建筑施工中顶管技术运用及特征

建筑施工中顶管技术运用及特征

1顶管施工概况

顶管施工作为一种非开挖技术，是在盾构施工后大力发展起来的一种非开挖施工方法。该方法不需要开挖面层就能穿越已有的铁路、公路、地下管线、地下构筑物和文物古迹等，目前已被广泛应用在给动力电缆、电力电缆、通信电缆、排水管线和煤气管线等多种管道的施工当中。顶管施工是将地表开挖很小的部分的情况下工作的，因此该方法受地质条件的影响比较大，为了满足不同地层条件，根据不同国家的实际需要，在该方法发展的一个世纪以来，人们不断改进施工设备、研究施工方法，并取得了较大的发展，现在该技术可以铺设直径从500mm到3.5m的管径管道，有的甚至可以更大，而顶进距离可以达到几公里长。

2顶管施工技术的特点及不足

顶管施工是利用主顶油缸和管道间的中继环的推力，把工具管从始发工作井内推入土层并顶到接受井内吊起，同时把紧随工具管或掘进机的预制管节埋设在两个工作井之间。这是一种非开挖铺设地下管道的方法。一个比较完整的顶管施工主要包含了以下几大部分：工作坑和接收坑、顶管机、洞口止水圈、顶铁、主顶装置、后座墙、基坑导轨、推进用管及接口、输土装置、注浆系统、地面起吊设备、测量装置、中继站、辅助施工、供电和照明以及通风和换气。

顶管施工作为非开挖技术中的一种主要包含以下特点：(1)不需要很大的面积的开挖土方，对地面影响和破坏程度较小，因此可穿越铁路、公路、河流、地面建筑物进行地下管道施工；(2)在顶管施工中工序简单、设备少、工期短、速度快、造价低；(3)特别适用于软土或富水软土层；(4)大直径、超长顶进、纠偏困难，并且可以在很深的地下铺设管道；(5)适用于中型管道（1.5～2m）管道施工。

虽然顶管施工存在很多的优点，并以此而被广泛使用，但与此同时它也存在着一定的不足。使用该施工技术会对周围土层产生移动，即沉降和位移，地面的沉降和移位会使土体的受力情况等发生变化，从而导致土体发生移动和变形，当这种影响达到一定程度容易使周边构筑物产生管线等的安全问题。并且对于长距离顶管来说，只是用增大主顶油缸推力的方法来提高推进距离是远远不够的，可以通过分段法了解决该问题，既将整个管道分成几段，在段与段之间设置一些中继间，并且可以在管环外注入一些泥浆，当形成泥浆套时就可以减少摩阻力，从而达到增加推进距离的目的。

3膨润土泥浆

在顶管施工过程中，可能会因为土层的沉降、移位而对周围建筑物产生影响，注浆能填补土体内部的空隙，降低管壁与土体的摩擦，防止土体坍塌，从而能有效的减少土层移动。因此，为了能顺利的将长距离顶管顶进的同时有效的控制沉降，就须要在施工过程中注入泥浆。膨润土触变泥浆是顶管施工中较为常见的一种泥浆材料，它能充满在管节和泥壁环形空间内，在泥壁土体建立不透水阻隔层，稳定土体，防止塌落，形成的环形泥浆套悬浮管节，并且膨润土触变泥浆可以起到润滑作用，将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力，同时在注浆压力下，减小土体变形，稳定隧洞，从而保证顶管推进施工安全高效进行，并且这种泥浆还比较便宜，是最经济和有效的一种，因而被广泛采用。

3.1膨润土泥浆结构

膨润土泥浆是一种由膨润土、粉末化学浆糊（CMC）、纯碱和水按一定比例配方组成的混合物质。膨润土是一种以蒙脱石矿物为主、伴有石英、云母等杂质矿物的2:1型膨胀性层状粘土矿物，其应用性能主要取决于蒙脱石矿物的微观结构特征。蒙脱石是一种结构有缺陷并具有离子交换、胶体分散、粘结、吸附和催化等性能的矿物，而它的这些应用性能主要受其微观结构状态如层电荷密度、同晶取代等影响。膨润土通常被分为两类：钙基膨润土和钠基膨润土，钠基膨润土浆液比同体积的钙基膨润土浆液多15~20倍的极薄的硅酸盐层，这些小且多的硅酸盐层使得蒙脱石容易形成小粒子的空隙构造，增加了浆液的膨润性，从而使得该泥浆在触变以后的流动性和静止下来的胶凝性、固化性都比较好。因此，一般情况下都选择钠基膨润土作为顶管施工用的膨润土。

3.2膨润土泥浆特性

膨润土泥浆在具有假塑性流体和塑性流体的流动特性的同时还具有触变性。触变性是指膨润土经加水搅拌成为悬浮液后，当悬浮液静止时分散的薄片状蒙脱石微粒会絮凝变成凝胶体，当含有这种凝胶体的浆液被搅拌、振动或泵送时，大多数微粒结构将被分散、破坏，从而转变成为具有粘性和流动性的胶状液体，当该液体再次处于静止状态时，又会重新形成凝胶体，这种胶状液体和凝胶体之间的结构可以发生无数次的交替，这一特性称为触变性，膨润土泥浆也因此被称为触变泥浆。

3.3膨润土泥浆注浆减摩作用原理

膨润土泥浆的这一触变特性，让其能有助于顶进管道在静止时，则可成为支撑地层的凝胶体，在地层间运动时，以粘性液体减少摩阻力而成为减摩剂，而其具体的减摩作用原理如下所述。从注浆孔注入泥浆时，泥浆首先填补管节与周围土体之间的空隙，从而抑制地层破坏的加剧。当泥浆与土体接触后，在注浆压力的作用下，注入的浆液会将水分向土体颗粒之间的孔隙以及泥浆向土体颗粒之间的孔隙中渗透并扩散；当泥浆达到可能渗入的深度后，须经过一个短暂的时间让泥浆静止下来而变成凝胶体，充满土体的孔隙，形成泥浆与土壤的混合土体；随着浆液渗透的增多，泥浆与混合土体之间会形成密集的渗透块；随着渗透块越来越多，在注浆压力的挤压作用下，许多的渗透块之间粘结，形成一个能够阻止泥浆继续渗入土层的套状物，既泥浆套，泥浆套具备不透水、密实等特点，并能起到一定的支撑、减少摩擦的作用。

合理的注浆可以起到减小土层运动的作用。从注浆孔注入的泥浆首先会填补管节与周围土体之间的空隙，进而形成泥浆套，能够起到支撑隧洞的作用，使开挖的隧洞保持稳定，不让土体坍塌到管道上，从而可以减小地面沉降。由于土体与管道之间被泥浆隔离，使得管道顶进对土体产生的剪切摩擦力大大减小，可以减小深层土体水平移动。在形成泥浆套之后，留在管道与泥浆套的空隙之间的泥浆，在自重作用下会先流到管道底部，随后向上涨起，从而使得顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包围，起到保护作用。

当施工开挖对管道周围土体产生影响，使得部分土体结构遭到破坏而变成松散的土体时，注入膨润土泥浆，它就可以渗入土层的孔隙内，充满孔隙，使其成为有效应力压实土体，并且泥浆的液压能够起到支撑、保持稳定隧洞的作用。顶管施工能很好的减少对地表的损坏，并且能有效的减少对已建好设施的影响，而膨润土泥浆因为其特有的触变性可作为减少摩阻力的减摩剂，这就从一定程度上，有效的提高了顶管施工的安全性能，确保顶管施工的实现，增大了顶管施工的范围。