中继站或中继环。在顶管施工中，使用中继间的目的是为了增加一次顶进的距离。

25、中继间在安放时，第一只中继间应放在比较前面一些。因为，顶管机在推进过程中，推力的变化会因土质条件的变化而有较大的变化。所以，当主顶总推力达到中继间总推力的60%时，就应安放第一只中继间，以后，每当达到中继间总推力的70%80%时，安放一只中继间。在施工过程中，当安放第一只中继间时，其后来的顶进还是采用主顶油缸顶进。此后，当主顶油缸的推力达到总推力的90%时，就必须启用中继间了。中继间分为两后两节，在中继间前壳体内安装有50t油缸若干只，总推力设置应与主顶总推力相等。其结构可参照图5。 图5 中继间在中继间前后壳体之间有两道密封，均为充气式密封圈。而每道密封圈均由充气环和耐磨环两个部件组成。靠近前壳体处的一道充气式密封圈是平时使用的密封圈。当该密封圈损磨后可以启用另一道密封圈。 十三、通风在长距离顶管中，通风是一个不容忽视的问题。因为在长距离顶进过程的时间比较长，人员在管子内要消耗大量的氧气，久而久之，管内就会出现缺氧，影响作业人员的健康。另外，管内的涂料，尤其是钢管内的涂料会散发出一些有害气体；在顶进过程中会遇到一些土层内的有害气体逸出；在作业过程中还会有粉尘浮游在空气中等一些问题，都必须靠通风来解决。常用的通风换气设备有压入式通风换气、抽吸式通风换气，有时也可把两种方式结合在一起使用。十四、地面沉降监测在每段顶管施工的路面上均需要求设