地下工程施工技术7.docx

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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，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

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

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=（3~5）×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+W3

a.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；

K1—顶力折减系数，顶进长度≤15m时，为1；16—30m时为0.8；31—45m时为0.75。

PV—作用于管顶的垂直土压力，PV=γH

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=πDcptR

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=PπD2/4

式中，p—冲水压力，P=Dγ＇/2

γ＇—泥浆土重度，一般取12~13kN/m3

四、土压平衡式顶管

1.多刀盘切削式

直径：

2360mm、1800mm

刀盘：

四个，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：

150~600mm。

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：

φ300mm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。

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

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2～5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40～100m。

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