顶管施工工法及其掘进机械

顶管施工工法及其掘进机械1

魏昌斗1，杜长春2

1

宁波市镇海区镇海新理委员会（315202）

2

浙江省工程勘察院（315010）

E-mail：zjawei@163.com摘 要：本文对目前国内市政工程施工中所遇到的各类顶管施工工法进行了总结归纳分类，介绍了各类顶管施工工法的施工工艺及相应的机械设备；给出了各类顶管施工工法及相应掘进机械的适用土质条件，并在推进速度、耗电量、劳动力和环境影响方面进行了比较分析。 关键字：顶管 施工工法 掘进机械

1 顶管施工工法的优点

1.1在城区内进行相关管道工程施工，如果地下水不是十分丰富且管道埋深较浅的情况下采用开挖式敷设管道比较经济。但是也存在一些问题，如施工噪音较大、容易阻碍交通、容易引起地面沉降等。

1.2非开挖顶管施工采用油压驱动，施工时噪音远远小于开槽式敷设管道，几乎没有地面沉降的现象，对周围的影响降低到最小程度。而且在较深的埋深情况下施工成本要小于开槽式敷设管道。

1.3在施工穿越中小型河流相关管道时，如采用顶管施工，不仅不需要花巨资截断河流，而且施工速度快、不影响河流通行。

1.4顶管施工工法的优点[2]： ⑴无需隔断交通； ⑵噪音以及震动都很小； ⑶可以在很深的地下敷设管道；

⑷可以安全地穿越铁路、城市道路、河流和地下管廊； ⑸对施工周围的影响很小； ⑹可以穿越障碍物。

2 顶管施工工法分类

根据顶管施工工法掘进机的密闭条件，将目前国内所采用的顶管施工工法划分为开放型施工工法和密封型施工工法两大类。前者即为通常所说的“土顶”，又叫刃口式推进工法，后者分为泥水式推进工法、土压式推进工法、泥浓式推进工法三类]，如图2.1所示。

3 顶管施工常见土质分类

根据顶管施工特点，将常见的土质进行如下分类：

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开放型顶 管 工 法 密封型刃口式推进工法 土压式推进工法泥水式推进工法 泥浓式推进工法图2.1 顶管施工工法分类

3.1淤泥质粘土

此种软土的形成是在较弱的海浪岸流及潮汐的水动力作用下逐渐形成的。土的颜色多呈灰色或黑灰色，光润油滑且有腐烂植物的气味，多呈软塑或半流塑状态。其天然含水量很大，一般都大于30%，饱和度一般大于90%，液限一般在35-60%之间，软土的天然重度较小，约在15-18kN/m3之间，孔隙比都大于1，因此具有变形量大，强度低的特点。

3.2砂性土

由于曾受到海水或三角洲河水的冲击，含有海水或河水所搬运的以细砂及粉砂为主的大量沉积物，其特点是粘粒含量较少，故称之为砂性土。砂性土的土颗粒较一般的粘土大，一般在20μm以上，土颗粒之间的凝聚力较小，呈单粒结构，孔隙比较大，很容易在水动力的作用下产生流砂现象。

3.3黄土

凡以风力搬运沉积又没有经过次生扰动的、无层理的黄色粉质、含碳酸盐类并具有肉眼可见的、大孔的土状沉积物为黄土（原生黄土）；其它成因的、黄色的、又常具有层理和夹有砂、砾石层的土状沉积物称之为黄土状土（生黄土）。本文把原生黄土和次生黄土统称为黄土。

3.4强风化岩

强风化岩是指风化很强的岩石，岩石原有的组织结构已大部分破坏，矿物成分已显著变化，含有大量粘土矿物。风化裂隙很发育，岩体被切割成碎块，干时可用手折断或捏碎，浸水或干湿交替时可较迅速地软化或崩解，用镐或锹可挖掘，干钻可钻进。

3.5微风化及中风化岩（岩石）

微风化岩是指岩质新鲜，表面稍有风化迹象的岩石，硬度很高的岩石。在此地层中顶进较困难，而且一般顶进距离超过100米时需要更换刀头。中风化岩较软，其组织结构部分破坏，矿物成分发生变化，用镐难挖掘。

4 顶管施工工法简介

4.1 刃口式推进工法

刃口式推进工法施工工艺示意如图4.1.1和图4.1.2。

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刃口式推进工法的掘进机结构较简单，其刃口部分（即机头）加工简便，可以根据土质条件加工成全敞开式、半敞开式或活瓣式，一般称之为敞开式掘进机。

刃口式推进工法可适用于软土地层中、地下水位以上黄土地层中、地下水位以上强风岩地层中。

刃口式推进工法的特点是施工成本低，在顶进过程中如遇前方障碍物可立即采用人工方式排除；其缺点是顶进管径应大于Φ800mm，否则不便于人员进出；顶进距离不宜过长，一般对于Φ800mm顶管、其顶进距离不宜超过150m，管径较大时可

图4.1.1 刃口式推进工法施工工艺示意图

a.顶进面状况 b.管内掘进状况 c.井内出土状况 d.井上门吊出土

图4.1.2 刃口式推进工法施工现场典型照片[1]

适当延长顶进距离；同时在管内应设置照明、通风和通讯设备；由于是采用敞开式或半敞开式取土，顶进完成后地表均有沉降现象，不适用于已建成的建筑物区域，一般在类似于农田对地面沉降要求不严格的情况下或随新建市政道路工程同时施工的情况下采用。此种机型的缺点是顶速慢、遇到流砂层时难以控制出土量，因此沉降也是大于以下所述几种顶管掘进机。

刃口式推进工法在我国东南沿海海相沉积的淤泥质粘土中应用较广泛，由于土质较软、孔隙比大，切削和顶进都较容易，其机头一般加工成半敞开式或活瓣式，让二分之一或更少的软土被取出，其余的土被挤压至管径周边，这样可减少取土量、阻止地表沉降，并加快了顶进速度；再者在这类土中顶进可省去管壁注浆。

在黄土或强风岩中顶进时，由于土体摩擦力较大，为便于顶进，应采用全敞开式掘进机，并应在管壁周边进行注浆润滑。

刃口推进工法适于顶进管径规格为Φ800~3000mm。

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4.2 土压式推进工法

土压式推进工法施工工艺示意如图4.2.1，土压式推进工法有如下特点： ⑴通过向切削仓内注入一定比例的混合材料，使得充满泥仓的泥土混合体平衡 正面土压力以及地下水压力；

⑵无需泥浆泵等后部配套装置，整机造价低廉； ⑶无需泥浆处理，施工成本低。

土压式推进工法所采用的顶管掘进机可根据机头所载刀盘数量分为单刀盘土压平衡掘进机和多刀盘土压平衡掘进机。

图4.2.1 土压式推进工法施工工艺示意图

4.2.1 单刀盘土压平衡掘进机

单刀盘土压平衡掘进机有以下优点：

⑴适用的土质范围非常广，除岩石外的其他类土质均适用，且不需采用其他辅助手段； ⑵施工后地面沉降小； ⑶弃土的处理比较简单；

⑷可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工； ⑸有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能； ⑹开口率达100％，土压力更切合实际。 4.2.2 多刀盘土压平衡掘进机

多刀盘土压平衡掘进机把通常的全断面切削刀盘改成四个的切削搅拌刀盘，所以它尤其适用于软粘土层中顶管施工。如果在泥土仓中注入些粘土，它也能用于砂层中顶管施工。另外，由于此机采用了先进的土压平衡原理，采用此机进行顶管施工后，对地面及地下的建筑物、构造物、埋设物的影响较小。用它可以安全地穿越公路、铁路、河川、房屋以及各种地下公用管线。其最小覆土深度可以相当于一倍管外径左右。从无数的施工实例证明，用此机进行顶管施工作业，不仅安全、可靠，而且施工进度快、效率高。与单刀盘土压平衡掘进机相比，此机具有价格低廉、结构紧凑、操作容易、维修方便和质量轻等特点。另外，它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。它与泥水式顶管施工相比，最大的特点是排

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出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理。施工占地小，对周围环境污染也很少。如采用皮带输送机或螺旋出土机（如图4.2.2）方式出土，顶进效率会更高，平均24小时可顶进15-20米。但是它的缺点也很明显，由于不是全断面切削，切削不到的部分只能通过挤压进入机头，因此迎面顶力较大。

土压式推进工法适用于施工管径规格为Φ1000~3000mm。

图4.2.2 皮带输送机及螺旋出土机[1]

4.3 泥水式推进工法

泥水推进工法施工示意图如图4.3，泥水推进工法有如下特点：

⑴通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力； ⑵采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程中不间断，施工速度快； ⑶无需地基改良或降水处理，施工后地表沉降小。

泥水式推进工法所采用的掘进机常用的有刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机和偏心破碎泥水平衡掘进机。

4.3.1 刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机

如需穿越建筑物、构造物、埋设物等对地面沉降要求很小的情况下，可采用刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机，此种机头的刀盘是一个直径比掘进机前壳体略小的具有一定刚度的圆盘。圆盘中还嵌有切削刀和刀架。刀盘和切削刀架之间可以同步伸缩，也可以单独伸缩。而且，不论刀盘停在哪一个位置上，切削刀架都可以把刀盘的进泥口关闭。刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸，刀架伸缩油缸则安装在刀盘加压装置的上方。刀盘可伸缩式掘进机的工作原理如下：刀盘前土压力过小时，它就往前伸；刀盘前土压力过大时，它就往后退。

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图4.3 泥水式推进工法施工工艺示意图

刀盘前伸时，应减小进泥口开度并加快推进速度；刀盘后退时，应加大进泥口开度并降低顶速。这样，就可使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。使用此种掘进机顶进施工时地面隆沉极小，优秀的操作人员可使地面隆沉控制在10mm以内。由于采用了泥水作为运输介质，在顶进的过程中无需停顿出泥，因此它的顶速也很快，24小时可顶进20-30米。缺点也很明显：由于进泥口开度，在含有直径大于6cm卵石的地层中无法施工，同时需对泥浆进行二次分离处理。

4.3.2 偏心破碎泥水平衡掘进机

对于土质为强风化岩的情况下，我们可采用偏心破碎泥水平衡掘进机。此机与普通泥水掘进机的最大不同点是其头部。壳体内的泥土仓是一个前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的内壁是用耐磨焊条堆焊的一圈环形焊缝。安装在壳体泥土仓内的是一个前面小、后面大的锥体，锥体上也堆有一圈环形焊缝。切削刀呈辐条形焊接在该锥体上，且略微向前倾斜。刀盘的正面焊有坚固而且耐磨的切削刀头，所有这些构成一个刀盘。这样，在掘进机工作时，刀盘一边旋转切削土体的同时还一边作偏心运动把石块轧碎。被轧碎的石块只有比泥土仓与泥水仓联接的间隙小才能进入掘进机的泥水仓，然后从排泥管中被排出。另外，由于刀盘运动过程中，泥水仓和泥土仓中的间隙也不断的由最小变到最大这样循环变化着，因此，它除了有轧碎小块石头的功能以外还始终能保证进水泵的泥水能通过此间隙到达泥土仓中，从而保证了掘进机不仅在砂土中，即使在粘土中也能正常工作。一般情况下，刀盘每分钟能旋转4-5转，每当刀盘旋转一圈时，偏心的轧碎动作达20-23次。由于此机型有以上这些特殊的构造，因此它的破碎能力是所有具有破碎功能的掘进机中最大的，破碎的最大粒径可达掘进机直径的40-45%之间，破碎的卵石强度可达200MPa。此机型在顶管掘进过程中有如下特点：

⑴它几乎是全断面全土质的掘进机。它可以在N值从0-15的粘土，N值1-50的砂土以及N值10-50的卵砾石层等地层中使用，而且推进速度不会有太大的变化；

⑵破碎粒径大，其破碎粒径可达掘进机直径的40-45%之间；

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⑶施工精度高，施工后的偏差极小；

⑷由于具有偏心运动，进土的间隙又比较小，即使用清水作为进水，也能保持挖掘面的稳定；

⑸可以进行长距离顶进，也可用于曲率半径比较小的曲线顶进； ⑹施工速度快，每分钟可进尺100-180mm之间；

⑺机具结构紧凑、维修保养简单、操作方便。无论在工作坑中安装还是在接收井中拆除都很方便；

泥水式推进工法适于顶进管径规格为Φ600~3000mm。

4.4 泥浓式推进工法

泥浓式推进工法施工示意图如图4.4，泥浓式推进工法具有如下特点： ⑴可以不加破碎的排出孔径约为掘进机直径1/3的卵砾石； ⑵采用了二次注浆方法，大大的减少了磨阻力，适合长距离顶进。

图4.4 泥浓式推进工法施工工艺示意图

泥浓式顶进工法所采用的顶进掘进机制造工艺较复杂且精良，在顶进过程中顶进操作人员处于顶进管道中，目前此施工工法在日本应用较广泛，在中国也有应用报道。

此工法在顶进过程中，将废弃物分成两部分通过不同的方式排至地表后再外运处理。通过泥浆将顶进中所遇到的粘粒、砂砾等细小颗粒排至泥浆处理设备中，经泥浆处理设备二次分离处理后，粗颗粒部分由泥浆运输车外运，余下的优质泥浆再次循环利用；顶进中遇到的卵砾石、块石等粗大颗粒物储存于储存槽中，经管道运输至工作井内，再由门架吊至地表后外运。

因此泥浓式顶进工法适用的土质条件较广泛，除岩石外所有土质条件均可适用。它适用顶进管径规格为Φ700~2200mm。

5 顶管施工工法适用土质条件分析

根据以上四类顶管施工工法的介绍分析，将各类顶管施工工法及相应的掘进机所适用的土质条件、顶进施工中的顶进速度快慢、耗电量多少、劳动力需求情况和对环境的影响程度列于下表（表5.1）。在施工过程中，可以根据表5.1针对不同的土质情况选用不同的顶管施工工法及其相应类型的顶管掘进机（泥浓式施工法在国内应用较少，故未能在表中反映）。

由表5.1知，对于淤泥质粘土，由于其土质较软、切削容易，上述四类施工工法均适用，

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表5.1 推进工法、掘进机械适用土质条件表 刃口工 推进工土压式推进工法 泥水式推进工法 法 敞开式 岩盘 偏心破碎泥刀盘可伸缩单刀盘土多刀盘土掘进机 掘进机 水 式 压 压 平衡掘进机 泥水平衡掘平衡掘衡掘进进机 机 机 慢 适用小 较少 小 不适用适 用 一般较大一般小 一般 适 用 较大一般小 慢 适用小 较少 小 慢 适用小 较少 小 含水量小适用慢 小 大 小 不 适 用 不适 用 不 适 用 适用不 适 用 适用适用适用较快一般一般小 较快一般一般小 较快一般一般小 较快一般一般小 不适 用 不适 用 不适用 适用适用适用适用快 较大 多 大 快 较大 多 大 快 较大 多 大 较快 较大 多 大 不适用 适用适用快 较大 多 大 快 较大 多 大 适 用 快 较大 多 大 快 适 较大 用 多 大 快 适 较大 用 多 大 快 适 较大 用 多 大 快 适 用 大 多 小 施工工法 掘进机 土质条件 掘进速度 耗电量 劳动力 环境影响 掘进速度 耗电量 劳动力 环境影响 掘进速度 耗电量 劳动力 环境影响 掘进速度 耗电量 劳动力 环境影响 掘进速度 耗电量 劳动力 环境影响 淤泥质粘土 砂型土 黄土 强风化岩 岩石 表中介绍的各类顶管掘进机均可采用。

对于易产生流砂现象的砂性土可根据其含水量及其标准贯入度选用土压式推进工法和泥水式推进工法。当标准贯入度较小时可选用多刀盘土压平衡掘进机，当标准贯入度较大时，除多刀盘土压平衡掘进机和敞开式掘进机以外的以上各种掘进机都适应此种土质。

对于黄土土质条件下，可以根据其含水量情况及N值分别选用敞开式掘进机、单刀盘土压平衡掘进机和偏心破碎泥水平衡掘进机。

对强风化岩，当其含水量较少、N值大于18、地下水位低于顶进管道时，可采用敞开式掘进机，否则可采用单刀盘土压平衡掘进机和偏心破碎泥水平衡掘进机。

如顶进管道轴线附近可能存在大的石块，桩基础等不明障碍物，可采用排障方便、成本低廉的敞开式掘进机，地下水位较高的话可采取井点降水等辅助施工方法。

中风化岩以及弱风化岩条件下如果地下水含量较高就只能采用岩盘掘进机了。该机型的刀头类似于牙轮钻，可以在岩石中顶进，也是一种全土质的机型，但该机种的造价很高，而且目前在国内是一项空白。

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参考文献

[1]顶管施工技术服务有限公司《顶管工法介绍》、《顶管工法分类》，2005 .

[2]中国有色金属工业总公司《岩土工程施工方法》编写组. 岩土工程施工方法.辽宁科学技术出版社，1990.

Jacking-Pipes construction methodology and construction

machine

Wei Changdou1，Du Changchun2

1

ZhengHai New City Administration Committee Of ZhenHai District NingBo City（315202）

2

ZheJiang Engineering Prospecting Institute（315010）

Abstract

Jacking-Pipes construction methodology in city planning engineering is summarized and classified. Construction crafts and construction mechanisms of Jacking-Pipes construction methodology are introduced. Geotechnical engineering condition of Jacking-Pipes construction methodology and Jacking-Pipes construction machine is gived, also compared and assayed about propulsion speed, dose of electricity, labour input and environment effect. Keywords: Jacking-Pipes Construction methodology Construction machine

作者简介：魏昌斗、男、高级工程师、一级建造师（市政公用工程），19年10月生，1988年7月毕业于成都地质学院（现成都理工大学）工程地质专业，主要从事市政工程建设项目管理及项目设计工作，担任过施工单位总工程师。

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