局部氣壓式鏟掘進(jìn)機(jī)頂管工法
(上海隧道工程股份有限公司)
上海隧道工程股份有限公司早在十幾年前就開(kāi)始研究頂管施工技術(shù)，在70年代初已付諸于工程實(shí)踐。隨著公司頂管技術(shù)的發(fā)展，公司現(xiàn)已擁有網(wǎng)格式、手掘式、土壓干衡式、泥水平衡式、半氣壓反鏟式等各類(lèi)型工具管，頂管機(jī)械已初步形成系列化，并且在工程實(shí)踐中積累了地下、水下、長(zhǎng)距，短距、軟土、硬土等頂管施工的豐富經(jīng)驗(yàn)，公司的頂管技術(shù)正以日新月異的姿態(tài)高速發(fā)展，且已應(yīng)用于諸多的工程領(lǐng)域。
φ2200半氣壓式反鏟頂管掘進(jìn)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)工具管)。
1 特點(diǎn)
1.1施工占用場(chǎng)地小：只需一個(gè)工作井(坑)和一個(gè)接收井的場(chǎng)地。
1.2環(huán)境影響小：作業(yè)無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)污染，能直接穿越構(gòu)筑物、河流、各種公共設(shè)施及地下管線(xiàn)，是明挖法敷設(shè)管道無(wú)法取代的工藝。
1.3適應(yīng)性強(qiáng)：能在各種不同的土層中進(jìn)行頂管，能進(jìn)行曲線(xiàn)、直線(xiàn)的頂管和長(zhǎng)距、短距離的頂管。
1.4施工質(zhì)量好：能控制地面沉降、管道接口密封、安全可靠。
1.5適用范圍大：適用各種市政管道、工業(yè)地下管道的敷設(shè)尤其適用于城市交通繁忙，建筑密集及旅游風(fēng)景區(qū)域內(nèi)的地下管道施工。
2 工具管機(jī)械性能和技術(shù)參數(shù)
工具管由殼體結(jié)構(gòu)、糾偏千斤頂、液壓反鏟、螺旋輸送機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等組成。
2.1工具管形式：局部氣壓式、殼體外徑φ2660mm、長(zhǎng)3600mm，前沿角20。
2.2出土方式：反鏟掘土、螺旋機(jī)出土、皮帶機(jī)送土的干出土方式。
2.3糾偏參數(shù)：8臺(tái)981kN×l10mm的糾偏千斤頂、工作壓力為25．8MPa糾偏角度為2左右，能進(jìn)行左右上下方位的糾偏動(dòng)作。
2.4反鏟：斗容為0.1m3，挖掘能力15m3／h，工作壓力為25MPa，能回轉(zhuǎn)順時(shí)針46°，逆時(shí)針52°的角度。
2.5螺旋輸送機(jī)：正反轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為0~20r．p．m，輸出扭矩為500Nm，管軸φ131×18，出土率15m3／h。
2.6皮帶運(yùn)輸機(jī)：輸送能力為l00m3／h，選用YD型油冷式電滾筒作驅(qū)動(dòng)裝置。
3 工藝原理
該工法的基本原理是在擬敷設(shè)的管道起點(diǎn)處，選建一個(gè)頂管工作井或坑，在工作井內(nèi)安裝頂進(jìn)輔助設(shè)備和工具管，地面安裝供氣、供電、供水及泥漿系統(tǒng)設(shè)備，工具管調(diào)試、對(duì)中調(diào)整、穿墻洞外地基加固、工具管出洞、進(jìn)入正常頂進(jìn)、頂進(jìn)中導(dǎo)入測(cè)量控制、糾偏控制和泥漿減摩措施，如進(jìn)行長(zhǎng)距離頂進(jìn)，在適當(dāng)?shù)墓芄?jié)后面設(shè)置中繼間接力頂進(jìn)，工具管進(jìn)入接收井或坑內(nèi)．
采用φ2200半氣壓式反鏟頂管掘進(jìn)機(jī)的主要工序流程如下圖；
4．頂進(jìn)施工操作要點(diǎn)
4．1工具管穿墻出洞前的準(zhǔn)備
頂管施工最大的特點(diǎn)是整個(gè)管道均要沿著工具管的行進(jìn)軌跡前進(jìn)，長(zhǎng)距離頂管的重要 手段是運(yùn)用減摩措施和設(shè)置中繼間接力，以達(dá)到長(zhǎng)距離頂進(jìn)的目的，故工具管出洞前的準(zhǔn)備工作至關(guān)緊要，現(xiàn)列出以下幾點(diǎn)供參考。
4.1.1工具管安裝就位后的調(diào)試和檢驗(yàn)應(yīng)認(rèn)真做好，發(fā)現(xiàn)有漏油，滑氣現(xiàn)象應(yīng)立即捉滑，其最好是在荷載下調(diào)試。
4.1.2根據(jù)便進(jìn)坡度和土質(zhì)情況確定工具管出洞時(shí)的狀態(tài)，且要考慮工具管前沿的作用，還要用測(cè)量?jī)x器復(fù)核其狀態(tài)．
4.1.3根據(jù)地質(zhì)資料研制適合本頂管的泥漿。長(zhǎng)距離頂管最好配制成A、B漿。
4.1.4進(jìn)行穿墻洞外的地基處理，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況合理經(jīng)濟(jì)地選擇加固方法。
4.1.5建立頂管頂進(jìn)時(shí)的實(shí)用測(cè)量網(wǎng)，長(zhǎng)距離頂管可采用激光指向儀指向，陀螺儀定向等進(jìn)行儀器測(cè)量。
4.1.6建立安全可靠的供電系統(tǒng)，長(zhǎng)距離頂管還要解決電壓降，電壓降可采用多路電纜供電或設(shè)置升壓器。
4.1.7建立良好的壓漿系統(tǒng)，長(zhǎng)距離還要考慮中繼壓漿站。
4.1.8建立可靠的供氣系統(tǒng)，保證氣壓平衡水土壓力，長(zhǎng)距離還要考慮通風(fēng)。
4.2頂進(jìn)施工
4.2.1反鏟挖土在一般正常情況下，按前沿角度階梯形均勻挖土，在有偏差存在時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)量報(bào)表了解工具管所處狀態(tài)或技術(shù)人員的指導(dǎo)進(jìn)行挖土。
4.2.2頂進(jìn)過(guò)程中一般是邊頂邊挖邊出土，在長(zhǎng)距離頂管施工中，由于頂進(jìn)距離長(zhǎng)和設(shè)置了中繼間，故應(yīng)按中繼間每頂一次的行程換算成出土量，還要考慮出土運(yùn)輸時(shí)間。
4.2.3頂進(jìn)施工中的測(cè)量一般是每班進(jìn)行兩次，長(zhǎng)距離頂管可每節(jié)管節(jié)測(cè)一次，測(cè)量報(bào)表要及時(shí)送到工程技術(shù)人員手里，以便在出現(xiàn)偏差時(shí)及時(shí)采取控制措施，做到勤糾、少糾使管道頂進(jìn)保持在設(shè)計(jì)軸線(xiàn)上擺動(dòng)前進(jìn)。
4.2.4為保持良好的施工環(huán)境，皮帶機(jī)下的散土要經(jīng)常清理，管道內(nèi)的積水要經(jīng)常抽干，糾偏千斤頂下的泥水要經(jīng)常清理。
4.2.5管道內(nèi)的所有抽泵都應(yīng)空載起動(dòng)，并要聽(tīng)一聽(tīng)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常、有否異聲，看一看油接送、油管是否漏油，保證頂進(jìn)時(shí)能正常工作。
4.2.6長(zhǎng)距離贗管有若干中繼間參與接力頂進(jìn)，做好中繼間動(dòng)力站、電箱的清潔工作非常重要，它能保證液壓油清潔及各種閥件、中繼間編組頂進(jìn)的正常工作。
4.2.7頂管施工、管道內(nèi)濕度較高，各類(lèi)電氣設(shè)備、電纜，電線(xiàn)必須安裝牢固、安全，使用正確，修理及時(shí)，拆除徹底，防止留下隱患，發(fā)生管道內(nèi)的漏電事故。
4.3觸變泥漿減摩施工
4.3.1工具管填進(jìn)時(shí)必須在工具管尾部同步壓注觸變泥漿，它是保證泥漿套的形成和控制地面沉降的重要手段。
4.3.2工具管尾部的同步壓漿量一般是工具管與管節(jié)之間的徑差空隙的3～4倍，但各個(gè)地區(qū)的土質(zhì)情況不同，不能強(qiáng)求統(tǒng)一。
4.3.3研制工具管尾部的泥漿要從支承潤(rùn)滑兩方面考慮，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)水文資料配制出合適的觸變泥漿。
4.3.4經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的頂進(jìn)施工，泥漿會(huì)失水而降低減摩效果，增大頂進(jìn)阻力，為充分發(fā)揮千斤頂作用，頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常在管道內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)壓漿，一般為每班兩次。
4.3.5短距離頂進(jìn)施工一般可采用配制一種泥漿，長(zhǎng)距離頂管施工最好配制兩種泥漿，工具管尾部泥漿應(yīng)具有支承潤(rùn)滑雙重作用，管道內(nèi)補(bǔ)壓漿則考慮時(shí)應(yīng)偏重潤(rùn)滑作用，且兩種泥漿應(yīng)分箱儲(chǔ)備，分管壓注。
4.3.6泥漿配制和管理應(yīng)有專(zhuān)設(shè)人員，施工中應(yīng)經(jīng)常測(cè)試泥漿的各類(lèi)指標(biāo)，嚴(yán)防把惡化泥漿壓入管道外壁。
4.3.7根據(jù)地質(zhì)資料，管道覆土厚度嚴(yán)格控制泥漿壓力，防止泥漿壓出地面、污染環(huán)境。
4.3.8經(jīng)常檢驗(yàn)壓漿設(shè)備的工作情況、檢查泥漿管路是否有阻塞，壓力表是否完好，并做好泥漿配置的記錄工作及每班壓漿量、壓力的記錄工作。
4.4頂進(jìn)控制及渣土處理
4.4.1反鏟工具管不同于刀盤(pán)式工具管的糾偏控制，除可用糾偏千斤頂控制便進(jìn)外，還可采用開(kāi)挖面不均勻挖土法控制頂進(jìn)。
4.4.2不論是糾偏千斤頂或挖土法進(jìn)行糾偏，其糾偏幅度一定要小，一次糾偏量不得超過(guò)轉(zhuǎn)角1°，應(yīng)做到勘測(cè)、勤糾、緩糾，少糾。
4.4.3應(yīng)嚴(yán)格做到根據(jù)測(cè)量報(bào)表了解工具管趨勢(shì)狀態(tài)，然后導(dǎo)入相應(yīng)的控制技術(shù)。
4.4.4挖土法糾偏有單邊挖土法，導(dǎo)向超前挖土法，無(wú)論采用何種挖土法都應(yīng)根據(jù)技術(shù)人員的指導(dǎo)進(jìn)行施工，嚴(yán)禁不聽(tīng)指揮亂挖土。
4.4.5前沿式工具管在頂進(jìn)過(guò)程中常帶來(lái)工具管旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響頂進(jìn)施工，糾旋可采用壓重法和苗沿肋扳前插法來(lái)加以控制。
4.4.6前沿肋板前插法即將兩塊鐵板焊接在前沿兩腰，前插入土15～20cm，前擂角度根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度定。
4.4.7反鏟工具管的渣土由于螺旋機(jī)輸出、皮帶機(jī)運(yùn)輸?shù)焦艿纼?nèi)的運(yùn)輸工具上，然后外運(yùn)，很短距離可采用手推車(chē)運(yùn)土，較長(zhǎng)距離就應(yīng)考慮運(yùn)輸機(jī)械了，一般采用管道內(nèi)鋪設(shè)鐵軌，用電機(jī)車(chē)牽引土箱車(chē)外運(yùn)，這種方法出土效率高速度也較快。
4.5安全和勞動(dòng)力組織
4.5.1頂管施工時(shí)管道內(nèi)電纜、電氣設(shè)備眾多，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作"低規(guī)"，防止漏電事故發(fā)生。
4.5.2頂管施工管道空間狹小，應(yīng)防止運(yùn)輸工具撞人撞設(shè)備事故。
4.5.3開(kāi)挖面在氣壓平衡水土壓力時(shí)，要保證供氣系統(tǒng)的完好，防止開(kāi)挖面因漏氣和氣壓不足而造成開(kāi)挖面塌方事故。
4.5.4勞動(dòng)組織如下表(以每班人數(shù)計(jì))
5 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
5.1頂進(jìn)管道施工質(zhì)量參照GJJ3-90市政排水管渠工程，質(zhì)量驗(yàn)定檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中第三章中的有關(guān)規(guī)程和參照GBJ、141-90給排水構(gòu)筑物施工及驗(yàn)收規(guī)范中的第八章有關(guān)規(guī)程。
5.2根據(jù)地質(zhì)水文資料配制出適合的泥漿，測(cè)出泥漿粘度、比重、滴漏、稠度等數(shù)據(jù)，為批量生產(chǎn)泥漿提供依據(jù)．
5.3按各地區(qū)要求嚴(yán)格控制地面沉降。
5.4精心按要求壓注觸變泥漿于工具管尾，定時(shí)補(bǔ)壓漿。
6 效益分析
在城市交通繁忙，地面建筑密集或風(fēng)景旅游區(qū)內(nèi)敷設(shè)各種管道，采用頂管法施工具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。特別是穿越河流、鐵路的管道施工是明挖法無(wú)法施工的，隨著城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，頂管法施工越來(lái)越多的在工程領(lǐng)域中被采用，尤其半氣壓或反鏟掘機(jī)頂管，它與其他工具管類(lèi)比具有造價(jià)低，適應(yīng)性強(qiáng)，適用范圍大，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，能大大降低工程造價(jià)，特別是在硬土層或地下障礙物無(wú)法探明的區(qū)域尤為適合。
7 工程實(shí)例
深圳頂管工程采用半氣壓式反鏟掘進(jìn)機(jī)頂管，二井一線(xiàn)利用10只中繼間接力，結(jié)合泥漿減摩，成功的一次頂進(jìn)1053m，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)大口徑混凝土管長(zhǎng)距離頂進(jìn)的最新紀(jì)錄，且有效地控制了地面沉降，穿越了軟硬不同的復(fù)雜地層和眾多的建筑群、地下管線(xiàn)，保證了地面建筑物的絕對(duì)安全。有關(guān)的主要數(shù)據(jù)如表3。
