富水砂地层微型顶管快速施工关键技术研究

在建筑施工过程中，顶管施工是常见的施工技术之一，属于非开挖技术的一种，在施工中运用这种非开挖技术，能够有效减少施工中的拆迁过程，并保障施工过程中建筑与地面的正常使用，因此顶管快速施工技术被广泛应用到施工工作中。在遇到富水砂土地层的施工工况中，由于该种情况地质较为复杂，比较容易发生砂土液化的情况，容易在受到干扰的情况下发生失稳现象，给接下来的顶管施工工作的展开造成极大的困难。在富水砂地层的顶管施工中，经常会出现一些问题，例如顶进故障、建筑路面下沉、砂土流沙等，这些问题的出现容易造成施工过程的延迟，影响工程的最终预期效果，更为严重的会直接导致施工质量问题，造成顶管施工工作最终失败。

1顶管施工法

顶管施工法是一种适应性极强的施工方法，能够对环境保护起到一定的作用，是一种十分常见的公共技术。这种施工技术具备不干扰建筑设施、施工质量高、施工利润丰厚等特点，因此被广泛利用在地下管线的开挖工作中。该技术利用顶进、挤压、充填、注浆等多种技术手段，平衡压力的同时紧密结合土层，有效改变地下水沿管线渗流，在顶管管线与外部土层的相互作用下，改善管周土体的压力。顶管施工法借助推力将顶进设备从始发并顶进到接收井，并将后续的管道安装到两个工作井的沿线土层中，最后将其连接。接下来顶管机的机头被顶进土层中，当机头到达接收井后将其吊出，此时敷设工作就完成了。如果顶管距离较长，可以通过中继环的安装来解决此问题。安装中继环就是将长管道分为多段，在每段管道的中间安装中继环，这样一来，管道分段顶进就不会受到后座顶力的限制，同时延长顶进长度，确保管道的有效连接，保障施工工作的有序进行。因此研究富水砂地层微型顶管快速施工有十分重要的意义，同时还能够为顶管施工的工程设计合理化与顶管工程周围环境保护提供科学的理论依据，图1为顶管中继环细部施工工序。

 

2 水砂地层微型顶管快速施工做法

2.1微型螺旋钻顶管机设备开发

2.1.1导向系统改进

导向系统是具备自主知识产权的微型螺旋钻顶管机设备，对其中导向系统进行改进。导向系统包括导向头、导向管、以及光学制导系统。改进后的导向头更加靠近导向箭头，该部位设有斜切面，并且导向头部位布设有出水孔。这种导向系统的改进使得导向头不仅可以纵向深入，同时通过导向头前端的斜切面的角度调节，能够改变导向头在富水砂土地层的打进方向。通过不同打进方向的调整，能够有效的操控打进工作的精细度，保证富水砂土地层施工工作的精准。与此同时，导向有部位设有加水结构，通过向导向头部位中加水，能够软化导向头前方的土质，软化后的土质更容易进行在富水砂土地层下一步的打入操作。图2为导向系统构成示意图。

 

2.1.2 工具管改善

为了适应不同工程的具体需要，顶管的截面形状也更加多元化，这是发展的必然趋势。现在的顶管截面一般分为圆形、矩形、多边形等，一般的顶管截面已圆形居多。在顶管的管材上有混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管等材质，在顶管的施工过程中，由于施工的具体情况存在区别，受不同建筑物、地下结构的影响，顶管轴线的设计也要有所区别。对于钢筋混凝土材质的管道顶管而言，管道是由不同的管节组成，管节之间是活动的接口，需要更加适应曲线管道。在富水砂土地层进行非开挖压力顶管施工的过程中，一般是先进行导向施工，其次再对排泥管部位进行排泥，此时排泥管所排放出的泥浆一般是由排泥管前方排出，再排至接收井内。此项工作后期需要有专人进行泥浆的清理，当排泥管贯通后方可安装顶管。这种技术方法的施工会使顶管与土层之间的间隙加大，后期容易引起施工的塌陷与下沉。由于这种缺陷的存在，本文研究一种三合一组合管，这种用于螺旋顶管机的组合管将排泥管与顶管合并，并且泥浆的排出采用后排的方式，以便于工作人员及时清，图3为三合一组合管示意图。这种三合一的组合管包括插泥管、排泥管以及螺旋管的套装组合，采用由外至内组合方式。其中螺旋管包括轴杆、螺旋叶片组，在螺旋管的轴杆两段分别设有第一销孔，轴杆的端口截面为外接圆形状，并且内部接有多边形的环形结构，四周并列组合多个螺旋叶片，这些螺旋叶片直径相同、间距相同。螺旋管两段有连接接头，并且支持拆卸，排泥管口处靠近动力头位置设有螺纹，方便顶管机头与排泥管的动力接口位置内螺纹相连接。顶管机头部分设置有切削刀盘，由套管、与刀架组成。刀架上整齐排列部分合金刀头，整个刀架呈发射状被焊接在中心套管上。整体接头为圆柱结构，两段各有一个销孔。第一销孔与第二销孔呈对应关系，并且接头端口截面外接部分呈多边形状、内接部分为环形结构，通过接头套可以使两个销孔连接。接头端口部分是八边形状，顶管上端设有水管部分，其中有三个刀架，每个刀架上设有四个整齐排序的刀头。

 

该种三合一组合管的优势在于其采用激光技术，通过激光经纬仪能够准确找到中心位置，并通过电脑技术对路线进行实时监测，更加方便准确；这种三合一组合管内部可以注水或者注射膨润土，在富水砂土地层工作状态下，能够通过水流的冲洗避免与泥土黏连，更方便泥土的排出，加快工作效率，提高工作质量；顶管机头的位置设计能够有效满足富水砂土地层施工情况的工作效率，有效减少富水砂土地层施工阻碍，减低工作难度，并且机头部位的合金刀头能够有效的将施工过程中的小石块、粘性土、砂土等破碎，节省施工时间；排泥管、螺旋管以及顶管的合力施工，能够帮助机械减少排泥施工时间的浪费，泥浆从后井部分排出，节省大部分的施工时间，并且减少一定的人工成本；设计中加入操作椅，有效减少了劳动强度，减轻劳作负担；在泥浆泵部位的注水装置，导向头部位的水能够有效减少工作阻力。新型螺旋顶管机的使用，有效缩短富水砂土地层施工工期，提高工作效率的同时加强在富水砂土地层进行施工工作质量。

2.2快速排渣设计

在此次设计中，对微型螺旋顶管机采取了新型的双臂钻杆构造，在螺旋钻井中可注浆改性硬塑黏土、富水砂土等，加速机械的排渣时间与排渣效率，保障微型螺旋顶管机孔壁的稳定。在实验中采取三种方法进行改良，实验中分别添加膨润土泥浆、注入气泡、泥浆加气泡的不同方案组合，使渣土尽量达到泥土化，达到渣土的有效排出，减少渣土带来的渗透性，也能够防止螺旋排土器发生喷涌的故障，有效提高施工效率。实验中添加膨润土泥浆进行改良，添加量为12%~15%，促使砂土提高流动性与渗透性，满足顶管施工的基础条件；实验中添加泡沫改良，泡沫注入比30%~35%，使砂土的流动性、渗透系数满足施工需求；实验中添加膨润土泥浆，添加量为9%、10%，泡沫注入为15%~20%，此条件下能够保证砂土流动性以及其他标准最为符合施工条件。该种方法的优点就是通过改良能够有效降低扭矩，增加螺旋顶管机对富水砂土地层土质的适应性。

2.3 设备及工艺设计

根据硬塑土层高强度、流速较差的特点，推导计算公式最后形成一套微型螺旋钻顶管机设备及施工工艺，用于指导后期工作。推导公式下的微型螺旋钻顶管机设备及施工工艺：铺管精度方面螺旋顶管明显优于顶管，更加容易操作；从施工效率与施工成本方面来讲，在软土底层的操作上，顶管机的工作效率明显高过螺旋顶管工法，并且施工成本更低；在劳动强度方面，微型螺旋钻顶管的施工工序步骤明显更少，并且机具连接过程的劳动强度更低，各项环节更加完善；在环保方面，工作井小，并且土质接近于原状土，并不需要作泥浆处理工作；技术难度方面而言，微型螺旋钻顶管更加容易掌握，操作技术难度低，更便于技术的推广。综合来看，本项技术的优点能够有效解决目前的管道施工的缺陷与问题，更符合未来的施工工作发展方向，符合当下的施工发展趋势。因此可以被大范围的推广使用。

3结论

在此次研究过程中，总体施工过程中产生的噪音不超过90dB，不会对周围居民造成干扰，并且止水性能较为优秀，安全风险较小，能够控制建筑物的沉降。在施工中步骤被简化，并且排泥管道与顶管顶进合为一道工序，有效节约工程工期。并且在施工的过程中可以保障居民的正常生活，不会影响人们的出行与居住，在一定程度上减少了传统施工对居民的干扰，减少了施工中与居民的协商过程，是一种十分具有发展前途的施工技术，证明该施工技术在富水砂土地层完全可行，可为富水砂土地层的顶管施工累积一定的施工经验。

 

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