如何應用頂管技術在砂礫和岩盤地層進行超長距離施工

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法律快车官方整理更新时间： 2019-11-29 04:39:24 人浏览

导读：

一.概述二.頂管技術和特点的説明（重点）1.如何切削岩盤和破砕礫石2.如何進行超長距離頂進三.頂管施工法和盾構施工法的比較1.需引進設備的性能价格比2.管材的制作和供應3.推進距離和速度4.曲線施工的水平5.施工時的能源消耗6.技術指導和人員的培訓

一.概述

　　二.頂管技術和特点的説明（重点）

　　　1.如何切削岩盤和破砕礫石

　　　2.如何進行超長距離頂進

　　三.頂管施工法和盾構施工法的比較

　　　1.需引進設備的性能价格比

　　　2.管材的制作和供應

　　　3.推進距離和速度

　　　4.曲線施工的水平

　　　5.施工時的能源消耗

　　　6.技術指導和人員的培訓

　　　7.施工設備的実用性和将来性

　　　8.施工後的管線耐用性和日常保養問題

　　四.今後的課題和發展方向

　　　1.砂礫地層和岩盤地層兼用机

　　　2.地中對接技術

　　　3.供電

一.概述：

　　採用頂管或盾構施工法,作為今後一種新的施工法,与定向鑽施工法‘互補’,可以徹底地解決我国廣大地区,特別是内陸中西部地区在砂礫和岩盤中敷設管路,為西氣東輸,南水北調等天然氣輸送和給排水工程解決穿山越河提供便利。

　　頂管施工法,目前在国内外已極為普及,其布管口径,従鋼筋混凝土管φ200〜3,000mm（鋼管可達φ3,500mm）（一般管路外径超過φ3,500mm后,採用盾構施工法）。

　　頂管施工的原理,是用頂管机本体前方刀盤邊切削土体,邊由後部頂進装置将頂管机連同頂進用管一起沿着計画管線向前推進。被切削的残土,由水力或土砂壓送装置送至地面運走,前者称為泥水式頂管,後者称為土壓式頂管(EPB型)。

　　泥水頂管施工法,不僅可用調節排泥量和頂進速度来平衡刀盤正面土壓,且可用調節送水壓力来平衡地下水壓,控制地表隆沈精度高,故泥水頂管施工法,被廣汎用於穿越江河,鉄道公路和建築物下的管路敷設。

　　土壓頂管施工法,使用螺旋輸送机出土,且對於易崩壊的砂礫地層,可用向頂進面注入泥漿的方法有効地防止地層崩壊和礫石大量涌入泥水倉内。

　　頂管施工法已有幾十年的歴史,特別是近十年来,已有全方位的發展,即全土質對應（当然包括砂礫和岩盤地層）,極小半径曲線和超長距離頂進等等。

　　株式会社伊勢机開發工機（以下簡称伊勢机公司）,是世界中唯一只生産頂管机的専業公司,31年来全力注重新品種開發,目前已備斉所有機種,産品遍布世界中33国,至今年年初,已生産各類頂管机2,000台以上,総頂進距離已超過2,000km。

　　限於篇幅,以下僅就如何對付砂礫,岩盤和超長距離頂進等大家關心的問題,作簡要説明。

二.頂管技術和特点的説明：

　　1.如何切削岩盤和破碎礫石

　　伊勢机公司針對各種地層,開發了泥水式為主的各種机種。

　　　用於岩盤頂管的机頭,其刀盤正面布置有各種刀具,其中的滾輪刀具由能正反旋轉的刀盤帯動自轉,靠刀盤正面壓力,對岩盤進行剪切破碎和研軋。被破碎的碎礫石,進入刀盤后方的偏心破碎装置進行二次破碎后,由泥水将残土経排泥管運走。該刀盤具有以下二個特点：[page]

　　　1）一次破碎用的滾輪刀,其滾輪上的圓型突出部,呈不均等状態布置於滾輪上。該布置,是在充分研究了刀盤旋轉過程中,使對岩盤的前一次切削和后一次切削不重複在岩盤的同一個点上的原理,従而大大提高了切削効率和滾刀母体的耐用程度。

　　　2）二次破碎,是由刀盤後方的偏心回轉破碎装置,依靠該装置的外圓錐筒和内圓錐轉子,進行擠壓軋砕。因該破碎方法,不是依靠刀盤正面加壓,従而起到了既能破砕礫石,又能保持土体平衡及防止頂管機旋轉的作用。該偏心回轉破碎方法,是伊勢机公司特有的専利,専門用於對付礫石。

　　在對付易崩壊的礫石地層,当然採用泥水式機頭最理想,因為可以送水壓力平衡地下水防止噴發和流失,控制地面隆沈至最小。

　　　該頂管机的設計,除一般頂管机所有的方向修正等共有特点和上述性能外,還具有以下専門對付砂礫和岩盤的特殊装置：

1）為防止頂管机在岩盤頂進中旋轉,頂管机両側設有防旋轉掌脚,必要時由

液壓千斤頂操作伸出固定在頂管机両側岩盤。

　　　2）在頂管机尾部設置後方筒,内備有液壓千斤頂装置,可單独操作頂管机前進或後退,必要時用對頂管机前進速度微調整,在起動或更換刀具前操作刀盤後退,使之暫時脱離頂進面。

　　2.如何進行超長距離頂進

　　　由於頂管是在工作井内接續管子,頂進時整個管段向前推進,故頂進時的推力,主要是克服管外壁与地層間的摩擦力。而管材的軸向耐荷力有一定限度,如何解決這一対矛盾,施工中採用以下方法：

　　　1）在頂管机後部和各管段内通過注漿孔向管外壁和地層間的空隙注入潤滑剤,形成漿套,可大大減低管壁摩阻,其効率在25%〜60%（視地層不同而不同）。

　　　2）在管段間按一定間隔設置称之為‘中継間’的千斤頂組,採用接力方式頂進。整個頂進結束后,撤去千斤頂組,使中継間閉合形成一個標準管節。

　　　関於採用中継間並不影響頂進速度的‘分組中継頂進’,因限於時間,對感興趣者可單独説明。

　　　除了上述減少推力的措施,易損件的在線更換也必須解決：

　　　1）在頂進中,刀具（特別是滾輪刀具）是主要易損件之一。伊勢机公司採用能在頂管机内刀盤後方在線更換刀具的形式,是既保証人身安全,又能延長頂進距離的有效方法。

　　　2）中継間的止水密封圏,也是一主要易損件。採用可在線更換的密封装置,原理上可無限延長頂進距離（該技術已与国内有關單位合作提供）。

三.頂管施工法和盾構施工法的比較：

　　這両種施工法各有所長,我僅按施工的實用性,作以下比較。

　　1.需引進設備的性能价格比

　　　由於頂管施工和盾構施工的不同,首先是機械的後方構造：前者用管材,将整個管段向前推進,後者則採用管片結構組合。

　　　其次.伊勢机公司在机頭刀盤構造上利用33年的頂管机制作経験再加以創新,,製造出泥水式和土壓式頂管机,其既能剪切岩盤,以偏心旋轉法擠壓破碎礫石,必要時以注漿防止地層崩壊,且具有盾構掘進机不可比擬的機動性如机身後退,單独的方向修正装置等。[page]

　　　盾構施工法的設備,机頭价格應不相上下,而後方管片安装用機械的价格和管片製造的投入較昂貴。

　　　頂管施工,主要従国外導入岩盤和砂礫地層的頂進技術,後方配套均可在国内解決,即用有限的外貨,導入必要的技術,以填補国内空白。

　　2.管材的制作和供應

　　　盾構施工,因制作精密的管片,需高精度的模具,以及管理良好的製造工場。国内隧道施工已普及,但目前最小口径在4m以上,2m左右的管片還未有先例。

　　　頂管施工採用的鋼筋混凝土管,口径従600mm〜3,000mm,只要有離心制管設備,各地均能製造,若使用鋼管,則管材的供應更無問題。

　　　由於施工隊伍流動性大,盾構施工的管片運輸有一定難度,且一旦口径変化,将重開模具,以后的隠性成本高。

　　3.推進距離和速度

　　　目前国内最長一次連續頂進距離為1,865m。長距離頂進,在国内外均已普及,如目前在江蘇省南通的天然氣輸送管過長江項目研討会上,已在考慮6km頂管技術。

　　　關於頂進速度,有一種認為頂管使用中継間,引起速度慢的誤解。実際上長距離頂管,採用‘中継間分組’的頂進方法,可達到与不使用中継間時的同様速度。

　　　而盾構施工,因管片的運輸和安装等,其推進速度大大慢於頂管。

　　　一般根据地質条件,頂管速度介於70〜200mm / min程度。

　　4.曲線施工的水平

　　　目前伊勢机公司的曲線施工水平,已能沿半径50m的急曲線頂進。当然因施工難度大和成本高,應尽量避免小半径曲線頂進施工。

　　　曲線施工用的測量装置,有全站儀、羅盤（包括光紆和機械式）和激光折射式等,但价格貴。

　　　根据管道敷設的一般情況,若以上下曲線為主,建議曲線測量技術的引進,分二個階段進行：引進水壓測量装置在頂進中管理垂直方向曲線,（价格僅為全方位測量装置的1/10）,今後根据技術進歩和工程需要,再考慮引進全方位曲線測量装置為好。

　　5.施工時的電力消耗

　　　頂管施工法,由於無需盾構施工法的安装管片的機械手和管片運送台車等装置,整体装机容量大大小於盾構機械。

　　　加之伊勢机公司的頂管机,刀盤等重負荷部分直接使用電力,比起液壓馬達因使用液壓動力站和中継装置将電力轉換成液壓使用,效率更高。

　　6.技術指導和人員培訓

　　　由於伊勢机公司目前已有35台套頂管設備在国内施工,加之配套設備基本採用国内,故頂管的基本培訓,擬在国内由勢机機械技術工程公司進行,可大大節約費用。

　　　1）現場操作員,維保人員等一般技術者,基本在国内培訓

　　　2）高級管理和技術者如現場責任者,局和公司的管理層（決策,選型和設計等）,到国外考察和實習。

　　　3）施工中,由伊勢机公司派遣専業技術人員到現場具体指導頂進操作。

　　7.施工設備的實用性和将来性[page]

　　　頂管設備,由於其設備小巧和組合性強,既可用於硬地層和超長距離施工,也可用於其他地層和短距離施工,必要時根据土質条件可擴径使用,故設備使用率高。又由於工作井面積大大小於盾構機械,所以在其他工程中,如穿越小山包,城市中的房下頂進中也能利用。

　　　因設備的小型化,使頂進的前期準備作業時間大幅縮短,也是特点之一。

　　8.施工後的管線耐用性和日常保養問題

　　　盾構施工,是用管片組合,通過管片之間的止水密封条和螺栓,防止管片和管片之間漏水等的發生。在施工完成后,需一支維保隊伍對其作専業日常保養。頂管施工,若使用鋼管,因用溶接法聯接,無漏水問題。若用鋼筋混凝土管,僅管与管之間的聯接採用止水環,且在施工后即作補強作業,故僅有定期検査而無日常保養問題。

四.今後的課題和發展方向：

　　1.砂礫地層和岩盤地層兼用頂管机

　　　由於砂礫地層用和岩盤地層用掘進設備的刀盤面板構造（有法蘭盤式、小倒角式和大倒角式等）和刀具的配置結構有較大的不同,後者須具耐磨特性和主要靠刀盤剪切破碎岩石,而前者須具擠壓破碎防止礫石地層倒壊的機能,同時両者都須在遭遇粘土時要防止進泥口堵塞和刀具嵌泥的故障,故兼用机是今後的課題之一。

　　2.地中對接技術

　　　無論頂管和盾構施工,一次掘進距離超過1000m以上后,在残土輸送,測量等方面,都変得困難起来,採用地中對接施工法,對一個超長距離的頂進段,従両個方向同時頂進,頂進双方机頭在相遇前進行地中精確測量確認後對接,這様就可在同様時間内使施工進度加倍。幾種地下對接的施工方法,目前均處在不断完善之中。

　　3.關於供電

　　　在超長距離頂進施工時,基於安全上的考慮,一般不採用盾構施工的高壓供出,而採用管内設置調頻穩壓器供電,目前該設備的功率有待提高、体積有待縮小。

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