格栅挤压式顶管施工技术研究

格栅 挤压式顶管施工技术研究

李海鸿

广东荣鸿建设有限公司 , 广东广州， 510000

摘要：着经济和城市建设的发展，城市基础设施日趋完善，市政道路下布置有煤气、热力、电力、给排水管道等各种地下管线,当需要新敷设地下管线时，传统的明挖施工因需要破坏道路，中断交通，改迁地下管线而无法实施。此时，顶管施工就比较合适。顶管施工不影响地面交通，不需要迁改地下管线，在交通繁忙、居民稠密、商业密布的城市中心地区，以及旧城改造和城市扩展工程中，顶管施工已成为城市基础设施建设中一种不可缺少的施工方法，应用越来越多。

关键词：格栅挤压式 自动纠偏 螺旋出土器 自动导向系统 顶管施工技术

引言：

顶管施工的方法通常有人工顶管、机械式（土压平衡或泥水平衡）顶管两种。

人工顶管就是采用敞开式、格栅式、格栅挤压式等工具管，由人工挖土，顶进成管的一种施工方式。一般应用于管径DN800~DN2000的短距离顶管工程中，且土层条件要好，在淤泥、淤泥质土、地下水位以下的砂层等土层中人工掘进时，存在掌子面塌坍、地下水灌入等安全风险。因此，人工顶管往往被限制使用，尤其在软土地层中更是严格使用。但是人工顶管具有施工工艺简单，设备简便，场地要求不高，清障方便，施工成本低等优点，在条件合适时也时有采用。

我司承接的几个顶管工程项目都具有以下特点：工程规模较小，造价不高，一次顶进距离多为几十米，需要在砂砾层中顶进，且可能存在地下障碍物要清理。为保证施工安全且尽可能降低造价，我司组织开展了相应的研究。

在这三种顶管工艺中，挤压式人工顶管在处理障碍物成本低的优点，因此在一些有孤石回填的砂砾层而无法进行明挖的短距离管道工程应用较多。

1. 研究目的

依托具体的工程项目，围绕提高传统人工顶管的施工安全开展研究。

传统的格栅挤压式顶管是一种相对安全的人工顶管方式，它是在工具管内安装一个直径较小的锥形喇叭口，利用主顶油缸或中继间油缸的推力把工具管挤入土层，而被挤压的土体从工具管喇叭口排入泥土仓内，再由人工将土取到管后的运土小车内运走。人工取土时管内完全敞开，在砂砾层中具有丰富的地下水的情况下安全性难以得到保证，因此，如何进一步提高取土时的安全性是本次研究的主要内容。

另外，传统挤压式人工顶管施工的喇叭口出土口径小，推进时砂土的内聚力大而容易引起土塞， 大大增加顶进阻力，并且严重影响出土效率，同时由于喇叭口土层密实度不均匀，顶进过程容易出现偏差。如何保持土体稳定，加快出土效率,提高顶进精度也是本次研究的内容。

为此，我司通过格栅挤压式工具管、土压平衡顶管螺旋出土、机械顶管纠偏技术进行综合，通过组合创新，开展对格栅挤压式工具管进行改造，通过增设螺旋出土器，提高出土效率，提高出土安全性。通过在工具管内增加设置纠偏装置，提高人工顶管的施工质量。

二、技术原理及技术要点

（一）、技术原理

1、挤压式工具管施工原理

此技术采用挤压式工具管 , 工具管前端呈嗽叭形,嗽叭口后接入网格叶片，当工具管向前顶进时,工具管挤入土体后，叶片上足够长度砂砾而形成土塞，使工作面的土体维持平衡,以保持开挖为土体的稳定而不至坍塌。在挤压的过程中,砂土从喇叭口向网格叶片挤入,排入后管的土仓中，并由螺旋出土器出土，最后采用遥控小车代替人工牵拉将砂土运出管外。由于正面土压不均匀，顶进过程容易产生偏差，因此采用自动导向系统，及时进行纠偏，提高顶管施工精度。

1）、工具管的设计构造

挤压式工具管由前管、后管两部分组成。

前管包含前段喇叭口，网格叶片。后管包括纠偏伸缩千斤顶、泥土仓、分隔板和螺旋出土器。

2）、设备的改进：

①、间断式格栅叶片改进

与常规的挤压式格栅工具管相比，改进后挤压式网格工具管把原来间断式格栅改成连续型网格叶片状，并增加叶片纵向长度，以确保挤压面土体平衡。

改进后挤压式网格工具管

②、叶片纵向长度设计

经过试验和施工生产中的实际应用，总结出了高水位砂砾层不同长度格栅叶片工具管前方土层稳定情况，管内渗水情况，及顶进过程偏差情况：如下图：

格栅叶片长度分析表

因此，在高水位砂砾层施工中，格栅叶片长度为1.5D时，前方土层稳定，未发现坍塌现象，顶进过程偏差相对较小。在特定的高水位砂砾层施工中，工具管格栅叶片长度为1.5D，为最佳长度。

2. 挤压式工具管自动纠偏技术原理

在挤压式工具管后方设置4或8个纠偏伸缩千斤顶，通过伸缩千斤顶与工具管以及顶管管材进行连接，纠偏装置中电动球阀开启闭合由PLC设定程序控制。遇见工具管前管姿态出现变化时，可采用松紧千斤顶配合工具管进行纠偏调整，工具管轴线或高程出现较大角度时，通过开启油压千斤顶 ，使工具管与顶管管材之间产生一个缓和曲线，然后带动顶管管材进行姿态调整，最终达到顶管高程以及轴线平稳顶进的状态。

纠偏伸缩千斤顶

2. 螺旋出土器

1. 、螺旋出土器构造

螺旋出土器包括出土筒节以及设置在出土筒节内的螺旋输送页片、卸料口，电动蝶阀。

①、叶片改进

改进后叶片采用滚子轴承两端支撑，同时为减小叶片的变形，叶片间距从25CM减少至20CM，减少了螺旋叶片变形问题。

②、卸料口改造

为防止地下水从卸料口渗出，采用结构紧凑、重量轻电动闸阀代替普通的插板式装置开闭卸料口，增强卸料口密封性，减少渗水现象。

2. 、螺旋出土器工作原理

通过将螺旋叶片伸入土仓工具管内，依靠螺旋叶片的挤压作用以及顶推油缸推力产生的压力，使渣土进入螺旋输送机筒节并排除，代替传统的人工取土，有效提高出渣效率，避免出现塌坍、地下水涌入等安全隐患，确保了人工顶管的施工安全。

2. 自动导向系统施工原理

1. 、导向系统组成

该系统主要有激光全站仪、ELS电子激光靶、后视棱镜、PC机、控制盒及液压控制系统组成。

各连接装置示意图

2. 、导向系统工作原理

在管道始发井口墙壁上安装后视棱镜，将激光全站仪安置在管道始发井口上，在工具管尾部中心位置安装激光靶，按照相关操作，调整好激光束的方向和坡度，先测量后视棱镜进行后视定向，再向工具管尾激光靶中心发射导向激光，激光靶内部计算出光斑距离及角度参数，通过电缆将参数传送到数据分析系统进行处理，PC软件计算水平和垂直偏移量，然后把偏移量传输给工控机纠偏装置进行纠偏。

2. 砂土运输方式

采用高动力遥控小四轮车运土，代替传统人工或卷扬机拖运，提高出土效率。

动力遥控小车

（二）、技术要点

1. 工艺流程

2. 施工要点

1）、工作井：

工作井在施工过程中按照设计高程预留工具管进入洞口空间，直径比工具管大0.15m —0.20 m ，接受坑的洞口直径比顶进坑中的洞口要大 0.1 m左右。

矩形工作井底部宽度

B =D+S ；

矩形工作井的底部长度(m )；

L = l+L2+L3+L4+L5

式中：

B——矩形工作井的底部宽度(m )；

D ——管道外径（ m )；

S——操作宽度(m )，可取 2．4 ～3．2 m ；

L1——工具管长度(m )；

L2 ——管节长度(m )；

L3——运土工作间长度(n1)；

L4——千斤顶长度(m )；

L5——后背墙的厚度(m )。

2）、顶进设备安装：

导轨安放前，先复核管道中心位置 。导轨面标高在顶进中经常复核调整，确保顶进轴线的精度。导轨安放在混凝土基础面上 ，导轨定位后必须稳固、正

确 ，在顶进中承受各种负载时不移位、不变形 、不沉降。

顶铁采用 U 形顶铁，外径与“F”管相同。千斤顶固定在支架上 ，后背承压壁必须具有足够的刚度和强度。工具管安装要与管道中心的垂线对称，其合力的作用点在管道中心的垂直线上。

3）、顶进

顶进过程中应随时绘制顶进导线，采用同种规格油压千斤顶 ，保持顶力与管道中心线重合。当发现顶铁位移时，应重新调整千斤顶行程 ，顶力 ，顶速或重新调整千斤顶的安装精度。

4）、出土

顶管顶进主要采用格栅挤压,螺旋出土器出土 ，管道内砂砾土通过管内水平运输和工作井龙门吊垂直运输提升至地面，管内水平运输通过小四轮车遥控车自动运输，采用人工控制卷扬机吊运，将砂子运至在指定的地点进行堆置。 施工中应做好管内的通风工作 ，确保人身安全。

5）、测量、纠偏

顶进过程中的测量 ：顶进过程中同时校正顶进偏差，每顶进 10 —20 cm ，即对中心和高程测量及纠偏一次；在正常顶进中，应每顶进 30 —50 cm 时，复测一次。并检查中间管节有无下沉现象。

纠偏应在顶进中采用小角度逐渐进行校正，顶进过程中，测量人员通过自动导向系统监测各项数据 ，及时开启纠偏系统按照数据偏差量进行纠偏。

3. 其它注意事项

1. 、螺旋出土器的出土量必须与顶管的速度相匹配。通过顶管速度与顶进距离，计算出顶管的出渣量，避免因“超挖”出现地面沉陷过大或“欠挖”出现地面隆起过大的现象。

2. 工具管部位通风措施必须良好, 需安装空压机或鼓风机通风。

3. 工具管内配置便携式气体监测仪 ,如发现有害气体超过规定浓度,人员应立即撤出管道,等处理后再施工。

当出现地下障碍物时，拆除螺旋出土器、挤压式工具管前，要充分评估土体的稳定性，必要时在加固土体后再进行障碍物的处理。

三、经济及社会效益分析

1. 经济效益分析

利用格栅挤压式螺旋出土顶管施工技术，相对于传统人工顶管技术，虽然在施工过程中增加工具管改造费、螺旋出土器改造费，高动力遥控小四轮车改造费，但从排土方式，施工速率，都相应提高，并减少了土层处理等措施费，根据其他类似项目经验，采用本技术可节约20%的施工费用。

因此，利用格栅挤压式螺旋出土顶管施工技术具有良好经济效益。

2. 社会效益分析

连续式格栅代替传统间断式格栅，确定保证土层稳定的格栅叶片长度，并用螺旋出土器出土，对土体的扰动小，能有效地避免出现塌坍、地下水涌入等安全隐患，确保了人工顶管的施工安全，减轻了施工对地面交通的干扰和对城市环境的负面影响。降低劳动强度，施工质量高，施工快捷，缩短工期，减少工程间接费和施工管理费，因此有明显的社会效益。

公司对格栅挤压式螺旋出土顶管施工技术，总结出格栅挤压式顶管施工技术的经验，对以后同类型工程的实践具有极大的借鉴意义和参考价值。

四、应用实例

（1）、工程概况

三江、江龙及沙庄片区污水管工程，位于广州市增城区增江东岸、南起东江北干流，北至麻车、西至石滩镇中心、东至姚沙头村。

施工内容包括14个子分项，纬一路、纬二路、光明西路、光明东路、上围村、上围东一路、上围东二路、江龙检修厂、元美工业园、沙头村、建设路截污工程、三江片区主干网、江龙沙庄片区主干网，379省道主干网。施工DN500~DN2200管网总长度22.57km，其中III级钢筋混凝土管d1000长度7433m、d2200长度2790m、d800长度4273m，采用顶管施工；II级钢筋混凝土管d800长度942m、d600长度5102m、d500长度3728m。

（2）、施工情况

本项目创新运用方法---格栅挤压式螺旋出土顶管施工工法，采用连续式格栅代替传统间断式格栅，确定保证土层稳定的格栅叶片长度，同时采用螺旋出土器出土，高动力遥控小四轮车运土，代替传统的人工取土，避免出现塌坍、地下水涌入等安全隐患，确保了人工顶管的施工安全，提高了施工效率。

（3）、结果评价

通过采取本技术，施工过程安全可靠，质量符合设计要求，满足现场要求，具有明显推广价值。

结束语

本技术研究对格栅挤压式工具管进行创新，采用连续式格栅代替传统间断式格栅，确定保证土层稳定的格栅叶片长度。同时设计一套自动导向、纠偏顶管系统，包括激光全站仪、ELS电子激光靶、后视棱镜、PC机、控制盒及液压控制系统等，保证顶管工程施工精确率。利用采用螺旋出土器出土，代替传统的人工取土，避免出现塌坍、地下水涌入等安全隐患，确保了人工顶管的施工安全。并用高动力遥控小四轮车运土，代替传统人工或卷扬机拖运，提高出土效率。因此形成一套适合该种土层的顶管设备。