第七章-管道的特殊施工

扬州大学·环境科学与工程学院第七章管道的特殊施工ConstructionOfWater&WastewaterEngineering

第七章管道的特殊施工当给排水管道通过铁路、河流及重要建筑物等障碍物时，不能采用一般开挖沟槽的施工方法，而应视具体条件与要求，采用诸如不开槽的顶管施工、架空管桥施工、倒虹管施工、围堰法施工等一些特殊的施工方法，以便高效优质地完成管道工程任务。第七章管道的特殊施工第一节管道不开槽施工第二节管道穿越河流施工第三节地下工程交叉施工第一节管道不开槽施工管道不开槽施工：指不开挖地表的条件下完成管线的铺设、更换、修复、检测和定位的施工技术。管道多采用抗压强度高、刚度好的预制管道。方法主要有：顶管法、盾构法、牵引法、夯管法等。第一节管道不开槽施工一、架轨开槽施工二、顶管法三、顶管施工的技术问题四、其他主要的不开槽施工法简介一、架轨开槽施工为防止发生沟槽塌方，挖沟时应随着挖深的增加逐段架设支撑。架轨开槽施工

穿越铁路时给水管道于铁路两侧应设置闸门井；排水管道于两侧应修建检查井。二、顶管法顶管施工剖面示意图顶管施工的优点

在城区内施工如果地下水不是十分丰富以及管道埋深较浅的情况下采用开挖式敷设管道比较经济。但是也存在一些问题如下：施工噪音较大，容易阻碍交通，容易引起地盘沉降等。非开挖顶管施工采用油压驱动，施工时噪音远远小于开槽式敷设管道，几乎没有地盘沉降的现象，对周遭的影响降低到最小程度。而且在较深的埋深情况下施工成本要小于开槽式敷设管道。

无需隔断交通噪音以及震动都很小可以在很深的地下敷设管道

可以安全的穿越铁路对施工周遭的影响很小可以穿越障碍物顶管施工方法顶管工法

密封型

开放型

手掘式推进法水力切削式推进法土压平衡式推进法

泥水平衡式推进法

挤压式推进法机械式推进法挤密土层式推进法手掘式推进法

顶进面状况

管内掘削状况

井内出土状况

井上门吊出土挤压式顶进法

地处粘土及含水性粘土地区，DN＝25～200mm，在穿越Ⅲ级铁路时，宜采用挤压式顶进法。水平钻孔机械顶进法

也有纵向切削方式。对粘性土与淤泥土，在不降低地下水条件下均可采用此法。套管人工顶进法

此法适宜穿越Ⅰ、Ⅱ级铁路，其套管管径应较穿越管径大600mm，且不小于1000mm；若穿越流砂地段，须采用带基础套管整体施工。力水切削式推进法水冲顶管主要设施由工作头部，高压水泵，高压进水管，排泥管，泥浆沉淀池等组成。其工作头部包括工具管，封板，中间喷射管，环向管，真空室，测杆及管路与闸门附件等。土压平衡式推进法

通过向切削仓内注入一定比例的混合材料，使得充满泥仓的泥土混合体平衡正面土压以及地下水压力。无需泥浆泵等后部配套装置，整机造价低廉。无需泥浆处理，施工成本低。泥水平衡式推进法

通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力。

采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程中不间断，施工速度快。无需地盘改良或降水处理，施工后地表沉降小。岩盘磨碎泥水平衡掘进机适合于在各种地下土壤类型的顶管掘进机。具有超强破碎能力的岩盘机可在岩石中顶进。可破碎轴压缩强度196Mpa(2000kg/cm2)卵石和砾石。

黄浦江上游引水(二期)目前顶管所常见的几种土质1、淤泥质黏土：土的颜色多呈灰色或黑灰色，光润油滑且有腐烂植物的气味，多呈软塑或半流塑状态。2、砂性土：含黏土的成分较少，土颗粒一般在20μ以上，土颗粒之间的凝聚力较小，呈单粒结构。孔隙比较大，很容易在水动力的作用下产生流沙现象。3、黄土：黄色的、又常具有层理和夹有砂、砾石层的土状沉积物称之为黄土状土（也称次生黄土）。4、强风化岩：含有大量黏土质黏土矿物。干时可用手折断或捏碎，浸水或干湿交替时可较迅速地软化或崩解。5、微风化及中风化岩：强度大于50Mpa，硬度很高的岩石。几种掘进机的性能比较

掘进机种地质条件敞开式掘进机多刀盘土压平衡掘进机单刀盘土压平衡掘进机刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机偏心破碎泥水平衡掘进机岩盘掘进机淤泥质黏土掘进速度适用慢适用一般适用较快适用快适用快适用

快耗电量小较大一般较大较大较大劳动力较少一般一般多多多环境影响小小小大大大砂型土掘进速度不适用适用一般适用较快适用快适用快适用

快耗电量较大一般较大较大较大劳动力一般一般多多多环境影响小小大大大黄土掘进速度适用慢不适用适用较快适用快不适用适用

快耗电量小一般较大较大劳动力较少一般多多环境影响小小大大强风化岩掘进速度适用慢不适用适用较快不适用适用较快适用

快耗电量小一般较大较大劳动力较少一般多多环境影响小小大大岩石掘进速度如含水量小适用慢不适用

不适用

不适用

不适用

适用

快耗电量小大劳动力大多环境影响小小三、顶管施工的技术问题

管道顶进过程包括挖土、顶进、运土、测量、纠偏等工序。其操作要点为：1、挖土顺序应为自上而下分层开挖；2、前方与管侧、管顶可超挖量应根据土质条件确定。3、管道顶进应连续作业；4、前方挖出的土应及时外运。（一）顶管工作坑的布置工作坑按其功能不同，通常可分为单向坑、双向坑、多向坑、转向坑、交汇坑等几种。顶管工作坑的布置

当在地下水位以上且土质较好时，工作坑内一般采用方木基础；当在地下水位以下时，应浇筑混凝土基础。

式中L1——工具管长度；

L2——管节长度；

L3——管尾出土预留长度(m)；

L4——顶进装置长度；

L5——后背厚度(m)；

顶管工作坑的布置

式中D0——待顶管外径(m)；

b——操作宽度(0.8～1.0m)；

c——撑板厚度(0.2m)。顶管工作坑的布置

式中h1——地面至管道底部外缘的深度(m)；

h2——管道外缘底部导轨底面的高度(m)；

h3——基础及其垫层的厚度(m)。（二）导轨的铺设

1、导轨设置要求

(1)无论导轨铺设在那种基础上均要求稳固，顶进过程中不能产生位置改变；

(2)基底务求平整，满足设计高程要求；

(3)导轨材料必须直顺，一般采用43kg/m重型钢轨制成，也可视实际条件采用18kg/m的轻型钢轨，或采用木轨。

(4)导轨铺设须严格控制内距、中心线与高程，其纵坡要求与管道纵坡一致。（三）支设后背与后座墙

1、后背安装要求靠后背墙横排方木的面积，通常可按承压不超过0.15MPa计算；方木应卧到混凝土基础以下60cm，使千斤顶着力中心高度不小于方木后背高度的三分之一；后背土壁铲修平整，应保证壁面与顶进方向垂直。

2、后座墙类型与要求设计后座墙时，其安全系数一般应不小于1.5倍的最大阻力。后座墙可分为原土的与人工的两大类。原土后座墙原土后座墙应有足够高度、宽度与长度，长度通常应保证不小于7m，使其具有可靠的稳定性。块石后座墙

许可顶力值由块石与其以上土重(地面动荷载不计)及块石后面土壤侧压力两部分合成；混凝土管联合后座墙许可顶力值由混凝土管与其以上土重及混凝土管后面土壤侧压力两部分合成。方木联合后座墙许可顶力值由方木与其以上土重及方木后面土壤侧压力两部分合成。

（四）顶力计算管顶应具有足够的顶力，才能克服管子在顶进过程中土壤对管子产生的正面阻力和摩擦阻力。

式中F——总顶力(kN)；

F1——工具管正面阻力(kN)；

F2——管道摩擦阻力(kN)；

管道总长度单位长度管道摩擦阻力垂直土压力无卸力拱时：

有卸力拱时：

式中

H——管顶覆土高度(m)；

h0——管顶卸力拱高度(m)；管道水平土压力无卸力拱时：

P2=γ（H+D/2)tg（45°—φ/2）有卸力拱时：

P2=γ（h0+D/2)tg（45°—φ/2）

式中

γ——土壤容重(kN/m3)；

φ——土的内摩擦角；

H——管顶覆土高度(m)；

h0——管顶卸力拱高度(m)；

D——待顶管外径(m)。（五）顶管的质量要求、检测与校正

1、顶管允许偏差与检验方法。

2、顶管质量的检测

(1)水准仪测平面与高程位置

(2)垂球法测平面与高程位置。

(3)激光经纬仪测平面与高程位置。（六）顶管的接口形式

1、钢胀圈连接用于平口钢筋混凝土管企口连接企口连接的钢筋混凝土管不宜用于较长距离的顶管。

企口连接“T”形接口“F”形接口接头插口始终是朝后的。

（七）长距离顶管的措施1、中继间顶进2、泥浆套顶进3、蜡覆顶进泥浆套顶进法可以不加破碎的排出孔径约为顶管机直径1/3的砾石采用了二次注浆方法，大大的减少了磨阻力，适合长距离顶进（八）顶管的校正

(1)挖土校正法

(2)顶木校正法

(3)小千斤顶法

(4)加垫钢板校正法

(5)激光导向法

（九）顶管施工的排水

1、边顶管边排水此法适用于被顶管四周地下水对顶管作业尚无影响，工作坑内设置有坡向集水井坡度的条件下。

2、井管法排水此法适用于顶进管段较长时，仅要求管顶前端附近与工作坑内的地下水位得以降低即可的条件下。

顶管施工的排水

3、边顶管边进行土壤加固

矽化法适用于砂质土壤(渗透系数为2～80m/d)与黄土；沥青法适用于流速较大的地下水与大孔性土壤；冷冻法适用于水分饱和的液化土。

4、气压法排水此法适用于地下水位较高，采用以上三种方法排水无效的情况。四、其他主要的不开槽施工法简介其他主要的不开槽施工法简介其他主要的不开槽施工法简介第二节管道穿越河流施工给排水管道可采用河底穿越与河面跨越两种形式通过河流。河底穿越的施工方法可采用顶管；围堰，河底开挖埋置；水下挖泥，拖运，沉管铺筑等方法。河面跨越的施工方法可采用沿公路桥附设；管桥架设等方法。第二节管道穿越河流施工一、管道过河方法的选择二、水下铺筑倒虹管三、河面修建架空管一、管道过河方法的选择因素

河床断面的宽度、深度、水位、流量、地质等条件；过河管道水压、管材、管径；河岸工程地质条件；施工条件及作业机具布设的可能性等。管道穿越河流施工方法比较过河方法优点缺点适用条件倒虹管过河顶管过河法1、施工方便2、节省人力、物力安全度尚差，易由顶管孔中流水河底较高，河底土质较好，过河管管径较小围堰过河法1、施工技术条件要求较高2、钢管、铸铁管、预(自)应力钢筋混凝土管过河均可1、需要考虑围堤被洪水冲击问题2、工作量较大河面不甚宽，水流不急且不通航的条件下沉浮法过河1、适用面较宽，一般河流均可采用2、不会影响通航与河水正常流动1、水下挖沟与装管难度较大2、具有一定机械施工技河床不受水流影响的任何条件下均可管道架空过河沿公路桥过河1、简便易行2、节省人力、物力露天敷管需考虑防冻问题具有永久性公路桥跨越河流的条件管桥过河法1、施工难度不大2、能在无公路桥的条件下架设过河与沿公路桥过河法比较要费人力、物力河流不太宽，两岸土质较好的条件下二、水下铺筑倒虹管

给水管道两端设置阀门井、排气阀与排水装置。一、管道过河方法的选择二、水下铺筑倒虹管三、河面修建架空管水下铺筑倒虹管倒虹管通常采用钢管，应对钢管加强防腐措施；小管径、短距离的倒虹管也可采用铸铁管，但宜采用柔性接口；重力管线上的倒虹管也可采用钢筋混凝土管。（一）顶管法施工在河床两岸设置的顶管工作井，可作为倒虹管运行时的检查井。（二）围堰法施工

在河床埋管应考虑防止冲刷的措施，当河底土质不好时，应作管基础。当河底为流砂时，应于管道两侧加设固定桩，避免管道在流砂运动下发生滚动。

（三）浮运沉管施工

1、水下沟槽开挖河两岸岸标设置为两对，分别示出挖沟的两条边线，并不时采用经纬仪校测沟位。水下沟槽开挖

对于通航的河流，可采用挖泥船、吸泥泵开挖沟槽。若河岸具备较宽空地，可采用索铲挖泥装置。对于松散土质的河底，则可采用水力冲射法挖泥开挖沟槽。水下沟槽开挖沟槽开挖到一定长度后，须打管子定位桩浮运沉管施工2、浮运与沉管当河面较狭窄时，可于放管对岸使用绞车或拖拉机用钢丝绳将管子拖运至水面；当河岸无足够场地作垂直排列管子时，采用浮筒法浮运管子。浮运沉管施工

3、管道接口管道接口一般采用伸缩法兰接口。

浮运沉管施工4、水下回填潜水员于水下使用水枪进行回填。为防管道损坏，管顶以上填一层土，再填一层块石予以保护，块石上再填砂土。三、河面修建架空管

跨越河道的架空管通常采用钢管，有时亦可采用铸铁管或预应力钢筋混凝土管。一、管道过河方法的选择二、水下铺筑倒虹管三、河面修建架空管架空管铺设注意点管距较长时，应设置伸缩节；于管线高处设自动排气阀；为了防止冰冻与震害，管道应采取保温措施，设置抗震柔口；在管道转弯等应力集中处应设置镇墩。（一）管道附设于桥梁上

管道跨河应尽量利用原建或拟建的桥梁铺设。可采用吊环法、托架法、桥台法或管沟法架设。（二）支柱式架空管

管道宜选择于河宽较窄，两岸地质条件较好的老土地段。支柱可采用钢筋混凝土桩架式，或预制支柱。支柱式架空管的支柱形式（三）桁架式架空管

可避免水下操作，但应具备良好的吊装设施。施工地段应具有良好的地质条件及稳定的地形。

1、双曲拱桁架桁架式架空管

2、悬索桁架悬索安装时须将悬索按设计下垂度先予提高1/300跨长。凡金属外露构件、钢索等均应作防腐处理。（四）斜拉索架空管斜拉索架空管是采用高强度钢索或粗钢筋及钢管本身作为承重构件，可节省钢材。（五）拱管过河

拱是受力结构，钢材强度较大，加上管壁较薄，造价经济，因此用于跨度较大河流尤为适宜。拱管过河

1、拱管的弯制方法

(1)先弯后接法

(2)先接后弯法采用先弯后接法或先接后弯法弯制拱管，在管道焊接之后，均须进行充氧试验或油渗试验，以检查管道渗漏情况。第三节

地下工程交叉施工交叉的管道与管道之间或管道与构筑物之间应保持适宜的垂直净距及水平净距。一、管道与管道交叉施工