城市地下管道顶进施工与修复新技术

市政公用工程一级建造师继续教育培训城市地下管道顶进施工与修复新技术第一章.顶管施工技术1.1顶管施工技术发展和现状顶管—借助于顶推装置，将预制管节顶入土中的地下管道不开槽施工方法。（不开槽施工方法有顶管法、盾构法、浅埋暗挖法、地表水平定向钻法等）顶管用途：排水管道、上水管道、天然气管道、电力管道、热力管道、输油管道等。顶管技术普遍用于交通、水利、电力、市政建设等行业顶管管材：钢管、钢筋砼管、玻璃钢夹砂管、聚合物砼管、陶瓷管及铸铁管等1.1顶管施工技术发展和现状顶管施工历史1896年美国最早的穿越北太平洋铁路铺设管道的施工；1948年日本穿越尼崎市铁路，Φ600铸铁管，顶距6米；1953年我国北京首次顶管穿越铁路（钢筋砼管）；1956年上海开始顶管，穿越黄浦江江堤（钢管）；1964年前后，上海进行了大口径机械式顶管各种试验，口径在2m的钢筋砼管的一次推进距离可达120米，开创了使用中继间先河；1.1顶管施工技术发展和现状1978年上海开发挤压法顶管，特别适用于软粘土和淤泥质粘土，效率比手掘式顶管提高一倍；1984年上海市政公司、南京市政公司分别从日本引进了DN800、DN600偏压破碎型泥水平衡顶管设备；1989年上海成功研制第一台DN1200泥水平衡顶管机；1992年上海成功研制我国第一台DN1440土压平衡掘进机；1992年上海成功研制最大口径DN3540加泥式土压平衡掘进机；2004年上海研发出矩形大截面顶管机（3.8米×3.8米）；2006年扬州生产处矩形截面顶管机（4.3米×6米）。1.1顶管施工技术发展和现状1992年上海奉贤开发区向杭州湾深水区单向一次顶进DN16001511米，成为我国第一根单向一次顶进超千米的钢筋砼管；1997年上海黄浦江引水工程单向一次顶进DN3500钢管1743米，创钢管顶管世界纪录；2008年汕头第二条过海顶管工程，一次顶进DN2000钢管2080米，再创钢管顶进世界纪录；2010年浙江嘉兴污水排海顶管工程，单向顶进DN2000钢筋砼管2059米，超长距离砼顶管进入世界先进行业；1.1顶管施工技术发展和现状世界上砼顶管首次超千米的是德国汉堡下水道顶管，DN2600钢筋砼管单向顶进1200米（1970年），采用全气压法顶管技术。世界上最长的砼顶管在荷兰，DN3000钢筋砼管，单向顶进长度2535米（1994年）；世界上顶管管道最大口径是DN4400（德国）德国、日本是公认的顶管技术最先进的国家1.1顶管施工技术发展和现状顶管优点：施工面由线缩成点，占地面积小；地面活动不受施工影响，对交通干扰小；噪音和震动低，城市中施工对居民生活环境干扰小，不影响现有管线及构筑物的使用；可以在很深的地下或水下敷设管道；可以安全穿越铁路、公路、河流、建筑物，减少沿线的拆迁工作量，降低工程造价。1.2顶管施工工艺顶管施工工艺：施工准备、顶进设备安装、顶管机井内就位、顶管机出洞、管节顶进、管节拼接1.2顶管施工工艺机械顶管施工流程：施工准备：建工作井、接收井；测量放样；顶进设备安装：轨道安装、后靠背安装、主千斤顶安装、洞口止水装置安装；顶管机井内就位：顶管机试运行；顶管机出洞：拆除封洞、主千斤顶顶进、出泥准备；管节顶进：偏差测量、出泥、顶进纠偏；管节拼接：接口检验、管节进场验收。1.3顶管分类3.1按顶管直径：大直径顶管：直径≧DN2000；中直径顶管：直径为DN800～DN1800；小直径顶管：直径≦DN600；3.2按顶进距离（一次）：短距离：顶进不需要采用中继间的顶管；长距离：顶进距离超过400米的顶管，考虑设置通风、中继间等；超长距离：顶进长度超过1000米的顶管；3.3按顶管管材：钢管、钢筋砼管、玻璃夹砂管等其他管材；1.3顶管分类3.4按顶管作业方式：人工顶管：管前人工挖土、出土、纠偏等，对土质条件要求高，管径Φ800以上；机械顶管：土压平衡顶管法：掘进机土仓内泥土的压力来平衡掘进机所处土层的土压力和地下水顶管方法；泥水平衡顶管法：以含有一定浓度、粘度、密度的泥浆水充满掘进机的泥水仓，并对它施加一定压力以平衡地下水压力和土压力的顶管方法；气压平衡顶管法：在所顶进管道的挖掘面充满一定压力的空气，以平衡机头前地下水压力并疏干挖掘面土体内地下水的顶管方法。1.3顶管分类1.3顶管分类3.5按管轴线：直线顶管曲线顶管3.6按地下水位分：干法顶管水下顶管1.4顶管施工4.1顶管工程施工主要包括工作井、推进系统、注浆系统、定位纠偏系统及辅助系统。工作井：工作平台、洞口止水圈、扶梯、集水井、后靠背、基础与导轨；推进系统：主顶装置、顶铁、顶管机、顶进管节、中继间；注浆系统：拌浆设备、注浆泵、管道；定位纠偏系统：测量设备、纠偏装置；辅助系统：输土设备、起吊设备、辅助施工、供电照明、通风换气1.4顶管施工4.2顶管专项施工方案编制要求（GB50268-2008）：1、顶进方法比选和顶管段单元长度确定；2、顶管机选型及各类设备的规格、型号及数量；3、工作井位置选择、结构类型及洞口封门设计；4、管节、接口选型及检验，内外防腐处理；5、顶管进、出洞技术措施，地基改良措施；6、顶力计算、后背设计和中继间设置；7、减阻剂选择及相应技术措施；8、施工测量、纠偏的方法；9、曲线顶管及垂直顶升的技术控制及措施；10、地表及构筑物变形与形变监测和控制措施；11、安全技术措施、应急预案。1.4顶管施工《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》——建质[2009]87号第三条危险性较大的分部分项工程是指建筑工程在施工过程中存在的、可能导致作业人员群死群伤或造成重大不良社会影响的分部分项工程。第五条施工单位应当在危险性较大的分部分项工程施工前编制专项方案；对于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程，施工单位应当组织专家对专项方案进行论证。《超过一定规模的危险性较大的分部分项工程范围》一、深基坑工程二、模板工程及支撑体系三、起重吊装及安装拆卸工程四、脚手架工程五、拆除、爆破工程六、地下暗挖工程、顶管工程、水下作业工程。1.4顶管施工4.2顶管顶进方法的选择应根据工程设计要求、工程水文地质条件、周围环境和现场条件，经技术经济比较后确定，并应符合下列规定：1)采用敞口式（人工挖土）顶管机时，应将地下水位降至管底以下不小于0.5m处；2)周围环境要求控制地层变形、或无降水条件时，宜采用封闭式的土压平衡或泥水平衡顶管机施工；3)穿越建（构）筑物、铁路、公路、重要管线时，应制订相应的保护措施；4)对于小口径的金属管道，无地层变形控制要求且顶力满足施工要求时，可采用一次顶进的挤密土层顶管法；1.4顶管施工4.3顶管土层选择：1）根据当今的顶管技术水平，从淤泥到岩石各类土层都可以顶进。只是哪类土层更适于顶进，在哪类土层中需要采用一定技术措施。2）淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粘土以及渗透系数小于10-3cm/s的砂土比较适于顶管。3）淤泥质、松填土和沼泽地基强度特别低，不均匀性特别大，顶管轴线不易控制，纠偏困难，易造成工作面坍塌和顶管轴线失稳，属于不宜顶管的土层。4）受压强度大于15MPa的弱风化以及中等风化的岩石，不宜选用顶管穿越层。1.4顶管施工5）卵砾石和渗透系数大于10-3cm/s的砂层，减阻泥浆不能形成泥膜，也不宜选为顶管土层。6）砂性土在顶管时阻力大，而且砂性土的渗透系数对减阻泥浆幕的形成质量影响大，并且砂土层密实度影响管道受力。7）填土层对于顶管属于不稳定土层，分为杂填土、素填土和吹填土等，顶进有难度。8）岩石层需要选择合适的顶管机，顶进进度要缓慢。9）黏性土层适于顶管，是顶管常见土层。1.4顶管施工4.4顶管机选型顶管诞生施工至今一百余年，发展经过四个阶段：挖掘面敞开的顶管、气压顶管、泥水平衡顶管和土压平衡顶管阶段。顶管机选用的基本原则：1、适应性原则（1）与土质相适应（2）与设计条件相适应（3）与地面条件相适应（4）与地下条件相适应2、可靠性原则（1）易使用性和操作性（2）顶管机耐用性（3）设备的可维修性1.4顶管施工3、安全性原则（1）机械的安全性（2）应对外部条件的安全性4、经济性原则（1）顶管机的性价比高（2）顶管机的适用范围广（3）顶管机的施工速度快（4）弃土处理容易且成本低1.4顶管施工4.5顶管施工顶力的选择1、顶进阻力计算应按当地的经验公式，或按公式6.3.4计算：（6.3.4）式中:Fp——顶力（kN）；Do——管道的外径（m）；L——管道设计顶进长度（m）；f——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2），通过试验确定；对于采用触变泥浆减阻技术的宜按表6.3.4-2选用；NF——顶管机的迎面阻力（kN）；不同类型顶管机的迎面阻力宜按表6.3.4-1选择计算式。2、工作井允许顶力计算3、后靠背允许顶力计算4、顶管管材允许顶力计算施工最大顶力应大于顶进阻力，但不得超过管材或工作井后背墙的允许顶力FpNDoLfF1.4顶管施工1.4顶管施工1.4顶管施工计算施工最大顶力时，应综合考虑管节材质、顶进工作井后背墙结构的允许最大荷载、顶进设备能力、施工技术措施等因素。顶进应连续作业，遇下列情况之一时，应暂停顶进，及时处理：1）顶管机前方遇到障碍；2）后背墙变形严重；3）顶铁发生扭曲现象；4）管位偏差过大且纠偏无效；5）顶力超过管材的允许顶力；6）油泵、油路发生异常现象；7）管节接缝、中继间渗漏泥水、泥浆；8）地层、临近建（构）筑物、管线等周围环境的变形量超出控制允许值。1.5顶管新概念—摩阻力顶管受力分析概念—管道顶进要承受土压力和顶力的联合作用。顶管管壁摩阻力计算两种方法：1、管壁摩阻力与土压力有关，由土压力乘以摩擦系数；2、根据不同土质的单位面积摩阻力计算管壁摩阻力（摩阻力与土压力无直接关系）1.5顶管新概念—摩阻力案例1：用9000KN顶力推动2KM长度顶管浙江省嘉兴某污水排海顶管工程，将一根DN2000钢筋砼管单向顶进2050米。顶进土层有砂质粉土夹粉砂、粉质粘土、淤泥质粉质黏土～淤泥质黏土，覆盖层较厚，最大厚度达20米左右。该工程实际顶力较小，中继间仅在管道启动时使用。管道启动后仅靠工作井的9000KN顶力就完成全程管道顶进。该工程顶进特点是：顶进轴线偏差小，补浆点多而且补浆充分。经核算，顶进动态摩阻力为0.43KN/m2，约为规范经验值的1/10；原因分析：良好的注浆条件和效果，造成管道浮在泥浆中向前移动，而不受管周土压力作用。1.5顶管新概念—摩阻力案例2：顶管停工一个月，顶力可以逆转厦门大学城某顶管工程，管径DN2200钢管，全长484米。在同一工作井内共有两根管道，因顶力过大，其中一根管道当顶力达到12000KN时将工作井后背墙损坏，停工一个月。修复后为避免管道在启动时破坏，决定不提高顶力，在管道内每隔六米增设补浆孔，全线补浆后第四天启动顶管，顶力很快下降到8000KN。正常顶进后，顶力又持续下降，最后顺利顶完全程。分析：管道弯曲下，并且在充分补浆后浆液将管道与土隔开，使摩阻力逐步降低，证明了“管壁摩阻力可以逆转”。1.5顶管新概念—摩阻力管道摩阻力与覆盖层厚度的关系另一个案例是超长距离顶管中的中继间顶力变化规律，中继间测试反映在管道弯曲段顶力增加，而直线段顶力几乎无变化，表明覆盖层的厚薄对中继间的顶力没有影响。再次证实土压力不直接作用在管道上。另外，在无地下水土层顶管，土层比较稳定，土的力学指标较高，管道的减阻措施是扩孔，由于存在土拱作用，管道承受土压力作用很小。顶管新概念1）注浆顶进管道不直接承受土压力作用。加减阻泥浆时，管道浮在泥浆中向前移动，干挖施工，管道壁除管底外均与土体脱开；2）直线顶进的管道摩阻力很小，停止顶进后管壁的摩阻力升高后再注浆可以使摩阻力逆转；3）管道弯曲是管壁阻力的主要原因，而且是不可逆转的。第二章.大直径钢管顶进施工技术2.大直径钢管顶进施工技术实例工程简介（1）输配