DK式土壓平衡頂管工法

《DK式土壓平衡頂管工法》是上海城建市政工程（集團）有限公司完成的建築類施工工法；主要完成人是余彬泉、韓為峰、章建青、張乃涓、傅紀偉。該工法的適用範圍是N值0~50的淤泥到砂礫等各種土質條件下施工；還可在穿越河流、公路、房屋等復土較深的條件施工，而且可在大於管外徑0.8倍以上淺復土條件施工；不僅適用於Φ1000~Φ3600毫米口徑的混凝土管施工，而且也適用鋼管施工。

《DK式土壓平衡頂管工法》主要的工法特點是：頂管機的刀盤沒有面板，而只由幾根呈輻條狀的刀排等組成。在刀排的前面設有切削刀頭，在刀排的後面焊有數根攪拌棒。刀盤在切削土體的同時可進行攪拌；刀排的頂端，切削刀頭和中心刀處設有注漿孔，且與主軸中心的注漿孔相通；通過注漿孔可向挖掘面上注水或黏土漿等，再通過攪拌棒把切削下來的土體與水或漿進行充分的攪拌，使改良的土體具有良好的塑性、流動性和止水性；隔倉板上設有土壓力表，泥土倉的最下部設有螺旋輸送機；通過調節頂管機的推進速度或調節螺旋輸送機的排土量，即可控制土倉內的土壓力；頂管機還具有操作方便、工作安全可靠、重量輕和刀盤驅動功率小特點。

2011年9月30日，《DK式土壓平衡頂管工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：DK式土壓平衡頂管工法
• 工法編號：YJGF14-2000
• 類別：工程建設類
• 完成單位：上海城建市政工程（集團）有限公司
• 主要完成人：余彬泉、韓為峰、章建青、張乃涓、傅紀偉
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

土壓平衡頂管施工工法是機械化頂管施工的主要方法之一，屬於機械化、長距離頂進技術，對施工技術管理有較高的要求，主要體現於對頂管設備操作的嚴謹性、對施工工藝參數計算和選擇的準確性和合理性等。為了規範施工管理，提高施工技術水平，促進非開挖地下管道機械化施工技術的套用和發展，自動引導測量系統在自主研製的DK式土壓平衡頂管機成功的基礎上，開展DK式土壓平衡頂管施工工法的推廣套用。

DK式土壓平衡頂管是一種有加泥裝置且可對切削下來的土體進行改良的頂管施工，具有廣泛的適應性和可靠性。該工法的關鍵設備是DK式頂管機，參見下圖：

DK式土壓平衡頂管機

1992年，上海城建市政工程（集團）有限公司頂管技術研究所研製成功首台DK式頂管機。該機從Φ1200~Φ3600已成系列。隨後，在工程實踐基礎上，上海城建市政工程（集團）有限公司完成了《DK式土壓平衡頂管工法》。

工法特點

《DK式土壓平衡頂管工法》具有如下特點：

1、頂管機的刀盤沒有面板，而只由幾根呈輻條狀的刀排等組成。在刀排的前面設有切削刀頭，在刀排的後面焊有數根攪拌棒。刀盤在切削土體的同時可進行攪拌。

2、刀排的頂端，切削刀頭和中心刀處設有注漿孔，且與主軸中心的注漿孔相通。

3、通過注漿孔可向挖掘面上注水或黏土漿等，再通過攪拌棒把切削下來的土體與水或漿進行充分的攪拌，使改良的土體具有良好的塑性、流動性和止水性。

4、隔倉板上設有土壓力表，泥土倉的最下部設有螺旋輸送機。

5、通過調節頂管機的推進速度或調節螺旋輸送機的排土量，即可控制土倉內的土壓力。

6、頂管機還具有操作方便、工作安全可靠、重量輕和刀盤驅動功率小特點。

7、該工法施工效益高、質量好，對環境影響小，有較好的社會和經濟效益。

操作原理

適用範圍

1、《DK式土壓平衡頂管工法》適用於N值0~50的淤泥到砂礫等各種土質條件下施工。

2、該工法不僅可在穿越河流、公路、房屋等復土較深的條件施工，而且可在大於管外徑0.8倍以上淺復土條件施工。

3、該工法不僅適用於Φ1000~Φ3600毫米口徑的混凝土管施工，而且也適用鋼管施工。

工藝原理

《DK式土壓平衡頂管工法》的工藝原理如下：

1、刀盤把土體切削下來以後，經過攪拌棒對土體進行攪拌。如果是含水量少的黏土，則可注入水以增加它的含水量，如果是黏粒量少的砂或砂礫土質，則可注入泥漿以增加它黏土成分。經過攪拌的土必須達到具有良好的塑性、流動性和止水性。

2、通過調節頂管機推進速度或者通過調節螺旋輸送機排土的速度把土倉內的土壓力控制在大於頂管所處土層的主動土壓力帕和小於被動土壓力Pp之間。由於刀盤沒有面板，土倉的土壓力就是頂管機挖掘面上的土壓力，因而可以真正達到土壓平衡的目的。

3、由於螺旋輸送機內的土具有止水性，所以螺旋輸送機內長長的土塞既可用來平衡地下水壓力又可以阻隔地下水的流失。因而可有效地控制土表的沉陷與隆起。

工藝流程

《DK式土壓平衡頂管工法》施工工藝流程參見下圖：

施工工藝流程圖

操作要點

《DK式土壓平衡頂管工法》的操作要點有：

一、控制土壓

施工單位要控制好土倉的土壓力P，要求做到P_a<P<P_p。

1、為達到上述要求，必須認真研究土質資料，精確求出P及P_a的值。

2、儘量讓控制土壓力離開帕及Pp值遠一些，並且在±10~30千帕範圍內波動。

3、復土淺時，波動範圍取±10千帕；復土深時，波動範圍取±30千帕。

4、採用調節項管機推進速度來控制土壓力P時，其特性較硬，變化較快；採用調節螺旋輸送機排土量來控制土壓力P時，其特性較軟，變化較慢。必要時同時使用這兩種方法來控制。

二、糾偏技術

在推進過程中，必須注意偏差發展的趨勢。糾偏的原則是：務必讓偏差保持在較小的波動範圍內，並且做到勤測勤糾，小幅度糾偏、看趨勢糾。

1、掘進機糾偏系統的可靠性和開挖面穩定性措施是引導機頭導向的重要因素。

2、在機頭後面設定一道中繼環作為輔助糾偏，有利於多曲線的導向。

3、採用多組糾偏特殊管節，用短油缸形成整體彎曲弧度，更有利於多曲線的軸線控制。

4、在前幾節管子中設定連線拉桿，能有效防止軸線的導向失控。

5、保證“勤測、勤糾、微糾”的軸線控制原則。

三、注漿材料

研製了一種適用於頂管施工的新型複合泥漿材料。該泥漿經注入管外壁與粉砂層之間，具有觸變性能好，泥膜穩定時間長，不易被地下水和粉砂層侵入的特點。

四、注漿方法

首先在管外壁的土層中形成吸附聚積泥膜，然後在泥膜與管外壁之間形成完整泥漿套，泥漿應具有良好的觸變性能、物理和化學穩定性。其主要控制指標為適當的黏度、靜剪下力和動剪下力。注漿圖如下：

注漿圖

泥漿採用高剪下泵進行快速攪拌能達到充分攪拌的目的，經過30分鐘攪拌後，無需進行水化反應，其性能滿足要求。現場注漿參見下圖：

現場注漿設備

注漿方法採用壓漿三條線：

從洞口開始，以避免管子進入土體後被握裹而引起背土的惡劣情況；機尾同步注漿，要使漿套隨機頭不斷延伸；要對管道沿線定時進行補漿，不斷彌補漿液向土層的滲透量。

注漿參數的控制要求為：

1、壓力控制：p=1.0~1.2γh；

2、注漿量控制：建築空隙的8~10倍；

3、注漿效果檢驗：通過頂進系統的油壓直接反應注漿效果，及時調整。

五、頂管自測

頂管自動引導測量系統的開發與套用，在頂管施工中，及時對頂管軸線的測量和控制是確保整個頂管施工工程的關鍵，採用頂管自動引導測量系統按導線測量方法布設，無需人工操作，由計算機控制，逐站自動進行後視，前視的邊長、高度角、水平角的自動觀測，並將測量數據輸送回計算機進行處理，每測量一次約需5分鐘，全程可達1000米以上，測量的精度為±2厘米，得出工程最終所需的測量結果，可滿足超長距離曲線頂管的自動連續測量要求，解決了頂管施工中的測量問題，參見下圖：

自動引導測量系統

六、潤滑檢查

施工單位每班應對頂管機所有潤滑點的潤滑進行檢查，以確保潤滑處於良好狀態。潤滑油脂少了應及時補充。

材料設備

施工單位採用《DK式土壓平衡頂管工法》時的材料設備包括：

一、該工法所需材料為高分子泥漿材料。

二、該工法所需的機械設備見下表：

質量控制

施工單位採用《DK式土壓平衡頂管工法》除了必須嚴格遵守國家、地方及業主制訂的有關質量標準以外，在施工中還應做到：

1、凡不符合質量要求的成品、材料堅決不用。

2、要有嚴格的質量抄報制度，凡接近質量標準極限的70%時，應停止推進。只有在找出原因並制訂有效措施後方可繼續推進。

3、最大推力在任何時候都不得大於管子所能承受推力的70%，以防管口破碎。

4、推進過程中，還注意觀測后座以及所有標記是否有變動。

5、頂進過程最大沉陷值，在管頂覆土大於管徑時，地面最大隆起值為10毫米，最大沉降值為30毫米。

安全措施

施工單位採用《DK式土壓平衡頂管工法》除了應嚴格遵守國家、地方和企業已頒布的安全技術規程以外，對加泥土壓平衡頂管的安全補充規定如下：

1、每班必須在上班前先檢查一下漏電保護器是否處於良好的狀態之中。

2、必須在切斷電源的狀態下接拆各類電纜接頭，並且要防止各類電纜接頭浸水或弄髒。

3、電纜應掛在洞口一側，這樣在推進過程中電纜是漸漸鬆弛的，否則電纜易在工作中不注意時被拉斷而造成事故。

4、在停電作業時，必須把螺旋輸送機出口關閉，以防噴笈事故脫開而發生意外，必須把頂管機下部的積水清除，同時應及時除淨混凝土管道內散落的泥土，保持管道內清潔。

5、混凝土管道內應有足夠亮度的照明。

6、工作坑四周有0.5米高的圍牆，防止地面陷入工作坑而發生事故。

7、已頂完的管道在工作坑中的出口應封堵起來，防止水從管道中流入工作坑而造成事故。

8、工作坑中應設有集水井，並裝有抽水機，同時還要及時排去工作坑中的積水。

環保措施

施工單位採用《DK式土壓平衡頂管工法》還需注意採取環境保護措施：

1、頂管法對地表變形的影響比盾構法大，而長距離曲線頂管對地表變形的影響更大。該工法和工程實踐證明：超長距離曲線頂管的地表變形可以控制在接近盾構法的變形範圍。

2、該工法也可在超長距離曲線頂管工程中採用，從而減少了中間豎井，因此，對交通和周邊環境的影響可以降到最小程度。

3、施工單位要儘量減少施工機械噪聲的危害。為保護施工人員的健康，對於施工機械的噪聲，遵守《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》，依據《工業企業噪聲衛生標準》合理安排工作人員輪流操作施工機械，減少接觸高噪聲的時間。對噪聲接觸較近的施工人員，除採取防護耳塞或頭盔等措施，還應當縮短其勞動時間。同時，要注意對機械經常性保養，儘量使其噪聲降低到最低水平。為保護施工現場附近居民的夜間休息，對居民區150米以內的施工現場，施工時間加以控制。

4、施工單位在施工期間，對於工程施工中粉塵污染的主要污染源，採取有效措施減少施工現場的粉塵，防止粉塵對環境的污染。

效益分析

施工單位採用《DK式土壓平衡頂管工法》具有經濟和社會效益。

1、該工法的社會效益包括，比開槽埋管方法對環境影響小，可不必降水和封鎖交通，施工後地表沉降小。不需要降水，不需要斷交通，可穿河道。

2、超長距離曲線頂管施工技術的套用，避免了對居民和周邊建築物的影響，並大大減少了土地的徵用。同時可以減少施工對城市交通和建築物拆遷，以及地下構（建）築物的影響。

3、該工法的經濟效益主要表現於兩個方面：首先，在埋設深度較深或穿越較多地下管線時，比開槽埋管安全、經濟；其次，在居民密集區狹小街道中施工時，拆遷量比埋管小，投資成本低。

套用實例

上海城建市政工程（集團）有限公司採用《DK式土壓平衡頂管工法》已在江蘇省通榆河北延送水工程灌河地涵工程、上海臨港新城污水處理系統一期工程B4標段、上海市西藏路電力隧道頂管工程、上海市西藏路電力隧道及南延伸頂管工程、北京西路-華夏西路電力電纜隧道工程3標段、雪野路（浦明路-220千伏連雲站）電力電纜隧道工程、青草沙水源地原水工程嚴橋支線工程C2標段、中環線A3.5標段北虹路地道等工程中得到成功運用，部分工法套用實例參見下表：

DK式土壓平衡頂管工法套用部分實例

序號	工程名稱	管道直徑（毫米）	頂進距離（米）	施工日期
1	江蘇省通榆河北延送水工程灌河地涵工程	Φ3500	1800	2008年07月~2010年05月
2	北京西路一華夏西路電力電纜隧道工程3標段	Φ3500	6127	2007年09月~2009年09月
3	雪野路（浦明路一220千伏連雲站）電力電纜隧道工程	Φ3000	1330	2008年06月~2009年08月
4	青草沙水源地原水工程嚴橋支線工程C2標段	Φ3600	2X2141.88	2009年05月~2009年12月

榮譽表彰

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單（升級版）》，以建質[2011]154號檔案公布，《DK式土壓平衡頂管工法》被評定為中國國家二級工法。