第七讲：顶管施工技术－地下管线非开挖技术（6学时）

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欧郗
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1 城市地下工程施工技术顶管法施工 Pipe Jacking Method Construction 主讲人 : 饶平平

2 概述采用液压千斤顶或具有顶进牵引功能的设备, 以顶管工作井作承压壁, 将管子按设计高程方位坡度逐根顶入土层直至达到目的地. 顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种土层地下工程施工方法, 主要用于地下进水管排水管煤气管电讯电缆管的施工它不需要开挖面层, 并且能够穿越公路铁道河川地面建筑物地下构筑物以及各种地下管线等, 是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法主要用于 : 1 穿越江河湖泊港湾水体下的供水输气输油管道工程 ; 2 穿越城市建筑群繁华街道地下的上下水煤气管道工程 ; 3 穿越重要公路铁路路基下的通讯电力电缆管道工程 ; 4 水库坝体涵管重建工程等

3 顶管施工的优点

4 挖掘端面管内挖掘井内出土顶部出土

7 激光经纬仪南沙 DN1300 泥水平衡顶管施工

10 顶管机简介分类 1 按所顶进的管子口径大小分 : 大口径中口径小口径和微型顶管四种大口径多指 Ф2m 以上的顶管, 人可以在其中直立行走中口径顶管的管径多为 1.2~1.8m, 人在其中需弯腰行走, 大多数顶管为中口径顶管小口径顶管直径为 500~1000mm, 人只能在其中爬行, 有时甚至爬行都比较困难微型顶管的直径通常在 400mm 以下, 最小的只有 75mm 2 按一次顶进的长度 ( 指顶进工作坑和接收工作坑之间的距离 ) 分 : 普通距离顶管和长距离顶管顶进距离长短的划分目前尚无明确规定, 过去多指 100m 左右的顶管目前, 千米以上的顶管已屡见不鲜, 可把 500m 以上的顶管称为长距离顶管 3 按平衡原理理论分 : 顶管机可分为泥水平衡式项管机土压平衡式顶管机多功能顶管机等 4 按管材分 : 钢筋混凝土顶管钢管顶管以及其他管材的顶管 5 按顶进管子轨迹的曲直分 : 直线顶管和曲线顶管 2015/6/3 10

11 顶管机简介分类平衡原理泥水平衡式顶管机是在加入添加剂膨润土粘土以及发泡剂等使切削土塑性液化的同时, 将切削刀盘切削下来的土砂用搅拌机搅拌成泥水状, 使其充满开挖面与管道隔墙之间的全部开挖面, 使开挖面稳定土压平衡顶管机的基本工作原理是先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进, 同时刀盘旋转切削土体, 切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机并被挤压, 形成一定的土压 ; 再通过螺旋输送机的旋转, 输送出切削的土体控制螺旋输送机的出土量或顶管机前进速度, 来控制密封土仓内的土压力值, 使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡, 从而保证开挖面的稳定, 防止地面的沉降或隆起多功能顶管机集机械液压激光电控 ( 含 PLC) 测量技术为一体, 是既可在含有较大砾石卵石等的软土中施工, 又可在岩石或复杂地质条件中进行自动化非开挖地下管道施工的先进设备 2015/6/3 11

12 顶管机发展概况国外发展概况顶管施工技术最早始于 1896 年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中 1948 年日本第一次采用顶管施工方法, 在尼崎市的铁路下顶进了一根内径 600mm 的铸铁管, 顶距只在 6 米欧洲发达国家最早开发应用顶管法, 1950 年前后, 英德日等国家相继采用 2015/6/3 12

13 顶管机发展概况国内发展概况我国较早的顶管施工约在上世纪 50 年代, 初期主要是手掘式顶管, 设备也较简陋我国顶管技术真正较大的发展是从上世纪 80 年代中期开始 1988 年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机国内顶管机经历了技术引进研发发展等几个时期, 从最初的手掘式项管机气压平衡式顶管机到目前的水压土压平衡式项管机, 不断吸收国外先进技术进行改进, 到目前已经拥有一批具有自主知识产权的自主品牌, 并在一些技术领域如纠偏测量等方面取得了一定的成绩, 达到或接近国际先进水平目前国内顶管机规模较大技术力量雄厚的生产企业主要有上海管道工程股份有限公司北京市市政工程研究院中铁一局市政环保工程总公司等, 这几家公司的产品基本上都具有自动控制机电液一体化激光定位导航以及自动纠偏等功能另有其他一些在技术力量产品质量生产规模等方面均有不足的生产厂家, 其产品主要靠低价占有市场 2015/6/3 13

14 盾构法和顶管法的主要异同点 : 相同点 : (1) 二者都属于暗挖法施工大口径 (>900 mm ) 地下工程的主要施工方法 (2) 二者都要开挖工作基坑 ( 工作井和接收井 ) (3) 二者工作面的开挖方法, 出进洞施工技术基本相似 (4) 二者都要注意接缝防水处理地表沉降控制周边环境保护等问题, 都要进行注压浆

15 不同点 : (1) 盾构法的衬砌为管片, 且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装, 拼装好后一般不会再移动 ; 顶管法的衬砌为管节, 且每环管节是一次预制成功的, 由顶进装置依次顶进, 直至第一节管节到达接收井位置 (2) 盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿, 而顶管法施工的主顶进装置布置在工作井内, 如果顶力不足要加设中继间 (3) 盾构机内有拼装管片的拼装机, 而顶管机内没有 (4) 盾构法主要用于大断面城市地下隧道水工隧道公路隧道的施工 ; 顶管法主要适用于断面稍小一些的城市地下管线的铺设

16 顶管法的工程地质勘察勘察要点 : 1 土层类别埋深 2 各土层土体的物理力学性质 3 地下水位压力 4 地下水和土的腐蚀性 5 土层冻结深度 6 地下管线 7 地下洞室 8 临近建筑物基础 9 地面动载

17 顶管工程设计工作井设置, 顶管顶力估算以及承压壁后靠结构及土体的稳定问题顶管工作井设置 1) 供顶管机头安装用的顶进工作井 ( 称顶进井 ); 2) 供顶管工具管进坑和拆卸用的接收工作井 ( 称接收井 ) (a) 双向顶进 ;(b) 单向顶进

18 工作井实质上是方形或圆形的小基坑, 其支护类型同普通基坑, 其平面尺寸较小, 支护经常采用钢筋混凝土沉井和钢板桩管径 1.8m 或顶管埋深 5.5m 时普遍采用钢筋混凝土沉井作为顶进工作井沉井作为工作井时, 一般采用双向顶进 ; 采用钢板桩支护工作井时, 一般采用单向顶进

19 顶管法的关键技术 1) 方向控制 : 与设计轴线一致, 对顶力的影响, 保证中继环正常工作 ; 2) 顶力大小及方向 : 管尾顶进方式, 顶进距离必然受到限制, 一般采用中继环接力 ; 3) 工具管开挖面正面土体的稳定性 ; 4) 承压壁后靠结构及土体的稳定性

20 发展趋势中继环接力顶推装置触变泥浆减阻顶进技术, 自动测斜纠偏技术泥水平衡技术土压平衡技术气压保护技术和曲线顶管技术

21 顶管顶力估算克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻力 : P k [ 3 N1 f1 ( N1 N2) f 2 2Ef RA] N 1 管顶以上的荷载 ; N 2 全部管道自重 ; E 顶管两侧的土压力 ; R 土对钢刃脚正面的单位面积阻力 k 系数, 一般采用 1.2

22 顶管承压壁后靠土体的稳定验算沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算 P 2F1 F2 F p F a

23 长距离顶管在市政工程建设中, 长距离管道的敷设是其重要的工作内容随着顶管技术应用的推广, 研究敷设长距离管道工艺技术已成为引人注目的课题长距离管道的主要困难是, 设置在顶进坑内的主千斤顶的推顶力有限, 不足以克服管道长距离顶进时遇到的总阻力希望增加顶管单程顶进的长度时, 需要采取相关的措施, 如增加主千斤顶的顶力减少管道周边与地层的摩擦力中途设置辅助千斤顶 ( 中继环 ) 减小顶管承受的正面阻力等目前在发展长距离顶管技术的过程中, 减摩和设置中继环两项措施已得到较多研究, 并已成为成熟的技术

24 增设中继环 ( 间 ) 为了适应长距离顶进管道的需要, 研制了中继环 ( 又称中继间中间站 ) 即在管道顶进的中途设置辅助千斤顶, 靠辅助千斤顶提供的动力继续顶进管段, 延长顶管的顶进长度, 满足敷设长距离管道的需要采用中继环时, 管道沿全长分成若干段, 在段与段之间设置中继环中继环是一个由钢材制成的圆环, 内壁上设置有一定数量的短行程千斤顶, 产生的推顶力可用于推进中继环前方的管道

25 中继环示意图

26 (1) 中继环推进过程设置中继环以后, 顶管顶进时, 每次都应先启用最前面的中继环, 将其前方的管道连同工具管一起向前顶进, 后面的中继环和主千斤顶保持不动, 直至达到该中继环的一个顶程为止, 接着后面的中继环开始推顶作业, 将两个中继环之间的管道向前推进与此同时, 前面的一个中继环的千斤顶排放油压, 活塞杆缩进套筒可见, 这时被推进的只是该中继环和前面一个中继环之间的管段在顶进作业中, 主千斤顶在每个循环中都最后推进借助中继环的逐级接力过程, 可将顶管的顶推距离延长, 以适应长距离顶管施工的需要

27 (2) 中继环的结构形式它主要由前特殊管后特殊管和壳体油缸均压环等组成在前特殊管的尾部有一个与 T 形套环相类似的密封圈和接口中继环壳体的前端与 T 型套环的一半相似, 利用它把中继环壳体与混凝土管连接起来中继环的后特殊管外侧则设有两环止水密封圈, 使壳体虽在其上来回运动而不会产生渗漏中继环油缸被固定在壳体上, 油缸均匀布置在壳体内油缸两头装有均压钢环, 钢环与混凝土管之间有衬垫环衬垫环多用 20mm 厚的木板做成中继油缸为单作用油缸, 只有当后一只中继环向前推进时, 前一只中继环的油缸才能缩回管子顶通后, 把中继环油缸拆卸下来, 管子可直接合拢

28 (3) 中继环的布置中继间的布置要满足顶力的要求, 同时使其操作方便合理, 提高顶进速度中继环在安放时, 第一只中继环应放在比较前面一些因为掘进机在推进过程中推力的变化会因土质条件的变化而有较大的变化所以, 当总推力达到中继环总推力 40~60% 时, 就应安放第一只中继环, 以后, 每当达到中继环总推力的 70%~ 80% 时, 安放一只中继环而当主顶油缸达到中继环总推力的 90% 时, 就必须启用中继环

29 中继环自动控制从工具管向工作井依次按 1# 2# 编号工作时, 首次启动 1#, 中继环顶推行程达到允许行程后停止 1# 中继环, 启动 2# 中继环工作, 直到最后启动工作井千斤顶

30 管道及其接口顶管所用管道按其材质分钢筋混凝土管和钢管两类, 钢管接口一般采用承插法兰螺纹或焊接排水管道采用的预制钢筋混凝土管道 ; 煤气管道一般采用铸铁管和钢管 ; 上水管道普遍采用的钢筋混凝土管及钢管 ;

34 二工作坑工作坑平面呈矩形, 一般沿管道方向较长, 深度较深, 坑壁支撑, 一般采用钢板桩 ; 若竣工后坑位无需覆土, 可采用钢筋混凝土沉箱, 箱壁应预留位置正确大小合适的管孔, 竣工后沉井可改建成检查井坑的前后壁在管道顶进时受力巨大, 均应加固

35 工作坑构造和设施

36 后靠背千斤顶支架导轨千斤顶顶管配套设备顶管机操作台螺旋出土机

37 接收井平面一般也呈矩形, 沿管道方向较长, 其长度应满足顶管机头可被取出的条件再管道转折处设置的接收井, 其平面为圆形, 内径也应满足机头被取出的条件接收井的深度也比较深, 所以井壁支撑, 一般也采用钢板桩若竣工后坑位无需覆土, 可采用钢筋混凝土沉箱, 箱壁应预留位置正确大小合适的管孔, 竣工后沉井可改建成检查井

38 管节顶进与接口 1 挖土挖掘方法人工挖土挤压切土水力冲土机械切土

39 人工挖土 : 人工挖, 小车运前端挖掉一段后, 方可顶管要求 : 土质较好, 管道的管径不应小于 1000mm 人工挖土法

40 水冲式在施工中, 通过水射流将位于工作面上的土层破碎, 并将其冲刷进入破碎室, 最后以泥水混合物的方式排至地表

41 顶管配套设备泥浆沉淀池送水排泥泵

42 挤压式挤压切土 : 凭借机头的挤压口, 将机头顶入土中, 一段土体被挤进顶管机头, 然后用钢丝绳沿挤压口内缘切断土体, 落在出土车或运土机上, 运至工作坑

43 机械切土法机械切土 : 机头设有刀盘而进行机械切土, 边切土边顶进, 切削下来的土, 用输送机运至工作坑

44 管节顶进方向控制在顶管过程中, 必须经常观测顶进的管节位置是否符合设计

45 管节接口顶管用的钢筋混凝土管节的管口形式是凸口式, 其接口的处理分两个阶段进行在一节管子顶进以后, 另一节管子下到工作坑里时, 将两节管子的管口对齐, 并在凸缘处填塞一圈浸过沥青的麻辫 ; 管内壁的接口处用金属内胀圈将管子撑紧, 使顶管过程中管子接口处不致产生错口

46 管节顶进与接口管节接口接口加固在一节管子顶进以后, 另一节管子下到工作坑里时, 在两节管子接口外侧安装外套环以加固流沙地区, 除加放外套环加固外, 还安放橡胶圈, 增加防渗效果

47 管节顶进与接口管节接口

48 顶进工作井的井内布置井内布置内容主要包括前止水墙后座墙基础底板及排水井等后座要有足够的抗压强度, 能承受得了主顶千斤顶的最大顶力前止水墙上安装有洞口止水圈, 以防止地下水土及顶管用润滑泥浆的流失在顶管工作井内, 还布置有工具管环形顶铁弧形顶铁基坑导轨主顶千斤顶及千斤顶架后靠背其中主顶千斤顶及千斤顶架的布置尤为重要, 主顶千斤顶的合力的作用点对于初始顶进的影响比较大

49 图 7-11 顶进工作井内布置图 1- 管节 ;2- 洞口止水系统 ;3- 环形顶铁 ;4- 弧形顶铁 ;5- 顶进导轨 ;6- 主顶油缸 ; 7- 主顶油缸架 ;8- 测量系统 ;9- 后靠背 ;10- 后座墙 ;11- 井壁

50 (1) 管节一般为钢筋混凝土管节或钢管节 (2) 后座墙是把主顶油缸推力的反力传递到工作坑后部土体中去的墙体, 是主推千斤顶的支承结构它的构造会因工作坑的构筑方式不同而不同在沉井工作坑中, 后座墙一般就是工作井的后方井壁在钢板桩工作坑中, 必须在工作坑内的后方与钢板桩之间挠筑一座与工作坑宽度相等的厚度为 0.5~1.0m 的其下部最好能插入到工作井底板以下 0.5~1.0m 的钢筋混凝土墙, 目的是使推力的反力能比较均匀地作用到土体中去还要注意的一点是后座墙的平面一定要与顶进轴线垂直 (3) 后靠背是靠主顶千斤顶尾部的厚铁板或钢结构件, 称之为钢后靠, 其厚度在 300mm 左右钢后靠的作用是尽量把主顶千斤顶的反力分散开来, 防止将混凝土后座压坏

51 (4) 洞口止水圈是安装在顶进井的出洞洞口和接收井的进洞洞口, 具有制止地下水和泥砂流到工作坑和接收坑的功能 (5) 顶进导轨由两根平行的轨道所组成, 其作用是使管节在工作井内有一个较稳定的导向, 引导管节按设计的轴线顶入土中, 同时使顶铁能在导轨面上滑动在钢管顶进过程中, 导轨也是钢管焊接的基准装置 (6) 主顶装置由主顶油缸主顶油泵和操纵台及油管等四部分构成主顶千斤顶沿管道中心按左右对称布置主顶进装置除了主顶千斤顶以外, 还有千斤顶架, 以支承主顶千斤顶 ; 供给主顶千斤顶以压力油的是主顶油泵 ; 控制主顶千斤顶伸缩的是换向阀油泵换向阀和千斤顶之间均用高压软管连接主顶油缸的压力油由主顶油泵通过高压油管供给常用的压力在 32~42MPa 之间, 高的可达 50MPa 在管径比较大的情况下, 主顶油缸的合力中心应比管节中心低 5% 的管内径左右

52 (a) 环形顶铁 (b)u 形顶铁 (c) 马蹄形顶铁顶铁的断面形状

53 微型顶管微型顶管一般指口径在 400mm 以下, 人无法进入管内作业的顶管施工微型隧道施工法源于日本, 是一种遥控可导向的顶管施工, 广泛用于地下管线的敷设微型顶管施工设备主要由切削系统激光导向系统出碴系统顶进系统控制系统等组成, 根据激光导向系统测量偏斜数据, 可操纵液压纠偏系统, 从而实现调节铺管方向的目的微型顶管的一次顶进长度大多在 50~60m, 也有的达到百米及以上微型顶管的类型很多, 按其工作原理和取土方式分有压入式螺旋钻式泥水式土压式空心钻式等, 其中压入式和螺旋钻式应用较多

54 压入式微型顶管压入式微型顶管是指将前方土体向管道周围土体径向挤压, 在不出土或少出土的情况下顶进管道的顶管工艺一般用于直径较小的管道施工压入方式按动力分有冲击式旋压式和静压式, 按设备分气动矛法夯管法和顶入法

55 螺旋钻式微型顶管螺旋式顶管是利用螺旋钻进行施工的一种方法施工时, 先准备顶进坑, 将螺旋钻机水平安装在坑内, 再利用螺旋杆传输钻压和扭矩, 推进机头前进同时, 利用钻机的顶进油缸向前顶进管节, 机头掘削下来的土通过螺旋钻杆从管中输送到坑内这种方法的顶进距离较短, 且只能在直线段使用, 一般顶距在 60m 以内其优点是施工时无震动, 噪音小, 重量轻操作方便施工人员少, 基坑小管长 2m 时,3.6m 长 1.5m 宽的顶进坑即可螺旋钻式施工方法有多种方式, 主要分一程式和两程式两类

56 泥水平衡式顶管工具管设置密封舱

57 泥水平衡式顶管施工的优点 : 适用的土质范围较广, 尤其适用于施工难度极大的粉砂质土层中 ; 可保持挖掘面的稳定, 对周围土层的影响小, 地面变形小 ; 较适宜于长距离顶管施工 ; 工作井内作业环境好且安全 ; 可连续出土, 施工进度快缺点 : 施工场地大, 设备费用高, 需在地面设置泥水处理输送装置 ; 机械设备复杂, 且各系统间相互连锁, 一旦某一系统故障, 必须全面停止施工

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<4D F736F F D20B3A4BEE0C0EBC4E0CBAEC6BDBAE2B6A5B9DCB9A4B7A82E646F63> 长距离泥水平衡顶管施工工法 ( 编号 :SZJXGF28-2008) 完成单位 : 深圳市市政工程总公司主要完成人 : 李劲松刘正雄高俊合黄锐文陈德贵 1. 前言现代化城市的发展离不开市政管道的建设, 越来越多的深埋设管道过路管道穿越建筑物的管道旧城市政改造工程采用顶管施工技术, 以减少拆迁的工程量, 减少施工对交通的影响, 减少施工对周围居民行人的影响顶管工程施工一般是将整个顶管工程分成若干段进行,

第七讲：顶管施工技术 －地下管线非开挖技术（6学时）

第七讲：顶管施工技术－地下管线非开挖技术（6学时）