顶管法顶管法设计与施工设计与施工 2.8.1 2.8.1 概概述述 顶管法施工是在作好的工作坑内预制钢筋混凝土隧道结顶管法施工是在作好的工作坑内预制钢筋混凝土隧道结构，待其达到强度后用千斤顶将结构推顶至设计位构，待其达到强度后用千斤顶将结构推顶至设计位 置。主置。主要用于地下进水管、排水管、煤气管、电讯电缆管的施工。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，是一种建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是一种非开挖非开挖的的敷设敷设地下管道地下管道的施工方法。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、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。更换和修复。大刀盘土压平衡顶管机大刀盘土压平衡顶管机主顶设备主顶设备 顶管施工一般是先在工作坑内设置支座和安装液压千斤顶，顶管施工一般是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。可见，这是一种边顶进，或掘进机后面，将预制的管段顶入地层。可见，这是一种边顶进，边开挖地层，边将管段接长的管道埋设方法。边开挖地层，边将管段接长的管道埋设方法。 顶管施工的基本原理顶管施工的基本原理顶管施工的基本原理顶管施工的基本原理 顶管法示意图n施工时，先制作顶管工作井及接收井，作为一段顶管施工时，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，也可用于曲线润滑泥浆。顶管施工可用于直线管道，也可用于曲线等管道。等管道。1-预制的混凝土管；预制的混凝土管；2-运输车；运输车；3-扶梯；扶梯；4-主顶油泵；主顶油泵；5-行车；行车；6-安全护栏；安全护栏；7-润润滑注浆系统；滑注浆系统； 8-操纵房；操纵房；9-配电系统；配电系统；10-操纵系统；操纵系统；11-后座；后座；12-测量系统；测量系统；13-主顶油缸；主顶油缸；14-导轨；导轨；15-弧形顶铁；弧形顶铁；16-环形顶铁；环形顶铁；17-已顶入的混凝土管；已顶入的混凝土管；18-运土车；运土车；19-机头机头 n按所顶进的管子口径大小分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：大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指管四种。大口径多指2m以上的顶管，人可以在其中直立行走。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中口径顶管的管径多为1.21.8m，人在其中需弯腰行走，大多，人在其中需弯腰行走，大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为5001000mm，人只，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在400mm以下，最小的只有以下，最小的只有75mm。n按一次顶进的长度（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指顶进工作坑和接收工作坑之间的距离）分：）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，过去多指规定，过去多指100m左右的顶管。目前，千米以上的顶管已屡左右的顶管。目前，千米以上的顶管已屡见不鲜，可把见不鲜，可把500m以上的顶管称为长距离顶管。以上的顶管称为长距离顶管。n按顶管机的类型分按顶管机的类型分：手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和：手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和机械顶管（机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式泥水式、泥浆式、土压式、岩石式 ）。手掘式顶管的推）。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。机械式之分。n按管材分按管材分：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。n按顶进管子轨迹的曲直分按顶进管子轨迹的曲直分：直线顶管和曲线顶管。：直线顶管和曲线顶管。 顶管施工的分类顶管施工的分类顶管施工的分类顶管施工的分类n手掘式顶管施工是最早发展起来的一种顶管施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、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。以至今仍被许多施工单位采用。n手掘式顶管机也即是非机械的开放式手掘式顶管机也即是非机械的开放式(或敞口或敞口式式)顶管机，适用于能自稳的土体中。在顶管顶管机，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、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，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。需采用降水等辅助措施。2.8.22.8.2 顶管机及其选型顶管机及其选型顶管机及其选型顶管机及其选型（一）（一） 手掘式顶管机手掘式顶管机n手掘式顶管机主要由切土刃角、纠偏装手掘式顶管机主要由切土刃角、纠偏装置、承插口等组成。所用的工具管有置、承插口等组成。所用的工具管有一一段式和两段式段式和两段式。一段式工具管与混凝土。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。后面的正常管节连接在一起。一段式手掘式工具管一段式手掘式工具管前段壳体前段壳体 纠偏油缸纠偏油缸 后段壳体后段壳体两段式手掘式工具管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。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。平衡地下水压力和土压力的作用。（二）（二） 泥水平衡式顶管机泥水平衡式顶管机n泥水平衡工具管正面设刀盘，并在其后设密封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、排间有纠偏千斤顶，在掘进机上下部安装进、排泥管。泥管。n泥水平衡式顶管机的结构形式有多种，如刀盘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、气可伸缩的顶管机、具有破碎功能的顶管机、气压式顶管机等。压式顶管机等。泥水平衡式顶管机结构及施工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、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。其它形式的顶管相比，增加了进排泥和泥水处理系统。 n泥水平衡式顶管施工的优点：适用的土质范围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；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，施工作井内作业环境好且安全；可连续出土，施工进度快。工进度快。n缺点：施工场地大，设备费用高，需在地面设缺点：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，必须全系统间相互连锁，一旦某一系统故障，必须全面停止施工。面停止施工。n土压平衡顶管机由土压平衡盾构机移植而来，其平衡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。和建筑的沉降较小等特点。n土压平衡顶管机按泥土仓中所充的泥土类型分，有泥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，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。有单刀盘式和多刀盘式。（三）土压平衡式顶管机（三）土压平衡式顶管机n1单刀盘式（单刀盘式（DK型）顶管机型）顶管机n单刀盘式土压平衡顶管机是日本在上世纪单刀盘式土压平衡顶管机是日本在上世纪70年代初期年代初期开发的，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。条式刀盘顶管机或者加泥式顶管机。下图下图所示的是这所示的是这种机型的结构之一，种机型的结构之一， 它由刀盘及驱动装置、前壳体、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、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。后壳体等组成。没有刀盘面板没有刀盘面板，刀盘后面设有许多根，刀盘后面设有许多根搅拌棒。这种结构的搅拌棒。这种结构的DK型顶管机在国内已自成系列，型顶管机在国内已自成系列，适用于适用于1.23.0m口径的混凝土管施工，在软土、硬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，可在覆土厚度土中都可采用，并且可与盾构机通用，可在覆土厚度为为0.8倍管道外径的浅埋土层中施工。倍管道外径的浅埋土层中施工。 单刀盘式顶管机单刀盘式顶管机 n2多刀盘式（多刀盘式（DT型）顶管机型）顶管机n这是一种非常适用于软土的顶管机，如下图所示的主体结这是一种非常适用于软土的顶管机，如下图所示的主体结构，四把切削搅拌刀盘对称地安装在前壳体的隔仓板上，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。螺旋输送机按泥土仓，右仓为动力仓。螺旋输送机按定的倾斜角度安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。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，置的四组纠偏油缸联接。在后壳体插入前壳体的间隙里，有两道有两道V字形密封圈，它可保证在纠偏过程中不会产生渗字形密封圈，它可保证在纠偏过程中不会产生渗漏现象。漏现象。小刀盘小刀盘螺旋出土机螺旋出土机纠偏千斤顶纠偏千斤顶多刀盘式土压平衡顶管机多刀盘式土压平衡顶管机 相同点：相同点：（1）二者都属于暗挖法施工大口径（）二者都属于暗挖法施工大口径（900）地下工）地下工程的主要施工方法；程的主要施工方法；（2）二者都要开挖工作基坑（工作井和接收井）；）二者都要开挖工作基坑（工作井和接收井）；（3）二者工作面的开挖方法，出、进洞施工技术基本相）二者工作面的开挖方法，出、进洞施工技术基本相似；似；（4）二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边）二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边环境保护等问题，都要进行注压浆。环境保护等问题，都要进行注压浆。2.8.3 2.8.3 盾构法和顶管法的主要异同点盾构法和顶管法的主要异同点 不同点：不同点：（1）盾构法的衬砌为管片，且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装，）盾构法的衬砌为管片，且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装，拼装好后一般不会再移动；顶管法的衬砌为管节，且每环管节是拼装好后一般不会再移动；顶管法的衬砌为管节，且每环管节是一次预制成功的，由顶进装置依次顶进，直至第一节管节到达接一次预制成功的，由顶进装置依次顶进，直至第一节管节到达接收井位置。收井位置。（2）盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿，而顶管）盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿，而顶管法施工的主顶进装置布置在工作井内，如果顶力不足要加设中继法施工的主顶进装置布置在工作井内，如果顶力不足要加设中继间。间。（3）盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，）盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板。顶管法的在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板。顶管法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。缩回后在中间加垫块或几块顶铁。O型顶铁是使主顶千斤顶的推型顶铁是使主顶千斤顶的推力可以较均匀地加到所顶管道的周边；力可以较均匀地加到所顶管道的周边；U型顶铁是为了弥补千斤型顶铁是为了弥补千斤顶行程不足而用。顶行程不足而用。（4）盾构机内有拼装管片的拼装机，而顶管机内没有。）盾构机内有拼装管片的拼装机，而顶管机内没有。（5）盾构法主要用于大断面城市地下隧道、水工隧道、公路隧道的）盾构法主要用于大断面城市地下隧道、水工隧道、公路隧道的施工；顶管法主要适用于断面稍小一些的城市地下管线的铺设。施工；顶管法主要适用于断面稍小一些的城市地下管线的铺设。 广州首次采用的顶管施工法，被誉为“广州第一顶”的地铁六号线东湖站号出入口过街通道顶管工程，历时两个月的艰苦挖掘穿越东湖路后，于7月31日上午成功到达接收井，创造了目前国内矩形顶管法施工建设地下通道的最大断面纪录。2.8.4 2.8.4 顶管法工程实例顶管法工程实例第一顶出洞机械顶管法施工顶管法施工现场顶管机头