非开挖顶管结构设计

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顶管技术(PipeJacking)，也称为液压顶管技术，不仅是一种具体的非开挖管道铺设方法，同时还是以顶管施工原理为基础的一些非开挖铺管技术的总称.6.1概述第2页/共68页2010-05-28A顶管机B顶进井C皮带传送机D顶管E钢顶管凸轮F泥浆车G整洁的运行电池H泥浆润滑I轨道J钢顶管环K2～6个液压顶L激光束M注浆N顶进井O轨道段P泥浆润滑混合器第3页/共68页2010-05-28第4页/共68页2010-05-28顶管管片第5页/共68页2010-05-28第6页/共68页2010-05-28第7页/共68页2010-05-28第8页/共68页2010-05-28a.穿越江河、湖泊、港湾水体下的供水、输气、输油管道工程。非开挖顶管应用范围b.穿越城市建筑群、繁华街道地下的上下水、煤气管道工程。第9页/共68页2010-05-28第10页/共68页2010-05-28c.穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程电力电缆水平仪顶管掘进机第11页/共68页2010-05-28第12页/共68页2010-05-28第13页/共68页2010-05-28第14页/共68页2010-05-28d.水库坝体涵管重建工程第15页/共68页2010-05-28e.箱型断面通道第16页/共68页2010-05-28第17页/共68页2010-05-28第18页/共68页2010-05-28f.顶管锚固第19页/共68页2010-05-28

设计包括：土层工程勘察、工作井开挖和支护设计、顶管顶进、顶管荷载分析计算、盾构挖掘和工程管理等设计。6.2顶管工程结构设计6.2.1土层工程地质勘察

工程地质勘查不仅是顶管工程设计不可缺少的程序，也是知道设计和施工的重要技术资料。

勘查要点主要包括：土层类别、埋深；各土层土体的物理、力学性质；地下水位、压力；地下水和土的腐蚀性；第20页/共68页2010-05-286.2.2顶管工作井设计

在顶管施工中，虽然不需要开挖地面，但必须在顶进管道的两端开挖若干个工作井。可分为：顶进工作井和接收工作井。土层冻结深度；地下管线；地下洞室；临近建筑物基础；地面动荷载。

主要方法：钻探、井探；土工试验；调查、工程物探等等。第21页/共68页2010-05-28供顶管机头安装用的顶进工作井(顶进井)供顶管机进坑和拆卸用的接收工作井(接收井)接收井顶进井第22页/共68页2010-05-28顶进井接收井第23页/共68页2010-05-28工作井施工第24页/共68页2010-05-281）工作井的分类及顶进形式a.工作井分类：按使用性质：顶进、终点、中间工作井。按设计深度：浅、普通、深工作井。b.顶进形式：按顶进方向：单向、双向、调头、多向顶进。按管道排数：单排、双排、多排顶进。2)工作井的设计原则工作井选址原则第25页/共68页2010-05-28应根据下列条件选择顶管工作井的位置：1）管道井室的位置；2）可利用井壁土体作后座墙；3）便于排水、出土和运输；4）对地上和地下的建筑物、构筑物易于采取保护及安全施工措施；5）距电源和水源较近，交通便利；6）单向顶进时宜设在下游一侧。需要注意的问题：a.尽量减少工作井的数量；b.选址应避开房屋、地下管线、池塘、架空电线等不利于施工的场所等等。第26页/共68页2010-05-283）顶管工作井设计

工作井实质上是方形或圆形的小基坑，支护常采用钢筋混凝土沉井和钢板桩。工作井在施工结束后，一部分将改为阀门井、检查井。因此，在设计工作井时要兼顾一井多用的原则。第27页/共68页2010-05-28(1)矩形工作井底部尺寸设计计算第28页/共68页2010-05-28顶进井接收井（2）顶管工作井的深度第29页/共68页2010-05-28第30页/共68页2010-05-286.2.3顶进力的分析计算

顶管技术中的顶进力是在施工中推进整个管道系统和相关机械设备向前运动的力，需要克服顶进中的各种阻力，同时在顶进过程中还不断的受到各种外界因素的影响。

影响因素：施工设计和现场施工条件；施工工艺因素；第31页/共68页2010-05-28

施工设计和现场施工条件对顶进力的影响：a.顶进管道的尺寸、形状、自重和外表面的性质；

b.施工管线的长度；

c.土层类型及在施工中的变化情况；d.地下水位高度；e.土体稳定性；f.覆土厚度以及上部地层的容重；g.地表的荷载情况。第32页/共68页2010-05-28施工工艺的影响：a.施工中的超挖量；b.润滑措施；c.管接头出的台阶或变形；d.曲线段顶进；e.管道的错位；f.中继站的采用；g.管道的顶进速度；h.施工停顿的频度和时间。

顶管顶力只有克服顶管管壁与土层之间的摩擦阻力及前刃角切土时的阻力，才能把管道推进土体中。第33页/共68页2010-05-286.2.4后座墙设计

后座墙是顶进管道时为千斤顶提供反作用力的一种结构。在施工中，要求后座墙必须保持稳定，一旦后座墙遭到破坏，顶进工程就要停顿。（1）后座墙的功能及要求

功能：在顶进过程中自始至终地承担主顶工作站顶管前进时的后座力。

要求：（1）充分的强度；（2）足够的刚度；（3）后座墙表面要平直；（4）材质要均匀；（5）结构简单、装拆方便。第34页/共68页2010-05-28（2）后座墙的强度及影响因素

影响因素：

客观因素（管材种类、管径大小、顶距长短、覆土厚度、土的种类、地下水位、管节重量）主观因素（顶进误差；中途停工；挖土方法）。（3）后座墙的刚度要求（4）后座墙的形式和类别按结构：整体式和装配式按使用材料：人工后座墙和天然后座墙按土的性能利用：压缩式、拖拉式、重力式第35页/共68页2010-05-28（5）后座墙的设计计算

在一般情况下，顶管工作井后座墙能承受的最大顶力取决于所顶管道所能承受的最大顶力，在最大顶力确定之后，即可据此进行后座墙的结构设计。

顶管工作井普遍采用沉井或钢板桩支护结构，对这两种形式的工作井都应首先验算支护结构的强度。此外，由于顶管工作井承压壁后靠土体的滑动会引起周围土体的位移，影响周围环境并影响到顶管的正常施工，所以在工作井设置前还必须验算顶管承压壁后靠土体的稳定性，以确保顶管工作井的安全和稳定性。第36页/共68页2010-05-281）沉井支护工作井壁后土体稳定验算

采用沉井结构作为顶管工作井时，可按左图所示的顶管顶进时的荷载计算图，验算沉井结构的强度和沉井承压壁后靠土体的稳定性。沉井承压壁后靠土体在顶管顶力超过其承受能力后会产生滑动。沉井承压壁后靠土体的极限平衡条件为水平方向和合力为零。第37页/共68页2010-05-28顶管最大计算顶力：第38页/共68页2010-05-28

在实际工程中，在无绝对把握的情况下，F1及F2均不予考虑。若不考虑F1及F2，一般采用下式进行沉井承压壁后靠土体的稳定性验算：第39页/共68页2010-05-28（a）没有板桩墙的协同作用；(c)在板桩墙的协同作用下(荷载曲线近似于梯形)(b)在板桩墙的协同作用下(荷载曲线类似于弹性曲线)；2）钢板桩支护工作井壁后土体稳定验算第40页/共68页2010-05-28式中，----承压壁承受顶力后的平均压力。

由于板桩的协同作用，便出现了一条类似于板桩弹性曲线的荷载曲线。因为板桩自身刚度较小，承压壁后面的土压力一般假设为均匀分布，而板桩两端的土压力为零，则总的土体抗力为梯形分布，由板桩静力平衡条件得：第41页/共68页2010-05-28

当顶进管道的敷设深度较大时，顶管工作井的支护通常采用如图所示的两段形式。在两段支护的情况下，只有下面的一段参与承受和传递来自承压壁的作用力，因而仍可用上述公式。至于h4，则可不必考虑。下面一段完全参与起作用的前提，是要用混凝土将下段板桩与上段板桩之间的空隙填充起来，以构成封闭的传力系统。否则，需将h3缩短到上段板桩的下沿。第42页/共68页2010-05-28图6.7钢板桩单段支护条件下的承压壁稳定性计算(a)安全系数K＞1，表明足够稳定；(b)安全系数K=1，表明尚且稳定；(c)安全系数K＜1，表明不稳定第43页/共68页2010-05-28图6.8钢板桩两段支护条件下的承压壁稳定性计算(a)安全系数S＞1，表明足够稳定；(b)安全系数S=1，表明尚且稳定；(c)安全系数S＜1，表明不稳定第44页/共68页2010-05-28

从图6.7、图6.8两图中可见，当A点在后靠土体被动土压力线上或在其左侧(即承压壁后靠土体反力等于或小于承压壁上的被动土压力)时，则后靠土体是稳定的，由此推导得后靠土体的稳定条件为:第45页/共68页2010-05-28

上述推导是基于单向顶进的情况，若是双向顶进，即后靠板上留有通过管道的孔口时，则平均压力P应修改为:

同理后靠土体的工作稳定条件为:第46页/共68页2010-05-286.3顶管掘进方法、设备和管材第47页/共68页2010-05-286.3.1顶管挖掘方法

国内常用的顶管机：

手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式、多刀盘土压平衡式。第48页/共68页2010-05-28

最简单的手掘式顶管机只有顶进工具管，即只有一个钢质的圆柱形外壳加上楔型的切削刃口、液压纠偏油缸、一个传压环以及一个用来导正和密封第一节顶进管道的盾尾。第49页/共68页2010-05-28手掘式顶管机也即是非机械的开放式(或敞口式)顶管机，在施工时，采用手工的方法来破碎工作面的土层，破碎辅助工具主要有镐、锹以及冲击锤等。破碎下来的泥土或岩石可以通过传送带、手推车或轨道式的运输矿车来输送第50页/共68页2010-05-28挤压式顶管由手掘式顶管经过实践改造而制成的，如遇“上软下硬”截面土质，可在手掘式顶管头上部焊接格栅或挡板抵抗上部流砂，以挖铲或风镐破碎下部硬土和岩石，使手掘式顶管变成为网格式工具管；如遇淤泥质土，可将工具头前焊接喇叭口，使其成为挤压式机头，减少土体塌方造成施工事故。第51页/共68页2010-05-28

泥水式顶管机是一种封闭式顶管机，顶管机装备有机械式的切削工具，由切削臂和切削头组成，其下部还安装有抽吸装置。在施工中，破碎下来的泥土形成混合浆液，采用水力的方法，从破碎室经过传输管道输送到地表的分离装置，分离装置将土和膨润土浆液进行分离，这样，作为平衡介质的膨润土浆液可以重新被输送到破碎室，进行循环利用。

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三段两铰型水力挖土式顶管的顶管机内腔分为前、中、后三个舱室。前舱为冲泥舱，舱前端装有切削、挤压土的格栅。中舱为操作室，两者之间用胸板隔开。后舱为控制室，设有各种测试仪器和仪表。在千斤顶顶推下，格栅将土体切开，再经高压水射流破碎、搅混成流态，由吸泥泵吸出并送入水力运输管道排放至地面的贮泥水池，如图6－12所示第53页/共68页2010-05-28图6－12第54页/共68页2010-05-28

多刀盘土压平衡式顶管机头部设置密封舱，密封隔板上装置数个刀盘切土器，顶进时旋转器出土速度与顶管机推进速度相协调。第55页/共68页2010-05-28

上述顶管机的基本原理及施工工艺与盾构基本相似。在顶管施工中，已实现地面遥控操作，管道轴线和标高可采用激光测量仪连续测量，并能做到及时纠偏，智能化程度高。第56页/共68页2010-05-28第57页/共68页2010-05-28第58页/共68页2010-05-28第59页/共68页2010-05-28第60页/共68页2010-05-286.3.2中继环结构及原理

在长距离的顶管工程中，当顶进阻力(即顶管掘进迎面阻力和管壁外周摩阻力之和)超过主千斤顶的容许总顶力、管节容许的极限压力或工作井承压壁后靠土体极限反推力三者中之一，无法一次达到顶进距离要求时，应采用中继接力顶进技术，实施分段顶进，使顶入每段管道的顶力降低到允许顶力范围内。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。中继环将管道分成前后两个部分，中继油缸工作时，后面的管段成为承压后座，前面的管段被推向前方。第61页/共68页2010-05-28

中继环按先后次序逐个启动，实现管道分段顶进，由此达到减小顶力的目的。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。中继接力技术是长距离顶管不可缺少的技术措施。第62页/共68页2010-05-286.3.3顶管顶进方向控制

在顶管的顶进过程中要严格控制方向，一方面能校正在直线上、曲线上、坡道上的管道偏差；另一方面能保证曲线、坡道上所要求的方向变更。在顶进过程中，应经常对管道的轴线进行观测，发现偏差须及时采取措施纠正。管道偏离轴线主要是由于作用于顶管机的外力不平衡造成的，外力不平衡的主要原因：（1）推进的管片不可能绝对在同一条直线上。（2）管道截面不可能绝对垂直与管道轴线。（3）管节之间垫板的压缩性不完全一致。（4）顶管的迎面阻力的合力不一定与管片后端推进顶力的合力重合一致。（5）推进的管道在发生挠曲时，沿管道纵向的一些地方会产生约束管道挠曲的附加抗力。第63页/共68页2010-05-28顶进中的方向控制可采用以下几种措施：（1）严格控制挖土，两侧均匀挖土，左右侧钢刃角要保持吃土10cm，正常情况不允许