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頂管施工隨著城市建設(shè)的發(fā)展已越來越普及，解決了市政施工許多難題，下面就頂管施工過程中常遇見的幾種土質(zhì)進(jìn)行介紹，不同土質(zhì)選用不同類型的頂管掘進(jìn)機(jī)，在此也進(jìn)行一下詳述。
1、淤泥質(zhì)黏土：此種軟土的形成是在較弱的海浪岸流及潮汐的水動力作用下逐漸形成的。土的顏色多呈灰色或黑灰色，光潤油滑且有腐爛植物的氣味，多呈軟塑或半流塑狀態(tài)。其天然含水量很大，一般都大于30%，飽和度一般大于90%，液限一般在35-60%之間，軟土的天然重度較小，約在15-19KN/m3之間。孔隙比都大于1，因其天然含水量高、孔隙比大，就帶來了軟土地基變形大，強(qiáng)度低的特點(diǎn)。
2、砂性土：由于曾受到海水的沖擊，部分地區(qū)沉積層含有海水所搬運(yùn)的大量沉積物，其中主要為細(xì)砂及粉砂。由于含黏土的成分較少，我們可稱之為砂性土。砂性土的土顆粒較一般的黏土大，一般在20μ以上，土顆粒之間的凝聚力較小，呈單粒結(jié)構(gòu)。孔隙比較大，很容易在水動力的作用下產(chǎn)生流沙現(xiàn)象。
3、黃土：凡以風(fēng)力搬運(yùn)沉積又沒有經(jīng)過次生擾動的、無層理的黃色粉質(zhì)、含碳酸鹽類并具有肉眼可見的、大孔的土狀沉積物成為黃土（也稱原生黃土），其它成因的、黃色的、又常具有層理和夾有砂、礫石層的土狀沉積物稱之為黃土狀土（也稱次生黃土）。
4、強(qiáng)風(fēng)化巖：強(qiáng)風(fēng)化巖是指風(fēng)化很強(qiáng)的巖石，此種土質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，礦物成分已顯著變化，含有大量黏土質(zhì)黏土礦物。風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體被切割成碎塊，干時可用手折斷或捏碎，浸水或干濕交替時可較迅速地軟化或崩解。用鎬或鍬可挖掘，干鉆可鉆進(jìn)。
5、微風(fēng)化及中風(fēng)化巖：微風(fēng)化巖是指巖質(zhì)新鮮，表面稍有風(fēng)化跡象的巖石，強(qiáng)度大于50Mpa，硬度很高的巖石。在此地層中頂進(jìn)較困難，而且一般頂進(jìn)距離超過100米時需要更換刀頭。中風(fēng)化巖較軟，其組織結(jié)構(gòu)部分破壞。礦物成分發(fā)生變化，用鎬難挖掘。
以上介紹了常見的幾種土質(zhì)，從N值為3-40的土質(zhì)都有。這就需要針對不同的土質(zhì)情況選用不同類型的頂管掘進(jìn)機(jī)。
對于淤泥質(zhì)黏土，由于其土質(zhì)較軟，切削容易，因此我們可以選用以下所介紹的各種掘進(jìn)機(jī)，對此我們先介紹多刀盤土壓平衡式頂管機(jī)。多刀盤土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)把通常的全斷面切削刀盤改成四個獨(dú)立的切削攪拌刀盤，所以它尤其適用于軟粘土層的頂管。如果在泥土倉中注入些粘土，它也能用于砂層的頂管。另外，由于此機(jī)采用了先進(jìn)的土壓平衡原理，因此，采用此機(jī)進(jìn)行頂管施工后，對地面及地下的建筑物、構(gòu)造物、埋設(shè)物的影響較小。用它可以安全地穿越公路、鐵路、河川、房屋以及各種地下公用管線。其最小復(fù)土深度可以相當(dāng)于一倍管外徑左右。從無數(shù)的施工實(shí)例證明，用此機(jī)進(jìn)行頂管施工作業(yè)，不僅安全、可靠，而且施工進(jìn)度快、效率高。與單刀盤土壓平衡掘進(jìn)機(jī)相比，此機(jī)具有價格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、操作容易、維修方便和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。另外，它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量較多的泥漿。它與泥水式頂管施工相比，最大的特點(diǎn)是排出的土或泥漿一般都不需要再進(jìn)行泥水分離等二次處理。施工占地小，對周圍環(huán)境污染也很少。它與手掘式及其他形式的頂管施工相比較，又具有適應(yīng)土質(zhì)范圍廣和不需要采用任何其他輔助施工手段的優(yōu)點(diǎn)。如采用輸土泵的方式出土，頂進(jìn)效率也很高，平均24小時可頂進(jìn)15-20米。但是它的缺點(diǎn)也很明顯，由于不是全斷面切削，切削不到的部分只能通過擠壓進(jìn)入機(jī)頭，因此迎面頂力較大，只適合于軟土地質(zhì)情況下施工，如需穿越建筑物、構(gòu)造物、埋設(shè)物等對地面沉降要求很小的情況可采用刀盤可伸縮式泥水平衡掘進(jìn)機(jī)，此種機(jī)頭的刀盤是一個直徑比掘進(jìn)機(jī)前殼體略小的具有一定剛度的圓盤。圓盤中還嵌有切削刀和刀架。刀盤和切削刀架之間可以同步伸縮，也可以單獨(dú)伸縮。而且，不論刀盤停在哪一個位置上，切削刀架都可以把刀盤的進(jìn)泥口關(guān)閉。刀盤加壓裝置是安裝在主軸中的油缸，刀架伸縮油缸則安裝在刀盤加壓裝置的上方。刀盤可伸縮式掘進(jìn)機(jī)的工作原理如下：刀盤前土壓力過小時，它就往前伸；刀盤前土壓力過大時，它就往后退。刀盤前伸時，應(yīng)減小進(jìn)泥口開度并加快推進(jìn)速度；刀盤后退時，應(yīng)加大進(jìn)泥口開度并降低頂速。這樣，就可使刀盤前的土壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。使用此種掘進(jìn)機(jī)地面隆沉極小，優(yōu)秀的操作人員可使地面隆沉控制在10mm以內(nèi)。由于采用了泥水作為運(yùn)輸介質(zhì)，在頂進(jìn)的過程中無需停頓出泥，因此它的頂速也很快，24小時可頂進(jìn)20-30米。缺點(diǎn)也很明顯：由于進(jìn)泥口開度限制，在含有直徑大于6cm礫石的土層中無法施工。
對于易產(chǎn)生流沙現(xiàn)象的砂性土可根據(jù)其含水量及其標(biāo)準(zhǔn)貫入度選用不同類型的掘進(jìn)機(jī)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入度較小時可選用多刀盤土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入度較大時，除多刀盤土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)以外的以上各種掘進(jìn)機(jī)都適應(yīng)此種土質(zhì)。
對于地質(zhì)為黃土的情況下我們可采用單刀盤土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)和偏心破碎泥水式掘進(jìn)機(jī)。
單刀盤土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：
1．適用的土質(zhì)范圍非常廣。
2．施工后地面沉降小。
3．棄土的處理比較簡單。
4。可在復(fù)土層僅為管外徑0.8倍的淺土層中施工。5．有完善的土體改良系統(tǒng)和具有良好的土體改良功能。6．開口率達(dá)100％，土壓力更切合實(shí)際。
對于地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化巖的情況下我們可采用偏心破碎泥水式掘進(jìn)機(jī)。此機(jī)種與普通泥水掘進(jìn)機(jī)的最大不同點(diǎn)是其頭部。殼體內(nèi)的泥土倉是一個前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的內(nèi)壁是用耐磨焊條堆焊的一圈環(huán)形焊縫。安裝在殼體泥土倉內(nèi)的是一個前面小、后面大的錐體，錐上也堆有一環(huán)環(huán)形焊縫。切削刀呈輻條形焊接在該錐體上，且略微向前傾斜。刀盤的正面焊有堅固而且耐磨的切削刀頭，所有這些構(gòu)成一個刀盤。這樣，在掘進(jìn)機(jī)工作時，刀盤一邊旋轉(zhuǎn)切削土砂的同時還一邊作偏心運(yùn)動把石塊軋碎。被軋碎的石塊只有比泥土倉與泥水倉聯(lián)接的間隙小才能進(jìn)入掘進(jìn)機(jī)的泥水倉，然后從排泥管中被排出。另外，由于刀盤運(yùn)動過程中，泥水倉和泥土倉中的間隙也不斷的由最小變到最大這樣循環(huán)變化著，因此，它除了有軋碎小塊石頭的功能以外還始終能保證進(jìn)水泵的泥水能通過此間隙到達(dá)泥土倉中，從而保證了掘進(jìn)機(jī)不僅在砂土中，即使在黏土中也能正常工作。一般情況下，刀盤每分鐘能旋轉(zhuǎn)4--5轉(zhuǎn)，每當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)一圈時，偏心的軋碎動作達(dá)20-23次。由于此機(jī)型有以上這些特殊的構(gòu)造，因此它的破碎能力是所有具有破碎功能的掘進(jìn)機(jī)中最大的，破碎的最大粒徑可達(dá)掘進(jìn)機(jī)直徑的40%--45%之間，破碎的卵石強(qiáng)度可達(dá)200Mpa。此機(jī)型的第一個特點(diǎn)就是它幾乎是全土質(zhì)的掘進(jìn)機(jī)。它可以在N值從0--15的黏土，N值1--50的砂土以及N值10--50的礫石層等所有土質(zhì)中使用，而且推進(jìn)速度不會有太大的變化。它的第二個特點(diǎn)是破碎粒徑大，可達(dá)掘進(jìn)機(jī)直徑的40%--45%之間。它的第三個特點(diǎn)是施工精度高，施工后的偏差極小。它的第四個特點(diǎn)是由于有偏心運(yùn)動，進(jìn)土的間隙又比較小，即使用清水作為進(jìn)水，也能保持挖掘面的穩(wěn)定。它的第五個特點(diǎn)是可以進(jìn)行長距離頂進(jìn)，也可用于曲率半徑比較小的曲線頂進(jìn)。它的第六個特點(diǎn)是施工速度快，每分鐘可進(jìn)尺100mm--180mm之間。它的第七個特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、維修保養(yǎng)簡單、操作方便。無論在工作坑中安裝還是在接收井中拆除都很方便。
如頂進(jìn)管道軸線附近可能存在大的石塊，樁基礎(chǔ)等不明障礙物。我們采用排障方便、成本低廉的敞開式掘進(jìn)機(jī)。地下水位較高的話可采取井點(diǎn)降水等輔助施工方法。另外，對于含水量較少并且N值大于18的黃土和強(qiáng)風(fēng)化巖，也可采用敞開式掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)。敞開式掘進(jìn)機(jī)在類似于農(nóng)田對地面沉降要求不嚴(yán)格的情況下也可采用。此種機(jī)型的缺點(diǎn)是頂速慢、遇到流沙土層難以控制出土量，因此沉降也是大于以上幾種頂管掘機(jī)的。
網(wǎng)格水沖式掘進(jìn)機(jī)具有土壓式以及泥水式頂管機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，這種掘進(jìn)機(jī)頭在遇到障礙物時工人可進(jìn)入泥水倉排除障礙物，而且由于采用水力出泥，頂進(jìn)速度也不受出泥速度的影響，因此當(dāng)土質(zhì)條件較好時是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的掘進(jìn)機(jī)。但這種掘進(jìn)機(jī)也有它的局限性，首先要求土質(zhì)比較軟，土體的孔隙比要小，而且要求有足夠的清水作為水源，泥漿處理以及用電量都很大，使用成本較高。當(dāng)遇到沙土層時，由于沙土的透水系數(shù)很大，用于平衡正面土壓力的氣壓很容易從沙土的間隙泄露，因此也就很難做到平衡，因此在沙土中頂進(jìn)沉降很難控制。
中風(fēng)化巖以及弱風(fēng)化巖條件下如果地下水含量較高就只能采用巖盤頂管機(jī)了。該機(jī)型的刀頭類似于牙輪鉆，可以在巖石中頂進(jìn)，也是一種全土質(zhì)的機(jī)型，但該機(jī)種的造價很高，而且目前在國內(nèi)是一項(xiàng)空白。
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