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泥水平衡式顶管工艺示意图 |
一、施工原理
泥水平衡机械顶管是一种专业的非开挖施工技术，它主要是将含有一定的量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力。泥浆水在挖掘面上形成一层泥膜，加上一定的压力就可以平衡地下水压力和土压力，从而防止地下水的渗透，借助主顶油缸的推力将掘进机头推入洞口的止水圈，穿过土层往接收井的方向，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层，最终掘进机和工具管被推到接收井内吊起，同时把紧随掘进机和工具管的管道埋设在两坑之间，设计管道铺设完成。
二、适用范围
本工法使用于人工挖掘困难，危险性大的圆砾层、涌水涌砂、易塌方、含有毒气体以及路面与建筑物容易遭到破坏的土层。该工法特别适用于穿越道路、桥梁以及建筑物的管道（雨污水管、自来水管、煤气管等）的施工。
三、泥水平衡顶管机优点
1、适用地质范围比较广，在地下水压力很高、地质变化范围大等土质条件下，它都能适用。
2、可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，引起地面的沉降比较小。
3、与其他类型的机种相比，泥水顶管的切削力矩小，最适宜于砂砾及硬土里顶管。
4、工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水输送弃土，没有搬运土方及吊土等较易发生危险的作业。可以在各种环境下作业。且挖掘面稳定，不会造成地面沉降而影响交通及各种公用管线的安全。
5、泥水输送弃土为连续作业，因而大大提高了推进速度，最适宜于长距离顶管。
四、施工特点
1、顶管机顶进、破碎处理一体化，无需任何辅助工艺。
2、机内旁通装置标准化，大大缩短安装时间和防止泥水管道的阻塞。
3、激光反射型方向诱导装置能使操作简单而精确。
4、适用土层范围广，顶管距离长。
5、对水质量要求低，泥水经过泥水分离后可循环使用。
6、水拌和泥土通过输送管道排入净化池，整个管道保持干燥，施工检查方便。
7、管头采用机械掘进，有效的防止塌方、涌水、涌砂及有害气体等。
五、泥水平衡机械顶管施工工艺流程
六、顶管机操作步骤
1．管节拼装：管节吊放前先检查止水橡胶圈无翻转。吊放在前支架上要平稳，有浆孔的需注意浆孔的位置。管节拼装时两侧要有人观察，直到止水橡胶圈完全进入钢套内。
2．连接进回水管、压浆管道后打开工作坑内的进回水阀、压浆阀。
3．连接电缆：①动力电缆、②通讯电缆、③视频信号电缆、④机头控制电缆。各电缆接头连接必须正确并牢靠，洞口预留电缆必须超过管节长度的1.5倍。
4．机头送电：检查机头和操作台之间的指令和信号传输是否正常。
5．启动进回水泵：检查回水管出水是否正常，机头内回水压力表是否平稳。
6．打开截止阀、关闭旁通阀：打开或关闭机头内阀组时要认真仔细的查看压力表的读数。打开截止阀时动作不能过快，以免回水管道淤堵时进水压力猛增冲破软管或管接头。打通回路以后，检查泥水仓压力是否正常。
7．启动刀盘：根据机头的转角确定机头正转、反转。启动过程中，注意刀盘电流和机头转角变化速度。
8．主顶顶进：控制顶进速度应根据土层、管道覆土、泥浆浓度等综合因素考虑。顶进过程中需检查主顶动力站各油管接头、电磁阀是否漏油，后顶压力是否正常。
9. 轴线测量、控制：检查测量仪器是否精确整平、后视点对点是否精确、仪器竖直度盘角度是否正确。调整仪器目镜焦距，使激光点清晰的投到光靶上。根据测量结果确定纠偏方向和纠偏量，严格执行“勤测、勤纠、缓纠”的原则。
10.纠偏参数：由于顶管机的口径不同，所以一次纠偏的行程的上限也不同。以下为正常情况下，顶管机纠偏参数。
Φ800不大于5毫米、Φ1000不大于5毫米、Φ1200Φ1350不大于6毫米、Φ1500Φ1800不大于7毫米、Φ2400不大于8毫米
11.管道顶进到位
七、技术措施
1、顶管进洞技术措施
为了防止掘进机进洞下沉，可采取机头固定和洞口处注浆加固的措施。
（1）机头进洞时，将机头和后面的管用拉杆连接起来，使之成为一个整体，并在导轨上用两个手拉葫芦间隔一米拉紧，从而使机头沿着导轨方向顺利前进。
（2）对洞口进行注浆，注浆完毕后，对洞口的砖缝处钻洞做实验，检查是否有水涌出，如出现水涌就增加注浆排数，直到不出现水涌为止，这样就确保掘进机头顺利进洞。
2、安装洞门止水装置
顶进前，为了防止洞口处的水土沿掘进机头外壁与洞门的间隙涌入工作井，在工作井内口处安装一道环形橡胶止水圈。在顶进施工过程中又可防止触变泥浆从洞口流失，保证泥浆套的完整，以达到减小顶进阻力的效果。
3、管节运输
管节可由吊车卸到地面指定位置后，再由吊车将地面管节吊运到工作井内的轨道上。
4、管节顶进
管节顶进过程中，必须做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制。不仅根据控制台显示屏激光点及时调整纠偏油缸，使其能持续控制在轴线范围内，而且还要对管道内的轴线和标高进行检测。
5、顶管顶进与地层形变控制
在顶管工程中要根据不同的土质、覆土深度和地面沉降的情况，配合测量报表的分析，及时调整泥水与土压平衡值，同时要求坡度保持相对的平稳，控制纠偏量（出现偏差及时调整，不能出现大偏差时才一次调整到位），减少对土体的扰动。根据顶进速度，控制排泥量和地层变形的信息数据，及时调整注浆压力和注浆量，从而使轴线和地层变形控制在最佳的状态。
6、顶管进接收坑阶段的技术措施
（1）顶管机出洞前洞口土体加固
根据顶管进展情况，为保证掘进机能顺利进入接收坑，防止掘进机出洞后水土沿工具管与井圈之间的建筑间隙涌入接收坑内，保证井内接头能顺利施工。在掘进机机头到达接收坑前，对洞口土体进行注浆加固，加固范围洞口前5米范围内，洞口四周距管道外侧2—3米。
（2）掘进机状态的复核测量
掘进机进入接收坑前的复核应测量掘进机所处的方位，是确认顶管状态、评估掘进机出洞时的状态和拟定施工轴线及施工方案等的重要依据。使掘进机在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好地状态、准确无误地进入接收坑中。
（3）凿除砖墙
掘进机进入接收坑前，当接收坑砖墙封门破坏后掘进机头应迅速、连续顶进管节，尽快缩短出洞时间。掘进机整体出洞后应尽快把机头和砼管管节分离，并把管节和接收井的接头按设计要求进行处理，减少水土流失。
7、泥浆的排放及处理
泥浆处理装置将沉淀的泥浆通过排泄管排至泥浆池，经过处理重复利用。如管道铺设完毕，直接将其排入废浆池，然后用汽车运至指定地点废弃，确保生态环保卫生。
8、压浆孔的处理
顶管顶进完成后，对管节上的压浆孔清理干净，并用普通水泥、麻絮等材料对压浆孔进行封堵措施。
9、顶管施工测量
（1）测量及控制指标
为了保证顶进轴线控制在设计轴线允许偏差范围内，在顶进过程中密切注意激光点的偏向。轴线控制的测量系统设在工作井内液压主顶装置中间。施工中需经常对控制台进行复测，一保证测量精度，控制台基础应用混凝土浇筑在沉井底板上。按独立坐标系放样后用测量控制台使它精确地移动至顶管轴线上，用它正确指挥顶管的施工方向。
（2）施工顶管测量
在后顶观察台架设一台经纬仪，通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各测一回，编排程序计算顶管的头部及尾部的平面及高程。
（3）注意问题
顶管施工初次放样及顶进尤为重要，另外由于顶管后靠顶进中要发生变化，后台的布置保持始终不变形、移位来确保顶管施工测量的正确性。
八、机具组成
1、顶管机主机由驱动装置、纠偏装置、切削刀盘和泥水仓组成。
2、顶管机系统设备主要装置包括操纵室和遥控台、液压装置、后方主油泵、泥水循环装置、激光定位装置、减磨剂搅拌注入装置、泥水处理装置。
3、辅助装置包括起重机、发电机电焊机等。
4、附属装置包括基坑、导轨等。
九、顶管施工中应注意的事项
1、当掘进机停止工作时，一定要防止泥水从土层或洞口及其他地方流失。不然掘进面就会失稳，尤其是在进洞这一时间内更应防止止水圈漏水。
2、无论何时要注意管缝的密封性，管缝密封性不好时注入管外壁与土层之间的减磨泥浆从管缝漏出，管壁与土层之间无法形成良好地浆套，反而会增加顶管的阻力，影响管道的顶进长度。
3、在掘进过程中，应注意观察地下水压力的变化，并及时采用相应的措施和对策，只有这样才能保持挖掘面的稳定。
4、在顶进观察中，随时要注意挖掘面是否稳定，不定时的检查泥水的浓度和相对密度是否正常，还要注意进排泥泵的流量和压力是否正常。应防止排泥泵的排量过小造成排泥管的淤泥和堵塞现象。
5、后背墙的承载力，因为顶力较大，要计算好后背墙的承载力。一旦顶力大于后背墙的极限承载力，后背墙破裂将导致顶管作业较长时间停顿，长时间停顿直接导致阻力增大，势必影响工程顺利实施。
十、安全措施
1、平台活动口四周要安装车固的护身栏，其高度不低于1．2米，出入孔三面要有围挡，其高度不低于0．5米，二步行人平台要按规定设护身栏，并有挡脚板。
2、顶管竖井用的梯子，一般使用定型梯子，梯子固定要牢固，有一定坡度，临时制作的梯子，蹬距最大不得超过40厘米，横蹬要坚固。
3、管子在顶进过程中要观察后背、顶镐、顶铁和管口情况，遇有后背倾斜、倒塌、顶力突然增大、顶铁弯曲、拱起及管子破裂等问题应停止顶进，顶进中任何人严禁穿越顶铁，顶铁上方及两侧不得站人，要建立健全交接班制度，接班者必须处理完上一班未解决完成留下的问题。
4、顶管施工要有防燃、防爆、防水淹等措施，顶进长度超过50米时，应有预防缺氧窒息的措施。
5、 操作人员上工前不得饮酒，任何在施工前饮酒人员严禁进入施工现场。
6、 坑槽深超过2米，高处和交叉作业人员必须正确戴安全帽。
7、电气焊工人在操作时必须穿白色工作服，绝缘鞋，戴防护面罩，防护目镜及电气焊手套。
8、 电工操作时必须穿绝缘胶鞋、工具齐全、工具必须绝缘良好，并按电工操作规程操作。
9、其他特种作业人员都必须持证上岗，并按规定佩戴劳保防护用品。
10. 吊车作业，不准超负荷或斜拉斜吊，吊装散物必须捆扎牢固，不明地下物和不明吨位物不准吊拔，信号工、起重工必须持证上岗。
11. 使用外租机械，要求机械出租单位出具检验合格证，签定安全协议书，明确责任，在施工前必须由主管施工人员进行书面交底和口头交底。上下竖井，不准超负荷运行。
12. 各种机械操作人员必须精神集中，操作时严禁打闹、闲谈、脱离岗位，有时必须请假，找同等操作人员接替，否则不准脱离岗位。
13. 机械在高压线一侧作业时，臂杆、吊索具与电线应有足够的安全距离，在电线下方通过时必须将臂杆落下。
14、严格遵守各项操作规程，精心组织施工，以专检和监督方式为主，实行安全生产一票否决制。做好临时用电和施工机械安全工作。
15、根据施工特点编制安全操作的注意事项和具体施工安全措施，并在项目编制安全奖罚制度，每月或者每季度进行安全评比。
16、加强现场环境卫生。
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