聂乾坤
五矿二十三冶建设集团有限公司 湖南长沙 410000
摘要：顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道敷设施工方法，借助顶进设备产生的推力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计坡度顶入土中的一种施工工艺。加牙偏心分离机头泥水平衡顶管施工技术是利用泥水压力来平衡土压力和地下水压力，将少于6cm粒径的圆砾石进入顶管机排出，大于6cm粒径石头分离挤压至周围土体的一种顶管施工方法，可防止由于挖掘面的失稳，造成地面沉降和隆起。对周围的环境影响非常小，不需要阻断交通，通过后期注浆填充，也不会出现塌陷情况。
关键词：顶管施工；加牙偏心分离机头；泥水平衡顶管施工技术
引言
长沙地质含砂层较厚，地下水丰富，圆砾层与细沙层穿插交汇，且埋深8m~14m常常会出现大粒径的卵石或孤石块。为确保项目安全及施工进度，对于较大管径的管道敷设工程，设计经常会选择泥水平衡顶管，这就对地层突然出现大粒径的块石或者卵石的情况提出了施工上的考验。施工方在分析了当地特殊的地质情况后，结合现场实际顶管顶进遇见的大粒径卵石，迅速调整措施，改装机头，采用改装加牙偏心分离机头，快速完成了污水管道与中线干管两个市政项目的施工，取得较好了的社会效益和经济效益。
1特点及适用范围
1.1施工特点
加牙偏心分离机头泥水平衡顶管工法采用机械掘进技术，其特征为:
1.1.1无需土质改良或降水处理，施工后地表沉降小，无需更换使用岩石机头来面对存有大粒径卵石的复杂地层，施工费用减低，施工进度快，施工安全，全地下顶进，对周围环境和交通影响小。
1.1.2将普通的顶管机头全断面刀盘上从中心向外侧加高度逐渐降低的“牙齿”，通过刀盘将切削的土壤或细颗粒圆砾送入泥水仓，大颗粒卵石与块石格挡在外，并通过偏心分离至周围土层，小颗粒土体通过送水泵送至挖掘面，刀盘充分搅拌后由排泥泵将泥水送至地面泥浆池，通过顶进设备顶进管道拼接完成施工过程。
1.1.3在泥水平衡顶进过程中，机头随着顶进方向形成锥形面，而不再是普通的平型面，就不会被粒径超过6cm的大块石或卵石堵住出渣孔或积压在机头端前，顶进过程中通过旋转切割土体从中心向四周高度逐渐降低的牙齿形成偏心分离，从而分离地层中超过6cm粒径的卵石与块石。同时因为无大块径的卵石与碎石阻挡在前，顶进速度比平常快。
1.2适用范围
传统的泥水平衡机头只分为两种，一种是普通的板式机头，主要用于各种粘土、粉土、砂土和一些小粒径的砂卵石，另外一种是岩石机头，用于强风化岩地层的顶进施工。
本工法施工的泥水平衡顶管通过对板式机头进行改装，加设偏心牙分离牙齿，不仅适应于小于6cm粒径的砂土层，圆砾层地质，对存在大于6cm粒径的大卵石和大块石的含水砂土层也同样适用。
2改进原理
泥水平衡普通的平板机头是板式机头，与中心轴线形成垂直面，本工法关键技术是对泥水平衡顶管普通平板机头进行改装，从机头的中心轴往肋板方向加焊尖型铁牙齿，第一颗牙齿与中线轴线相差1~2cm，然后沿着肋板方向每隔10cm加焊高度逐渐减少的铁牙齿，斜率以中线轴轴头拉线到机头边缘的斜度控制，这样在泥水平衡顶进过程中，机头随着顶进方向形成锥形面，而不再是普通的平型面，就不会被粒径超过6cm的大块石或卵石堵住出渣孔或积压在机头端前，顶进过程中通过旋转切割土体从中心向四周高度逐渐减少的牙齿形成偏心分离，从而分离地层中超过6cm粒径的卵石与块石。规范要求泥水平衡顶管普通机头只适用于粒径少于6cm土质、砂性地层中，本工法关键技术通过改装机头，从而增加了在存在局部粒径超过6cm的复杂地层中依然适用。
3技术操作要点
3.1 工艺流程
3.2 顶管设备选择
改装的加牙偏心分离泥水平衡顶管机头可用于用通常意义上的泥水平衡顶管，也可用于存有大粒径卵石和块石的顶管环境。该设备经改装后的优势:第一，在机头处焊接多边形刀盘，这样能能把大于6cm-10cm的卵石碎石破碎并排出。第二，在刀盘上加焊接从中心向四周分散的高度不一的牙齿，减小刀盘的开口率，通过旋转，使得大粒径的卵石通过运动转移到周围土体中去，防止隔断大部份泥水流失的通道以保水。第三，在面板上设计注浆孔，向挖掘面上注入粘土泥浆，让泥土仓的把透水性好的粗砂变成不透水性的泥沙以保水。
图3.2-1改装后机头结构图
这种顶管机的刀盘是由一组十字形刀排和安装在刀排后的多边形锥体组成。 泥土仓则是由一个多边形喇叭状的壳体和刀排后的多边形锥体组成。两个多边形的边数是不等的，且多边形锥体与主轴之间有一固定的偏心量。多边形锥体的后部安装有一块隔栅板和刮泥板，它们都在泥水仓中随刀盘一起转动。只有当破碎后的泥土、石块小于隔栅板栅孔的间隙时才能进入泥水仓，尔后通过排泥管被排出。如果泥水仓粘聚或沉积有土砂时，就会被刮泥板刮起，通过排泥管排出。每当刀盘作偏心转动时，它就对泥土、石块形成第一次压碎。而中间凸起的柱体可以逐渐分离大粒径的石头和卵石。由于多边形刀盘的每一个边与多边形泥土仓壳体的每一个边所构成的空间，在刀盘作偏心旋转的过程中，一会儿不断地增大，一会儿变小，这就对泥土、石块形成第二次功能更强大的破碎。当多边形刀盘的每一个边与多边形泥土仓壳体的每一个边所构成的空间在由小变大的一瞬间，即使是粘土，也会拽成一定的缝隙，泥水可通过这些缝隙送达到挖掘面上。加之我们在多边形泥土仓壳体上设有数个高压水喷嘴，一旦送入高压水就会对粘土进行切割、粉碎。而大粒径的卵石，因为有偏心的椎体柱，则会分离至周围土体。因此，加牙偏心分离泥水平衡顶管机能适用一般泥水平衡顶管机不能适用的大粒径的卵石碎石。
4施工优势
开发新型机头顶管技术，推广泥水平衡顶管施工工法，解决地下遇到大于6cm的大型圆砾石层在顶管中的难题，是应用现代科学技术进行城市管道和地下交通交通工程建设的必经之路。加牙偏心分离泥水平衡顶管工法具有以下施工优势:
（1）适用的地质围较广，由软土到遇到大粒径卵石碎石能适用，如遇到地下水位较高以及地质变化围大的土质条件，它也能适用。
（2）可保持挖掘面的相对稳定，对周围土层的影响较小，施工后地面沉降极小。
（3）与其他类型的机种相比，泥水顶管的推力较小，最适宜于长距离顶管。而且大粒径的卵石进入周围土体，可以减少后续注浆填充的工程量。
（4）顶进速度快，普通平板机头在粉质黏土层和圆砾层顶进速度一般为15~20m/天，而采用此改进后机头顶进速度达到18~22m/天，平均每天增加2~3m，对工期有保证。
5效益分析
加牙偏心分离机头泥水平衡顶管技术，通过改装机头，由以往的平板机头通过加焊牙齿的方式，形成刀盘的一个椎体面，利用泥水压力来平衡土压力和地下水压力，将少于6cm粒径的圆砾石进入顶管机排出，大于6cm粒径石头分离挤压至周围土体，一方面避免了大型石块挤压在挖掘面，可以较大的提高顶进速度，缩短工期，另一方面还可以在遇到大卵石、大块石的黏土层沙砾层本应采取岩石机头的地层中使用，可以取代引进岩石机头带来的较高成本，从而极大的增加项目的经济效益。以某城市污水干管为例，因为有大卵石存在，而勘察无法全部探明，所以只能采用变更，将普通平板机头更换为岩石机头。经核算，引进岩石机头后费用太高，于是通过改进机头这一措施顺利完成施工任务，并且缩短了2个月的工期，但实际改装机头花费不到10万元，建设产值与经济效益大大增加，取得了双赢的好局面。