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1、泥水平衡式頂管施工工藝流程圖 泥水平衡式頂管施工工藝流程圖 王兆銓 紹興磐石基礎工程有限公司 摘 要 介紹泥水平衡式頂管施工原理以及在市政、電力、交通等行業中的應用，比較分析該施工方式的特點 關鍵詞 頂管 施工 應用 隨著日新月異的現代化城市建設進程，我們在為治理環境、解決供水、供電等問題作設施配套建設時，通常采用開槽埋管的辦法進行工程施工。在市區較繁華的街道、在城市繞城主干道、在剛建成的高等級公路主線上，往往能見到許多次圍著安全欄，晝夜作業的開挖場面。施工的地段，一幢嶄新的樓房被拆除，車輛被限速繞道通行，深度開挖引起了周圍構筑物不同程度的沉降，修復后的路面幾年后尚在不停下陷。這一切越來越被人2、們所重視。近幾年，在管線穿越公路主干線時，雖然采用了人工頂管施工方法，但是，由于擠壓式短距離頂管施工而引起路面隆起，人工挖掘式頂管施工而引起的路面沉陷時有發生。如何有效的解決以上問題？一種新型的頂管施工技術泥水平衡式頂管施工工藝，已從日本引進，并在上海、廣州等地廣泛地應用。 這是一種沒有開挖那種混亂場面的管道開挖技術，一種在地面下工作的系統，它是一種全遙控的技術，使工人們遠離危險環境下的工作方式，加上自動平衡的技術來防止地表隆起和沉降，使管道在垂直和水平方向上達到正負1英寸的精確度，這種革命性的技術稱作為頂管施工。頂管施工技術是一種管道鋪裝技術，無需開挖地面，有具大推力的液壓千斤頂可用在有遙控3、裝置的頂管掘進機的后方，使掘進機及緊隨其后的管道穿越土層，達到預先設計的位置上，這就稱為頂管工程。挖掘發生在頂管機的前方，被挖掘物質通過泥漿循環系統用泵排出，到達地表。 微型頂管掘進技術有4個方面優于其它隧道開挖技術：1)、微型頂管掘進機是一種遙控技術，可降低工作強度和提高工作地點的安全性；2)、按照表面土壓由掘進機進行土壓平衡，實際上消除了地下運動及地表沉降，保持了地下土質的原狀性；3)、當有地下水存在時，頂管機無需排水，而且微型頂管掘進機能設計成在各種土壤條件下進行施工；4)、微型頂管掘進機能在幾乎所有的土壤中鋪設管道，從而不破壞地下環境，無需使用昂貴的注漿及抽水技術，其最終結果是完成一條4、完整的管道線，加上絕對小的地表破壞。 1、施工測設與調查 頂管工程從周密的設計開始，由全面的現場勘測及調查報告，還有可能遇到的不同土質，地下水位詳情報告，工程的其它方面的調查，諸如管道的長度、深度、直徑，所頂管道的規格性質，所有的一切都仔細考慮好了，最佳的計劃便制訂成了。 2、工作井與接收井 第一階段要求工作井和接收井，通常建筑在設計線的兩端，在入孔位置上有工作井，另一端有接收井，工作井可以是圓型的，長方形的，但它必須有一定的長度，以便容納頂管設備，尤其是后靠墻液壓千斤頂系統，微型頂管機及井口止水圈等；接收井在另一端，其大小可以撤走微型頂管機頭即可。井的建設可以有以下幾個方法：1）、打板樁法 5、2）、襯砌板法 3）、豎樁和打板法 4）、波紋技術管法 5）、扇形襯固法 6）、預先澆箱結構法（沉井）7）、淺開挖擴展法和鋼板支持式挖掘法。在一些情形下，井的建設需要進行預先治理，地下治理包括：井點降水化學穩定，以及在非常困難條件下的地下凝固。井的建設的方法常常由工程建設需要來定，然而，施工者的個人偏愛、經濟條件及地下水位、土壤特點亦起著主要作用。工作井墻體完成以后，再準備澆筑用于頂管機安裝所需底板來支撐頂管系統，需要時，還要建一部后座板墻來支撐液壓產生反作用力，安裝一個進洞止水圈，頂管進洞前進入止水圈，止水圈由厚大于16mm橡膠板制成，必要時，還需注漿加固，以防止由于地下土質較差，而引起土體6、下坍、流出以及地下水位的噴出。 3、頂管機的工作原理 一旦工作井完成以后，經調試完畢的液壓系統，頂管掘進機便通過運輸至工地，并安裝就位，微型掘進設備包括，操縱室和遙控臺，液壓裝置，后方主油泵，泥水循環裝置，激光定位裝置，減摩劑攪拌注入裝置，泥水處理裝置；其他輔助裝置包括起重機，發電機、卡車、電焊機等。隨后，真正的微型掘進裝置，便被安全地降落到導軌上。應付不同土壤條件的掘進機品種較廣，直徑在于250mm3000mm。掘進開始，微型掘進機被主頂油缸向前推進，掘進機頭進入止水圈，穿過土層到達接收井，電動機提供能量，轉動切削刀盤，通過切削刀盤進入土層。挖掘的土質，石塊等在轉動的切削刀盤內被粉碎，然后進7、入泥水艙，在那里與泥漿混合，最后通過泥漿系統的排泥管由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過程中，采用復雜的土壓平衡裝置來維持水土平衡，以至始終處于主動與被動土壓之間，達到消除地面的沉降和隆起的效果。掘進機完全進入土層以后，電纜、泥漿管被拆除，吊下第一節頂進管，它被推到掘進機的尾套處，與掘進頭連接管頂進以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節管道又吊入井內，套在第一節管道后方，連接在一起，重新頂進，這個過程不斷重復，直到所有管道被頂入土層完畢，完成一條永久性的地下管道。 頂進機在掘進過程中，采用了激光導向控制系統。位于工作后方的激光經緯儀發出激光束，調整好所需的標高及方向位置后，對準掘進機內的定位光靶上，激8、光靶的影像被捕捉到機內攝像機的影像內，并輸送到挖掘系統的電腦顯示屏內。操作者可以根據需要開啟位于掘進機內置式油缸進行伸縮，為達到糾偏的目的，調整切削部分頭部上下左右高度。在整個掘進過程中，甚至可以獲得控制整個管道水平、垂直向30cm內的偏離精度。 4、泥水處理系統： 泥漿系統有兩個作用：送走被挖掘機的渣土和平衡地下水。 泥漿系統是由密封的管道組成，通過機頭循環，形成泥漿混合物，由排泥管送走，最后沉淀在地面上的泥漿池內，泥漿通過眾多的排泥泵被排出。再由進水泵進水送入機頭，排泥由變速的排泥泵進行控制。機坑旁通裝置可控制進排泥漿的速度、方向，以防止泥渣堵塞管道，淤積現場。當挖粘土時，可能使普通粘土，9、有一定的粘合度，可以直接將泥漿排入泥漿池內，但是當挖沙土時，泥漿中必須添加一定的粘合劑（諸如膨潤土等）以增加泥漿粘度，以達到排渣的最終目的。夾帶泥砂的泥漿，可通過振動篩、循環沉淀器、干燥器等，處理分離渣質，泥漿被再用，渣質被積累后處理。 進排泥水系統起著第二個作用：在有地下水存在的地方，掘進機表面的壓力可以降低到小于水中的壓力。這樣避免了抽地下水的需要。進排泥水系統中的壓力感應器可測出地下水的壓力。機內泥水循環系統，電磁閥，旁通裝置及載水閥可以起到調節水壓的作用。機內電磁閥和旁通系統，可以阻止水壓的變化，保持水壓，在加管道時，不至于減小機頭的水壓，保證內部壓力平衡。 5、頂進用管： 管道用于頂10、管時，叫做頂進用管，基本上是一種埋入式的厚壁管，它一端由一個凹形接口、鋼環套、本質墊圈，另一端為一個凸接口、密封圈。當兩者連接在一起時，形成 一個密封永久的管接口。管道的外表面是光滑的。以使它在穿越土層時減少摩阻力，而夾墊圈緩沖兩管端之間的負荷，以降低局部擠壓所形成的壓力差。砼管、PVC管以及玻璃鋼管在頂進中非常多見，但鋼管以及鑄鐵管亦被應用于頂管，其管徑從而50mm到3000mm，每節長度從1m到10m。 6、主頂液壓系統與中繼間*： 主頂液壓系統提供所需的推進力來移動頂管，頂管所需的推進力均由這個系統提供，推力從而200T4000T，范圍廣泛。主頂液壓系統位于工作井的后方，當一段頂管被到導11、向軌上以后，油缸開始工作，緩緩推進，由位于地面的液壓動力站提供動力，加壓到油缸，使推進速度與微型頂管機同步，推進管與油缸的套環確保了油缸的頂力傳遞到頂管，同時，頂管的反作用力通過受壓板將頂管的反力作用于墻上。主頂液壓油缸系統可以是雙沖程的千斤頂，一次推進可以推頂進一根頂管的長度（1m-10m），但是需要有一個較大的工作井，有時為減小工作井的長度，可以設置短程千斤頂，加上可移位的頂鐵，各種雙沖程式和短沖程式的千斤頂，均為了一個目的就是使頂推背有較小的推力和減少工作井。推進頂管所需一定的推進力，這種推力取決于諸多因素，一般根據管道表面積來計算，當掘進長度增加時，管道與土層的摩擦力也會增加，這樣便要12、求更大的頂進力量?？梢栽O置一種作用于管道表面的、起滑潤作用的高分子化合物，來注入于土層與管壁向，形成一層漿套。減摩劑通過機內的減摩劑注入孔由頂管掘進機的后面通過滑材泵注入，也能按規定的間隔注入于管材表面，這樣，大大減少了摩阻力，提高了頂管頂進長度，然而在某些情況下，管道的摩阻力可能超過千斤頂頂力以及管材自身的承受力或者是后座墻所能承受的推力極限，這樣就需要使用一個或多個中繼間，這些中繼間提供額外的頂力以滿足整條管道所需的推力。內置式油缸由眾多小的液壓油缸組成，這些油缸沿著中繼間內表面安裝，中繼間在管道之間，按計劃線在必須時向前移動，第一個油缸開啟了，向微型頂管掘進機向前移動了一個行程、然后掘進13、機內的主油缸開啟，導致內置油缸的關閉而只有管道的后段前進、這樣的過程在掘進之間一直重復著，到掘進快完成時，內置油缸被移去，管道閉合，實際上留下一段標準的管道連接。 7、操作控制系統： 一名受過高度訓練的操作人員，在地面控制室外內操作并仔細檢測著整個操作系統、觀察掘進機內的土壓、油壓、激光束位置?？刂婆_提供操作數據和控制整套系統的電子按鈕?？刂瓢蹇梢允侨斯た刂品较蚝蛿祿涗?，或者是全自動控計算機控制方向和記錄，其他的工作人員則負責井內管道和頂鐵的更換以及進行、進排泥管和電纜的連接。正常的工作時間是每周5天、每天8-10小時，僅僅在特殊的條件下增加工作時間至每天24小時。當掘進機到達接收井時，挖掘14、會暫時中斷，如果遇到有地下水或軟土層時，還需有洞口止水圈安裝在接收口墻上。最后，掘進機頭從土層出來進接收井，就完成整個管道的鋪裝。這以后，掘進機被撤走，建造人工出口，接收井被關閉。一個工程常常有幾個掘進段組成，這時，在工作井內的頂進設備變換方向，重新開始另一方的頂進工作，這個過程每過一個工作井重復二次，最后鋪設成了整個下水道或輸送管道。 9、泥水平衡式頂管施工最大的優點是：（1）適用的土質范圍比較廣，如在地下水壓力很高，以及變化范圍很大的條件下，它都適用。（2）可有效地保持挖掘面的穩定，對所頂管子周圍的土體擾動比較小。因此，采用此方法頂管引起的地面沉降較小。（3）與其他類型的頂管比較，泥水頂管15、施工時的總推力比較小，尤其在粘土層這種表現得更為突出，所以特別適用于長距離頂管。（4）工作坑內的作業環境較好，作業比較安全，由于它采用泥水管道，輸送棄土，不存在吊土，搬運等危險的作業。（5）泥水輸送棄土為連續作業，因此進度比較快。 頂管與其它非開挖技術的對照表 微型頂管掘進技術是一種已經證實的替代開糟挖埋式鋪管的先進技術，它對于減少地面及建筑物的破壞，減少不必要的施工沖突，減少地下運動的危害，以及減少工人的工作強度，保證工作場地交通及行人的安全，勢必為一種理想的工作方法。微型頂管掘進技術也是一項高新的施工技術，施工區域內地質的變化，管材的采用，工作井的設置，均會影響頂進的質量及精確度，如何確保頂管施工的萬無一失，除了不斷學習借鑒國外的施工經驗外，因地制宜選擇施工方案尤為重要。 我們相信，在人類保護地球、保護環境的今天，頂管施工將會被廣泛應用于市政、電力、交通等行業，同時，將越來越被人們所重視。注：*中繼間，有的也稱中繼站或中繼環，是安裝在一次頂進管子的某個部位，把這段一次頂進的管道分成若干個推進區間。在頂進過程中，先由若干個中繼間按先后程序把管子推進一小段距離以后，再由主頂油缸推進最后一個區間的管子，這樣不斷地重復一直到把管子從工作坑頂到接收坑的種頂管施工手段。