浅论顶管工法在大口径管道施工中的应用

发布时间：2022-10-05 10:07 热度：

　　摘要：近年来，随着我国经济的发展，科技的进步，地下工程的建设也日益发展，大口径管道施工越来越频繁，本文将对顶管工法进行描述以及在大口径管道施工中的应用进行分析。

　　关键词：顶管工法;大口径管道施工

　　Abstract: in recent years, with the development of our national economy, the progress of science and technology, the construction of the underground engineering are also increasingly development, large diameter pipeline construction is more and more frequent, this paper describes the method of top plumbers and large diameter pipeline construction in the application are analyzed.

　　Key words: top pipelayer method; Large diameter pipeline construction

　　中图分类号：U415.6 文献标识码：A 文章编号：

　　引言：

　　顶管工法是在地面下采用非开挖技术敷设管道的一种施工方法，它不需要开挖面层，能够穿越河川、公路、铁路、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线。当代城市建筑、公用管线设施和各种交通日益复杂，在市区采用明挖敷设管道，对城市生活的干扰日趋严重，另外，在穿越大型水域、沼泽地带、公路和铁路等障碍物时，用明挖法敷设管道很难实现或相当不经济，在这种情况下，采用顶管法进行城市上、下水道、电力通讯、市政公用设施等各种管道建设具有明显的优越性。本文重点讨论顶管工法在市政工程中大口径管道施工中的应用。

　　1 顶管工法的发展历史与现状

　　我国的顶管施工始于1953年的北京，后来上海也在1956年开始顶管试验。开始都是手掘式顶管，设备比较简单，在1964年前后，上海进行了大口径机械式顶管的各种试验。当时，口径在2m的钢筋混凝土管的一次顶进距离可达120m，同时，也开创了使用中继间的先河。进入80年代后期，随着我国改革开放的深入和城市建设的发展，顶管施工逐渐替代明挖排管的落后工艺。我国在顶管施工、顶管机械以及顶管理论上有了长足的发展。到目前为止，顶管施工已越来越普及，应用的领域也越来越宽，在自来水管、排水管道、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环水冷却系统取水工程等众多管道的施工中均有运用。尤其是近10年来，顶管技术在我国得到了迅速的发展，在引进国外先进技术的同时，先后开发了水力机械顶管机、反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水平衡顶管机。

　　现在，随着城市建设的发展，长距离大口径顶管也日渐增多，一次连续顶进的距离也越来越长，最长的一次连续顶进距离已达数千米之远。同时常用的顶管管径也日渐增大，实际施工中，最大的顶管口径已达4m。我国已把4m口径的钢筋混凝土管和钢管列入《顶管技术规程》中，而在德国最大的顶管口径为5m。

　　目前，我国顶管施工的普及程度很高，顶管机械种类、系列齐全，有相当数量专业的、经验丰富、技术力量强、管理水平高的大型顶管施工企业和顶管机械制作企业。国内的顶管机械和顶管施工技术在地质复杂地区以及大口径长距离、甚至超长距离顶管上都发展得很快，到目前为止，最大口径已做到DN3600，最长距离超过2km。我国的顶管施工技术在国际上是处于领先地位的。

　　2 顶管工法的原理

　　顶管工法的原理，是用顶管机本体前方刀盘边切削土体，边由后部顶进装置(主顶油缸及管道中继间)将顶管机连同顶进用管一起沿着设计轴线向前推进。该施工方法的实质就是，所要顶进的管道在主顶工作站的作用下(有时需要中间站或中继间辅助)，由始发井始发，顶进至目标井。在施工中，通过位于第一节管道的可控顶管机，可以实现直线或曲线顶进，被切削的残土，由水力或土砂压送装置送至地面运走,前者称为泥水式顶管，后者称为土压式顶管。当顶管顶进距离增加，顶力增大受到条件限制时，采用润滑剂减阻和中继接力技术。

　　顶进管道具有两个作用，一是支撑开挖空间，二是作为管线建筑物。 根据其直径大小，管道可以事先在工厂预制，也可以在施工现场的野外工厂生产，这主要决定于对管道运输的长度和重量的相关规定以及管道加工的经济性。通常可运输的最大管道直径应限制在DN/ID 3000或DN/OD 3800。较大直径的管道必须在施工现场进行制造，由于建一个现场的管道生产车间，需要很大的先期投入，考虑到施工的经济性， 通常要根据施工管线的长度来决定;同时，考虑到管道吊装的方便、吊装设备的能力以及对管道重量的限制，单根管道的重量不应>100 t。一个比较完整的顶管施工系统大体包括以下几大部分：

　　(1)工作井和接收井：工作井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管机的始发场所，它还是承受顶进推力的构筑物。接收井是接收顶管机的场所。

　　(2)顶管机：顶管机是顶管掘进用的机器，它安放在所顶管道的最前端。

　　(3)顶进系统：由顶进油缸、油泵、操纵台、顶铁和导轨等组成，顶进油缸是管道顶进的动力。

　　(4)推进用管：常用的推进用管有钢管、钢筋混凝土管、玻璃钢夹砂管等。

　　(5)输土装置：是将顶管机开挖的土输送出去的装置，输土装置会因推进方式不同而不同。

　　(6)测量装置：常用的测量装置有经纬仪、水准仪和激光经纬仪，在复杂的顶管中也用自动测量装置进行测量。

　　(7)注浆装置：通过注浆装置在管道的外周注入润滑浆，可大大减小管道顶进摩阻力。

　　(8)中继间(中继环)：长距离顶管的辅助顶进装置。

　　(9)供电及照明

　　(10)通风系统

　　3 顶管工法的特点

　　顶管工法是极为重要的一种都市铺设管道的施工手段，采用顶管施工法铺设管道具有如下得天独厚的优势：

　　(1)顶管施工不开挖地面，能穿越公路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过，是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法。

　　(2)顶管施工不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管寿命亦大于开挖法埋管。

　　(3)采用房下顶管施工法能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度， 有很大的经济效益。

　　(4)顶管施工的适用范围较大，顶管机械的性能越来越适应各种土质。与其它非开挖设备相比，其具有独特的优点。

　　4 顶管工法在大口径管道施工中的应用实例

　　广州市西江引水工程投资近90亿元人民币，设计引水量为350×104m3/d。其中，江村支线机场高速(平沙立交)顶管段工程的建设地点位于广州市白云区，为江村支线的一部分，自华南三期快速路与石井河交叉点西南侧(石井河西侧、华南三期南侧)起，管线穿越华南三期快速路、机场高速公路平沙立交后，至平沙立交北侧，均采用顶管方式敷设，管线平面投影长度约1339m，采用DN2400钢管，其中穿越平沙立交段(J7′井和J7井之间)长度约418.25m，采用DN2800套管顶管后内敷设DN2400钢管的方案。DN2400钢管、DN2800套管均为甲供材料。十七标段内共包括顶管井6座，编号为J3～J7，均采用沉井方式施工。本工程顶管工艺采用泥水平衡式顶管，它具有以下优点：

　　(1)选用一种具有破碎能力的泥水平衡顶管机，切削下来的泥土在泥土仓内形成塑性体，以平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力10～20kPa的泥水、泥浆，以平衡地下水压力。通过将进水中添加的粘土等成分的比重调整到一定范围内，即使挖掘面是砂土质，也可形成一层结实的不透水泥膜，同时平衡地下水压力和土压力。

　　(2)顶管机的刀盘前面切割面安装有合金固定刮刀，刀座和刀盘焊接采用耐磨焊条。刮刀在刀盘的4把刀杆上的布置是全段面切割布置，刀盘每转动一周，滚刀和刮刀对前面土体是全段面的刮动。顶管机在主顶装置的推动下，使得坚硬的土体破裂;刮刀对破裂的土体进行切割，掏空前方土体，顶管机向前推进。

　　(3)顶管机的刀盘和泥土仓是个多棱体，且刀盘是围绕主轴作偏心转动，经过刀盘对前方土体切割，当有大块土体或块石进入顶管机泥土仓，经刀盘转动时就会被轧碎，碎块泥土小于顶管机的格栅孔就进入泥水仓被泥水循环管输送排走。

　　5 结语

　　该顶管段约1.34km采用了泥水平衡顶管施工技术，大大缩短了施工时间，实际施工完成约一年时间，工程质量优良，施工安全，完全达到了预期的效果。工程实践证明，顶管工法在大口径管道施工中与开挖施工技术相比，大大降低了征借地、青苗补偿等费用，从而节省了工程投资。