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【摘要】目前，顶管常用的施工方法一般有人工顶管、机械顶管两种，其中机械顶管又分为土压平衡、泥水平衡和气压平衡顶进工艺。人工顶管适用范围小，地质要求高施工领域;土压平衡适用于无地下水位施工领域;气压平衡适用于相对密实、可形成气囊的土质施工领域;普通泥水平衡施工适用于地下水位高和长距离顶管施工;但普通泥水平衡在顶进过程中如遇到砂砾或其他特殊杂填地质，在障碍物处理能力上相对欠缺，需要采用特殊泥水平衡机，但造价特别高，不适合于市政配套管网工程。本文依托太原市新店街建设工程三标段顶管施工中，已经明确该施工区域存在特殊、复杂、有水等条件环境，为达到能够有效施工的目的，通过集思广益，确定对现状普通泥水平衡顶管机刀盘进行改造方案，将原有刀盘替换为“网格刀式”刀盘，网格刀盘在前进过程中处于吃土顶进状态，切下的土方进入到工作舱的前舱，采用水冲法（水冲法即用高压水冲击切下土方，从而形成泥水混合物）将泥水混合物排出，配备大功率泥浆泵将工作舱中的泥水混合物输出。此工艺制作成本低，操作简单，适用于中小工程，尤其是在保证进度、安全、质量的情况下，有效解决了机械顶管施工中遇障碍物处理难的问题。
【关键词】普通泥水平衡;网格式刀盘;障碍物处理
1、引言
近年来，随着太原市北部片区的发展建设，城市地下管网建设也在不断完善，面临地上结构物众多的实际情况，非开挖技术得到广泛的应用。但是针对太原市北部片区，尤其是新城大坡片区，是几十年不断由建筑垃圾、生活垃圾填筑，将新城“大坑”填筑成为新城“大坡”，具有回填层厚、地下水位高、地质复杂的实际情况，经常出现大块孤石、大块混凝土、树根等现象，对顶管施工工期、安全、质量、成本造成极其严重的影响。由于地下水位高、水量丰富、渗水系数大、成本高等因素，人工顶管、土压平衡顶管、气压平衡顶管在此受到极大的制约，泥水平衡是最合适的选择，但是针对孤石、大块混凝土、树根、建筑弃料等，又超出泥水平衡遇到障碍物的处理能力。
基于此实际而又棘手的问题，通过对现场实际情况的提前详细调查，并且通过对泥水平衡頂管机进行局部结构改造，形成人工与机械结合的顶进方案，遇障碍物采取作业人员直接进入操作仓进行清除方式，既有效解决了顶前方障碍物清除的问题，同时又节约成本、保证工期、确保安全，经济和社会效益显著。
2、工程简介
2.1 工程概况
太原市新店街建设工程三标段，西起新城南大街、东至石太客专铁路桥、北起恒山路口、南至恒山路小学，占地面积约2.5平方公里。主要施工内容包含市政道路、管线、桥梁三部分，其中道路工程包含新店街道路、新店街地下通道、恒山路道路;管线包含市政雨污水、电力及太钢北防洪涵;桥梁包含新店街主线桥、恒山路主线桥、四条转向匝道、两条太钢专用匝道等。
2.2 周边环境情况
该工程位于太原市城市北部片区，太钢、六十一中学、恒山路小学等多家企事业单位分布于此，同时区域内纵横分布着17条既有铁路，多年来受铁路阻隔，交通和经济发展受到极大限制。所以，为保证交通的正常运行和铁路运行设备的安全，雨污水、防洪等管线施工多采取圆管顶进设计方案。
2.3 水文地质情况
拟建区域由多年前的新城“大坑”，采用建筑垃圾、生活垃圾等堆积回填成为新城“大坡”，原地面至以下15-20m范围内无序分布着块径1-3m孤石、大混凝土块、砖砌块、甚至旧村落的青砖城墙等，而且地下水位极高，原地面以下2-4米即为地下水，水量丰富，地质渗水量大，对顶管施工造成及其严重的影响。
3、顶进方案的选择
目前常规的顶管技术分为人工顶管和机械顶管两种。机械顶管常用的有土压平衡、泥水平衡和气压平衡。鉴于本工程地下水位高、水量丰富、渗水系数大、特殊地质层厚等实际情况，人工顶管、土压平衡顶管、气压平衡顶管适用于无地下水位施工领域，在此受到极大的制约，普通泥水平衡适用于地下水位高和长距离顶管施工，但是针对孤石、大块混凝土、树根、建筑弃料等特殊复杂地质，又超出普通泥水平衡机的使用范围，极易造成遇特殊地质而中断顶进作业，增加工期和加大成本、影响铁路运行安全。通过以上情况的综合比选，本工程采用普通泥水平衡顶管机进行顶进作业，对泥水平衡顶管机进行局部改造，形成网格式泥水平衡顶管机，以适应不可预知的特殊复杂地质环境。
4、总体方案的制定
对常规泥水平衡顶管机进行局部改造，用自制网格刀式刀盘代替原刀盘，使泥水平衡顶管机头形成敞开式，顶进过程中，网格刀全部呈吃土状态，保证机头前方土体稳定。进入土压舱后，配备大功率泥浆泵，采用水冲法排出。如遇孤石、混凝土块、建筑垃圾等大块径障碍物，现场工作人员可直接打开操作仓进入，人工进行破除后搬运至地面，有效解决了顶进过程中遇障碍物无法清除的问题。
5、“网格刀式”泥水平衡顶管机介绍
5.1设备改造
图中：1-工作舱;2-操作舱;3-网格刀盘;4-隔断支撑墙;5-隔离门;6-隔离挡板;7-液压缸组件;8-支撑液压缸;9-第一搭接部;10-第二搭接部;11-方向调节控制阀;12-外圈;13-隔板;14-加固肋板。
5.2工作原理
网格刀式顶管机头，包括工作舱和操作舱，所述工作舱的前端设置有用于切土的网格刀盘，工作舱后半部内设置有隔断支撑墙，所述隔断支撑墙的下部设置有隔离门，隔断支撑墙之后的工作舱内底部设置有防止水或泥沙进入所述操作舱的隔离挡板，隔离挡板与隔断支撑墙之间的轴向距离以及相对高度保证人跨越隔离挡板后能穿过隔离门;工作舱与操作舱通过用于纠偏顶进偏差的液压缸组件相连接。
在机头顶进过程中网格刀盘吃土顶进，能保证前方地质稳定，土方通过网格刀盘进入工作仓;隔断支撑墙不仅起到支撑工作舱的作用，而且还能将操作舱和工作舱隔离开，增加了作业人员的安全指数;隔断支撑墙将工作舱隔断为前舱和后舱，在隔断支撑墙下部开设隔离门，是为了在顶管机前进过程中，能顺利清出砂砾等泥沙混合物，而且当顶进过程中如遇到大直径砂砾或其他特殊杂填地质，工作人员能够从隔离门进入到工作舱前舱，隔离门的大小保证能通过工作人员，隔离挡板与隔断支撑墙之间的轴向距离以及二者相对高度保证工作人员跨越隔离挡板后能穿过隔离门进入到工作舱的前舱中;工作人员进入工作舱的前舱后能掏出网格刀盘中的大直径砂砾等，此时网格刀盘能起到支撑保护作用，防止机头前方塌陷等造成人员伤亡;当不工作时，关闭隔离门，能增强隔断支撑墙的支撑作用，通过液压缸组件能对机头方向进行微调，实现纠偏顶进偏差。 具体操作时，网格刀盘在前进过程中处于吃土顶进状态，切下的土方进入到工作舱的前舱，采用水冲法（水冲法即用高压水冲击切下土方，从而形成泥水混合物）将泥水混合物排出，配备大功率泥浆泵将工作舱中的泥水混合物输出，或者切下的土方含水量较大时，泥浆泵也能直接将泥水混合物抽出，当顶进前方土质较软时，就加快顶进速度，反之则减慢，这样就能保证在顶进过程中泥水平衡;隔离挡板能防止泥水混合物进入到操作舱，在保证操作人员安全的前提下，还保证了操作舱工作面的整洁。
5.3改造流程
组织技术人员、施工负责人进行研讨，成立创作小组，形成改造方案，经行业专家确认后，进行“网格刀式”泥水平衡顶管机刀盘制作，并现场试顶试验，并通过设备功能验收、顶进质量验收后，应用于施工生产。
施工工艺流程：施工准备→图纸绘制→机头制作→现场试验→圆管顶进→验收
（1）施工准备：成立创作小组，责任明确，分工负责。
（2）图纸绘制：根据现场调查及施工要求，会同专家意见，绘制顶管机详细图，经多方审核完成，与山西华晟重工有限公司技术对接，细化施工图，具备制作条件。
（3）机头制作：委托山西华晟重工有限公司按图1：1完成该机头制作。
（4）设备验收：机头制作完成后组织专家及现场负责人完成验收。
5.4现场试验
（1）场地模拟：机头制作完成后，运至现场;提前完成工作井及其他顶管相关配套设施;提前准备场地，该场地区段为回填建筑垃圾及混凝土块区段;
（2）实施顶进：各准备工作完成后，开始顶进，顶进2m后，建筑垃圾等其他已經堵死机头，无法继续顶进，现场工作人员打开操作仓，人工凿除建筑垃圾，清理完成后，重新开始顶进，圆满完成该特殊地段顶管。
（3）现场验收：试验段顶进完成后，组织专家现场验收，顶管区段下沉在控制范围内，遇特殊地质在保证安全前提下，可以开舱凿除影响物，使用达到预想效果，可投入现场进行使用。
6、网格式泥水平衡机较其他顶管机的优势
（1）顶进土加少量大直径砂砾、杂填地质含砖块混凝土块等特殊地质施工。
（2）顶进前不须做井点降水处理，顶进时能对抗地下水保持平衡沉降。
（3）掘削土排出方法为水冲式，大直径砂砾及其他杂填块，现场能够人工搬运。
（4）使用性广，各种不确定地质都能顶进。
（5）维修方便，检修人员能够直接进入操作区间，在铁路顶管施工过程中，极大的保证了铁路安全。
（6）采用隔离控制舱，设置4套油缸，纠偏顶进偏差。
（7）操作区间与土压舱隔离，增加了作业人员的安全指数。
（8）网格式顶管机较泥水平衡机，内部结构简单，操作方便，造价低等特点。
结语：
本实用新型的有益效果是构思巧妙，制作成本低，操作简单，适用于中小工程，适用于在顶进土含少量大直径砂砾、杂填地质含砖块混凝土块等特殊地质施工，当机头卡在大直径砂砾、杂填地质含砖块混凝土块等特殊地质施工时，能实现人工开挖并搬运，不需要在障碍物的上方地面再开挖第三基坑，省时省力，提高了工作效率，顶进前不须做井点降水处理，顶进时能对抗地下水保持平衡沉降，适用性广，各种不确定地质都能顶进，设置隔离门使得维修方便，检修人员能够直接进入操作舱，而且隔离门使操作舱与工作舱隔离，增加了作业人员的安全指数。
【关键词】普通泥水平衡;网格式刀盘;障碍物处理
1、引言
近年来，随着太原市北部片区的发展建设，城市地下管网建设也在不断完善，面临地上结构物众多的实际情况，非开挖技术得到广泛的应用。但是针对太原市北部片区，尤其是新城大坡片区，是几十年不断由建筑垃圾、生活垃圾填筑，将新城“大坑”填筑成为新城“大坡”，具有回填层厚、地下水位高、地质复杂的实际情况，经常出现大块孤石、大块混凝土、树根等现象，对顶管施工工期、安全、质量、成本造成极其严重的影响。由于地下水位高、水量丰富、渗水系数大、成本高等因素，人工顶管、土压平衡顶管、气压平衡顶管在此受到极大的制约，泥水平衡是最合适的选择，但是针对孤石、大块混凝土、树根、建筑弃料等，又超出泥水平衡遇到障碍物的处理能力。
基于此实际而又棘手的问题，通过对现场实际情况的提前详细调查，并且通过对泥水平衡頂管机进行局部结构改造，形成人工与机械结合的顶进方案，遇障碍物采取作业人员直接进入操作仓进行清除方式，既有效解决了顶前方障碍物清除的问题，同时又节约成本、保证工期、确保安全，经济和社会效益显著。
2、工程简介
2.1 工程概况
太原市新店街建设工程三标段，西起新城南大街、东至石太客专铁路桥、北起恒山路口、南至恒山路小学，占地面积约2.5平方公里。主要施工内容包含市政道路、管线、桥梁三部分，其中道路工程包含新店街道路、新店街地下通道、恒山路道路;管线包含市政雨污水、电力及太钢北防洪涵;桥梁包含新店街主线桥、恒山路主线桥、四条转向匝道、两条太钢专用匝道等。
2.2 周边环境情况
该工程位于太原市城市北部片区，太钢、六十一中学、恒山路小学等多家企事业单位分布于此，同时区域内纵横分布着17条既有铁路，多年来受铁路阻隔，交通和经济发展受到极大限制。所以，为保证交通的正常运行和铁路运行设备的安全，雨污水、防洪等管线施工多采取圆管顶进设计方案。
2.3 水文地质情况
拟建区域由多年前的新城“大坑”，采用建筑垃圾、生活垃圾等堆积回填成为新城“大坡”，原地面至以下15-20m范围内无序分布着块径1-3m孤石、大混凝土块、砖砌块、甚至旧村落的青砖城墙等，而且地下水位极高，原地面以下2-4米即为地下水，水量丰富，地质渗水量大，对顶管施工造成及其严重的影响。
3、顶进方案的选择
目前常规的顶管技术分为人工顶管和机械顶管两种。机械顶管常用的有土压平衡、泥水平衡和气压平衡。鉴于本工程地下水位高、水量丰富、渗水系数大、特殊地质层厚等实际情况，人工顶管、土压平衡顶管、气压平衡顶管适用于无地下水位施工领域，在此受到极大的制约，普通泥水平衡适用于地下水位高和长距离顶管施工，但是针对孤石、大块混凝土、树根、建筑弃料等特殊复杂地质，又超出普通泥水平衡机的使用范围，极易造成遇特殊地质而中断顶进作业，增加工期和加大成本、影响铁路运行安全。通过以上情况的综合比选，本工程采用普通泥水平衡顶管机进行顶进作业，对泥水平衡顶管机进行局部改造，形成网格式泥水平衡顶管机，以适应不可预知的特殊复杂地质环境。
4、总体方案的制定
对常规泥水平衡顶管机进行局部改造，用自制网格刀式刀盘代替原刀盘，使泥水平衡顶管机头形成敞开式，顶进过程中，网格刀全部呈吃土状态，保证机头前方土体稳定。进入土压舱后，配备大功率泥浆泵，采用水冲法排出。如遇孤石、混凝土块、建筑垃圾等大块径障碍物，现场工作人员可直接打开操作仓进入，人工进行破除后搬运至地面，有效解决了顶进过程中遇障碍物无法清除的问题。
5、“网格刀式”泥水平衡顶管机介绍
5.1设备改造
图中：1-工作舱;2-操作舱;3-网格刀盘;4-隔断支撑墙;5-隔离门;6-隔离挡板;7-液压缸组件;8-支撑液压缸;9-第一搭接部;10-第二搭接部;11-方向调节控制阀;12-外圈;13-隔板;14-加固肋板。
5.2工作原理
网格刀式顶管机头，包括工作舱和操作舱，所述工作舱的前端设置有用于切土的网格刀盘，工作舱后半部内设置有隔断支撑墙，所述隔断支撑墙的下部设置有隔离门，隔断支撑墙之后的工作舱内底部设置有防止水或泥沙进入所述操作舱的隔离挡板，隔离挡板与隔断支撑墙之间的轴向距离以及相对高度保证人跨越隔离挡板后能穿过隔离门;工作舱与操作舱通过用于纠偏顶进偏差的液压缸组件相连接。
在机头顶进过程中网格刀盘吃土顶进，能保证前方地质稳定，土方通过网格刀盘进入工作仓;隔断支撑墙不仅起到支撑工作舱的作用，而且还能将操作舱和工作舱隔离开，增加了作业人员的安全指数;隔断支撑墙将工作舱隔断为前舱和后舱，在隔断支撑墙下部开设隔离门，是为了在顶管机前进过程中，能顺利清出砂砾等泥沙混合物，而且当顶进过程中如遇到大直径砂砾或其他特殊杂填地质，工作人员能够从隔离门进入到工作舱前舱，隔离门的大小保证能通过工作人员，隔离挡板与隔断支撑墙之间的轴向距离以及二者相对高度保证工作人员跨越隔离挡板后能穿过隔离门进入到工作舱的前舱中;工作人员进入工作舱的前舱后能掏出网格刀盘中的大直径砂砾等，此时网格刀盘能起到支撑保护作用，防止机头前方塌陷等造成人员伤亡;当不工作时，关闭隔离门，能增强隔断支撑墙的支撑作用，通过液压缸组件能对机头方向进行微调，实现纠偏顶进偏差。 具体操作时，网格刀盘在前进过程中处于吃土顶进状态，切下的土方进入到工作舱的前舱，采用水冲法（水冲法即用高压水冲击切下土方，从而形成泥水混合物）将泥水混合物排出，配备大功率泥浆泵将工作舱中的泥水混合物输出，或者切下的土方含水量较大时，泥浆泵也能直接将泥水混合物抽出，当顶进前方土质较软时，就加快顶进速度，反之则减慢，这样就能保证在顶进过程中泥水平衡;隔离挡板能防止泥水混合物进入到操作舱，在保证操作人员安全的前提下，还保证了操作舱工作面的整洁。
5.3改造流程
组织技术人员、施工负责人进行研讨，成立创作小组，形成改造方案，经行业专家确认后，进行“网格刀式”泥水平衡顶管机刀盘制作，并现场试顶试验，并通过设备功能验收、顶进质量验收后，应用于施工生产。
施工工艺流程：施工准备→图纸绘制→机头制作→现场试验→圆管顶进→验收
（1）施工准备：成立创作小组，责任明确，分工负责。
（2）图纸绘制：根据现场调查及施工要求，会同专家意见，绘制顶管机详细图，经多方审核完成，与山西华晟重工有限公司技术对接，细化施工图，具备制作条件。
（3）机头制作：委托山西华晟重工有限公司按图1：1完成该机头制作。
（4）设备验收：机头制作完成后组织专家及现场负责人完成验收。
5.4现场试验
（1）场地模拟：机头制作完成后，运至现场;提前完成工作井及其他顶管相关配套设施;提前准备场地，该场地区段为回填建筑垃圾及混凝土块区段;
（2）实施顶进：各准备工作完成后，开始顶进，顶进2m后，建筑垃圾等其他已經堵死机头，无法继续顶进，现场工作人员打开操作仓，人工凿除建筑垃圾，清理完成后，重新开始顶进，圆满完成该特殊地段顶管。
（3）现场验收：试验段顶进完成后，组织专家现场验收，顶管区段下沉在控制范围内，遇特殊地质在保证安全前提下，可以开舱凿除影响物，使用达到预想效果，可投入现场进行使用。
6、网格式泥水平衡机较其他顶管机的优势
（1）顶进土加少量大直径砂砾、杂填地质含砖块混凝土块等特殊地质施工。
（2）顶进前不须做井点降水处理，顶进时能对抗地下水保持平衡沉降。
（3）掘削土排出方法为水冲式，大直径砂砾及其他杂填块，现场能够人工搬运。
（4）使用性广，各种不确定地质都能顶进。
（5）维修方便，检修人员能够直接进入操作区间，在铁路顶管施工过程中，极大的保证了铁路安全。
（6）采用隔离控制舱，设置4套油缸，纠偏顶进偏差。
（7）操作区间与土压舱隔离，增加了作业人员的安全指数。
（8）网格式顶管机较泥水平衡机，内部结构简单，操作方便，造价低等特点。
结语：
本实用新型的有益效果是构思巧妙，制作成本低，操作简单，适用于中小工程，适用于在顶进土含少量大直径砂砾、杂填地质含砖块混凝土块等特殊地质施工，当机头卡在大直径砂砾、杂填地质含砖块混凝土块等特殊地质施工时，能实现人工开挖并搬运，不需要在障碍物的上方地面再开挖第三基坑，省时省力，提高了工作效率，顶进前不须做井点降水处理，顶进时能对抗地下水保持平衡沉降，适用性广，各种不确定地质都能顶进，设置隔离门使得维修方便，检修人员能够直接进入操作舱，而且隔离门使操作舱与工作舱隔离，增加了作业人员的安全指数。