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顶管法施工7.1概述顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种土层地下工程施工方法，主要用于地下进水管、排水管、煤气管、电讯电缆管的施工。它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法。地下管线的非开挖施工法主要内容包括：地下管线的铺设、更换和修复。先在工作坑内设置支座和安装液压千斤顶，借助主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，与此同时，紧随工具管或掘进机后面，将预制的管段顶入地层。边顶进，边开挖地层，边将管段接长的管道埋设方法。7.1.1顶管施工的基本原理施工时，先制作顶管工作井及接收井，作为一段顶管的起点和终点，工作井中有一面或两面井壁设有预留孔，作为顶管出口，其对面井壁是承压壁，承压壁前侧安装有顶管的千斤顶和承压垫板（即钢后靠），千斤顶将工具管顶出工作井预留孔，而后以工具管为先导，逐节将预制管节按设计轴线顶入土层中，直至工具管后第一节管节进入接收井预留孔，施工完成一段管道。为进行较长距离的顶管施工，可在管道中间设置一至几个中继间作为接力顶进，并在管道外周压注润滑泥浆。顶管施工可用于直线管道，也可用于曲线等管道。1-预制的混凝土管；2-运输车；3-扶梯；4-主顶油泵；5-行车；6-安全护栏；7-润滑注浆系统；8-操纵房；9-配电系统；10-操纵系统；11-后座；12-测量系统；13-主顶油缸；14-导轨；15-弧形顶铁；16-环形顶铁；17-已顶入的混凝土管；18-运土车；19-机头顶管施工技术最早始于1896年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。1948年日本第一次采用顶管施工方法，在尼崎市的铁路下顶进了一根内径600mm的铸铁管，顶距只在6米。欧洲发达国家最早开发应用顶管法，1950年前后，英、德、日等国家相继采用。我国较早的顶管施工约在上世纪50年代，初期主要是手掘式顶管，设备也较简陋。我国顶管技术真正较大的发展是从上世纪80年代中期开始。1988年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机。7.1.2顶管施工技术的应用及发展随着时间的推移，顶管技术也与时俱进地得到迅速发展。主要体现在以下方面：一次连续顶进的距离：越来越长顶管直径：向大小直径两个方向发展管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢顶管挖掘技术：机械化程度越来越高顶管线路的曲直度：曲线形状越来越复杂，曲率半径越来越小。按所顶进的管子口径大小分：大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指Ф2m以上的顶管，人可以在其中直立行走。中口径顶管的管径多为1.2～1.8m，人在其中需弯腰行走，大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为500～1000mm，人只能在其中爬行，有时甚至爬行都比较困难。微型顶管的直径通常在400mm以下，最小的只有75mm。按一次顶进的长度（指顶进工作坑和接收工作坑之间的距离）分：普通距离顶管和长距离顶管。顶进距离长短的划分目前尚无明确规定，过去多指100m左右的顶管。目前，千米以上的顶管已屡见不鲜，可把500m以上的顶管称为长距离顶管。按顶管机的类型分：手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式）。手掘式顶管的推进管前只是一个钢制的带刃口的管子（称为工具管），人在工具管内挖土。掘进机顶管的破土方式与盾构类似，也有机械式和半机械式之分。按管材分：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。按顶进管子轨迹的曲直分：直线顶管和曲线顶管。7.1.4顶管施工的分类手掘式顶管施工是最早发展起来的一种顶管施工的方式。由于它在特定的土质条件下和采用一定的辅助施工措施后便具有施工操作简便、设备少、施工成本低、施工进度快等优点，所以至今仍被许多施工单位采用。手掘式顶管机也即是非机械的开放式(或敞口式)顶管机，适用于能自稳的土体中。在顶管的前端装有工具管，施工时，采用手工的方法来破碎工作面的土层，破碎辅助工具主要有镐、锹以及冲击锤等。如果在含水量较大的砂土中，需采用降水等辅助措施。7.2顶管机及其选型7.2.1手掘式顶管机手掘式顶管机主要由切土刃角、纠偏装置、承插口等组成。所用的工具管有一段式和两段式。一段式工具管与混凝土管之间的结合不太可靠，常会产生渗漏现象；发生偏斜时纠偏效果不好；千斤顶直接顶在其后的混凝土管上，第一节管容易损坏。因此，现多用两段式，前后两段之间安装有纠偏油缸，后壳体与后面的正常管节连接在一起。一段式手掘式工具管前段壳体纠偏油缸后段壳体两段式手掘式工具管泥水平衡顶管机是指采用机械切削泥土、利用压力来平衡地下水压力和土压力、采用水力输送弃土的泥水式顶管机，是当今生产的比较先进的一种顶管机。泥水平衡式顶管机按平衡对象分有两种，一种是泥水仅起平衡地下水的作用，土压力则由机械方式来平衡；另一种是同时具有平衡地下水压力和土压力的作用。7.2.2泥水平衡式顶管机泥水平衡工具管正面设刀盘，并在其后设密封舱，在密封舱内注入稳定正面土体的泥浆，刀盘切下的泥土，沉在密封舱下部的泥水中而被水力运输管道运至地面泥水处理装置。泥水平衡式工具管主要由大刀盘装置、纠偏装置、泥水装置、进排泥装置等组成。在前、后壳体之间有纠偏千斤顶，在掘进机上下部安装进、排泥管。泥水平衡式顶管机的结构形式有多种，如刀盘可伸缩的顶管机、具有破碎功能的顶管机、气压式顶管机等。泥水平衡式顶管机结构及施工刀盘可伸缩式泥水平衡顶管机泥水平衡顶管施工的完整系统由顶管机、进排泥系统、泥水处理系统、主顶系统、测量系统、起吊系统、供电系统等组成。泥水平衡顶管施工与其它形式的顶管相比，增加了进排泥和泥水处理系统。泥水平衡式顶管施工的优点：适用的土质范围较广，尤其适用于施工难度极大的粉砂质土层中；可保持挖掘面的稳定，对周围土层的影响小，地面变形小；较适宜于长距离顶管施工；工作井内作业环境好且安全；可连续出土，施工进度快。缺点：施工场地大，设备费用高，需在地面设置泥水处理、输送装置；机械设备复杂，且各系统间相互连锁，一旦某一系统故障，必须全面停止施工。土压平衡顶管机由土压平衡盾构机移植而来，其平衡原理与盾构相同。与泥水顶管施工相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般不需再进行二次处理，具有刀盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、地面和建筑的沉降较小等特点。土压平衡顶管机按泥土仓中所充的泥土类型分，有泥土式、泥浆式和混合式三种；按刀盘形式分，有带面板刀盘式和无面板刀盘式；按有无加泥功能分，有普通式和加泥式；从刀盘的机械传动方式分，有中心传动式、中间传动式和周边传动式；按刀盘的多少分，有单刀盘式和多刀盘式。7.2.3土压平衡式顶管机（1）单刀盘式（DK型）顶管机单刀盘式土压平衡顶管机是日本在上世纪70年代初期开发的，它具有广泛的适应性、高度的可靠性和先进的技术性。它又称为泥土加压式顶管机，国内成为辐条式刀盘顶管机或者加泥式顶管机。图7-9所示的是这种机型的结构之一，它由刀盘及驱动装置、前壳体、纠偏油缸组、刀盘驱动电机、螺旋输送机、操纵台、后壳体等组成。没有刀盘面板，刀盘后面设有许多根搅拌棒。这种结构的DK型顶管机在国内已自成系列，适用于φ1.2~3.0m口径的混凝土管施工，在软土、硬土中都可采用，并且可与盾构机通用，可在覆土厚度为0.8倍管道外径的浅埋土层中施工。单刀盘式顶管机（2）多刀盘式（DT型）顶管机这是一种非常适用于软土的顶管机，如图7-10所示的主体结构，四把切削搅拌刀盘对称地安装在前壳体的隔仓板上，伸入到泥土仓中。隔仓板把前壳体分为左右两仓，左仓为泥土仓，右仓为动力仓。螺旋输送机按—定的倾斜角度安装在隔仓板上，螺杆是悬臂式，前端伸入到泥土仓中。隔仓板的水平轴线左右和垂直轴线的上部各安装有一只隔膜式土压力表。在隔仓板的中心开有一人孔，通常用盖板把它盖住。在盖板的中心安装有一向右伸展的测量用光靶。由于该光靶是从中心引出的，所以即使掘进机产生一定偏转以后，只需把光靶作上下移动，使光靶的水平线和测量仪器的水平线平行就可以进行准确的测量，而且不会因掘进机偏转而会产生测量误差。前后壳体之间有呈井字形布置的四组纠偏油缸联接。在后壳体插入前壳体的间隙里，有两道V字形密封圈，它可保证在纠偏过程中不会产生渗漏现象。小刀盘螺旋出土机纠偏千斤顶多刀盘式土压平衡顶管机工作井（工作坑或基坑），按其作用分为顶进井（始发井）和接收井两种。顶进井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机的始发场所，是承受主顶油缸推力的反作用力的构筑物，供工具管出洞、下管节、挖掘土砂的运出、材料设备的吊装、操纵人员的上下等使用。在顶进井内，布置主顶千斤顶、顶铁、基坑导轨、洞口止水圈以及照明装置和井内排水设备等。在顶进井的地面上，布置行车或其他类型的起吊运输设备。接收井是接收顶管机或工具管的场所，与工作井相比，接收井布置比较简单。7.3工作井及其布置井内布置内容主要包括前止水墙、后座墙、基础底板及排水井等。后座要有足够的抗压强度，能承受得了主顶千斤顶的最大顶力。前止水墙上安装有洞口止水圈，以防止地下水土及顶管用润滑泥浆的流失。在顶管工作井内，还布置有工具管、环形顶铁、弧形顶铁、基坑导轨、主顶千斤顶及千斤顶架、后靠背。其中主顶千斤顶及千斤顶架的布置尤为重要，主顶千斤顶的合力的作用点对于初始顶进的影响比较大。7.2.3顶进工作井的井内布置123456789图7-11顶进工作井内布置图1-管节；2-洞口止水系统；3-环形顶铁；4-弧形顶铁；5-顶进导轨；6-主顶油缸；7-主顶油缸架；8-测量系统；9-后靠背；10-后座墙；11-井壁（1）管节一般为钢筋混凝土管节或钢管节。（2）后座墙是把主顶油缸推力的反力传递到工作坑后部土体中去的墙体，是主推千斤顶的支承结构。它的构造会因工作坑的构筑方式不同而不同。在沉井工作坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁。在钢板桩工作坑中，必须在工作坑内的后方与钢板桩之间挠筑一座与工作坑宽度相等的、厚度为0.5~1.0m的、其下部最好能插入到工作井底板以下0.5～1.0m的钢筋混凝土墙，目的是使推力的反力能比较均匀地作用到土体中去。还要注意的一点是后座墙的平面一定要与顶进轴线垂直。（3）后靠背是靠主顶千斤顶尾部的厚铁板或钢结构件，称之为钢后靠，其厚度在300mm左右。钢后靠的作用是尽量把主顶千斤顶的反力分散开来，防止将混凝土后座压坏。（4）洞口止水圈是安装在顶进井的出洞洞口和接收井的进洞洞口，具有制止地下水和泥砂流到工作坑和接收坑的功能。（5）顶进导轨由两根平行的轨道所组成，其作用是使管节在工作井内有一个较稳定的导向，引导管节按设计的轴线顶入土中，同时使顶铁能在导轨面上滑动。在钢管顶进过程中，导轨也是钢管焊接的基准装置。（6）主顶装置由主顶油缸、主顶油泵和操纵台及油管等四部分构成。主顶千斤顶沿管道中心按左右对称布置。主顶进装置除了主顶千斤顶以外，还有千斤顶架，以支承主顶千斤顶；供给主顶千斤顶以压力油的是主顶油泵；控制主顶千斤顶伸缩的是换向阀。油泵、换向阀和千斤顶之间均用高压软管连接。主顶油缸的压力油由主顶油泵通过高压油管供给。常用的压力在32～42MPa之间，高的可达50MPa。在管径比较大的情况下，主顶油缸的合力中心应比管节中心低5％的管内径左右。（7）若采用的主顶千斤顶的行程长短不能一次将管节顶到位时，必须在千斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。顶铁有环形顶铁和弧形或马蹄形顶铁之分。环形顶铁的内外径与混凝土管的内外径相同，主要作用是把主顶油缸的推力较均匀地分布在所顶管子的端面上；弧形和马蹄形顶铁的作用有两个，一是用于调节油缸行程与管节长度的不一致，二是把主顶油缸各点的推力比较均匀地传递到环形顶铁上去。弧形顶铁用于手掘式、土压平衡式等许多方式的顶管中，它的开口是向上的，便于管道内出土。马蹄形顶铁适用于于泥水平衡式顶管和土压式中采用土砂泵出土的顶管施工，它的开口方向与弧形顶铁相反，是倒扣在基坑导轨上的。只有这样，在主顶油缸回缩以后加顶铁时不需要拆除输土管道。（a）环形顶铁（b）U形顶铁（c）马蹄形顶铁顶铁的断