頂管施工技術(shù)

第七章頂管施工技術(shù)一、概述是地下管道施工中穿越障礙物時(shí)常用的一種施工技術(shù)。1.定義：一般是先在工作坑內(nèi)設(shè)置支座和安裝液壓千斤頂，然后借助支座后座提供的反力將預(yù)制的管段頂如地層，邊頂進(jìn)，邊開(kāi)挖地層，邊將管段接長(zhǎng)，直到越過(guò)障礙物并到達(dá)接收坑。頂管技術(shù)施工工藝總圖2.發(fā)展歷史100多年前，美國(guó)首先提出并采用該工藝。1950年前后，英、德、日等國(guó)家相繼采用。1953年，我國(guó)首次應(yīng)用于京包鐵路。1960年開(kāi)始，許多國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。1960年，上海研制出了機(jī)械式頂管。1967年，上海研制出了擠壓式頂管。1987年，上海市基礎(chǔ)工程公司利用三段雙鉸型工具管頂進(jìn)了1120m，直徑3m。1999年前后，浙江奉賢縣污水排放工程：長(zhǎng)1856m，直徑1.6m。3.近期發(fā)展：口徑大小：向兩端發(fā)展，微型頂管和大直徑頂管；最大可達(dá)6m。長(zhǎng)度大小：逐漸加長(zhǎng)。德國(guó)施工過(guò)1200m中國(guó)1120m、1856m曲線頂進(jìn)：4.優(yōu)點(diǎn)●管段整體預(yù)制，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水密性能易保證；●與盾構(gòu)法相比，接縫大為減少，容易達(dá)到防水要求；●管道縱向受力性能好，能適應(yīng)地層的變形；●地面沉降小，利于環(huán)保；●不需二次襯砌，工序簡(jiǎn)單；●內(nèi)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。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。勞動(dòng)強(qiáng)度大。用于直徑小于1.5m、頂進(jìn)距離不長(zhǎng)的工程。2.擠壓式工具管擠壓式工具管作業(yè)：錐形擠壓口在頂進(jìn)力優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：由于是敞口，孔口易崩塌；開(kāi)挖面擾動(dòng)大；排土量不易控制；地表沉陷和隆起量大。適用條件：淤泥質(zhì)黏土、黏土；對(duì)環(huán)境保護(hù)要求不高。3.三段雙鉸型工具管主要靠水力沖挖泥土。結(jié)構(gòu)分前、中、后三段。三段雙鉸型水力挖土工具管刃腳，4—胸板，7—高壓水倉(cāng)；8—垂直鉸鏈，9—糾偏油缸10—水槍?zhuān)?2—吸口隔柵，17—上下糾偏油缸；18—水平鉸鏈，19—吸泥管，20—?dú)忾l門(mén)21—大水密門(mén)糾偏：垂直糾偏——啟動(dòng)上下糾偏油缸，前段饒水平鉸鏈上下轉(zhuǎn)動(dòng)水平糾偏——啟動(dòng)水平糾偏油缸，中段和前段饒垂直鉸鏈上下轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)：沖泥倉(cāng)（前部）：有刃腳和隔柵，用于切土和擠土操作室（中部）：工人操作處，用胸板與沖泥倉(cāng)隔開(kāi)控制室（后部）：有各種控制儀表，了解工作狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)力靈敏、糾偏靈活、導(dǎo)向可靠、操作方便、密封性好、能穩(wěn)定土體、施工安全缺點(diǎn)：適用范圍小。因水力開(kāi)挖，僅適用于靠近河流的工程并有排泥場(chǎng)所的工程。4.泥水平衡式工具管靠輸入有壓力的泥水使開(kāi)挖面地層保持穩(wěn)定的工具管。前端有切土刀盤(pán)和密封泥水倉(cāng)。泥水平衡式工具管操作：頂進(jìn)時(shí)，一邊切土一邊向倉(cāng)內(nèi)輸入有壓力的泥水，保持土體穩(wěn)定。切下的土隨泥水一起輸送至地面，泥水可循環(huán)使用。優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)范圍廣、施工速度快、操作環(huán)境好、施工安全、有利于長(zhǎng)距離頂進(jìn)等。缺點(diǎn)：泥水排放困難、需要配置一套龐大的泥水處理設(shè)備，適用性受到一定限制。土壓平衡式工具管土壓平衡式工具管操作：利用切削下來(lái)的土使切土面保持穩(wěn)定。用螺旋輸送機(jī)排土。排出的土裝入斗車(chē)運(yùn)出。結(jié)構(gòu)：工具管的前后兩節(jié)可以伸縮，也可折成一定的角度。前后兩節(jié)之間裝有四組油缸，上下左右呈十字形布置。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)土層擾動(dòng)小、能有效控制地表沉降操作簡(jiǎn)便、安全、施工速度快、費(fèi)用低與泥水式相比，可減少對(duì)環(huán)境的污染適用：淤泥質(zhì)黏土、黏土、亞黏土、粉沙土、有地下水的地層。應(yīng)用：今年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)大。三、頂管在施工階段的荷載計(jì)算要保證頂進(jìn)過(guò)程中管段有足夠的強(qiáng)度和剛度，能滿足在頂進(jìn)時(shí)可能發(fā)生的受力變形要求。受力分析頂進(jìn)阻力：a.刃腳前壁阻力b.各管的外壁摩阻力c.糾偏力d.阻礙性的強(qiáng)制頂進(jìn)力最大頂進(jìn)力：一般作用于最后面一節(jié)管段最大糾偏力：一般發(fā)生在最靠近工具管的管段管段頂進(jìn)時(shí)可能發(fā)生的一種受力狀態(tài)a—管段端面上的應(yīng)力分布；b—縱向力的走向總頂進(jìn)阻力計(jì)算計(jì)算目的：驗(yàn)算管端面的局部承壓能力用于檢驗(yàn)千斤頂?shù)哪芰Q定是否需要設(shè)置中繼環(huán)千斤頂（1）上海地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式：W=（3~5）×全程管道自重人工開(kāi)挖時(shí)取下限，擠壓法時(shí)取上限。（2）力學(xué)分析計(jì)算與土層開(kāi)挖方式有關(guān)：人工開(kāi)挖：W=W1擠壓法開(kāi)挖：W=W1+W2水沖法開(kāi)挖：W=W1+W2+W3降水良好的堅(jiān)實(shí)土層中W1=f[K1（PV+PH）DL+P0]式中：f—管壁與土層的摩擦系數(shù)；K1—頂力折減系數(shù)，頂進(jìn)長(zhǎng)度≤15m時(shí)，為1；16—30m時(shí)為0.8；31—45m時(shí)為0.75。PV—作用于管頂?shù)拇怪蓖翂毫Γ琍V=γHPH—管壁上的水平土壓力；D—管道外徑；L—單程頂進(jìn)長(zhǎng)度；P0—全程管道自重。b.管道采用擠壓法或水沖法頂進(jìn)時(shí)工具管前端的迎面擠壓力W2=πDcptR式中：Dcp—錐形擠壓口端面的平均直徑；t—錐形擠壓口端面的平均厚度；R—單位面積擠壓力，一般取為被動(dòng)土壓力。c.水沖法頂進(jìn)時(shí)，工具管前端由泥漿引起的水壓阻力：W3=PπD2/4式中，p—沖水壓力，P=Dγ＇/2γ＇—泥漿土重度，一般取12~13kN/m3四、土壓平衡式頂管多刀盤(pán)切削式直直徑：23600mm、18000mm刀盤(pán)：：四個(gè)，由由各自的電電機(jī)驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)向：水平的兩兩只轉(zhuǎn)向相相反，豎向向的兩只轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向相同。使使用：每組組油缸三只只組成，形形成150mmm，工作壓壓力21MPPa糾正方向向應(yīng)慢糾、勤勤糾四組油油缸輪流使使用。所有操作作都通過(guò)操操縱臺(tái)的按按鈕控制?？刂撇僮髯鲿r(shí)，一個(gè)個(gè)是方向，另另一個(gè)是土土壓力。土土壓力應(yīng)在在主動(dòng)土壓壓力和被動(dòng)動(dòng)土壓力之之間。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、性性能可靠、操操作維修方方便、造價(jià)價(jià)低廉自重小，便便于運(yùn)輸和和吊裝四個(gè)小刀刀盤(pán)的轉(zhuǎn)矩矩互相抵消消，不易產(chǎn)產(chǎn)生偏斜對(duì)地面和和地下管線線影響小適應(yīng)性強(qiáng)強(qiáng)，有較大大的發(fā)展前前途。大刀盤(pán)土壓平衡式式頂管機(jī)工作原理與盾構(gòu)構(gòu)掘進(jìn)機(jī)相相同。最小小的直徑0.8m，最大直直徑十幾米米。大刀盤(pán)土壓壓平衡式頂頂管機(jī)五、微型頂管概述（1）微型頂管的定定義：頂管直徑徑很小，工工作人員不不能進(jìn)入管管道到達(dá)工工作面，必必須靠遠(yuǎn)距距離自動(dòng)控控制進(jìn)行操操作的小型型頂管稱(chēng)為為微型頂管管。管道直徑：1550~6000mm。適用：在建筑物物密集、交交通繁忙的的市區(qū)敷設(shè)設(shè)電纜管道道和市政管管道。（2）分類(lèi)擠土法非糾偏微型頂管管水平鉆頂頂法排土法套筒鉆頂頂法水平鉆進(jìn)進(jìn)法擠鉆法糾偏微型頂管鉆頂結(jié)合合法盾構(gòu)法非糾偏微型頂管管：非糾偏微型頂管管由于施工中前方方不存在工工具管，不不能減小或或降低正面面阻力，故故推進(jìn)長(zhǎng)度度有限，一一般僅用于于覆土較淺淺、長(zhǎng)度小小于60m、直徑200mmm的微型頂頂管施工。糾偏微型頂管：：糾偏微型型頂管壓密式小口徑頂頂管●將前方土體向管管道周?chē)镣馏w徑向擠擠壓，在不不排土或少少排土的情情況下頂進(jìn)進(jìn)管道。●一般用于：φ3300mmm以下的鋼鋼筋砼管、塑塑料管、鋼鋼管?！袢毡井a(chǎn)301型型頂管機(jī)的的工藝過(guò)程程：3301型微型頂頂管機(jī)施工工過(guò)程裝配：將頂管機(jī)機(jī)在頂進(jìn)坑坑內(nèi)吊裝就就位，并利利用4個(gè)撐腳調(diào)調(diào)整水平位位置，在地地面設(shè)置動(dòng)動(dòng)力設(shè)備和和控制臺(tái)。頂端推進(jìn)：機(jī)器器前端的油油缸先行頂頂出，將土土向四周擠擠壓。后座推進(jìn)：位于于頂進(jìn)坑內(nèi)內(nèi)的油缸向向前頂進(jìn)，同同時(shí)前端的的油缸向后后縮回。接續(xù)推進(jìn)管。到達(dá)另一端，頭頭部裝置回回收。拆卸頂進(jìn)坑內(nèi)的的工作臺(tái)。頂管機(jī)的定向：：水平平方向：機(jī)機(jī)頭上裝有有電磁波發(fā)發(fā)射裝置，地地面上有接接收器，靠靠電磁波的的強(qiáng)弱測(cè)定定和控制頂頂進(jìn)方向。側(cè)向位置探測(cè)系系統(tǒng)垂垂直方向：：地面上設(shè)設(shè)置儲(chǔ)液箱箱，儲(chǔ)液箱箱與機(jī)頭內(nèi)內(nèi)的壓力元元件相連通通，機(jī)頭位位置的高低低通過(guò)液壓壓變化信息息可在控制制盤(pán)上得到到反映，通通過(guò)控制盤(pán)盤(pán)加以控制制。豎向位置探測(cè)系系統(tǒng)螺旋式小口徑頂頂管工藝：aa.將直徑較較小的螺旋旋桿從頂進(jìn)進(jìn)坑頂?shù)浇咏邮湛觔..在頂進(jìn)坑坑內(nèi)將擴(kuò)管管頭與螺旋旋桿連接c..頂進(jìn)擴(kuò)管管頭，同時(shí)時(shí)前方的泥泥土用壓力力水沖碎，由由螺旋桿將將其輸送到到接收坑內(nèi)內(nèi)，運(yùn)出地地面。d..邊頂進(jìn)，邊邊安裝管段段，邊出土土。e..螺旋桿在在頂進(jìn)坑內(nèi)內(nèi)逐節(jié)接長(zhǎng)長(zhǎng)，在接收收坑內(nèi)逐節(jié)節(jié)拆除。f..最后取出出擴(kuò)管頭。使用條件：管徑徑必須在150mmm以上、350mmm以下，推進(jìn)距離最長(zhǎng)為為50m左右土質(zhì)：適用范圍圍寬，黏土土、粉沙土土、砂質(zhì)土土等均可。特點(diǎn)：施施工精度高高，推進(jìn)50m時(shí)誤差僅2mm施工時(shí)無(wú)震動(dòng)，噪噪音小重量輕、操作方方便、施工工人員少基坑小。管長(zhǎng)22m時(shí)，3.66m長(zhǎng)、1.5m寬的頂進(jìn)進(jìn)坑即可。水平鉆式小口徑徑頂管靠水平設(shè)置的螺螺旋鉆鉆進(jìn)進(jìn)出土的一一類(lèi)微型頂頂管。形式有多種，下下圖為典型型形式。工藝：電動(dòng)機(jī)帶帶動(dòng)螺旋桿桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺螺旋桿帶動(dòng)動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)并切土。泥泥土由螺旋旋鉆自身反反向輸送到到工作坑內(nèi)內(nèi)，運(yùn)出地地面。螺螺旋桿隨著著鉆頭的鉆鉆進(jìn)隨時(shí)接接長(zhǎng)。鉆頭到達(dá)接收坑坑后取出，在在接收坑內(nèi)內(nèi)安裝頂進(jìn)進(jìn)設(shè)備將砼管從接收坑坑向工作坑坑頂進(jìn)，直直到砼管到到達(dá)工作坑坑為止。取出鉆桿。砼管管的頂進(jìn)由由水平鉆的的鉆桿導(dǎo)向向。適用：管徑2550mm左右，頂頂進(jìn)距離50m左右。適適用擴(kuò)管器器后，管徑徑可達(dá)600mmm適適用地層較較廣，如礫礫石、砂質(zhì)質(zhì)土、黏土土、粉土等等與上法的比較：：相同同：二者都都需兩次作作業(yè)：鉆孔孔、頂管區(qū)別別：螺旋鉆鉆式—砼管的頂頂進(jìn)方向與與鉆的方向向相同從工作坑坑向接收坑坑方向頂進(jìn)進(jìn)水平鉆式—砼管的頂頂進(jìn)方向與與鉆的方向向相反從接收坑坑向工作坑坑方向頂進(jìn)進(jìn)優(yōu)點(diǎn)：頂頂進(jìn)砼管時(shí)時(shí)方向容易易控制、也也不需出土土，速度快快。所需頂力力較小，管管的結(jié)構(gòu)不不易被壓碎碎。六、長(zhǎng)距離頂管管長(zhǎng)距離頂管的主主要困難是是：頂進(jìn)坑坑內(nèi)的主千千斤頂?shù)耐仆祈斄τ邢尴蓿蛔阌谟诳朔艿赖篱L(zhǎng)距離頂頂進(jìn)時(shí)遇到到的總阻力力。主要措措施：增加主千斤頂?shù)牡捻斄Ρ容^有效，但受受到一定限限制：機(jī)械水平的制約約管段端面的局部部抗壓強(qiáng)度度限制目前，單只千斤斤頂?shù)捻斄ασ褟?0000kN增大到20000kN。減小管道周邊與與地層的摩摩擦力提高制作技術(shù)和和質(zhì)量。工具管的刃腳外外徑略大于于管道外徑徑圓度均勻，保持持直徑一致致采用減摩泥漿在管道的外壁涂涂抹泥漿在管道外壁和地地層之間注注入觸變泥泥漿：膨潤(rùn)潤(rùn)土泥漿。一一般在頂入入第二節(jié)管管段后開(kāi)始始注漿。隨隨著管段的的推進(jìn)，后后面的管段段要不斷地地補(bǔ)漿，每每隔2～5節(jié)管段設(shè)設(shè)置一些補(bǔ)補(bǔ)漿孔。降低開(kāi)挖面的正正面頂進(jìn)阻阻力主要措施時(shí)調(diào)整整排土量?？靠考皶r(shí)清除除工具管前前端的渣土土來(lái)實(shí)現(xiàn)。但但也不能過(guò)過(guò)量清除，以以免工作面面失穩(wěn)。采用中繼環(huán)，中中途設(shè)置輔輔助千斤頂頂即沿全長(zhǎng)分成若若干段，在在段與段之之間設(shè)置中中繼環(huán)。中中繼環(huán)用鋼鋼材制作，內(nèi)內(nèi)壁上設(shè)置置一定數(shù)量量的千斤頂頂，推動(dòng)中中繼環(huán)前方方的管道。頂進(jìn)時(shí)，先啟用用最前面的的中繼環(huán)，將將前方的管管道及工具具管一起向向前推進(jìn)，后后面的中繼繼