土壓平衡頂管的施工管理

1、土壓平衡頂管的施工管理混凝土管篇一、頂管施工的作業(yè)程序工作坑基礎起重設備升降機洞口止水圈地面設備注漿設備工作坑布置頂管機安裝聯(lián)機調試注漿材料出洞準備基準測量初始頂進下混凝土管測量頂進、排土中繼間安裝接收井50m全線復測進接收坑圖1 頂管施工的作業(yè)程序二、工作坑的洞口處理工作坑的洞口應按圖2所示的方法處理。圖2的左邊是工作坑的剖面圖，右邊是從洞口水平中心線剖開的俯視圖。圖2 工作坑的洞口處理洞口的左邊是用槽鋼插入做成的鋼封門，槽鋼的頂端在工作坑沉到位以后離地面以下最多不得超過1米，且要易于拔起。洞口的中間填的是粘土，洞口的右邊是磚墻，工作坑的內壁上安裝有洞口止水圈。由于沉井下沉過程中有誤差，所以

2、在安裝洞口止水圈時應使橡膠圈的中心與管道的設計中心一致，不讓管道中心出現(xiàn)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裝以外，還包括基坑導軌、后靠板、主頂油缸架等的安裝，配電箱和電纜的布置，激光徑緯儀的安裝和校正。在工作坑布置的同時，地面上起重設備等也應進行。在工作坑布置中還必須加設安全護欄，工作坑布置圖如圖3所示。 圖3 工作坑布置圖1待用管、 2頂管機、 3混凝土管、 4洞口止水圈、 5基坑導軌、 6頂鐵、 7主頂油缸、 8主頂油泵、 9激光徑緯儀、10后靠板。 按標高要求把基坑導軌安放好，導軌的前段應盡量靠近洞口。并且導軌用支撐撐在其左右兩側，把導軌固定好。如果土

3、體比較軟，還必須在沉井的洞口內安裝上一副延長導軌，其導軌面與基坑導軌相一致。延長導軌的主要功能是防止機頭出洞以后而產生偏低的情況發(fā)生。延長導軌用磚塊和水泥漿砌成一個圓弧形托即可。 基坑導軌安裝好以后就可以安裝后靠板。后靠板安裝要注意使其表面與基坑導軌軸線保持垂直。另外，后靠背如果有空隙最好用素砼填實。然后再把主頂油缸架放下，主頂油缸架的前端必須擱在基坑導軌上，后端在與后靠背保持一定距離后就可用木塊墊平。最后再把主頂油缸一一安裝在油缸架上。 在主頂油缸架的上方搭上一個平臺，它與基坑同寬，長度在后靠背與油缸架前端之間即可。此平臺上安裝主頂油泵、電源箱等。再接下來把油管及油泵電源接上試車。在此同時，

4、應把主頂油缸前的環(huán)形頂鐵與主頂油缸聯(lián)接好。工作坑的布置中要注意以下幾個問題：1、基坑導軌一定要安裝牢固，不能有松動，一定要水平，否則會使頂管失敗。2、后靠板安放要垂直，與井壁之間的空隙要用沙石填實。3、主頂油缸與后靠板要垂直，其合力點最好比管中心低50100mm。4、激光徑緯儀前要有護欄，防止人碰撞。四、頂管機安裝頂管機放置在導軌上要正，偏轉儀顯示的偏轉角度不應大于1度。另外，因為運輸過程中傾斜儀可能松動，所以，還要用水平尺測量一下頂管機的水平狀態(tài)，同時調整一下傾斜儀的讀數(shù)，使之與實際狀態(tài)保持一致。刀盤距洞口約600mm左右，以利于破洞。頂管機安裝好以后可通電進行聯(lián)機調試，因為刀盤的切削外徑比

5、頂管機殼體大，所以要在頂管機的殼體前端與導軌之間臨時墊上20mm鋼板，防止刀盤碰上導軌，試運轉后再抽去。試運轉正常后可準備破洞口。在破洞之前，洞口必須要有防止土體塌方的措施。這個措施就是設在洞口的鋼封門。所謂鋼封門，即在出洞口沉井外側用一排鋼板樁把整個洞口封住，可參見圖二。然后，把井內洞口的磚墻等拆除，再把頂管機徐徐推進洞內，等洞口止水圈起到作用時，再把鋼封門的鋼板樁一根根撥去。五、初始頂進 初始頂進可分為三步：第一步是初始頂進開始。我們把從撥去鋼封門的鋼板樁，頂管機推進洞內開始，一直到第一節(jié)混凝土管全部推進土中的全過程稱之為初始頂進。在這個過程中，當鋼封門拆除以后，可把頂管機刀盤開動，用主頂

6、油缸徐徐把頂管機推入土中。這一過程中應注意兩個問題：第一個問題是要防止刀盤嵌入土中不轉而頂管機殼體旋轉，這時，操作人員應集中注意力，一旦發(fā)現(xiàn)有異常應迅速關機。第二個問題是要防止主頂油缸一松，頂管機會后退。后一種情況大多出現(xiàn)在覆土比較深的條件下，頂管機在入土過程中，當土壓力超過上限時應立即讓其排土。在一般情況下，當頂管機的土倉部分全部入土以后應停下來，做其他準備工作。隔四小時以后再觀察土壓力表的數(shù)值與計算的主動土壓力值之間有無誤差，若無誤差則說明計算數(shù)據可靠，如果誤差較大，則應對數(shù)據作必要的修正，使之符合實際情況。在頂管施工中，初始頂進是一個至關重要的階段，它的成敗將取決于整個頂管過程的成敗，務

7、必要引起重視。尤其是方向一定要控制好，最好一直是水平頂進，不能讓頂管機爬高，也不能讓頂管機太低。初始頂進是頂管的協(xié)調初始階段，不僅要讓每一個作業(yè)人員熟悉自已的作業(yè)過程，而且要讓每一個作業(yè)人員學會與他人的配合過程。因此，在此階段的作業(yè)指導思想不是求進度，而是求協(xié)調好、控制好。可以這樣說：初始頂進成功了，這段頂管的一半就成功了。初始頂進也是頂管機及其附屬設備調試、走合的過程，也是設備帶負載調試的過程。初始頂進還是核對本段頂管一些數(shù)據的計算與實際有無誤差的階段。當頂管機推進到可以下第二節(jié)混凝土管的最小距離時，就應把第二節(jié)混凝土管下到基坑中，如果是軟土，那么，必須把它與第一節(jié)混凝土管聯(lián)接成一體。此時，

8、初始頂進也就完成了。以后的頂進也與此差不多。六、人員配置土壓平衡頂管作業(yè)班的核心人員有三個：一個是土建技術人員，他負責測量、記錄和全面管理。另一個是機修工，他負責機頭內的操作。再有一個就是電工，他負責主頂油泵的操作。電工和機修工的操作崗位也可以對換，他們倆的另一個任務是負責頂管機械設備的維修、保養(yǎng)和故障處理。這三個是作業(yè)班的主心骨。另外，配備的人員是：調漿和制漿1人，基坑內出土則應視距離的長短而定為2至4人，地面上出土1人，管材準備工作1人（主要是貼墊板、整理砼管、安裝止水圈、安裝注漿管等），起重機作業(yè)人員1人；總共每班約有9人。另外，如果安裝兩套以內的中繼間則需增加1人。七、方向校正在初始頂

9、進的后期方可以進行正常的方向校正工作，這是因為如果當?shù)谝还?jié)混凝土管尚未完全頂入土中就進行糾偏，不僅起不到糾偏作用，反而會帶來更多的麻煩。在初始頂進階段，糾偏時盡量先用糾偏油缸推，而少用或不用糾偏油缸拉。方向校正要領：在整個頂管過程中，方向校正必須遵循小幅度糾、勤糾、看趨勢糾的三糾原則。所謂小幅度糾，是指每次的糾偏量要小，不能過大，否則容易發(fā)生大起大落、起伏過大。所謂勤糾，則是要經常觀察它的趨勢而隨時糾偏，不要等他發(fā)展了一段以后再糾，要讓頂管在動態(tài)過程中保持方向的正確性。所謂看趨勢糾則并非一朝一夕即能掌握的，他需要有一個經驗積累的過程。如當頂管機偏向左的趨勢在發(fā)展時，我們應該把它向右邊動。但是，

10、當它向右慢慢地發(fā)展成一種趨勢時，我們又要及時地把這種趨勢減下來，不讓其發(fā)展下去。所以，這只能在長期操作才能掌握的一種本領。糾偏順序：在糾偏過程中，一般來講，高低偏差要比左右偏差難糾。這是因為左右兩邊的土壓力呈對稱形態(tài)，而上下的土壓力不僅不等，還會受到頂管機自重等因素影響，因此它遠較左右的復雜。當高低和左右都出現(xiàn)偏差時，一般應以高低偏差的糾正為重點，或者先糾高低偏差，后糾左右偏差。影響方向的因素：盡管影響頂管機方向的因素有許多，但從施工實踐來看土質和土壓力的控制是影響頂管機方向的主要因素。如頂管機在兩層不同的土質中推進時，機頭會向軟的一層土中偏去，這是毫無疑問的。如果頂管機在左右遇到有不同土質時

11、，如左邊遇到一個老的河道或水塘，盡管已埋了多年，它還會向左偏的。土壓力控制的太低，且低于頂管機所處土層的主動土壓力時，頂管機往往會爬高。傾斜儀：我們在頂管機的前殼體中，安裝有一臺傾斜儀，用它可判斷頂管機的水平狀態(tài)：如果傾斜儀上顯示的數(shù)值為正，前機殼則處于上仰狀態(tài)；反之，傾斜儀顯示的數(shù)值為負，前機殼則處于俯沖狀態(tài)。這就為我們判斷機頭的發(fā)展趨勢提供了又一可靠的方法。傾斜儀小數(shù)點前的數(shù)值為度，小數(shù)點以后三位分別為十分之一，百分之一和千分之一度。偏轉儀：我們在頂管機的前殼體中，還安裝有一臺偏轉儀，用它可判斷頂管機的旋轉（滾動）狀態(tài)：如果偏轉儀上顯示的數(shù)值為正，表示頂管機處于順時針旋轉狀態(tài)；反之，偏轉儀

12、顯示的數(shù)值為負，則表示頂管機處于逆時針旋轉狀態(tài)。偏轉儀小數(shù)點前的數(shù)值為度，小數(shù)點以后三位分別為十分之一，百分之一和千分之一度。千萬要注意的是偏轉儀顯示的數(shù)值表明頂管機朝那個方向旋轉，刀盤就必須朝那個方向轉動，不得含糊。且偏轉角度越小時，校正越容易，故一般不要讓偏轉儀的偏轉角度大于3度。八、測量激光經緯儀的最長距離只能達300m，由于是直線頂管，測量相對簡單。但在機頭距接收坑約50m處，必須停下來進行一次全面的測量校核工作，校核方法是由兩個測量組分別對機頭精確位置進行一次各自獨立的測量，最后核對結果。如果相差較大，必須由集團派專門人員到現(xiàn)場解決。另外，為了減少許多計算誤差，必須把經緯儀的仰角調到

13、管道的設計坡度相一致：沒有坡度的把經緯儀的仰角調到0，有坡度的把經緯儀的仰（俯）角調到與設計坡度相一致。九、土壓平衡頂管的原理土壓平衡頂管施工是一種全新的頂管施工工藝，它的工作原理可參見圖4。A B圖4 土壓平衡頂管的工作原理當圖4B中土壓平衡頂管機接通刀盤驅動電動機的電源后，頂管機的刀盤就開始轉動，設在每根刀排前面的切削刀頭則開始切削土砂，同時設在刀排后的攪拌棒對泥土倉內的土砂進行攪拌。如果土砂中的粘粒含量在以上時，可以不必添加作泥材料。如果頂管機處在砂或砂礫層中且粘粒含量在以下時，則必須向泥土倉內注入以作泥材料為主的漿液，同時把它與被切削下來的土砂一起攪拌。只有當泥土倉內的泥土被改良成具有

14、較好的塑性，流動性和止水性這“三性”時，攪拌才算成功，作泥材料的添加也才算合理。在頂進過程中，假設頂管機頂部前面土層內的靜止土壓力和地下水壓力之和為A，頂管機泥土倉內的壓力為B；假設頂管機底部前面土層內的靜止土壓力和地下水壓力之和為C，頂管機泥土倉內的壓力為D，那么要達到土壓平衡的必要條件是必須使A=B，C=D，如圖4 A所示。上述這個假設，只是施工過程中的理論控制值。然而，在不同的土質條件和在不同的施工條件下，我們所采用的實際控制土壓力P會有所不同，并且會允許在一定的范圍內的波動。為此，我們規(guī)定了實際控制土壓力P，還規(guī)定了實際控制土壓力P的上下波動范圍在20kPa以內。這在實際施工中，是能較

15、容易地做到的。下面，我們來詳細闡述這個問題。頂管機在頂進過程中，其土倉中始終有一個壓力，我們稱之謂控制土壓為P。當控制土壓力P小于頂管機所處土層的地下水壓力Pw與主動土壓力PA之和時，土就涌向頂管機土倉，結果就會造成地面沉降。其原因往往是由于推進速度過慢，螺旋輸送機的實際排土量大于頂管機推進過程的中理論排土量所造成的。反之，如果當控制土壓力P大于頂機所處土層的地下水壓力Pw與被動土壓力PP之和時，結果就會造成地面隆起。其原因往往是由于推進速度過快，螺旋輸送機的實際排土量大大小于頂管機推進過程的中理論排土量所造成的。螺旋輸送機的正常排土量應該為頂管機推進過程中理論排土量的。所謂土壓平衡頂管，實際

16、上就是把頂管機土倉內的土壓力控制在頂管機所處土層的主動土壓力與被動土壓力之間，也即：PAPPP式中： PA主動土壓力（KPa）； P控制土壓力(KPa)； Pp被動土壓力(KPa)。這樣，在整個頂管施工過程中，頂管機土倉內的壓力與頂管機所處土層中的土壓力終是處于一種平衡的狀態(tài)，這就是土壓平衡頂管機的基本工作原理。在實際施工過程中，每一項的控制土壓力除了計算以外還需在頂進時實測，然后拿實測數(shù)據與計算的做比較，修正計算值。實測的方法是在初始頂進過程中，當機頭已完全進入土中以后，需停下來，待4小時以后，觀察機頭內土壓力表的實際讀數(shù)，此讀數(shù)即可視為主動土壓力，每一頂頂進之前的計算數(shù)據均需交監(jiān)理工程師備

17、案。由于主動土壓力和被土壓力之間的壓力值范圍較廣，同時又由于土壓力的變化是一個非常復雜的過程，并且，在計算主動土壓力和被動土壓力時會因為選取的各種參數(shù)不準確就很容易造成誤差。所以必須在主動土壓力和被土壓力之間的這個較大范圍中取處于中間的那一段，以減少土壓力值的波動所帶來的影響。因此，常用的控制土壓力的取值方法是在頂管機所處土層的靜止土壓力的基礎上，規(guī)定一個上限和下限，具體的計算公式為：Pk0P0式中：K0靜土壓系數(shù)；P0靜止土壓力（KPa）上述靜止土壓力系數(shù)K0在砂性土中可取0.250.33 之間，在粘土中可取0.330.72之間。而靜止土壓力則為： P0 h式中：土的容量（KNm3） h覆土

18、深度（m）。主動土壓力PA為：PAh ·tg2(4502)-2c·tg(450/2)式中：土的內摩擦角（度）；c土的內聚力（KPa）。被動土壓力PP為：Pp=h· tg2(450/2)2c·tg(450/2)控制土倉內土壓力的方法有三種：一種是用主頂油缸或第一個中繼間的推進速度來調節(jié)，在排土量不變的條件下，推進速度快，則土壓力上升，反之則下降。用這種方法調節(jié)時，曲線變化的斜率較陡，特性較硬。第二種方法是利用調節(jié)螺旋輸送機轉速的快慢來調節(jié)土壓力。在推進速度保持不變的條件下，螺旋輸送機的轉速越快，排土量則越大，土倉內的壓力就下降，反之則上升。用這種方法調節(jié)時

19、，曲線變化的斜率較平緩，其特性比較軟。第三種方法是利用頂管機后的主推裝置和調速螺旋輸送機共同來控制土倉內土壓力，用這種調節(jié)方法最好，但施工成本高。十、土體的改良頂管機在頂進過程中如果遇到中粗砂或砂卵石層，則必須通過設在頂管機主軸中間的注漿孔和土倉上部注漿孔向土倉內注入10%30% 改良土體用的以粘土、膨潤土為主的作泥材料制成的粘稠漿液。加入了這些作泥材料為主的粘稠漿液以后的砂或砂礫，不僅流動性和塑性變好了，而且止水性能也好。當有良好的止水性的土充滿螺旋輸送機的殼體內以后，地下水就不會從螺旋輸送機內噴發(fā)出來，因而，這種土壓平衡頂管機又可在地下水位高的土質條件下施工，如在河道底下施工，也會十分安全

20、。在加泥過程應做到：1、對于不同的土質應選用不同的泥漿配比；2、對于不同的土質應注入不同的泥漿量；3、對于注入泥漿的管理必須引起足夠的重視；4、對于注入泥漿的管理必須講科學。加入的泥漿是由作泥材料和水經過攪拌而成的。目前常用的作為作泥的材料有三種：一種是化學型的高分子材料，其中有聚丙稀酰胺，它的主要原料為丙稀腈，將它與水的一定的比例混合，經水合、提純、聚合、干燥等工序即可制成。它是一種高分子聚合物，易溶于水。它具有絮凝性、粘合性、減阻性和增稠性等特性。另一種是膨脹潤土，它的主要化學成份為SiO2、AL2O3、CaO、MgO、Na2O+K2O等。它的礦物成份主要是蒙脫石、云母、石英和少量高嶺土等

21、。還有一種作泥材料就是粘土。必須指出的是無論是膨潤土還是粘土，都必須經過球磨成顆粒很細的粉粒。若如在砂卵石中頂進，其主要的圓礫至卵石土、中等密度、飽和狀。礫徑一般在30-50mm，大的可達80mm，呈亞圓形，級配較好，中砂和粗砂的含量約為，且滲透系數(shù)較大為1.736×10-1。由于土質的滲透系數(shù)較大，作泥材料所配成的泥漿應具有較大的稠度，其C型粘度計值在800010000之間，比重在1.301.50之間，具體的可以從以下配合比中選配： 材 料1m3時比 重C型粘度（cp）200#粘土360-390kg1.30-1.508000-10000250#膨潤土160-198kg清水810-8

22、30kg泥漿的注入量具體要注多少則須根據螺旋輸送機所排出土的狀況而定。只有當泥土倉內的泥土被攪拌成具有較好的塑性、流動性和止水性這“三性”時，才能使土倉內的土壓力處于一種均勻的平衡狀態(tài)。加泥以后的塑性和流動性都很好的土充滿泥土倉時，泥土倉內的土壓力是比較均勻，這就使檢測到的土壓力較準確，而且使泥土倉內的土壓力能較好地平衡頂管機所處土層的靜止土壓力和地下水壓力，才能做到真正的土壓平衡。泥漿注入必須有專人負責，對注入壓力、注入量、泥漿配比等都應有詳細的記錄，這些都有待通過初始推進階段試驗以后再決定。十一、注漿減摩注漿減摩是頂管施工中最為經濟的一種增加推進距離的手段。減摩劑有三種型：一種是由工廠調配

23、好的注漿減摩材料，使用時只需兌水即可。如浙江臨安膨潤土礦生產的頂管專用膨脹土即是該種材料中較好的一種。使用時兌上810倍的水，經充分攪拌，膨脹34小時即可用。膨潤土須選鈉基膨潤土，浙江臨安是國內為數(shù)不多的鈉基膨潤土礦產地之一。另一種也是工廠里出產的單一高分子材料聚丙稀酰胺。還有一種是用膨潤土加上粘劑和分散劑、潤滑劑調配而成。這種性能不穩(wěn)定，其性能會因膨潤土的各項指標的差別相差甚遠。注漿孔應設在鉸節(jié)管中，注漿孔中應設且有單向閥。如果不設單向閥，當注漿停止時，管外的泥砂會順著注漿管流向管內，沉淀下來會把注漿管堵塞。注漿效果的好壞與用和不用單向閥有關。漿液的調制也是一個極須重視的問題。調制漿液時，必

24、須經過充分攪拌。攪拌的方式可以用機械式的，也可以用水力式的。但都必須注意攪拌均勻。調制好的漿液用一枝木質鉛筆插入，鉛筆能自立于漿液中不倒則可用了。注漿用螺桿泵為好，螺桿泵出來的漿液沒有脈動，易于形成漿套，其他的泵效果較差。注漿壓力一般只須比地下水壓力略高一點即可。不過，這還要看土質而定。如果是粘土，滲漏系數(shù)很小，注漿壓力也可小一些。如果是砂土,滲漏系數(shù)大，則注漿壓力也應大一些，而且漿液也稠一些，唯有如此，漿液才能較好地形成二個包裹在管外的漿套。注漿需專人負責，每班的注漿壓力及注漿是均需有記錄。十二、中繼間的使用中繼間，也稱中繼站或中繼環(huán)。在頂管施工中，使用中繼間的目的是為了增加一次頂進的距離。

25、中繼間在安放時，第一只中繼間應放在比較前面一些。因為，頂管機在推進過程中，推力的變化會因土質條件的變化而有較大的變化。所以，當主頂總推力達到中繼間總推力的60%時，就應安放第一只中繼間，以后，每當達到中繼間總推力的70%80%時，安放一只中繼間。在施工過程中，當安放第一只中繼間時，其后來的頂進還是采用主頂油缸頂進。此后，當主頂油缸的推力達到總推力的90%時，就必須啟用中繼間了。中繼間分為兩后兩節(jié)，在中繼間前殼體內安裝有50t油缸若干只，總推力設置應與主頂總推力相等。其結構可參照圖5。 圖5 中繼間在中繼間前后殼體之間有兩道密封，均為充氣式密封圈。而每道密封圈均由充氣環(huán)和耐磨環(huán)兩個部件組成?？拷皻んw處的一道充氣式密封圈是平時使用的密封圈。當該密封圈損磨后可以啟用另一道密封圈。 十三、通風在長距離頂管中，通風是一個不容忽視的問題。因為在長距離頂進過程的時間比較長，人員在管子內要消耗大量的氧氣，久而久之，管內就會出現(xiàn)缺氧，影響作業(yè)人員的健康。另外，管內的涂料，尤其是鋼管內的涂料會散發(fā)出一些有害氣體；在頂進過程中會遇到一些土層內的有害氣體逸出；在作業(yè)過程中還會有粉塵浮游在空氣中等一些問題，都必須靠通風來解決。常用的通風換氣設備有壓入式通風換氣、抽吸式通風換氣，有時也可把兩種方式結合在一起使用。十四、地面沉降監(jiān)測在每段頂管施工的路面上均需要求設