地下管道非开挖技术：施工设备要求与选择

对于顶管工程来说，针对不同的土质情况选用不同的机型是很关键的，甚至直接关系到顶管施工的成败。因此，针对性的掘进机选型就成了顶管成败的重中之重了。

图2-6 EPB土压平衡式软土顶管推进机的结构

目前顶管所常见的几种土质有以下五种：

1.淤泥质黏土

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%，液限一般为35%～60%，软土的天然重度较小，为15～19kN/m³。孔隙比都大于1，因其天然含水量高、孔隙比大，就造成了软土地基变形大、强度低的特点。

2.砂性土

由于曾受到海水的冲击，部分地区沉积层含有海水所搬运的大量沉积物，其中主要为细砂及粉砂。由于含黏土的成分较少，我们可称之为砂性土。砂性土的土颗粒较一般的黏土大，一般在20μ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.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、大孔的土状沉积物称为黄土（也称原生黄土），其他成因的、黄色的、又常具有层理和夹有砂和砾石层的土状沉积物称之为黄土状土（也称次生黄土）。

4.强风化岩

强风化岩是指风化很强的岩石，此种土质的组织结构大部分已被破坏，矿物成分已显著变化，含有大量黏土质黏土矿物。风化裂隙发育很明显，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。

5.微风化及中风化岩

微风化岩是指岩质新鲜，表面稍有风化迹象的岩石，强度大于50MPa，硬度很高。在此地层中顶进较困难，而且一般顶进距离超过100m时需要更换刀头。中风化岩较软，其组织结构部分被破坏。矿物成分发生变化，用镐难挖掘。(www.xing528.com)

以上介绍了常见的几种土质，从N值为3～40的土质都有。这就需要针对不同的土质情况选用不同类型的顶管掘进机。

对于淤泥质黏土，由于其土质较软，切削容易，因此我们可以选用以下所介绍的各种掘进机，对此我们先介绍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独立的切削搅拌刀盘，所以它尤其适用于软黏土层的顶管。如果在泥土仓中注入些黏土，它也能用于砂层的顶管。另外，由于此机采用了先进的土压平衡原理，因此，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1倍管外径左右。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。它与手掘式及其他形式的顶管施工相比较，又具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段的优点。如采用输土泵的方式出土，顶进效率也很高，平均24h可顶进15～20m。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，只适合于软土地质情况下施工，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。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，就可使刀盘前土压力控制在设定的范围内。使用此种掘进机地面沉降极小，优秀的操作人员可使地面沉降控制在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，24h可顶进20～30m。缺点也很明显：由于进泥口开度限制，在含有直径大于6cm砾石的土层中无法施工。

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不同类型的掘进机，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以外的上述各种掘进机都适应此种土质。

对于地质为黄土的情况我们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。单刀盘土压平衡掘进机有以下优点：①适用的土质范围非常广。它可以适用于N值为0的淤泥，也可适用于N值为50的砂砾及卵石层，几乎是一种全土质的顶管掘进机，这是其他机型所无法比拟的；②施工后地面沉降小；③弃土的处理比较简单；④可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工；⑤有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能；⑥开口率达100%，土压力更切合实际。

对于地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。此机种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，锥体上也堆有一环环形焊缝。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砂的同时还一边做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连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，即使在黏土中也能正常工作。一般情况下，刀盘的转速能达到4～5r/min，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%，破碎的卵石强度可达200MPa。此机型的第一个特点就是它几乎是全土质的掘进机。它可以在N值从0～15的黏土，N值1～50的砂土以及N值10～50的砾石层等所有土质中使用，而且推进速度不会有太大的变化；它的第二个特点是破碎粒径大，可达掘进机直径的40%～45%；它的第三个特点是施工准确度高，施工后的偏差极小；它的第四个特点是由于有偏心运动，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；它的第五个特点是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；它的第六个特点是施工速度快，每分钟可进尺100～180mm；它的第七个特点是结构紧凑、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。

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。我们采用排障方便、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。另外，对于含水量较少并且N值大于18的黄土和强风化岩，也可采用敞开式掘进机顶进。敞开式掘进机在类似于农田对地面沉降要求不严格的情况下也可采用。此种机型的缺点是顶速慢，遇到流砂土层难以控制出土量，因此地面沉降也是大于以上几种顶管掘进机的。

网格水冲式掘进机具有土压式以及泥水式顶管机的优点，这种掘进机头在遇到障碍物时工人可进入泥水仓排除障碍物，而且由于采用水力出泥，顶进速度也不受出泥速度的影响，因此当土质条件较好时是一种经济实用的掘进机。但这种掘进机也有它的局限性，首先要求土质比较软，土体的孔隙比较小，而且要求有足够的清水作为水源。其次泥浆处理以及用电量都很大，使用成本较高。当遇到流砂土层时，由于沙土的透水系数很大，用于平衡正面土压力的气压很容易从沙土的间隙泄露，因此也就很难做到平衡，因此在沙土中顶进沉降很难控制。

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顶管机了。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，但该机型的造价很高，而且目前在国内是一项空白。

以上几种掘进机的性能比较见表2-1。

表2.1 掘进机的性能比较

（续）