地下工程施工技术7.docx

1、地下工程施工技术7第七章 顶 管 施 工 技 术一、概述是地下管道施工中穿越障碍物时常用的一种施工技术。1. 定义：一般是先在工作坑内设置支座和安装液压千斤顶，然后借助支座后座提供的反力将预制的管段顶如地层，边顶进，边开挖地层，边将管段接长，直到越过障碍物并到达接收坑。顶管技术施工工艺总图2. 发展历史100多年前，美国首先提出并采用该工艺。1950年前后，英、德、日等国家相继采用。1953年，我国首次应用于京包铁路。1960年开始，许多国家得到广泛应用。1960年，上海研制出了机械式顶管。1967年，上海研制出了挤压式顶管。1987年，上海市基础工程公司利用三段双铰型工具管顶进了1120m，

2、直径3m。1999年前后，浙江奉贤县污水排放工程：长1856m，直径1.6m。3. 近期发展：口径大小：向两端发展，微型顶管和大直径顶管；最大可达6m。长度大小：逐渐加长。德国施工过1200m中国1120m、1856m曲线顶进： 4. 优点管段整体预制，结构强度、水密性能易保证；与盾构法相比，接缝大为减少，容易达到防水要求；管道纵向受力性能好，能适应地层的变形；地面沉降小，利于环保；不需二次衬砌，工序简单；内壁光滑，流水阻力小。二、工具管1. 手掘式工具管依靠人工挖土和排土。结构简单、操作方便。劳动强度大。用于直径小于1.5m、顶进距离不长的工程。2. 挤压式工具管 挤压式工具管作业：锥形挤压

3、口在顶进力优点：操作简单缺点：由于是敞口，孔口易崩塌；开挖面扰动大；排土量不易控制；地表沉陷和隆起量大。适用条件：淤泥质黏土、黏土；对环境保护要求不高。3. 三段双铰型工具管 主要靠水力冲挖泥土。结构分前、中、后三段。 三段双铰型水力挖土工具管1 刃脚， 4胸板， 7高压水仓； 8垂直铰链， 9纠偏油缸10水枪，12吸口隔栅，17上下纠偏油缸；18水平铰链，19吸泥管，20气闸门21大水密门纠偏：垂直纠偏启动上下纠偏油缸，前段饶水平铰链上下转动水平纠偏启动水平纠偏油缸，中段和前段饶垂直铰链上下转动结构：冲泥仓（前部）：有刃脚和隔栅，用于切土和挤土 操作室（中部）：工人操作处，用胸板与冲泥仓隔开

4、 控制室（后部）：有各种控制仪表，了解工作状态优点：测力灵敏、纠偏灵活、导向可靠、操作方便、密封性好、能稳定土体、施工安全缺点：适用范围小。因水力开挖，仅适用于靠近河流的工程并有排泥场所的工程。4. 泥水平衡式工具管 靠输入有压力的泥水使开挖面地层保持稳定的工具管。 前端有切土刀盘和密封泥水仓。 泥水平衡式工具管操作：顶进时，一边切土一边向仓内输入有压力的泥水，保持土体稳定。 切下的土随泥水一起输送至地面，泥水可循环使用。优点：适应范围广、施工速度快、操作环境好、施工安全、有利于长距离顶进等。缺点：泥水排放困难、需要配置一套庞大的泥水处理设备，适用性受到一定限制。2. 土压平衡式工具管 土压平

5、衡式工具管 操作：利用切削下来的土使切土面保持稳定。用螺旋输送机排土。排出的土装入斗车运出。结构：工具管的前后两节可以伸缩，也可折成一定的角度。 前后两节之间装有四组油缸，上下左右呈十字形布置。 优点：对土层扰动小、能有效控制地表沉降 操作简便、安全、施工速度快、费用低 与泥水式相比，可减少对环境的污染 适用：淤泥质黏土、黏土、亚黏土、粉沙土、有地下水的地层。应用：今年来，国内外发展较快，应用范围日趋扩大。 三、顶管在施工阶段的荷载计算 要保证顶进过程中管段有足够的强度和刚度，能满足在顶进时可能发生的受力变形要求。1. 受力分析顶进阻力：a. 刃脚前壁阻力 b. 各管的外壁摩阻力 c. 纠偏力

6、 d. 阻碍性的强制顶进力 最大顶进力：一般作用于最后面一节管段 最大纠偏力：一般发生在最靠近工具管的管段 管段顶进时可能发生的一种受力状态 a管段端面上的应力分布； b纵向力的走向2. 总顶进阻力计算计算目的： 验算管端面的局部承压能力 用于检验千斤顶的能力 决定是否需要设置中继环千斤顶（1）上海地区的经验公式：W=（35）全程管道自重 人工开挖时取下限，挤压法时取上限。（2）力学分析计算与土层开挖方式有关： 人工开挖： W=W1 挤压法开挖：W=W1+W2 水冲法开挖：W=W1+W2+W3a. 降水良好的坚实土层中W1=f K1（PV + PH）DL+P0 式中： f管壁与土层的摩擦系数；

7、 K1顶力折减系数，顶进长度15m时，为1；1630m时为0.8；3145m时为0.75。 PV作用于管顶的垂直土压力，PV=H PH管壁上的水平土压力； D管道外径； L单程顶进长度； P0全程管道自重。b. 管道采用挤压法或水冲法顶进时工具管前端的迎面挤压力W2=DcptR式中：Dcp锥形挤压口端面的平均直径； t锥形挤压口端面的平均厚度；R单位面积挤压力，一般取为被动土压力。c. 水冲法顶进时，工具管前端由泥浆引起的水压阻力：W3=PD2/4式中，p冲水压力，P=D/2泥浆土重度，一般取1213kN/m3四、土压平衡式顶管1. 多刀盘切削式 直径：2360mm、1800mm 刀盘：四个，

8、由各自的电机驱动。转向：水平的两只转向相反，竖向的两只转向相同。 使用：每组油缸三只组成，形成150mm，工作压力21MPa 纠正方向应慢纠、勤纠四组油缸轮流使用。 所有操作都通过操纵台的按钮控制。 控制操作时，一个是方向，另一个是土压力。土压力应在主动土压力和被动土压力之间。 优点：构造简单、性能可靠、操作维修方便、造价低廉 自重小，便于运输和吊装 四个小刀盘的转矩互相抵消，不易产生偏斜 对地面和地下管线影响小 适应性强，有较大的发展前途。2. 大刀盘土压平衡式顶管机工作原理与盾构掘进机相同。最小的直径0.8m，最大直径十几米。 大刀盘土压平衡式顶管机 五、微型顶管1. 概述（1）微型顶管的

9、定义： 顶管直径很小，工作人员不能进入管道到达工作面，必须靠远距离自动控制进行操作的小型顶管称为微型顶管。管道直径：150600mm。适用：在建筑物密集、交通繁忙的市区敷设电缆管道和市政管道。（2）分类 挤土法非纠偏微型顶管 水平钻顶法排土法 套筒钻顶法 水平钻进法 挤钻法纠偏微型顶管 钻顶结合法 盾构法非纠偏微型顶管： 非纠偏微型顶管由于施工中前方不存在工具管，不能减小或降低正面阻力，故推进长度有限，一般仅用于覆土较浅、长度小于60m、直径200mm的微型顶管施工。纠偏微型顶管： 纠偏微型顶管 2. 压密式小口径顶管将前方土体向管道周围土体径向挤压，在不排土或少排土的情况下顶进管道。一般用于

10、：300mm以下的钢筋砼管、塑料管、钢管。日本产301型顶管机的工艺过程： 301型微型顶管机施工过程1. 装配：将顶管机在顶进坑内吊装就位，并利用4个撑脚调整水平位置，在地面设置动力设备和控制台。2. 顶端推进：机器前端的油缸先行顶出，将土向四周挤压。3. 后座推进：位于顶进坑内的油缸向前顶进，同时前端的油缸向后缩回。4. 接续推进管。5. 到达另一端，头部装置回收。6. 拆卸顶进坑内的工作台。 顶管机的定向： 水平方向：机头上装有电磁波发射装置，地面上有接收器，靠电磁波的强弱测定和控制顶进方向。侧向位置探测系统 垂直方向：地面上设置储液箱，储液箱与机头内的压力元件相连通，机头位置的高低通过

11、液压变化信息可在控制盘上得到反映，通过控制盘加以控制。竖向位置探测系统3. 螺旋式小口径顶管 工艺：a.将直径较小的螺旋杆从顶进坑顶到接收坑 b.在顶进坑内将扩管头与螺旋杆连接 c. 顶进扩管头，同时前方的泥土用压力水冲碎，由螺旋杆将其输送到接收坑内，运出地面。 d. 边顶进，边安装管段，边出土。 e. 螺旋杆在顶进坑内逐节接长，在接收坑内逐节拆除。 f. 最后取出扩管头。 使用条件：管径必须在150mm以上、350mm以下，推进距离最长为50m左右土质：适用范围宽，黏土、粉沙土、砂质土等均可。 特点：施工精度高，推进50m时误差仅2mm施工时无震动，噪音小重量轻、操作方便、施工人员少基坑小。

12、管长2m时， 3.6m长、1.5m宽的顶进坑即可。4. 水平钻式小口径顶管靠水平设置的螺旋钻钻进出土的一类微型顶管。形式有多种，下图为典型形式。工艺：电动机带动螺旋杆转动、螺旋杆带动钻头转动并切土。 泥土由螺旋钻自身反向输送到工作坑内，运出地面。 螺旋杆随着钻头的钻进随时接长。 钻头到达接收坑后取出，在接收坑内安装顶进设备将砼管从接收坑向工作坑顶进，直到砼管到达工作坑为止。取出钻杆。砼管的顶进由水平钻的钻杆导向。适用：管径250mm左右，顶进距离50m左右。 适用扩管器后，管径可达600mm 适用地层较广，如砾石、砂质土、黏土、粉土等与上法的比较： 相同：二者都需两次作业：钻孔、顶管 区别：螺

13、旋钻式砼管的顶进方向与钻的方向相同 从工作坑向接收坑方向顶进 水平钻式砼管的顶进方向与钻的方向相反 从接收坑向工作坑方向顶进 优点：顶进砼管时方向容易控制、也不需出土，速度快。 所需顶力较小，管的结构不易被压碎。六、长距离顶管长距离顶管的主要困难是：顶进坑内的主千斤顶的推顶力有限，不足于克服管道长距离顶进时遇到的总阻力。主要措施：1. 增加主千斤顶的顶力比较有效，但受到一定限制：机械水平的制约管段端面的局部抗压强度限制目前，单只千斤顶的顶力已从1000kN增大到2000kN。2. 减小管道周边与地层的摩擦力 提高制作技术和质量。工具管的刃脚外径略大于管道外径圆度均匀，保持直径一致 采用减摩泥浆

14、在管道的外壁涂抹泥浆在管道外壁和地层之间注入触变泥浆：膨润土泥浆。一般在顶入第二节管段后开始注浆。随着管段的推进，后面的管段要不断地补浆，每隔25节管段设置一些补浆孔。3. 降低开挖面的正面顶进阻力主要措施时调整排土量。靠及时清除工具管前端的渣土来实现。但也不能过量清除，以免工作面失稳。4. 采用中继环，中途设置辅助千斤顶即沿全长分成若干段，在段与段之间设置中继环。中继环用钢材制作，内壁上设置一定数量的千斤顶，推动中继环前方的管道。顶进时，先启用最前面的中继环，将前方的管道及工具管一起向前推进，后面的中继环和主千斤顶保持不动。这样，逐段接力向前推进，住千斤顶在每个循环中都是最后推进。一般单程顶进距离为40100m。由于逐段推进，总效率低。举例：浙江奉化排污工程的中继管布置。总长度：1856m，直径1.6m。沿线设11个中继环。每次仅用2个（为延长每个的适用寿命，减少每个的使用次数）。中继环的布置间距： 越靠工具管，间距越小（因启动次数多，多布置以便于轮流启动，减少启动次数，延长使用寿命。 第10节间距：246m 第11节间距：256m