大直径卵石复杂地质条件下的顶管施工工法

1 大直径卵石复杂地质条件下的顶管施工工法

1.前言

XX 工程污水管道采用顶管施工。该工程地质复杂，主要有黏土层和砂土层，并夹杂卵石层或漂石层。卵石直径可达10~15cm ，含量约为40%，其强度为80MPa 左右，坚硬光滑。

在试验段试顶期间，先后采用了传统的泥水平衡顶管机和巨卵石泥水平衡顶管机，顶进均未成功。因此，需联合顶管机生产厂家改进顶管机，使之具有卵石破碎功能且适用于黏土层和砂土层。改进后的顶管机（岩石破碎泥水平衡顶管机），经试验段试顶，有效地解决了在该复杂地层下的顶进问题。

图1.1卵石

岩石破碎泥水平衡顶管机的功能原理：刀盘上设置了双刃滚刀，起到对卵石的初步破碎作用；设置前供浆，即供浆管道通过三通阀分流出两道支管，在泥土仓内设置供浆口，对泥土仓内供浆，稀释黏土，避免黏土粘接、堵塞进泥孔；采用高粘度泥浆，制备出的泥浆粘度不小于80s ，能够有效携带碎石，从泥水仓排出；增加泥石分离设备，分离出泥浆，循环利用，确保泥浆纯度。

以上方法有效地解决了月季大道顶管施工顶进受阻的问题，最终形成了大直径卵石复杂地质条件下的顶管施工工法，

目前该工法已通过教育部科技查新工作

站的查新，并通过企业级工法专家评审。

2.工法特点

2.1采用了两级破碎和泥土仓供浆，能够破碎卵石、漂石，且不会出现黏土堵塞泥土仓、排泥管的现象，完全适用于夹杂卵石层、漂石层的黏土层和砂土层。

2.2操作方法与传统的泥水平衡顶管机相同，相关配套设备无需更换。

2.3未增加安全隐患，不产生废弃物，不污染环境。

3.适用范围

适用于砂层、砂土层、含卵石或漂石的土层，尤其适用于卵石、黏土、砂土混合的复杂地层（卵石直径可为5~40cm）的顶管施工。

4.工艺原理

4.1岩石破碎泥水平衡顶管机

由刀盘、工作仓、设备仓组成。工作仓前端为泥土仓，后端为泥水仓。

4.1-1岩石破碎泥水平衡顶管机

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4.1-2岩石破碎泥水平衡顶管机内部

4.1.1一级破碎

在刀盘上设置11个双刃滚轮，滚轮刀头为耐磨硬质合金，强度可达2000MPa, 高温下硬度为89~93HRA，其破碎能力强，增加了在卵石进入泥土仓前的初步破碎（一级破碎）。

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图4.1.1-1传统泥水平衡顶管机刀盘

图4.1.1-2巨卵石泥水平衡顶管机刀盘

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图4.1.1-3岩石破碎泥水平衡顶管机刀盘

千斤顶推动机头前进，挤压前方土体和卵石，刀盘转动，滚刀被动旋转，使滚刀与卵石之间产生强大的挤压、摩擦作用，将大卵石破碎成小卵石。

4.1.2二级破碎

泥土仓是一个前大后小的锥形仓，位于刀盘面板后面。锥形仓内壁布置8

道（根据直径不同，数量也不同）硬质耐磨合金刀棱，局部设置有直径4cm的进泥孔。经滚刀破碎的卵石随着被刮刀切削的泥土进入泥土仓，仓内刀片旋转，与仓内壁上的耐磨合金刀棱共同作用，对进入仓内的卵石产生剪切破碎（二级破碎），被破碎的卵石和泥土经仓壁上的进泥孔进入泥水仓。

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图4.1.2 泥土仓

4.1.3前供浆

传统的泥水平衡顶管机，通过内径10cm的供浆管，连接至泥水仓，给泥水仓供浆，泥石混合物在泥水仓内充分混合后通过排浆管排出。

岩石破碎泥水平衡顶管机供浆管道通过三通阀分流出两道支管，在泥土仓内设置供浆口。一道供浆管与传统泥水平衡顶管机一样给泥水仓供浆，另一道供浆管给泥土仓供浆（前供浆），稀释黏土、碎石混合物，增加其流动性，使其能够及时穿过进泥孔进入泥水仓，避免进泥孔堵塞。

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图4.1.3泥土仓内设置的供浆口

4.2高粘度泥浆

泥浆中水和膨润土重量比为10：1，粘度不小于80s，能够更有效地携带破碎的卵石，从排浆管排出。

4.3泥石分离

从供浆管内排除的泥浆，夹杂有碎石、砂子，为了使泥浆循环利用，降低成本，对原有工艺进行改进，增加了泥石分离设备，去除其中的砂石颗粒，保证了泥浆纯度。使用后，泥浆回收率可达80%以上。

泥石分离器主要有粗筛、细筛、旋流器、泥浆泵、蓄浆池等部分组成。从顶管机排出的泥浆先经粗筛过滤，除去石块，流入蓄浆池；再由泥浆泵送入旋流器分离，沉渣经细筛再次过滤流入蓄浆池，分离后的泥浆流入泥浆池，循环利用。

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图4.3-1泥石分离设备

图4.3-2 泥石分离设备示意图

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5.施工工艺流程及操作要点

5.1工艺流程图

图5.1 工艺流程图

5.2施工操作要点

5.2.1顶管机回退

由于地质勘查报告无法完全反映顶管沿线土层构造，当遇到地勘报告中没有显示的卵石层或漂石时，采用传统泥水平衡顶管机无法破碎石块，顶进失败，需将原顶管机强制退出，更换施工设备和方法。

退出时先拆除所有供电、泥浆管等管线，将千斤顶回缩。吊车吊起千斤顶，调换顶进方向，以顶进洞口的沉井井壁为靠背（必要时需设置钢板靠背后），重

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10 新安装千斤顶。在千斤顶前端安装250mm ×250mm 的H 型钢，用2根（根据阻力大小可增加钢筋数量）直径25mm 的钢筋将顶管机和H 型钢连接，焊接牢固。千斤顶顶推H 型钢，拉动顶管机和管道，逐节吊出管道，完成回退。每退出一节管道，都需要将连接钢筋超出部分切断，回缩千斤顶，重新焊接，焊接必须牢固、可靠，满足焊接规范要求。

顶管机回退前要将新顶管机及相关配套设备准备好，顶管机退出后要尽快将新顶管机安装好，快速顶进至原受阻位置，避免退出后形成的孔道长时间放置，发生缩孔或塌孔。

5.2.1顶管机回退示意图

5.2.2刀头更换

顶管机的刀头破碎卵石，会对刀头自身造成很大的磨损，

将大大降低对卵石

的破碎作用。因此每个顶进段顶进完成后，必须检查滚刀、刮刀及泥土仓内刀棱的磨损情况，磨损达到15mm时，应更换，更换频率一般为200h。

更换时，先将整个刀盘拆掉，用吊车将刀盘平放，从刀盘后面拧掉固定滚刀的螺栓，更换新滚刀，刮刀和泥土仓内的刀棱需重新焊接。

5.2.3前供浆开启

当符合以下两个条件之一时，应打开前供浆：

（1）顶进施工时，观察动力系统的电流表，正常顶进时电流表读数约为80A，当电流读数发生突变（100A左右）时，说明顶管机刀盘前端受到的阻力增大，可判断为遇到卵石或漂石，或者卵石含量增大，此时应打开前供浆。

（2）观察排泥管排出的泥浆，当泥浆内碎石含量较之前增多时，打开前供浆。

5.2.4及时检测泥浆粘度

本工法要求泥浆粘度不小于80s，经目测并结合马氏漏斗检测，出现偏差时要通过加水或膨润土来调节。

6.材料与设备

6.1主要施工材料

投入的材料均为常规材料，根据施工进度进场。

6.2主要施工设备

与传统泥水平衡顶管机相比，增加的主要设备见下表：

表6.2 主要施工材料技术指标

7.质量控制

7.1质量标准

顶管施工质量验收标准如下：

表7.1 顶管质量验收标准（参照GB50268-2008表6.7.3）

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7.2质量控制措施

7.2.1对顶管施工人员进行技术交底,必须交底到一线操作工人。

7.2.2做好培训工作，组织技术人员认真学习设计图纸、技术规范及操作规程。

7.2.3严格把控原材料质量，尤其是钢筋混凝土管道。

7.2.4严格执行隐蔽工程检查验收制度。

8.安全措施

8.1运输、存放安全

管材装卸，必须有专人指挥。机动车辆运输，必须用紧线器绑牢。卸车前必须认真检查，如有松动或管材移位，必须先采取可靠措施，防止管材滑落。管材码放场地应平整坚实，码放高度为一层，距工作井边距离不小于2m，码放后固定牢靠。

8.2吊装安全

8.2.1吊放管道时，必须有专人指挥，工作井内不得有人。

8.2.2钢丝绳编插长度应大于钢丝绳直径的20-25倍，同时最短不得小于30cm。

8.2.3吊钩应有防脱钩卡，顶部定滑轮应有安全限位卡装置。

8.2.4交接班时应检查钢丝绳，出现表面磨损、腐蚀、断丝严重、打死弯、断股、油芯外露的禁止使用。

8.3工作井安全

8.3.1工人上下工作井必须走安全爬梯，严禁用吊车上下吊送工人。

8.3.2工作井周边必须用设置硬质防护栏杆。

8.3.3工作井内的千斤顶、泥浆管、供电等管线必须安装牢固。

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8.4顶进安全

8.4.1顶管机操作人交接班时，必须交接清楚当前的顶进情况、需要处理的问题及注意事项。

8.4.2已顶进的管道内每10m装一盏照明灯，采用24V安全电压供电。

8.4.3后靠背必须垂直管道顶进方向，千斤顶必须与平行与管道轴线。

8.4.3工人方可进入管道内检修前，需向管道内通风。采用压入式通风，空压机安装在地面上，用DN100的硬质PVC通风管道，将风送至端部机头处。通风管要固定在工作井侧壁及钢筋混凝土管内壁的上边，固定要牢固。

8.4.4发现顶铁向两侧弯曲或往上起拱时，应立即停止顶进，调整直顺或加弧形铁。

8.4.5发现两个千斤顶顶出长度不一致，或混凝土管端头有表层脱落时，立即停止顶进，查找原因，采取可靠措施。

9.环保措施

9.1 经泥石分离器分离出的石块、泥浆，要及时清理出场。施工结束后，剩余的泥浆用泥浆运输车外运至弃土场。

9.2进出场车辆需经冲洗，避免将尘土、泥浆带到场外。运输散装材料的车辆，车箱必须封闭。

9.3施工现场设专人负责保洁工作，配备专用洒水车，及时清扫，随时洒水，确保施工现场干净、整洁，无扬尘。

10.效益分析

10.1经济效益

月季大道顶管管道平均埋深10米，顶进长度100米左右，以此为例进行计算。

10.1.1传统工法

传统泥水平衡机在该地质条件下一般顶进3~4m就无法顶进，耗时1天，需强制退出顶管机，改成开槽施工。

人工费：每天1000元，共1000元；

电费：每天1000元，共1000元；

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开槽施工需要20天（包括开挖、回填等）。以1.5m直径的管道为例，需开挖14500m3土方，回填砂砾石14500-176=14324m3，单价120元/m3，费用为1718880元。

总费用：1720880元，且未考虑沟槽开挖施工工期长以及占地面积大，导致机动车道无法施工的工期延误费用。

10.1.2改进工法

改进后每天顶进20m，工期为5天。

增加费用：滚刀、泥石分离器、供浆分支管、膨润土等增加成本335200元。

顶进人工费每天1000元，共5000元；

电费每天1000元，共5000元；

机头维修费：顶进完成后滚刀更换费用180000元。

总费用：525200元。

因此顶进100米节省费用：1720880-525200=1195680元，节省工期15天。

10.2社会效益

该工法有效解决了在夹杂卵石层或漂石的黏土层和砂土层地质条件下的顶管问题，为顶管施工行业提供了在类似复杂地质中顶管的技术支撑和案例，社会效益巨大。

极大的缩短了施工工期，与其它顶进方法相比，操作方法相同，不增加安全隐患，得到了业主单位的高度认可。

10.3环保效益

该工法使用了泥石分离器，使泥浆回收循环利用，有效地减少了泥浆对环境的污染。

11.应用实例

南阳市月季大道污水顶管施工，管径1500mm，管道最深埋深为13.209m，最长顶进长度100m。

管道所处土层主要有黏土层和砂土层，并夹杂卵石层或漂石层。卵石直径可达10~15cm，含量约为40%，其强度为80MPa左右，坚硬光滑。

本工法已经成功应用于南阳市月季大道污水管道顶管工程，有效解决了在夹杂卵石层或漂石的黏土层和砂土层地质条件下的顶进受阻问题。施工质量满足设

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计和规范要求，未发生安全事故，加快了施工进度，为类似工程提供参考经验。

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