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一、顶管施工概论
顶管施工法是继盾构法之后而发展起来的一种地下管道施工方法，也是使用得最早的一种非开挖施工方法，起源于美国。最初，顶管施工法重要用于跨越孔施工时顶进钢套管，随着技术的改善，顶管法也用于无套管情况下顶进永久性的公用管道，重要是重力管道。
按工作面的开挖方式可将顶管法分为普通顶管(人工开挖)、机械顶管(机械开挖)、水射顶管(水射流冲蚀)、挤压顶管(挤压土柱)等。采用何种方法要根据管径、土层条件、管线长度以及技术经济比较来拟定。
　　在顶管施工中，最为流行的三种工作面平衡理论是：气压、土水和泥水平衡理论。
顶管施工与开挖施工法相比，具有以下优点：
①开挖部分仅仅只有工作坑和接受坑，并且安全、对交通影响小；
②在管道顶进过程中，只挖去管道断面部分的土，挖土量少；
③作业人员少，工期短；
④建设公害少、文明施工限度高；
⑤在覆土深度大的情况下，施工成本低。
但是，它与开挖施工法相比较，顶管施工也存在以下局限性之处：
①曲率半径小并且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难；
②在软土层中容易发生偏差，并且纠正这种偏差又比较困难，管道容易产生不均匀下沉；
③推动过程中假如碰到障碍物时解决这些障碍物则非常困难；
④在覆土浅的条件下显得不很经济。
顶管施工法的合用条件为：
①管径一般在200～3500mm；
②管材一般混凝土管、钢管、陶土管、玻璃钢管；
③管线长度一般为50～300m，最长大可达1500m；
④各种地层，涉及含水层。
二、泥水平衡顶管
在顶管施工分类中，通常把用水力切削泥土以及虽然采用机械切削泥土而采用水力输送弃土，同时有的运用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水平衡顶管施工。
在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，以阻止泥水向挖掘面里面渗透。同时，该泥水自身又有一定的压力，因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力。这就是泥水平衡顶管最基本的原理。
假如从输土泥浆的浓度来区分，又可把泥水平衡顶管分为普通泥水顶管、浓泥水顶管和泥浆式顶管三种。完整的泥水平衡顶管系统分为八大部分，如图3-3所示。第一部分是泥水平衡顶管掘进机。它有各种形式，因而是区分各种泥水平衡顶管施工的重要依据。第二部分为进排泥系统。普通泥水顶管施工的进排泥系统大体相同。第三部分是泥水解决系统。不同成分的泥水有不同的解决方式：含砂成分多的可以用自然沉淀法；具有黏土成分多的泥水解决是件比较困难的事。第四部分是主顶系统，它涉及主顶油泵、油缸、顶铁等。第五部分是测量系统。第六部分是起吊系统。第七部分是供电系统。第八部分是洞口止水圈、基坑导轨等附属系统。
泥水平衡顶管施工的重要优点是：
①合用的土质范围较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，也能合用。
②可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周边的土体扰动比较小。因此，采用泥水平衡顶管施工引起的地面沉降也比较小。
③所需的总顶进力较小，特别是在黏土层，适宜于长距离顶管。
④作业环境比较好，也比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。由于是在大气常压下作业，也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。
⑤由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，所以它作业时的进度比较快。
1-掘进机；2-进排泥管路；3-泥水解决装置；4-主顶油泵；
5-激光经纬仪；6-行车；7-配电间；8-洞口止水圈
但是，泥水平衡顶管也有它的缺陷，重要是：
①弃土的运送和存放都比较困难。假如采用泥浆式运送，则运送成本高，且用水量也会增长。假如采用二次解决方法来把泥水分离，或让其自然沉淀、晾晒等，则解决起来不仅麻烦，并且解决周期也比较长。
②所需的作业场地大，设备成本高。
③口径越大，它的泥水解决量也就越多。因此，在闹市区进行大口径的泥水顶管施工是件非常困难的事。并且，泥水一旦流入下水道以后极易导致下水道堵塞。因此，在小口径顶管中采用泥水式是比较抱负的。
④假如采用泥水解决设备则往往噪声很大，对环境会导致污染。
⑤由于设备比较复杂，一旦有哪个部分出现了故障，就得全面停止施工作业。因而互相联系、互相制约的限度比较高。
⑥假如碰到覆土层过薄或者遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作业就会因此受阻。
由于在这样的土层中，泥水要么溢到地面上，要么不久渗透到地下水中去，致使泥水压力无法建立起来。
前面已强调过，泥水的密度必须大于1．03，即必须是具有一定黏土成分的泥浆。但是，在泥水平衡顶管施工过程中，应针对各种不同的土质条件，来控制不同的泥水。具体情况可参见表3-4。
不同土质条件下的泥水密度 表3-4
土质名称
渗透系数，cm/s
颗粒含量，％
密度
黏土及粉土
1×10-9～1×10-7
5~15
1.025~1.075
粉砂及细砂
1×10-7～1×10-5
15~25
1.075~1.125
砂
1×10-5～1×10-3
25~35
1.125~1.175
粗砂及砂砾
1×10-3～1×10-1
35~45
1.175~1.225
砾石
1×10-1以上
45以上
1.225以上
在黏土层中，由于其渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，在较短的时间内，都不会产生不良状况，这时在顶进中应以土压力作为考虑基础。在较硬的黏土层中，土层相称稳定，这时即使采用清水而不用泥水，也不会导致挖掘面失稳现象。然而，在较软的黏土层中，泥水压力大于其积极土压力，从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。但事实上，即使在静止土压力的范围内，顶进停止时间过长时，也会使挖掘面失稳，从而导致地面下陷。这时，应适当提高泥水压力。
在渗透系数较小，如K<1×10-3cm/s的砂土中，泥浆密度应适当增长。这样，在挖掘面
上使泥膜在较短的时间内就能形成，从而泥水压力就能有效地控制住挖掘面的失稳状态。
在渗透系数适中，如1×10-3 cm/s<K<1×10-2 cm/s的砂土中，挖掘面容易失稳。这就需要我们注意，必须保持泥水的稳定。即进入掘进机泥水仓的泥水中必须具有一定比例的黏土和保持足够的密度。为此，在泥水中除了加入一定的黏土以外，须再加一定比例的膨润土及CMC作为增黏剂，以保持泥水性质的稳定，从而达成保持挖掘面稳定的目的。
在砂砾层中施工，泥水管理尤为重要，稍有不慎，就也许使挖掘面失稳。由于这种土层中一般自身的黏土成分含量很少，所以在泥水的反复循环运用中就会不断地损失一些黏土，这就需要我们不断地向循环用泥水中加入一些黏土，才干保持住泥水的较高黏度和较大的密度，只有这样，才可使挖掘面不会产生失稳现象。
在泥水平衡顶管施工过程中，还应注意以下几个问题。
①当掘进机停止工作时，一定要防止泥水从土层中或洞口及其他地方流失。否则，挖 掘面就会失稳。特别是在出洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水。
②在顶进过程中，应注意观测地下水压力的变化，并及时采用相应的措施和对策，以保持挖掘面的稳定。
③在顶进过程中，要随时注意挖掘面是否稳定，不时检查泥水的浓度和相对密度是否 正常，还要注意进排泥泵的流量及压力是否正常。应防止排泥泵的排量过小而导致排泥管 的淤积和堵塞现象。
三、土压平衡顶管
土压平衡顶管是机械式顶管施工中的一种。它的重要特性是在顶进过程中，运用土仓 内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力，排出的土可以是含水量很少的干 土或含水量较多的泥浆。它与泥水平衡顶管相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般都不 需要再进行泥水分离等二次解决。
土压平衡顶管掘进机的分类方法重要有四种，第一种是以土仓中的泥土类型分为泥土 式、泥浆式和混合式三种。其中，泥土式又可提成压力保持式和泥土加压式两种。压力保持 式就是使土仓内保持有一定的压力以阻止挖掘面产生塌方或受到压力过高的破坏。泥土加 压式就是使土仓内的压力在顶管掘进机所处土层的积极土压力上再加上一个△p，以防止挖 掘面产生塌方。泥浆式是指排出的土中含水量较大，也许是由于地下水丰富，也也许是人为 地加入添加剂所导致，后者大多用于砾石或卵石层。由于砾石或卵石在挖掘过程中，不具有 塑性、流动性和止水性的特性，在加入添加剂以后就使它具有较好的塑性、流动性和止水性 的特性。它与泥水平衡顶管掘进机的区别在于前者采用的是管道及泵排送泥浆，而后者则 是采用螺旋输送机排土。混合式则是指以上两种方式都有。
第二种是依据顶管掘进机的刀盘形式分为有面板刀盘和无面板刀盘两种。有面板的 掘进机土仓内的土压力与面板前挖掘面上的土压力之间存在有一定的压力差。并且，这 个压力差的大小是与刀盘开口大小成反比的，即面板面积越大，开口越小，则压力差也就 越大；反之亦然。无面板刀盘就不存在上述问题，其土仓内的土压力就是挖掘面上的土 压力。
第三种是根据土压平衡顶管掘进机有无加泥功能分为普通土压式和加泥式两种。所谓 加泥式就是具有改善土质这一功能的顶管掘进机。它可以通过设立在掘进机刀盘及面板上 的加泥孔，把黏土及其他添加剂的浆液加到挖掘面上，然后再与切削下来的土一起搅拌，使 本来流动性和塑性比较差的土变得流动性和塑性都比较好，还可使本来止水性差的土变成 止水性好的土。这样可大大扩大土压平衡顶管掘进机适应土质的范围。
第四种是根据刀盘的机械传动方式来分，将土压平衡顶管掘进机分为三种。图中3-6 所示的是中心传动形式。刀盘安装在主轴上，主轴用轴承和轴承座安装在壳体的中心。驱动刀盘的可以是单台电动机及减速器，也可以是多台电动机和减速器，或者采用液压马达驱动。
中心传动方式的优点是传动形式结构简朴、可靠、造价低，主轴密封比较容易。缺陷是掘进机的口径越大，主轴必须越粗，使它的加工、联接等更麻烦。因此，这种传动方式适宜在中小口径和一部分刀盘转矩较小的大口径顶管掘进机中使用。图3—7中所示的是中间传动形式。它把本来安装在中心的主轴，换成由多根联接梁组成的联接支承架把动力输出的转盘与刀盘联接成一体，以改变中心传动时主轴的强度无法满足刀盘转矩规定这一状况。这种传动方式可比中心传动传递更大的转矩。但是，它的结构和密封形式也较复杂，造价较高。它合用于大、中口径中刀盘转矩较大的顶管掘进机。图3—8所示的是周边传动形式。其结构与中间传动形式基本相同，只但是它的动力输出转盘更大，已接近壳体。因此，它的优点是传递的转矩最大。缺陷是结构更为复杂，造价也十分昂贵。此外，它还必须把螺旋输送机安装部位提高，才干正常出土。在设计这种形式的掘进时，壳体必须有足够的刚度和强度。以上三种传动形式都可以采用电动机驱动和液压马达驱动两种动力驱动，一般采用电
动机驱动方式，这是由于：
①普通顶管掘进机的口径一般不会超过4 m，驱动功率也不会很大，电动机驱动足以 可以胜任。
②电动机驱动的效率高、噪声小、体积小、起动方便，机内环境比较好；关键是要解决 好多台电动机先后起动这个难题。
③液压传动效率低、噪声大、体积也庞人；机内由传动效率低而产生的热量大，大量发热又使液压油易蒸发，污染机内操作环境：因此，即使它具有起动方便、可靠的优点也局限性以抵消它的缺陷。
图3-6　中心传动形式
图3-7　中间传动形式

图3-8　周边传动形式

四、小口径顶管
(一) 小口径顶管概述
小口径顶管施工法又称小口径顶管法，起源于日本，是指人不进入管内作业的遥控式顶管施工法，一般用于口径在900mm以下的管道铺设。但事实上可以铺设更大直径的管道，最大可达3000mm，甚至更大。小口径顶管不仅用于下水道施工中，并且还广泛用于自来水、煤气、电缆、通信等各个领域的管道敷设工程中。过去，由于这些管道埋深浅、口径小，所以大多采用开挖法施工。但是，随着城市建设规模的不断扩大，城市中道路等级也越来越高，加上交通量的不断上升，许多建成区内已无法采用开挖法施工。此外，随着铁路网、公路网和高速公路网的建成，许多过路管道也不允许采用开挖施工。这就促使小口径顶管得到迅速发展和完善，显示出其优良的施工性能和低廉的施工成本，反过来又促进它的更广泛、更普
及地使用。所以，小口径顶管发展到如今，由于施工速度快、施工精度高、适应土质范围广而深受业主与施工单位的欢迎。
小口径顶管施工时，规定在要铺管的两端设立两个工作坑(顶进工作坑和接受工作坑)， 工作坑的尺寸根据管道的直径和长度，以及顶管掘进机的大小而定。工作坑的周边应有足 够的空间放置地表施工设备。小口径顶管的施工设备重要由钻掘系统、激光导向系统、出渣 系统、顶进系统、润滑系统和控制系统等(见图3-9)。

图3-9 小口径顶管施工示意图
1．钻掘系统
钻掘系统由驱动电机或液压马达、破碎装置、钻掘刀头组成。视地层条件的不同，可选用不同形式的钻掘刀头。如刮刀式切削头用于不含石块的土层；盘式滚刀和刮削相结合的刀头用于中软岩石地层；滚刀型切削刀头用于较硬的岩层。破碎装置由偏心旋转锥体和固定的外锥套组成，随钻掘的进行，较大的岩块可被二次破碎以便顺利排出。一般可将1/3顶管掘进机的石块破碎到粒径为19～25mm，大大减少排渣堵塞现象。
2．激光导向系统
激光导向系统由激光发生器和激光靶及信号传输显示系统组成。激光发生器固定在顶进工作坑中，发出的激光束照射在位于顶管掘进机内的光靶上。测量信号的传输、显示有两种方式：一种是积极式，光靶由光电管组成，偏斜信息直接在光靶处转换成数字电信号后传到控制台；另一种是被动式，激光照射在刻度盘上的偏斜信息由光靶附近的闭路电视摄像系统拍摄后，传输到控制台的显示屏。根据测量到的偏斜数据，可操纵液动纠偏系统，从而实现调节铺管方向的目的。
3．出渣系统
出渣系统有两种方式，一种是螺旋排渣系统，它由螺旋钻杆、渣土提高装置等组成，一般用于不含水的地层，一次性铺管距离较短；另一种是泥浆排渣系统，它由地表的泵站和泥浆除渣设备以及排送管路组成，泥浆用来携带渣土、冷却刀具、辅助碎岩以及平衡地层压力。这种系统具有一次性铺管距离长、合用地层范围广、可在含水的地层中施工的优点。
4．顶进系统
顶进系统安装在顶进工作坑内，由顶进油缸、滑架等组成，油缸的顶推力，视地层、管径和管长而定。
5．润滑系统
润滑系统用来润滑管道的外壁，减少顶进时的摩擦力。它由泵送装置、管路等组成，润滑液一般为膨润土泥浆或聚合物。
6．操作控制系统
操作控制系统设立在地表，涉及参数显示、方向控制等，它是小口径顶管的遥控指挥部。 小口径顶管可根据它的工作原理和取土形式分为先导式或压入式、螺旋式或土压式和泥水式三大类(见表3-5)，每类又可分为几种，每一种中尚有若干种机型。
小口径顶管施工法的分类 表3-5
分 类
特 点
1．先导式小口径顶管施工法

先顶进先导管形成先导孔，随后扩大先导孔，同时顶进保护套管或永久管道
2．螺旋式小口径顶管施工法

用切削钻头钻进成孔，并由螺旋钻杆排出钻屑，同时顶进保护套管或永久管道
3．泥水式小口径顶管施工法

用切削钻头钻进成孔，运用循环浆液排出钻屑，同时顶进保护套管或永久管道。钻进时，用水压、浆压或机械压力来平衡工作面的压力，维持工作面的稳
小口径顶管施工法的优点是：
①对地表的干扰(交通、噪声、振动)小；
②埋深大时施工成本比传统的施工方法低；
③管线的方向和坡度可精确控制(~20mm)；
小口径顶管施工法的缺陷是：
①需对地层条件进行具体勘查；
②设备投资大；
③对操作人员的技术和经验规定高。
小口径顶管施工法的合用条件为：
①管径150～3 000mm(甚至更大)；
②管线长度可达500m或更长，一般为30～300”；
③管材可以是混凝土管、陶土管、玻璃钢管、铸铁管、钢管、PVC管等；
④各种地层，涉及含水地层，但最大卵砾石块度不大于切削头直径的]／3。
(二) 先导式小口径顶管
1.施工工艺
采用这种方法施工时，一般分两步进行：一方面，沿着预定的轨迹形成一小口径的先导孔。先导孔施工可用两种方法来完毕，即切削钻进成孔和压入挤土成孔。这两种方法均可以实现
测斜纠偏。另一方面，将先导孔扩大到所规定的口径，同时将待铺设的管道顶入孔内。根据地层的不同，可以选用不同的扩孔头。
图3-10 先导式小口径顶管施工法
(1)先导孔施工
从顶进工作坑向接受工作坑顶进先导管，边施工边测斜纠偏，如图3—10(a)。根据地层的不同，可以选用挤压式先导头或切削式先导头。挤压式先导头合用于软土层，如N值小于20的黏土层和粉砂层。切削式先导头合用于硬土层和粒状土层，排土方式重要是由螺旋钻杆排土，少数用泥浆排土。
(2)扩大导向孔
图3-11先导头的结构
(a)斜口管鞋先导头；(b)平台式先导头
先导孔完毕后，可用挤压式或切削式扩孔头将先导孔扩大到预定的口径，同时将永久管道顶入扩大了的钻孔内，如图3-l0(b)和(c)。挤压式扩孔头仅合用于极松散的土层。在稳定的黏土层中，一般使用切削式扩孔头，切削下来的土由螺旋钻杆排出。在不稳定的土层中，如含水的土层，则选用泥浆排土方式。此时，加压力的水可起到平衡工作面地下水压力的作用，同时又是土的输送介质。
2.施工机具
使用先导式小口径顶管施工所需要的机具重要是小口径顶管掘进机，它涉及钻掘系统、导向系统、排土系统和操作控制系统等。在钻掘系统中，最重要的是先导头和扩孔头。图3-ll为两种常用的先导头，图3—12为采用螺旋排土的扩孔头结构，图3-13则为用于解决含卵砾石地层的扩孔头结构。这种扩孔头可解决的砾石块度最大可达80mm，并可将它破碎到15mm。

图3-13　用于破碎砾石的泥浆排土式扩孔头
3-12　螺旋排土式扩孔头
通过先导头和扩孔头的不同组合(表3-6)，可使这种施工方法合用于不同地层条件的施工。在表3-6中，第1种组合使用得最广，第Ⅱ种组合合用的土层范围广，但需要有泥浆解决设备，投资较大。
先导头和扩孔头的不同组合方式　　　　　　　　表3-6
组合方式
先导头
扩孔头
特 点
Ⅰ
挤压式
螺旋排土式
使用最广，特别合用于软土层
Ⅱ
切削式
泥浆排土式
合用于致密的土层和含水的土层，泥浆可起到稳定式作面和作为排土介质的作用
Ⅲ
切削式
螺旋排土式
合用于不含水的致密土层(N63.5值小于50)
Ⅳ
挤压式
泥浆排土式
合用于含水的软土层
导向系统是小口径顶管施工设备的重要组成部分。按所选用的先导头不同，导向系统也可分为两种：斜口管鞋和摆动千斤顶。斜口管鞋导向系统重要涉及先导头、先导管、目的靶和经纬仪。当先导头偏移时，目的靶的中心点和瞄准光束的十字丝中心点不重合，这时可旋转先导管，使先导头的斜面向着偏斜的方向，随后继续顶进先导管，即可达成纠偏的目的，见图3-14。
另一种导向系统如图3-15所示，重要涉及先导头、先导管、导向千斤顶、目的靶和经纬仪。导向千斤顶可使先导头的方向发生改变，沿着修正的方向使先导头向前顶进，最后由主顶进系统顶进先导管，即可达成纠偏的目的。

图3-14　运用斜口管鞋纠偏的导向系统
图3-15　运用导向千斤顶纠偏
3 应用范围
先导式小口径顶管施工法合用于管径为100—700mm的各种管线铺设，最长的顶进长度可达100m左右。施工精度可控制在~20mm(垂直方向)和4-50mm(水平方向)的范围内，合用于在N值小于50，地下水位小于10m的土层中施工。
这种施工方法的最大优点是，在先导孔施工中可获得有关地层条件的补充信息，从而选择合适的扩孔头。
(三) 螺旋式小口径顶管
螺旋式小口径顶管施工法是由水平螺旋钻进法发展而来的，与螺旋钻进法的重要区别在于它采用钻进头式结构，可实现全自动操作，涉及测斜和纠偏。此外，在螺旋式小口径顶管施工法中，钻头既可由螺旋钻杆驱动，也可由独立的驱动装置驱动。
1.施工工艺
管道的铺设分单步施工法和双步施工法两种。单步施工时，钻头在工作面进行切削钻进，切削下来的土由螺旋钻杆排到起始工作坑，同时将永久性管道随顶进头一起顶入。当顶进头到达目的工作坑时，铺管工作也同时完毕，见图3-16。
双步施工时，先顶进预制的保护套管，套管为施工机具的一部分。套管一般采用双层钢 管，其环行空间可用作液压管线和控制电缆的通道，以减少每节管的连接时间。当顶进头到 达目的工作坑时，再从起始工作坑顶进永久性管道，见图3-17。
2.施工机具
螺旋式小口径顶管施工所需要的重要设备也是小口径顶管掘进机，它涉及钻进和排土 系统、导向(测斜和纠偏)系统和控制系统等，见图3-18和图3-19所示。钻进和排土系统由钻头、螺旋钻杆、套管和驱动装置组成。根据土层条件不同，可以选用不同类型的切削钻头。
必要时，可抽出螺旋钻杆更换已磨损的钻头，或改变钻头的型式。钻头可通过螺旋钻杆由顶进工作坑内的主驱动装置驱动，也可由位于钻头后面的独立驱动装置驱动。主驱动装置直接驱动，由于受到扭矩的限制，一般仅限于小口径、短距离的管道施工。为克服这一限制条件，可采用两种途径：一是在钻头和螺旋钻杆之间使用一个齿轮变速箱，变速比一般取4：1，使钻头的转速降为螺旋钻杆转速的四分之一，但扭矩相应增大了。另一种途径是钻头和螺旋钻杆使用独立的驱动装置。
测斜和纠偏系统用来监测施工过程中钻孔方向的变化，并对偏斜进行修正，使钻孔的走向(垂直方向和水平方向)始终控制在允许的范围内。测斜系统重要由经纬仪、目的靶、显示仪等组成。纠偏由微型顶管掘进机内的方向修正油缸来实现。经纬仪固定在起始工作坑内，通过观测孔可监视安装在小口径顶管掘进机后的目的靶。方向修正油缸一般为四个，均布在小口径顶管掘进机的周边。图3-20为常用的测斜纠偏系统的示意图。
图3-16　螺旋式小口径顶管施工――单步施工法

图3-17 蛹旋式小口径顶管施工——双步施工法

图3-18　螺旋式小口径顶管施工的设备配置
1-钻头；2-先导管；3-螺旋钻杆；4-套管；5-连接套；6-埋设管；7-顶进头；8-操作箱；9-方向修正控制盘；10-传动装置；ll-电动机；12-液压动力机组；13-电器柜；14-经纬仪；15-后水平千斤顶；16-推动油缸；17-油缸后背；18-出土口；19-机座；20-托管器；21-垂直千斤顶；22-横向水平千斤顶；23-前水平千斤顶

图3-19 典型的螺旋式小口径顶管掘进机
1-切削头；2-切削齿；3-破碎工作室；4-破碎机构；5-高压喷嘴；6-主驱动装置；
7-驱动装置；8-导向千斤顶；9-螺旋钻杆；10-给水管；11-激光束；12-阀柜

图3-20 测斜纠偏系统
l-微型顶管掘进机；2-方向修正油缸；3-日标靶；4-照明灯；5-永久管道；
6-套管；7-视准线；8-经纬仪；9-支腿；10-止动装置；11-螺旋钻杆；12-钻头

图3-21　纠偏过程
小口径顶管掘进机在顶进工作坑按照设计的方向安装就位后，从经纬仪到目的靶两点之间的水平视准线代表了钻孔的对的方向。当钻孔偏离对的的方向时，从经纬仪图像上可发现目的靶的位置发生偏移，同时显示仪也将钻孔方向的偏斜情况显示出来。
纠偏时，通过方向修正操作箱操纵方向修正油缸，使油缸的活塞杆推动小口径顶管掘进机朝钻孔偏斜的相反方向偏转一个角度，小口径顶管掘进机与钻头之间的环形间隙随之发生变化，因而小口径顶管掘进机的顶进阻力失去平衡，产生一个分力迫使小口径顶管掘进机朝偏转的方向顶进。在小口径顶管掘进机的带动下，钻头也逐渐朝对的的方向钻进，钻孔的方向就被修正过来(图3-21)。此时，在经纬仪图像上目的靶的位置也恢复到本来的中间位置。
操作控制系统由方向控制盘、施工参数显示仪和控制手柄等组成。目前，为了减小起始工作坑的尺寸，往往将操作控制系统和动力机组布置在一个集装箱内。施工时，将集装箱置于起始工作坑的上部，可实现全天气候施工。
顶进系统安装在顶进工作坑内，重要由顶进千斤顶、底座、滑架、后背墙、顶进环等组成。顶进千斤顶的顶进力为1 000～10 000 kN，根据地层条件、管径大小以及施工长度而定。
3.应用范围
一般来讲，螺旋式小口径顶管施工法合用于直径为150～900mm的管道铺设，顶进长度可达300m，甚至更长，合用的地层重要为非黏性的土层，N值在5～50，可解决的最大颗粒直径取决于螺旋钻杆的直径和螺距大小，一般为20～50mm。施工精度可达成上下偏差在iS0mm以内，水平偏差在i50mm以内。
为了解决螺旋钻杆的直径和螺距决定它可解决的最大粒径大小这一限制条件，可采用特殊的钻头，或在钻头的后部增长一破碎机构以将大颗粒的块石或砾石破碎到螺旋钻杆可解决的粒度大小。图3-22为用于解决大块砾石的牙轮钻头(a)和带破碎机构的切削钻头(b)。
由于螺旋式小口径顶管施工设备为开放式结构，因而一般不合用于含水地层的施工。若采用辅助方法使螺旋排土系统成为封闭式结构，则螺旋式小口径顶管施工法也可用于含水地层的施工。

图3-22 用于含大块砾石土层施工的钻头
（四）泥水式小口径顶管

泥水式小口径顶管施工法是目前使用最广泛的一种小口径顶管施工法。与螺旋式小口径顶管施工法相比，重要的区别在于：
①切削下来的土以浆液的形式排出，输送介质(膨润土泥浆或水)同时可用来平衡工作面的压力；
②切削钻头的驱动装置一般布置在钻头的后部。
1.施工工艺
泥水式小口径顶管施工法同样有单步和双步施工两种方式，除了排土方式不同外，其他 均与螺旋式小口径顶管施工法相同，见图3-16和图3-17。在这里，工作面上切削下来的土通过切削刀头的入口进入泥浆室，再排到地表。
使用泥水式小口径顶管施工法施工时，为保持工作面的稳定，应将切削速度、排土速度和浆液压力作为一个整体来考虑，以平衡工作面的土压力和地下水压力，避免地表的沉降和隆起。
作用在工作面上的压力有土压力、地下水压力、钻头的接触压力以及泥浆室内流体的压力。土压力可通过自动调节和维持切削刀头的接触压力来平衡(图3-23c)，即接触压力F略大于积极土压力PA，以避免工作面的塌落及随后地表的沉降(图3-23a)，同时接触压力F又要略小于被动土压力Pr，以防止地表的隆起(图3-23b)。

图3-23 由切削刀头的接触压力引起的地襄变形
图3-24表达土压力和接触压力实现平衡的过程。工作面压力的调节和维持由切削刀 头的前进或后退和切削刀头上入口的开或关来实现。施工前，将压力调节到一定的值以平 衡土层压力。然后，切削刀头进入工作状态，入口打开一定的限度。当顶进速度大于钻进速 度时，钻头上的压力及其反力超过设定值，切削刀头后退(最大为50 mm)，入口开大，土被 迅速排出使压力减少，恢复平衡；反之，当顶进速度小于钻头的钻进速度时，钻头上的压力及其反力低于定值，切削刀头前进(最大为20mm)，入口缩小使压力上升，恢复平衡。入口的最大尺寸与排土系统能解决的最大粒度相适应。

图3-24 运用可调节式入口实现压力平衡
(P为水平土压力；F为平衡压力)
(a)顶进速度=钻头钻进速度；(b)顶进速度>钻头钻进速度，钻头后退，入口开大；

(c)顶进速度<钻头钻进遗度，钻头前进，入口缩小，甚至关闭
地下水的压力可由排土的泥浆压力来平衡。假如有地下水时，泥浆室内的浆液压力一般高于地下水压力的10％～20％。
2.施工机具
泥水式小口径顶管为重要的施工机具，它也是由切削钻进系统、排土系统、导向系统和操作系统等组成，其中切削钻进系统、导向系统和操作系统与螺旋式小口径顶管掘进机相似，这里不再作介绍。
排土系统涉及泥浆室、供浆管和排浆管、泥浆泵、沉淀池或泥浆分离装置。根据土层条件和地下水情况，可选用清水、膨润土泥浆或聚合物泥浆作为输送介质。
双步施工法施工中专门设计的临时管(图3-25)内装有排浆管、给浆管以及其他服务管线，可简化施工时各种管线的连接。
泥水式小口径顶管施工法的设备配置见图3-9，图3-26为典型的泥水式小口径顶管掘进机的结构。

图3-25 为双步施工法专门设计的临时管

图3-26 典型的泥水式小口径顶管掘进机
l-切削头；2-切削齿；3-破碎工作室；4-破碎机构；5-主轴承；6-主驱动装置；7-密封圈；
8-导向千斤顶；9-排浆管；lo-给浆管；u-目的靶；12-激光束；13-旁通接头i14-阀柜
3．应用范围
标准的泥水式小口径顶管施工法可用于直径为250～900mm的各种管道铺设，最大顶进长度可达300m；合用于N＝5～50的各种地层，涉及含饱和水的地层(最大水压头达25m)；施工精度同样可控制在上下(垂直方向)偏差±25mm以内，左右(水平方向)偏差在±50mm以内。
泥水式小口径顶管施工法的重要缺陷是：
(1)受排浆管的限制，可解决的最大粒度为30～50mm；

(2)每种管径规定使用与其相适应的设备。
为了解决粒度大于30～50mm的大块卵砾石，可采用如下的措施：
(1)采用特殊的切削具；
(2)在小口径顶管掘进机内增长-个二次破碎机构。
常用的方法是采用品有滚刀型切削具的小口径顶管掘进机。这种小口径顶管掘进机可以破碎土层中的大块卵砾石和混凝土结构，但是在黏性土层容易导致堵塞现象，减少施工速度。
小口径顶管掘进机内增长一个二次破碎机构后，大块卵砾石经二次破碎后再排出，因而可大大减少堵塞现象。在图3—27中，一个回转式破碎机构固定在泥浆室内，并与驱动轴相连，切削刀头切削下来的土通过刀盘上的入口和挡板上的可调式闸门进入泥浆室，在此经回转式破碎机构二次破碎后可使其最大粒度降到50 mm以下。这种破碎机构可解决的最大粒度可达顶管掘进机直径的20%。

图3-27 带回转式破碎机构的小口径顶管掘进机
(a)钻头切削钻进；(L)切削下来的土进入带破碎机构的泥浆室；
(c)破碎土中的大块砾石；(d)土及破碎后的砾石随泥浆排出
另一种解决大块卵砾石的小口径顶管掘进机采用偏心的破碎机构。它重要由带切削轮的内锥体和带内倒锥的壳体组成，前者的轴线相对于后者的轴线有一个偏心量。内锥体作偏心回转运动时，可改变与壳体的间隙，达成破碎大块卵砾石的目的。这种偏心破碎机构的小口径顶管掘进机可将最大粒度为1/3管径的卵砾石破碎到19～25mm。与回转式破碎机构相比，偏心式破碎机构的优点是：
(1)不易引起堵塞，特别是在黏性的土层；
(2)松散的土在进入排土系统之前处在压密状态或成团块状，有助于排土和分离；
(3)钻头的磨损大大减轻。