顶管施工技术

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。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。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=γHPH—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＇/2γ＇—泥浆土重度，一般取12~13kN/m3四、土压平衡式顶管多刀盘切削式直直径：23600mm、18000mm刀盘：：四个，由由各自的电电机驱动。转向：水平的两两只转向相相反，竖向向的两只转转向相同。使使用：每组组油缸三只只组成，形形成150mmm，工作压压力21MPPa纠正方向向应慢纠、勤勤纠四组油油缸轮流使使用。所有操作作都通过操操纵台的按按钮控制。控制操作作时，一个个是方向，另另一个是土土压力。土土压力应在在主动土压压力和被动动土压力之之间。优点：构构造简单、性性能可靠、操操作维修方方便、造价价低廉自重小，便便于运输和和吊装四个小刀刀盘的转矩矩互相抵消消，不易产产生偏斜对地面和和地下管线线影响小适应性强强，有较大大的发展前前途。大刀盘土压平衡式式顶管机工作原理与盾构构掘进机相相同。最小小的直径0.8m，最大直直径十几米米。大刀盘土压压平衡式顶顶管机五、微型顶管概述（1）微型顶管的定定义：顶管直径径很小，工工作人员不不能进入管管道到达工工作面，必必须靠远距距离自动控控制进行操操作的小型型顶管称为为微型顶管管。管道直径：1550~6000mm。适用：在建筑物物密集、交交通繁忙的的市区敷设设电缆管道道和市政管管道。（2）分类挤土法非纠偏微型顶管管水平钻顶顶法排土法套筒钻顶顶法水平钻进进法挤钻法纠偏微型顶管钻顶结合合法盾构法非纠偏微型顶管管：非纠偏微型顶管管由于施工中前方方不存在工工具管，不不能减小或或降低正面面阻力，故故推进长度度有限，一一般仅用于于覆土较浅浅、长度小小于60m、直径200mmm的微型顶顶管施工。纠偏微型顶管：：纠偏微型型顶管压密式小口径顶顶管●将前方土体向管管道周围土土体径向挤挤压，在不不排土或少少排土的情情况下顶进进管道。●一般用于：φ3300mmm以下的钢钢筋砼管、塑塑料管、钢钢管。●日本产301型型顶管机的的工艺过程程：3301型微型顶顶管机施工工过程装配：将顶管机机在顶进坑坑内吊装就就位，并利利用4个撑脚调调整水平位位置，在地地面设置动动力设备和和控制台。顶端推进：机器器前端的油油缸先行顶顶出，将土土向四周挤挤压。后座推进：位于于顶进坑内内的油缸向向前顶进，同同时前端的的油缸向后后缩回。接续推进管。到达另一端，头头部装置回回收。拆卸顶进坑内的的工作台。顶管机的定向：：水平平方向：机机头上装有有电磁波发发射装置，地地面上有接接收器，靠靠电磁波的的强弱测定定和控制顶顶进方向。侧向位置探测系系统垂垂直方向：：地面上设设置储液箱箱，储液箱箱与机头内内的压力元元件相连通通，机头位位置的高低低通过液压压变化信息息可在控制制盘上得到到反映，通通过控制盘盘加以控制制。竖向位置探测系系统螺旋式小口径顶顶管工艺：aa.将直径较较小的螺旋旋杆从顶进进坑顶到接接收坑b..在顶进坑坑内将扩管管头与螺旋旋杆连接c..顶进扩管管头，同时时前方的泥泥土用压力力水冲碎，由由螺旋杆将将其输送到到接收坑内内，运出地地面。d..边顶进，边边安装管段段，边出土土。e..螺旋杆在在顶进坑内内逐节接长长，在接收收坑内逐节节拆除。f..最后取出出扩管头。使用条件：管径径必须在150mmm以上、350mmm以下，推进距离最长为为50m左右土质：适用范围围宽，黏土土、粉沙土土、砂质土土等均可。特点：施施工精度高高，推进50m时误差仅2mm施工时无震动，噪噪音小重量轻、操作方方便、施工工人员少基坑小。管长22m时，3.66m长、1.5m宽的顶进进坑即可。水平钻式小口径径顶管靠水平设置的螺螺旋钻钻进进出土的一一类微型顶顶管。形式有多种，下下图为典型型形式。工艺：电动机带带动螺旋杆杆转动、螺螺旋杆带动动钻头转动动并切土。泥泥土由螺旋旋钻自身反反向输送到到工作坑内内，运出地地面。螺螺旋杆随着着钻头的钻钻进随时接接长。钻头到达接收坑坑后取出，在在接收坑内内安装顶进进设备将砼管从接收坑坑向工作坑坑顶进，直直到砼管到到达工作坑坑为止。取出钻杆。砼管管的顶进由由水平钻的的钻杆导向向。适用：管径2550mm左右，顶顶进距离50m左右。适适用扩管器器后，管径径可达600mmm适适用地层较较广，如砾砾石、砂质质土、黏土土、粉土等等与上法的比较：：相同同：二者都都需两次作作业：钻孔孔、顶管区别别：螺旋钻钻式—砼管的顶顶进方向与与钻的方向向相同从工作坑坑向接收坑坑方向顶进进水平钻式—砼管的顶顶进方向与与钻的方向向相反从接收坑坑向工作坑坑方向顶进进优点：顶顶进砼管时时方向容易易控制、也也不需出土土，速度快快。所需顶力力较小，管管的结构不不易被压碎碎。六、长距离顶管管长距离顶管的主主要困难是是：顶进坑坑内的主千千斤顶的推推顶力有限限，不足于于克服管道道长距离顶顶进时遇到到的总阻力力。主要措措施：增加主千斤顶的的顶力比较有效，但受受到一定限限制：机械水平的制约约管段端面的局部部抗压强度度限制目前，单只千斤斤顶的顶力力已从10000kN增大到20000kN。减小管道周边与与地层的摩摩擦力提高制作技术和和质量。工具管的刃脚外外径略大于于管道外径径圆度均匀，保持持直径一致致采用减摩泥浆在管道的外壁涂涂抹泥浆在管道外壁和地地层之间注注入触变泥泥浆：膨润润土泥浆。一一般在顶入入第二节管管段后开始始注浆。随随着管段的的推进，后后面的管段段要不断地地补浆，每每隔2～5节管段设设置一些补补浆孔。降低开挖面的正正面顶进阻阻力主要措施时调整整排土量。靠靠及时清除除工具管前前端的渣土土来实现。但但也不能过过量清除，以以免工作面面失稳。采用中继环，中中途设置辅辅助千斤顶顶即沿全长分成若若干段，在在段与段之之间设置中中继环。中中继环用钢钢材制作，内内壁上设置置一定数量量的千斤顶顶，推动中中继环前方方的管道。顶进时，先启用用最前面的的中继环，将将前方的管管道及工具具管一起向向前推进，后后面的中继继