地下建筑結(jié)構(gòu)(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)孫金山)8-1

1、8 其它地下建筑結(jié)構(gòu)u頂管隧道u地下室結(jié)構(gòu)u水電站地下廠房u地下洞庫(kù)u沉井與沉箱（基坑）n頂管法地下結(jié)構(gòu)n、概述n一、頂管的組成與構(gòu)造一、頂管的組成與構(gòu)造n二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算 頂管結(jié)構(gòu)頂管結(jié)構(gòu) 頂管技術(shù)（Pipe Jacking）是一種非開(kāi)挖技術(shù)管道鋪設(shè)方法，同時(shí)也是以頂管施工原理為基礎(chǔ)的一些非開(kāi)挖鋪管技術(shù)的總稱。 頂管技術(shù)最初主要用于穿越路基鋪設(shè)保護(hù)套管，目前在該領(lǐng)域仍被廣泛采用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)也可直接應(yīng)用于管道鋪設(shè)，而不再需要保護(hù)管道。特別是頂管施工中的沉降控制技術(shù)，在穿越建筑密集區(qū)、江河以及各種地下管道時(shí)已得到廣泛應(yīng)用。 頂管施工法極大地減少了對(duì)周邊

2、的環(huán)境和居民的生活的影響，有利于在工程中作好文明施工?，F(xiàn)在頂管法一般用于修建中小型地下市政管道。頂管法頂管法采用液壓千斤頂采用液壓千斤頂或具有頂進(jìn)、牽引功能的設(shè)備，或具有頂進(jìn)、牽引功能的設(shè)備，以頂管工作井作承以頂管工作井作承壓壁壓壁，將管子按設(shè)計(jì)高程、方位、坡度逐根頂入土層直至達(dá)到目的，將管子按設(shè)計(jì)高程、方位、坡度逐根頂入土層直至達(dá)到目的地。地。頂管法與盾構(gòu)法頂管法與盾構(gòu)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。采用頂管法可以顯著降低明挖法由采用頂管法可以顯著降低明挖法由于基坑開(kāi)挖和井點(diǎn)降水帶來(lái)的環(huán)境于基坑開(kāi)挖和井點(diǎn)降水帶來(lái)的環(huán)境影響及危害。影響及危害。 與明挖法相

3、比，頂管施工具有以下優(yōu)點(diǎn)： 減少開(kāi)挖量和土石方運(yùn)輸成本； 頂管法相比明挖法更加環(huán)保，除工作井外的大部分工程都處于地下，不會(huì)污染外部環(huán)境； 不影響交通，特別適于城市內(nèi)部的施工； 在直徑大于900 mm的管道中可以進(jìn)人施工，而頂管施工操作人員比常規(guī)的隧道施工方法容易培訓(xùn)； 施工過(guò)程中不會(huì)受到天氣情況的影響。 基于以上原因，頂管技術(shù)在市政管道工程和地下通道工程中正被廣泛的運(yùn)用，在近30年中得到快速的發(fā)展，該技術(shù)在許多國(guó)家已取代了傳統(tǒng)方法，成為施工直徑小于3000mm管道的主要方法。頂管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖頂管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖頂管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地頂管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地

4、帶的地下工程，其長(zhǎng)度、斷面尺寸均受到帶的地下工程，其長(zhǎng)度、斷面尺寸均受到較大限制。國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的頂管隧道是西氣東較大限制。國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的頂管隧道是西氣東輸工程穿越黃河的隧道，長(zhǎng)度近輸工程穿越黃河的隧道，長(zhǎng)度近3000m3000m，直，直徑約徑約2m2m。挖建蓋（填）明挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖明挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖頂管法的適用環(huán)境頂管法的適用環(huán)境 特殊地質(zhì)條件下的管道工程中特殊地質(zhì)條件下的管道工程中 ：穿穿越江河、湖泊、港灣越江河、湖泊、港灣水水體下的供水、輸氣、輸油管道工程；體下的供水、輸氣、輸油管道工程；穿穿越城市建筑群、繁華街道越城市建筑群、繁華街道地下地下的上下水、煤氣管道工程；的上下水、煤氣管

5、道工程；穿穿越重要公路、鐵越重要公路、鐵路路路基下的通訊、電力電纜管道工程；路基下的通訊、電力電纜管道工程；水庫(kù)壩體水庫(kù)壩體涵管重建涵管重建工程等。工程等。頂管技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了頂管法的安全應(yīng)用和推廣。頂管技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了頂管法的安全應(yīng)用和推廣。中繼環(huán)接力頂推裝置中繼環(huán)接力頂推裝置觸變泥漿減阻頂進(jìn)技術(shù)觸變泥漿減阻頂進(jìn)技術(shù)自動(dòng)測(cè)斜糾偏技術(shù)自動(dòng)測(cè)斜糾偏技術(shù)泥水平衡技術(shù)泥水平衡技術(shù)土壓平衡技術(shù)土壓平衡技術(shù)氣壓保護(hù)技術(shù)氣壓保護(hù)技術(shù)曲線頂管技術(shù)曲線頂管技術(shù) n、概述n一、頂管的組成與構(gòu)造一、頂管的組成與構(gòu)造n二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算 一、頂管的組成與構(gòu)造一、頂管的組成與構(gòu)造 1. 1.

6、 常用頂管工具管常用頂管工具管頂管工具管有頂管工具管有手掘式、擠壓式、泥手掘式、擠壓式、泥水平衡式、三段兩鉸型水力挖土式水平衡式、三段兩鉸型水力挖土式和多刀盤土壓平衡式和多刀盤土壓平衡式等。等。手掘式手掘式頂管工具管為正面全敞開(kāi)，頂管工具管為正面全敞開(kāi)，采用人工挖土，如圖所示。采用人工挖土，如圖所示。n頂管工程的地表沉降頂管工程的地表沉降n一般頂管工具一般頂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，而采用泥水平衡式頂管工具管引起的平衡式頂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頂管工具管的基本原理及頂管工具管的基本原理及施工工藝與

7、盾構(gòu)施工工藝與盾構(gòu)相似相似。 擠壓式頂管工具管：擠壓式頂管工具管：網(wǎng)格切土裝置或刃腳放大網(wǎng)格切土裝置或刃腳放大 泥水平衡式頂管工具管泥水平衡式頂管工具管 設(shè)置密封艙設(shè)置密封艙 泥水平衡式頂管工具管泥水平衡式頂管工具管三段兩鉸型水力挖土式頂管工具管三段兩鉸型水力挖土式頂管工具管 多刀盤多刀盤土壓平衡式土壓平衡式頂管工具頂管工具 大刀盤土壓平衡頂管機(jī)大刀盤土壓平衡頂管機(jī) 主頂設(shè)備主頂設(shè)備 2. 中繼環(huán)中繼環(huán)頂進(jìn)阻力超過(guò)主千斤頂?shù)捻斶M(jìn)阻力超過(guò)主千斤頂?shù)娜菰S總頂力容許總頂力、管節(jié)管節(jié)容許的極限壓力和工容許的極限壓力和工作井承壓壁后靠作井承壓壁后靠土體極限反推力土體極限反推力三者中之一，采用中繼接力頂進(jìn)

8、三者中之一，采用中繼接力頂進(jìn)技術(shù)。技術(shù)。采用中繼接力技術(shù)時(shí)，將管道分成數(shù)段，在段與段之間設(shè)置中繼采用中繼接力技術(shù)時(shí)，將管道分成數(shù)段，在段與段之間設(shè)置中繼環(huán)。環(huán)。 采用中繼接力技術(shù)以后，管道的頂進(jìn)長(zhǎng)度不再受承壓壁后靠土體極限反推力大小的限制，只要增加中繼環(huán)的數(shù)量，就可增加管道頂進(jìn)的長(zhǎng)度。 中繼環(huán)構(gòu)造中繼環(huán)構(gòu)造（1）短沖程千斤頂組（沖程為）短沖程千斤頂組（沖程為150300mm，規(guī)格、性能要求一致）；，規(guī)格、性能要求一致）；（2）液壓、電器與操縱系統(tǒng)；）液壓、電器與操縱系統(tǒng)；（3）殼體和千斤頂緊固件、止水密封圈；）殼體和千斤頂緊固件、止水密封圈；（4）承壓法蘭片。）承壓法蘭片。中繼環(huán)自動(dòng)控制中繼環(huán)

9、自動(dòng)控制從工具管向工作井依次按從工具管向工作井依次按1#1#、2# 2# 編號(hào)。編號(hào)。工作時(shí)，首次啟動(dòng)工作時(shí)，首次啟動(dòng)1#1#，中繼環(huán)頂推行程達(dá)到允許行程后停止中繼環(huán)頂推行程達(dá)到允許行程后停止1#1#中繼環(huán)，啟動(dòng)中繼環(huán)，啟動(dòng)2#2#中繼環(huán)工作，中繼環(huán)工作，直到最后啟動(dòng)工作井千斤頂。直到最后啟動(dòng)工作井千斤頂。3. 管道及其接口管道及其接口頂管所用管道按其材質(zhì)分頂管所用管道按其材質(zhì)分鋼筋混凝土管和鋼管鋼筋混凝土管和鋼管兩類兩類;管道接口是保證管道使用功能的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；管道接口是保證管道使用功能的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；不同用途的管道具有不同的接口和材質(zhì)。不同用途的管道具有不同的接口和材質(zhì)。 鋼管接口一般采

10、用鋼管接口一般采用承插、法蘭、螺紋或焊接。承插、法蘭、螺紋或焊接。 排水管道排水管道采用的預(yù)制鋼筋混凝土管道采用的預(yù)制鋼筋混凝土管道 ； 煤氣管道煤氣管道一般采用鑄鐵管和鋼管一般采用鑄鐵管和鋼管 ； 上水管道上水管道普遍采用的鋼筋混凝土管及鋼管普遍采用的鋼筋混凝土管及鋼管 ； 頂管用的鋼筋混凝土管節(jié)的管口形式是凸口式，其接口的處理分兩個(gè)階段進(jìn)行。 在一節(jié)管子頂進(jìn)以后，另一節(jié)管子下到工作坑里時(shí)，將兩節(jié)管子的管口對(duì)齊，并在凸緣處填塞一圈浸過(guò)瀝青的麻辮；管內(nèi)壁的接口處用金屬內(nèi)脹圈將管子撐緊，使頂管過(guò)程中管子接口處不致產(chǎn)生錯(cuò)口。 內(nèi)脹圈是兩個(gè)半圓形金屬圈，兩者用螺栓即可把內(nèi)圈脹大，撐緊兩節(jié)管子的接口。

11、 管節(jié)全部頂進(jìn)后，拆除內(nèi)脹圈，再在接口處填水泥砂漿并與管內(nèi)壁抹平，接口就完成。頂管時(shí)接口管理頂管時(shí)接口管理4、工作坑、工作坑 工作坑平面呈矩形，一般沿溝道方向較長(zhǎng)，深度較深，坑壁支撐，一般采用鋼板樁；若竣工后坑位無(wú)需覆土，可采用鋼筋混凝土沉箱，箱壁應(yīng)預(yù)留位置正確、大小合適的管孔，竣工后沉井可改建成窨井。 坑的前后壁在溝道頂進(jìn)時(shí)受力巨大，均應(yīng)加固。 坑的后壁為千斤頂后座，承受全部推力的反作用力，應(yīng)進(jìn)行土力學(xué)概算。n、概述n一、頂管的組成與構(gòu)造一、頂管的組成與構(gòu)造n二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算 二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算二、頂管工程設(shè)計(jì)與計(jì)算p工作井的設(shè)計(jì)工作井的設(shè)計(jì)p頂管頂力估算頂管

12、頂力估算p承壓壁后靠結(jié)構(gòu)及土體的穩(wěn)定性承壓壁后靠結(jié)構(gòu)及土體的穩(wěn)定性1. 頂管工作井設(shè)置頂管工作井設(shè)置 兩種類型的工作井兩種類型的工作井1）供頂管機(jī)頭安裝用的）供頂管機(jī)頭安裝用的頂進(jìn)工作井頂進(jìn)工作井（稱頂進(jìn)井）；（稱頂進(jìn)井）；2）供頂管工具管進(jìn)坑和拆卸用的）供頂管工具管進(jìn)坑和拆卸用的接收工作井接收工作井（稱接收井）。（稱接收井）。（a）雙向頂進(jìn)；（）雙向頂進(jìn)；（b）單向頂進(jìn)）單向頂進(jìn)工作井支護(hù)結(jié)構(gòu)工作井支護(hù)結(jié)構(gòu) 實(shí)質(zhì)上是方形或圓形的實(shí)質(zhì)上是方形或圓形的小基坑小基坑，其支護(hù)類型同普通基坑，其平面尺寸，其支護(hù)類型同普通基坑，其平面尺寸較小，支護(hù)經(jīng)常較小，支護(hù)經(jīng)常采用鋼筋混凝土沉井和鋼板樁。采用鋼筋混

13、凝土沉井和鋼板樁。管徑管徑1.8m1.8m或頂管埋深或頂管埋深5.5m5.5m時(shí)普遍采用時(shí)普遍采用鋼筋混凝土沉井鋼筋混凝土沉井作為頂進(jìn)工作為頂進(jìn)工作井。作井。沉井作為工作井時(shí)，一般采用沉井作為工作井時(shí)，一般采用雙向頂進(jìn)雙向頂進(jìn)；采用鋼板樁支護(hù)工作井時(shí)，一般采用采用鋼板樁支護(hù)工作井時(shí)，一般采用單向頂進(jìn)。單向頂進(jìn)。 有些工作井既可以用作前一管段頂進(jìn)的接收井，又是后一管段頂進(jìn)有些工作井既可以用作前一管段頂進(jìn)的接收井，又是后一管段頂進(jìn)的頂進(jìn)井。的頂進(jìn)井。 工作井可以采用圓形的，也可以采用矩形的。工作井可以采用圓形的，也可以采用矩形的。 工作井在施工結(jié)束后，一部分將改為閥門井、檢查井。工作井在施工結(jié)束后

14、，一部分將改為閥門井、檢查井。 工作井地面影響范圍一般按井深的工作井地面影響范圍一般按井深的1.51.5倍計(jì)算，在此范圍內(nèi)的建筑倍計(jì)算，在此范圍內(nèi)的建筑物和管線等均應(yīng)采取必要的技術(shù)措施加以保護(hù)。物和管線等均應(yīng)采取必要的技術(shù)措施加以保護(hù)。頂管工作井的深度頂管工作井的深度 （1）頂進(jìn)工作井）頂進(jìn)工作井 （2）接收工作井）接收工作井3211hhhHh1h1地表至導(dǎo)軌頂?shù)母叨龋ǖ乇碇翆?dǎo)軌頂?shù)母叨龋╩ m）h2h2導(dǎo)軌高度（導(dǎo)軌高度（m m）h3h3基礎(chǔ)厚度（包括墊層）（基礎(chǔ)厚度（包括墊層）（m m）4312hhhHh1h1地表至支承墊頂?shù)母叨龋ǖ乇碇林С袎|頂?shù)母叨龋╩ m）h3h3基礎(chǔ)厚度（包括墊層）

15、（基礎(chǔ)厚度（包括墊層）（m m）h4h4支承墊厚度（支承墊厚度（m m）防水構(gòu)造防水構(gòu)造工作井的工作井的洞口洞口應(yīng)進(jìn)行防水處理，設(shè)置應(yīng)進(jìn)行防水處理，設(shè)置擋水圈和封門板，擋水圈和封門板，進(jìn)出井的進(jìn)出井的一段距離內(nèi)應(yīng)進(jìn)行井點(diǎn)降水或地基加固處理，以防土體流失，保一段距離內(nèi)應(yīng)進(jìn)行井點(diǎn)降水或地基加固處理，以防土體流失，保持土體和附近建筑物的穩(wěn)定。持土體和附近建筑物的穩(wěn)定。工作井的工作井的頂標(biāo)高頂標(biāo)高應(yīng)滿足防汛要求，坑內(nèi)應(yīng)設(shè)置集水井，在暴雨季應(yīng)滿足防汛要求，坑內(nèi)應(yīng)設(shè)置集水井，在暴雨季節(jié)施工時(shí)應(yīng)防止地下水流入工作井，事先在工作井周圍設(shè)置擋水節(jié)施工時(shí)應(yīng)防止地下水流入工作井，事先在工作井周圍設(shè)置擋水圍堰。圍堰。

16、2. 頂管頂力估算頂管頂力估算頂管推力應(yīng)克服頂管管壁與土的摩阻力及前刃腳切土?xí)r的阻力：頂管推力應(yīng)克服頂管管壁與土的摩阻力及前刃腳切土?xí)r的阻力： N N1 1 管頂以上的荷載；管頂以上的荷載；N N2 2 全部管道自重；全部管道自重；E E 頂管兩側(cè)的土壓力；頂管兩側(cè)的土壓力；R R 土對(duì)鋼刃腳正面的單位面積阻力土對(duì)鋼刃腳正面的單位面積阻力 k k 系數(shù)，一般采用系數(shù)，一般采用1.21.2。2)(322111RAEffNNfNkP3. 頂管承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗(yàn)算頂管承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗(yàn)算1 1）沉井支護(hù)工作井承壓壁后靠）沉井支護(hù)工作井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗(yàn)算土體的穩(wěn)定驗(yàn)算apFFFFP212

17、2221tg (45)2tg(45)tg (45)2222pFAHcHhH2221tg (45)2tg(45)tg (45)2222aFAHcHhH1121HApFaWF 2考慮與否？考慮與否？無(wú)絕對(duì)把握的前提下，無(wú)絕對(duì)把握的前提下，F(xiàn)1及及F2均不予考慮均不予考慮。 若不考慮若不考慮F1及及F2，一般采用下式進(jìn)行沉井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性，一般采用下式進(jìn)行沉井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性驗(yàn)算：驗(yàn)算：S為沉井穩(wěn)定系數(shù)，一般取為沉井穩(wěn)定系數(shù)，一般取S1.01.2。土質(zhì)越差，。土質(zhì)越差，S的取值越大。的取值越大。SFFPap2）鋼板樁支護(hù)工作井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗(yàn)算）鋼板樁支護(hù)工作井承壓壁后靠土體的穩(wěn)

18、定驗(yàn)算首先首先可以假定不存在板樁可以假定不存在板樁板樁的參與作用，便出現(xiàn)板樁的參與作用，便出現(xiàn)了一條類似于了一條類似于板樁彈性曲板樁彈性曲線的荷載曲線線的荷載曲線FPp/23120)2121(phhhhp2bhPp 2bhF 兩段支護(hù)情況兩段支護(hù)情況 只有最下面的一段參與只有最下面的一段參與承受承受和傳遞來(lái)自承壓壁的反作用和傳遞來(lái)自承壓壁的反作用力力 ；要用混凝土將下段板樁與上要用混凝土將下段板樁與上段板樁之間的段板樁之間的空隙填充空隙填充起來(lái)，起來(lái)，以構(gòu)成封閉的傳力系統(tǒng)。以構(gòu)成封閉的傳力系統(tǒng)。否否則則，需將，需將h3縮短到上段板樁的縮短到上段板樁的下沿。下沿。單段支護(hù)下的頂管工作井承壓壁穩(wěn)定性計(jì)算示意圖單段支護(hù)下的頂管工作井承壓壁穩(wěn)定性計(jì)算示意圖n當(dāng)當(dāng)A A點(diǎn)在后靠土點(diǎn)在后靠土體被動(dòng)土壓力線體被動(dòng)土壓力線上或在其左側(cè)上或在其左側(cè)時(shí)，時(shí)，則后靠土體是穩(wěn)則后靠土體是穩(wěn)定的，定的， )2(23213hhhbPShp后靠土體的穩(wěn)定條件后靠土體的穩(wěn)定條件雙段支護(hù)下的頂管工作井承壓壁穩(wěn)定性計(jì)算示意圖雙段支護(hù)下的頂管工作井承壓壁穩(wěn)定性計(jì)算示意圖)2(2)(32143hhhbPShhpn當(dāng)當(dāng)A A點(diǎn)