长距离顶管施工技术

工　程　技　术

２００９　　ＮＯ．２２

科技创新导报

长距离顶管施工技术

郭伟

（广东省基础工程公司　　　广州　　　５１０６００）

摘　要：通过广州市西江引水工程－江村支线－富力城段、机场高速北段工程实例，本文主要从顶力分析、中继环技术、触变泥浆减阻等方面阐述长距离顶管施工技术的应用。关键词：长距离　　顶管　　施工技术中图分类号：ＴＵ７　　　　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　　　文章编号：

１６７４－０９８Ｘ（２００９）０８（ａ）－００９７－０２

得：Ｆ０＝（１５０＋４０．０＋２０）×３．１４×２．４２

×２．４２／４＝９６５．４３（ｋＮ）该工程起点位于广州市白云区机场高

　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）速公路平沙立交北侧，至江村水厂厂内。厂

式中：Ｒ——综合摩擦阻力（ｋＰａ），取外管线桩号由ＫＪ７＋２９１．２８至ＫＪ１２＋７０６．

８ｋＰａ９３，管线桩号里程总长度约５．４ｋｍ，其中穿

　　　

Ｓ——管外周长（ｍ），得Ｓ＝＝富力城段管线采用顶管方式施工，管线长

度约１．５ｋｍ，采用ＤＮ２４００钢管，管材为甲供３．１４×２．４２＝７．６０（ｍ）材料。其中顶管井４座，井编号为Ｊ８～Ｊ１１，　　　Ｗ——每米管子的重力（ｋＮ／ｍ），均采用沉井方式施工。各井之间管线长度：查表得该管每米重量为１４１８．３１４ｋｇＪ７～Ｊ８段约长７２ｍ、Ｊ８～Ｊ９段约长５１０ｍ、　　Ｗ＝１４１８．３１４×９．８／１０００＝１３．９０Ｊ９～Ｊ１０段约长５７０ｍ和Ｊ１０～Ｊ１１段约长（ｋＮ／ｍ）３４１ｍ。本项目顶管施工除Ｊ８～Ｊ７段，其余施　　ｆ——管子重力在土中的摩擦系工段长度均超过５００米，一次性顶进距离数，取０．２。长，施工难度较大，对施工精度要求高。得：ｆ０＝８×７．６０＋１３．９０×０．２＝６３．５８

本项目施工的重点在于如何克服长距（ｋＮ／ｍ）离顶管施工的种种困难。制约长距离顶管（３）总推力的因素是多方面的，如推力、后座墙所能承Ｊ７～Ｊ８段总推力：Ｆ＝９６５．４３＋６３．５８×受的推力大小、排土方式、管径大小、测量７２＝５５４３．１９（ｋＮ），总推力大于工作井设计方法、通风、设备寿命等。考虑到了以上因顶力（５０００ｋＮ），需加中继间。素，本项目采用的是管径为ＤＮ２４００的钢管Ｊ８～Ｊ９段总推力：Ｆ＝９６５．４３＋６３．５８×顶管，在砼管材、玻璃钢夹砂管、钢管等管５１０＝３３３８１．２３（ｋＮ），总推力大于工作井设中，以钢管的抗压强度最大，最适宜长距离计顶力（５０００ｋＮ），需加中继间。顶管，ＤＮ２４００的管径大小也较为适合；同Ｊ９～Ｊ１０段总推力：Ｆ＝９６５．４３＋６３．５８时，项目部在施工过程中对顶力进行了详×５７０＝３７２０６．０３（ｋＮ），总推力大于工作井细的计算分析，采取中继环技术、触变泥浆设计顶力（２０００ｋＮ），需加中继间。减阻等各种行之有效的技术措施确保施工Ｊ１０～Ｊ１１段总推力：Ｆ＝９６５．４３＋６３．５８质量。×３４１＝２２６４６．２１（ｋＮ），总推力大于工作井

设计顶力（２０００ｋＮ），需加中继间。２．２　管材受力分析２　顶力计算分析

（１）ＤＮ２４００钢管壁厚２４ｍｍ。２．１　顶力计算

（２）钢材可承受压力为２３５０００ｋＮ／ｍ２。Ｊ８～Ｊ７顶管段，约长７２ｍ、Ｊ８～Ｊ９段约长

（３）钢管受力面积为圆环受力面积，５１０ｍ、Ｊ９～Ｊ１０段约长５７０ｍ和Ｊ１０～Ｊ１１段约

ＤＮ２４００钢管圆环受力面积Ｓ２＝３．１４＊１．２长３４１ｍ。管顶覆土取５．０ｍ。

＊１．４－３．１２＊（１．２－０．０２４）＊（１．２－０．０２４）＝

２

０．１７９　ｍ。式中：　　Ｆ——总推力（ｋＮ）

（４）ＤＮ２４００钢管轴向允许推力＝２３５０００　　　　Ｆ０——初始推力（ｋＮ）

２

ｋＮ／ｍ＊０．１７９ｍ２＝４２０６５ｋＮ。　　　　ｆ０——每米管子与土层之间的

综合摩擦阻力（ｋＮ／ｍ）

　　

　　　　　　　　（１）

１　工程概况及施工特点

图１　　中继环系统

３　合理配置中继环

式中：Ｂｃ——管外径，取２．４２ｍ

　　　Ｐｅ——挖掘面前土压力（取Ｐｅ＝１５０ｋＰａ）

　　　　Ｐｗ——地下水压力

（ｋＰａ）　　　　△Ｐ——附加压力（一般取２０ｋＰａ）

＝１０００×１０×４＝４００００Ｐａ＝４０．

０ｋＰａ

式中：　ρ——水的密度（ｋｇ／ｍ３）　　　　　　ｇ——重力加速度（ｍ／ｔ２）　　　　　　ｈ——地下水位到挖掘机中心深度，取４．０ｍ

ＤＮ２４００钢管轴向允许推力为４２０６５　ｋＮ

，根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。各油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心来进行辅助纠偏。每只油缸顶力控制在１８００ｋＮ以下，这可以通过油泵压力来控制，顶进时需加中继间。

在长距离顶管施工中，采用中继环接力顶进技术，实施分段逐次顶进。刚开始顶进时，采用后座主顶油缸顶进，后座顶力到达一定值后，需要增加中继环接力，该推进

过程采用连动装置运转。

中继环是长距离顶管中不可缺少的设备，中继环是经机械加工的内外套组合，见图２所示。中继环内均匀地安装有许多台小千斤顶，通过中间的小千斤顶的伸出动作，推动外套往前推出，外套向前推动管节一段距离（如３００ｍｍ）后，又通过后部主顶推动管道运动，使小千斤顶缩回复位。不断往复运动推进管节，使整段管道向前推进。在长距离顶进时，把长距离的管道分成几段，可分段减少主顶的压力，它可以与其他中继环和后座通过程序连动，一环接一环，自动切换。

中继环的放置以主顶顶力来控制，中继环在安放时，第一只中继环应放在比较前面一些。因为掘进机在推进过程中推力的变化会因土质条件的变化而有较大的变化。所以，当总推力达到中继环总推力４０％～６０％时，就应安放第一只中继环，以后，每当达到中继环总推力的７０％～８０％时，安放一只中继环。而当主顶油缸达到中继环总推力的９０％时，就必须启用中继环。中继环设计允许转角１°，每道中继环安装一套行程传感器及限位开关。中继环在管道上的分段安放位置，可通过顶进阻力计算确定。下面以Ｊ１０、Ｊ１１工作井作简单介绍：

Ｊ１０、Ｊ１１工作井设计顶力均为２０００ＫＮ，不能满足施工需要，对工作井使用拉森钢板桩进行后靠背加固，使Ｊ１０、Ｊ１１工作井设计顶力增强为８０００ｋＮ，主顶油缸采用４个２０００ｋＮ的千斤顶，总顶力为７２００ｋＮ，顶管长度小于Ｌ＝（Ｐ－Ｎ）／Ｆ，（若考虑触变泥浆减阻效果，则总和摩阻力可以减少１／３左右，Ｆ＝６３．５８×２／３＝４２．３９，可取Ｆ＝４５），即Ｌ＝（７２００－１０１１．４０）／４５＝１３７．５２（ｍ）的管段可以直接由总顶力完成顶进，不需要增加中继间。

当顶进长度大于１３７．５２ｍ时，中继间布

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栓。润滑泥浆材料主要采用钠基彭润土，纯碱、ＣＭＣ、物理性能指标：比重１．０５～１．０８ｇ／３ｃｍ，粘度３０～４０Ｓ，泥皮厚３～５ｍｍ。４．２　泥浆置换

顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压住。压浆体凝结后（一般为２４小时）拆除管路换上封盖，将孔口用环氧水泥封堵抹平。４．３　注浆设备

符合物理性能要求的润滑泥浆用ＢＷ－２００压浆泵通过总管、支管、球阀、管节上的预留注浆孔压到管子与外管土体之间，包住钢管。

图２　　中继环工作结构图

置方法如下：

（１）第一道中继间布置Ｌ＝（ＫＰ－Ｎ）／Ｆ式中：　Ｐ——中继间设计顶力（ｋＮ），拟设计采用１６个５００ｋＮ的油缸，则总推力为８０００ｋＮ

Ｎ——机头迎面阻力（ｋＮ），为１０１１．４０ＫＮ

Ｆ——每米管壁摩阻力（ｋＮ／ｍ），取为４５ｋＮ／ｍ（考虑触变泥浆减阻效果）

Ｋ——总推力达到中继间总推力的百分比，取５０％

得：Ｌ＝（５０％×８０００－１０１１．４０）／４５＝６６．４１ｍ，取６６ｍ，即１１节６ｍ／节的钢管总长度。

因此，第一道中继间布置于距头部６６ｍ处。（２）第二道中继间开始，若余下顶管长度小于Ｌ＝Ｐ／Ｆ＝８０００／４５＝１７７．７８（ｍ），则管段可以直接由总顶力完成顶进，不需要继续增加中继间。

（３）若余下顶管段大于１７７．７８ｍ时，则增加中继间布置如下：

Ｌ＝（ＫＰ）／Ｆ式中：　Ｐ——中继间设计顶力（ｋＮ），拟设计采用１６个５００ｋＮ的油缸，则总推力为

８０００ｋＮ

Ｆ——每米管壁摩阻力（ｋＮ／ｍ），取为４５ｋＮ／ｍ

Ｋ——总推力达到中继间总推力的百分比，取７５％

得：　Ｌ＝（７５％×８０００）／４５＝１３３．３３ｍ，取１３２ｍ，即２２节６ｍ／节的钢管总长度。

因此，若需要增加第二道或更多中继间时，每隔１３２ｍ布置一道。由此可知Ｊ９～Ｊ１０段需要设置４个中继环，Ｊ１０～Ｊ１１段需要设置３个中继环。

５　通风系统

在长距离顶管中，通风是一个不容忽视的问题，它直接影响至管内工作人员的健康。为获得理想的通风效果，本工程采用长鼓短抽组合式通风，通风系统安装在距掘进机１２～１５ｍ处，抽风风筒与鼓风风筒分别安装于管内左右两侧，两风筒必须重叠５～１０ｍ，抽风机的吸入口在前，鼓风机的排风口在后，并在管道中间配置若干外轴流风扇，向井内排出浑浊空气。

　　　　

４　采用触变泥浆减阻

４．１　泥浆减阻

用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要环节之一。在顶管施工过程中，如果注入的润滑泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，则其减摩效果将是十分令人满意的，一般情况摩阻力可由１２～

２

２０ｋＮ／ｍ减至３～５ｋＮ／ｍ２。本工程采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式进行减阻。

补浆管一般布置于中继环后面第二节管段及中断环与工具头及后座中间位置，注浆孔按１２０°设置。注浆孔采用ＰＥ封闭螺

参考文献

［１］余彬泉，陈传灿．顶管施工技术．人民交

通出版社，１９９８．

［２］马保松，等．顶管和微型隧道技术．人民

交通出版社，２００４．

（上接９６页）破碎，减少煤体与空气的接触面，使煤体无供氧蓄热条件；对巷道出现的冒顶区必须及时进行惰性介质充填等防火处理，并由通风队定期检查；瓦检员必须每班按规定对工作面风流及上隅角进行ＣＯ浓度检查，ＣＯ浓度达到０．００２４％要及时向通风调度汇报以安排及时派人处理；同时在用的通风横川设置煤层自燃发火观测点，每班按规定对ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２等浓度及温度进行检查，发现异常要及时向通风调度汇报以安排人员进行处理；回采过程中不得任意留设设计外煤柱和顶煤，采煤工作面采到停采线时，必须采取措施使顶板冒落严实；对不用的通风横川必须在４５天以内进行永久性密闭，避免采空区通风；通风区要对１５＃煤采空区及通风横川的密闭墙预埋设铜管，铜管两端应以露出墙体两端各５０～１００ｍｍ，铜管外端接软管并捆扎严密，每周通过软管对采空区的一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷浓度以及空气温度等数据监测一次并做好记录，为上级部门分析研究提供基本参数。

２．４．２　１５＃煤采空区封闭技术探讨为确保采空区严密封闭，和科研单位合作，利用新型高分子材料与常用封闭材料联合封闭采空区，即：通过向常用材料构

筑的密闭墙及四周围加压注浆，生成对煤岩体具有较高粘结性的有机弹性体，其形成网络骨架后把松散的煤岩体粘结到一起，起到巷道支护补强加固围岩、充填密实之作用，最终形成浆液反应体的隔离带并有效封堵围岩裂隙，防治空气进入采空区，有效降低密闭漏风量，达到封闭不漏风的目的。封闭技术关键：注浆加固设计与施工工艺研究，新型有机高分子材料的配比。２．５　突出环节控制，精心组织，抓好特殊及困难条件下（初采、过构造、大坡度上下山回采）生产管理

１５＃煤层顶板坚硬，不易跨落，同时回采过程中经常遇到过构造、大坡度上下山回采等特殊及困难地质条件，因此施工组织要突出环节控制、精细化管理。

（１）　工作面初采初放期间，坚硬顶板垮落缓慢，容易形成３０￣５０ｍ大面积悬顶，一方面导致支架承受载荷急增，造成推垮型顶板事故，另一方面造成老山漏风工作面微风，针对此采取在支架架间向顶板上打眼爆破强制放顶措施，有效破坏顶板的完整性加速跨落，从而避免顶板事故。

工作面正常推进过程中，由于两巷顶板采用锚杆刚带支护，也容易形成大面积

悬顶，也需要生产班班班在两巷老山进行

强制放顶。

（２）　工作面遇地质构造时，必须在巷道掘进的过程中，做好记录，确保采煤队随时掌握工作面的地质构造情况，以便采取相应的措施，合理组织和安排工作，在保证安全的前提下，尽可能缩短影响生产的时间。通常情况，过落差小于０．４　ｍ的构造，采取加大卧底量调整采高法；过落差较大的构造时，严禁采煤机强行割矸，严格执行放震动炮措施，有效杜绝机电事故，如遇走向、倾向都比较大的构造时可采取甩掉构造重开切眼法。

（３）对于工作面大坡度上、下山回采，现场主要抓以下几个环节：加高采煤机煤帮滑靴（５０～７０ｍｍ），确保采煤机机身保持平衡；改造老山行走部滑靴，有效防止采煤机机身倾斜掉道；支架下打戗柱穿料防滑防倒；采煤机割煤速度控制在每分钟３ｍ之内防止采煤机事故的发生；通过磨机头、机尾方法把工作面调伪斜，减缓上、下山坡度。

３　结语

本文所阐述的内容，可能不太全面和透彻，但只要我们逐步探讨，认真实践，１５＃煤安全高效开采就会取得重

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