地下建筑结构(中国地质大学孙金山)8-1课件

1、8 其它地下建筑结构u顶管隧道u地下室结构u水电站地下厂房u地下洞库u沉井与沉箱（基坑）n顶管法地下结构n、概述n一、顶管的组成与构造一、顶管的组成与构造n二、顶管工程设计与计算二、顶管工程设计与计算 顶管结构顶管结构 顶管技术（Pipe Jacking）是一种非开挖技术管道铺设方法，同时也是以顶管施工原理为基础的一些非开挖铺管技术的总称。 顶管技术最初主要用于穿越路基铺设保护套管，目前在该领域仍被广泛采用。随着技术的不断进步，该技术也可直接应用于管道铺设，而不再需要保护管道。特别是顶管施工中的沉降控制技术，在穿越建筑密集区、江河以及各种地下管道时已得到广泛应用。 顶管施工法极大地减少了对周边

2、的环境和居民的生活的影响，有利于在工程中作好文明施工。现在顶管法一般用于修建中小型地下市政管道。顶管法顶管法采用液压千斤顶采用液压千斤顶或具有顶进、牵引功能的设备，或具有顶进、牵引功能的设备，以顶管工作井作承以顶管工作井作承压壁压壁，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至达到目的，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至达到目的地。地。顶管法与盾构法顶管法与盾构法都是修建地下管道和隧道的重要方法。都是修建地下管道和隧道的重要方法。采用顶管法可以显著降低明挖法由采用顶管法可以显著降低明挖法由于基坑开挖和井点降水带来的环境于基坑开挖和井点降水带来的环境影响及危害。影响及危害。 与明挖法相

3、比，顶管施工具有以下优点： 减少开挖量和土石方运输成本； 顶管法相比明挖法更加环保，除工作井外的大部分工程都处于地下，不会污染外部环境； 不影响交通，特别适于城市内部的施工； 在直径大于900 mm的管道中可以进人施工，而顶管施工操作人员比常规的隧道施工方法容易培训； 施工过程中不会受到天气情况的影响。 基于以上原因，顶管技术在市政管道工程和地下通道工程中正被广泛的运用，在近30年中得到快速的发展，该技术在许多国家已取代了传统方法，成为施工直径小于3000mm管道的主要方法。顶管法地下结构施工示意图顶管法地下结构施工示意图顶管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地顶管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地

4、带的地下工程，其长度、断面尺寸均受到带的地下工程，其长度、断面尺寸均受到较大限制。国内最长的顶管隧道是西气东较大限制。国内最长的顶管隧道是西气东输工程穿越黄河的隧道，长度近输工程穿越黄河的隧道，长度近3000m3000m，直，直径约径约2m2m。挖建盖（填）明挖法地下结构施工示意图明挖法地下结构施工示意图顶管法的适用环境顶管法的适用环境 特殊地质条件下的管道工程中特殊地质条件下的管道工程中 ：穿穿越江河、湖泊、港湾越江河、湖泊、港湾水水体下的供水、输气、输油管道工程；体下的供水、输气、输油管道工程；穿穿越城市建筑群、繁华街道越城市建筑群、繁华街道地下地下的上下水、煤气管道工程；的上下水、煤气管

5、道工程；穿穿越重要公路、铁越重要公路、铁路路路基下的通讯、电力电缆管道工程；路基下的通讯、电力电缆管道工程；水库坝体水库坝体涵管重建涵管重建工程等。工程等。顶管技术的发展促进了顶管法的安全应用和推广。顶管技术的发展促进了顶管法的安全应用和推广。中继环接力顶推装置中继环接力顶推装置触变泥浆减阻顶进技术触变泥浆减阻顶进技术自动测斜纠偏技术自动测斜纠偏技术泥水平衡技术泥水平衡技术土压平衡技术土压平衡技术气压保护技术气压保护技术曲线顶管技术曲线顶管技术 n、概述n一、顶管的组成与构造一、顶管的组成与构造n二、顶管工程设计与计算二、顶管工程设计与计算 一、顶管的组成与构造一、顶管的组成与构造 1. 1.

6、 常用顶管工具管常用顶管工具管顶管工具管有顶管工具管有手掘式、挤压式、泥手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式水平衡式、三段两铰型水力挖土式和多刀盘土压平衡式和多刀盘土压平衡式等。等。手掘式手掘式顶管工具管为正面全敞开，顶管工具管为正面全敞开，采用人工挖土，如图所示。采用人工挖土，如图所示。n顶管工程的地表沉降顶管工程的地表沉降n一般顶管工具一般顶管工具引起的地表引起的地表沉降量可控制在沉降量可控制在50100mm，而采用泥水，而采用泥水平衡式顶管工具管引起的平衡式顶管工具管引起的地表沉降量更在地表沉降量更在30mm以以下。下。n顶管工具管的基本原理及顶管工具管的基本原理及施工工艺与

7、盾构施工工艺与盾构相似相似。 挤压式顶管工具管：挤压式顶管工具管：网格切土装置或刃脚放大网格切土装置或刃脚放大 泥水平衡式顶管工具管泥水平衡式顶管工具管 设置密封舱设置密封舱 泥水平衡式顶管工具管泥水平衡式顶管工具管三段两铰型水力挖土式顶管工具管三段两铰型水力挖土式顶管工具管 多刀盘多刀盘土压平衡式土压平衡式顶管工具顶管工具 大刀盘土压平衡顶管机大刀盘土压平衡顶管机 主顶设备主顶设备 2. 中继环中继环顶进阻力超过主千斤顶的顶进阻力超过主千斤顶的容许总顶力容许总顶力、管节管节容许的极限压力和工容许的极限压力和工作井承压壁后靠作井承压壁后靠土体极限反推力土体极限反推力三者中之一，采用中继接力顶进

8、三者中之一，采用中继接力顶进技术。技术。采用中继接力技术时，将管道分成数段，在段与段之间设置中继采用中继接力技术时，将管道分成数段，在段与段之间设置中继环。环。 采用中继接力技术以后，管道的顶进长度不再受承压壁后靠土体极限反推力大小的限制，只要增加中继环的数量，就可增加管道顶进的长度。 中继环构造中继环构造（1）短冲程千斤顶组（冲程为）短冲程千斤顶组（冲程为150300mm，规格、性能要求一致）；，规格、性能要求一致）；（2）液压、电器与操纵系统；）液压、电器与操纵系统；（3）壳体和千斤顶紧固件、止水密封圈；）壳体和千斤顶紧固件、止水密封圈；（4）承压法兰片。）承压法兰片。中继环自动控制中继环

9、自动控制从工具管向工作井依次按从工具管向工作井依次按1#1#、2# 2# 编号。编号。工作时，首次启动工作时，首次启动1#1#，中继环顶推行程达到允许行程后停止中继环顶推行程达到允许行程后停止1#1#中继环，启动中继环，启动2#2#中继环工作，中继环工作，直到最后启动工作井千斤顶。直到最后启动工作井千斤顶。3. 管道及其接口管道及其接口顶管所用管道按其材质分顶管所用管道按其材质分钢筋混凝土管和钢管钢筋混凝土管和钢管两类两类;管道接口是保证管道使用功能的关键技术环节；管道接口是保证管道使用功能的关键技术环节；不同用途的管道具有不同的接口和材质。不同用途的管道具有不同的接口和材质。 钢管接口一般采

10、用钢管接口一般采用承插、法兰、螺纹或焊接。承插、法兰、螺纹或焊接。 排水管道排水管道采用的预制钢筋混凝土管道采用的预制钢筋混凝土管道 ； 煤气管道煤气管道一般采用铸铁管和钢管一般采用铸铁管和钢管 ； 上水管道上水管道普遍采用的钢筋混凝土管及钢管普遍采用的钢筋混凝土管及钢管 ； 顶管用的钢筋混凝土管节的管口形式是凸口式，其接口的处理分两个阶段进行。 在一节管子顶进以后，另一节管子下到工作坑里时，将两节管子的管口对齐，并在凸缘处填塞一圈浸过沥青的麻辫；管内壁的接口处用金属内胀圈将管子撑紧，使顶管过程中管子接口处不致产生错口。 内胀圈是两个半圆形金属圈，两者用螺栓即可把内圈胀大，撑紧两节管子的接口。

11、 管节全部顶进后，拆除内胀圈，再在接口处填水泥砂浆并与管内壁抹平，接口就完成。顶管时接口管理顶管时接口管理4、工作坑、工作坑 工作坑平面呈矩形，一般沿沟道方向较长，深度较深，坑壁支撑，一般采用钢板桩；若竣工后坑位无需覆土，可采用钢筋混凝土沉箱，箱壁应预留位置正确、大小合适的管孔，竣工后沉井可改建成窨井。 坑的前后壁在沟道顶进时受力巨大，均应加固。 坑的后壁为千斤顶后座，承受全部推力的反作用力，应进行土力学概算。n、概述n一、顶管的组成与构造一、顶管的组成与构造n二、顶管工程设计与计算二、顶管工程设计与计算 二、顶管工程设计与计算二、顶管工程设计与计算p工作井的设计工作井的设计p顶管顶力估算顶管

12、顶力估算p承压壁后靠结构及土体的稳定性承压壁后靠结构及土体的稳定性1. 顶管工作井设置顶管工作井设置 两种类型的工作井两种类型的工作井1）供顶管机头安装用的）供顶管机头安装用的顶进工作井顶进工作井（称顶进井）；（称顶进井）；2）供顶管工具管进坑和拆卸用的）供顶管工具管进坑和拆卸用的接收工作井接收工作井（称接收井）。（称接收井）。（a）双向顶进；（）双向顶进；（b）单向顶进）单向顶进工作井支护结构工作井支护结构 实质上是方形或圆形的实质上是方形或圆形的小基坑小基坑，其支护类型同普通基坑，其平面尺寸，其支护类型同普通基坑，其平面尺寸较小，支护经常较小，支护经常采用钢筋混凝土沉井和钢板桩。采用钢筋混

13、凝土沉井和钢板桩。管径管径1.8m1.8m或顶管埋深或顶管埋深5.5m5.5m时普遍采用时普遍采用钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井作为顶进工作为顶进工作井。作井。沉井作为工作井时，一般采用沉井作为工作井时，一般采用双向顶进双向顶进；采用钢板桩支护工作井时，一般采用采用钢板桩支护工作井时，一般采用单向顶进。单向顶进。 有些工作井既可以用作前一管段顶进的接收井，又是后一管段顶进有些工作井既可以用作前一管段顶进的接收井，又是后一管段顶进的顶进井。的顶进井。 工作井可以采用圆形的，也可以采用矩形的。工作井可以采用圆形的，也可以采用矩形的。 工作井在施工结束后，一部分将改为阀门井、检查井。工作井在施工结束后

14、，一部分将改为阀门井、检查井。 工作井地面影响范围一般按井深的工作井地面影响范围一般按井深的1.51.5倍计算，在此范围内的建筑倍计算，在此范围内的建筑物和管线等均应采取必要的技术措施加以保护。物和管线等均应采取必要的技术措施加以保护。顶管工作井的深度顶管工作井的深度 （1）顶进工作井）顶进工作井 （2）接收工作井）接收工作井3211hhhHh1h1地表至导轨顶的高度（地表至导轨顶的高度（m m）h2h2导轨高度（导轨高度（m m）h3h3基础厚度（包括垫层）（基础厚度（包括垫层）（m m）4312hhhHh1h1地表至支承垫顶的高度（地表至支承垫顶的高度（m m）h3h3基础厚度（包括垫层）

15、（基础厚度（包括垫层）（m m）h4h4支承垫厚度（支承垫厚度（m m）防水构造防水构造工作井的工作井的洞口洞口应进行防水处理，设置应进行防水处理，设置挡水圈和封门板，挡水圈和封门板，进出井的进出井的一段距离内应进行井点降水或地基加固处理，以防土体流失，保一段距离内应进行井点降水或地基加固处理，以防土体流失，保持土体和附近建筑物的稳定。持土体和附近建筑物的稳定。工作井的工作井的顶标高顶标高应满足防汛要求，坑内应设置集水井，在暴雨季应满足防汛要求，坑内应设置集水井，在暴雨季节施工时应防止地下水流入工作井，事先在工作井周围设置挡水节施工时应防止地下水流入工作井，事先在工作井周围设置挡水围堰。围堰。

16、2. 顶管顶力估算顶管顶力估算顶管推力应克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻力：顶管推力应克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻力： N N1 1 管顶以上的荷载；管顶以上的荷载；N N2 2 全部管道自重；全部管道自重；E E 顶管两侧的土压力；顶管两侧的土压力；R R 土对钢刃脚正面的单位面积阻力土对钢刃脚正面的单位面积阻力 k k 系数，一般采用系数，一般采用1.21.2。2)(322111RAEffNNfNkP3. 顶管承压壁后靠土体的稳定验算顶管承压壁后靠土体的稳定验算1 1）沉井支护工作井承压壁后靠）沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算土体的稳定验算apFFFFP212

17、2221tg (45)2tg(45)tg (45)2222pFAHcHhH2221tg (45)2tg(45)tg (45)2222aFAHcHhH1121HApFaWF 2考虑与否？考虑与否？无绝对把握的前提下，无绝对把握的前提下，F1及及F2均不予考虑均不予考虑。 若不考虑若不考虑F1及及F2，一般采用下式进行沉井承压壁后靠土体的稳定性，一般采用下式进行沉井承压壁后靠土体的稳定性验算：验算：S为沉井稳定系数，一般取为沉井稳定系数，一般取S1.01.2。土质越差，。土质越差，S的取值越大。的取值越大。SFFPap2）钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算）钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳

18、定验算首先首先可以假定不存在板桩可以假定不存在板桩板桩的参与作用，便出现板桩的参与作用，便出现了一条类似于了一条类似于板桩弹性曲板桩弹性曲线的荷载曲线线的荷载曲线FPp/23120)2121(phhhhp2bhPp 2bhF 两段支护情况两段支护情况 只有最下面的一段参与只有最下面的一段参与承受承受和传递来自承压壁的反作用和传递来自承压壁的反作用力力 ；要用混凝土将下段板桩与上要用混凝土将下段板桩与上段板桩之间的段板桩之间的空隙填充空隙填充起来，起来，以构成封闭的传力系统。以构成封闭的传力系统。否否则则，需将，需将h3缩短到上段板桩的缩短到上段板桩的下沿。下沿。单段支护下的顶管工作井承压壁稳定性计算示意图单段支护下的顶管工作井承压壁稳定性计算示意图n当当A A点在后靠土点在后靠土体被动土压力线体被动土压力线上或在其左侧上或在其左侧时，时，则后靠土体是稳则后靠土体是稳定的，定的， )2(23213hhhbPShp后靠土体的稳定条件后靠土体的稳定条件双段支护下的顶管工作井承压壁稳定性计算示意图双段支护下的顶管工作井承压壁稳定性计算示意图)2(2)(32143hhhbPShhpn当