第七讲顶管法

地下工程设计原理第07章顶管法主讲教师：胡敏云本章主要内容什么是顶管法？——顶管法的功能与适用环境顶管法的设计与计算顶管的组成与构造顶管施工技术学习要求：了解顶管法的功能和适用环境；掌握顶管结构的设计计算内容和方法。顶管法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。顶管法与盾构法都是修建地下管道和隧道的重要方法。采用顶管法可以显著降低明挖法由于基坑开挖和井点降水带来的环境影响及危害。顶管法地下结构施工示意图顶管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地带的地下工程，其长度、断面尺寸均受到较大限制。国内最长的顶管隧道是西气东输工程穿越黄河的隧道，长度近3000m，直径约2m。挖建盖（填）明挖法地下结构施工示意图顶管法的适用环境特殊地质条件下的管道工程中：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。顶管技术的发展促进了顶管法的安全应用和推广。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曲线顶管技术顶管法的关键技术1）方向控制：是顶管施工成败的关键。与设计轴线一致，对长距离顶进，应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防止坍塌、涌水和顶进方向的偏离；4）承压壁后靠结构及土体的稳定性承压壁结构的强度和刚度、加固后靠土体限制土体滑动等。顶管法的工程地质勘察勘察要点：土：①土层类别、埋深；②各土层土体的物理、力学性质水：③地下水位、压力；④地下水和土的腐蚀性环境：⑤土层冻结深度地下设施：⑥地下管线；⑦地下洞室；地表条件：⑧临近建筑物基础；⑨地面动载采用顶管法铺设地下管路时选线的依据之一是工程地质条件，为此应进行足够详细的工程地质勘察，包括勘探、物探、室内土工和水力、水质试验，并进行场地环境调查等。为减少对交通的干扰和避免大开挖，大口径管节在埋深大于3m时，可采用顶管法埋设。一、机头概念机头也可以叫导头或工作管，主要作用是挖掘管节前的土壤，顶管时把管节导入设计位置，也就是起埋设管节的作用功能校正挖土方向,挖土,防止管节前土壤坍塌挖土方法手工挤压水冲抽吸二、工作坑工作坑平面呈矩形，一般沿沟道方向较长，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窨井。坑的前后壁在沟道顶进时受力巨大，均应加固。坑的后壁为千斤顶后座，承受全部推力的反作用力，应进行土力学概算。三、管节顶进与接口(一)挖土挖掘方法人工挖土水力冲土挤压切土机械切土(二)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。(三)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。内胀圈是两个半圆形金属圈，两者用螺栓即可把内圈胀大，撑紧两节管子的接口。管节全部顶进后，拆除内胀圈，再在接口处填水泥砂浆并与管内壁抹平，接口就完成。顶管时接口管理顶管工程设计与计算1.顶管工作井设置两种类型的工作井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工作井的设置顶管顶力估算承压壁后靠结构及土体的稳定性工作井支护结构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。有些工作井既可以用作前一管段顶进的接收井，又是后一管段顶进的顶进井。工作井可以采用圆形的，也可以采用矩形的。工作井在施工结束后，一部分将改为阀门井、检查井。工作井地面影响范围一般按井深的1.5倍计算，在此范围内的建筑物和管线等均应采取必要的技术措施加以保护。顶管工作井的深度（1）顶进工作井（2）接收工作井3211hhhHh1——地表至导轨顶的高度（m）h2——导轨高度（m）h3——基础厚度（包括垫层）（m）4312hhhHh1——地表至支承垫顶的高度（m）h3——基础厚度（包括垫层）（m）h4——支承垫厚度（m）防水构造工作井的洞口应进行防水处理，设置挡水圈和封门板，进出井的一段距离内应进行井点降水或地基加固处理，以防土体流失，保持土体和附近建筑物的稳定。工作井的顶标高应满足防汛要求，坑内应设置集水井，在暴雨季节施工时应防止地下水流入工作井，事先在工作井周围设置挡水围堰。2.顶管顶力估算顶管推力应克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻力：N1——管顶以上的荷载；N2——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。]2)([322111RAEffNNfNkP1）沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算apFFFFP2122221tg(45)2tg(45)tg(45)2222pFAHcHhH2221tg(45)2tg(45)tg(45)2222aFAHcHhH1121HApFaWF23.顶管承压壁后靠土体的稳定验算考虑与否？？无绝对把握的前提下，F1及F2均不予考虑。若不考虑F1及F2，一般采用下式进行沉井承压壁后靠土体的稳定性验算：S为沉井稳定系数，一般取S＝1.0~1.2。土质越差，S的取值越大。SFFPap2）钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算首先可以假定不存在板桩板桩的参与作用，便出现了一条类似于板桩弹性曲线的荷载曲线FPp/23120)2121(phhhhp2bhPp2bhF两段支护情况只有最下面的一段参与承受和传递来自承压壁的反作用力；要用混凝土将下段板桩与上段板桩之间的空隙填充起来，以构成封闭的传力系统。否则，需将h3缩短到上段板桩的下沿。单段支护下的顶管工作井承压壁稳定性计算示意图当A点在后靠土体被动土压力线上或在其左侧时，则后靠土体是稳定的，)2(23213hhhbPShp后靠土体的稳定条件双段支护下的顶管工作井承压壁稳定性计算示意图)2(2)(32143hhhbPShhp当A点在后靠土体被动土压力线上或在其左侧时，则后靠土体是稳定的，后靠土体的稳定条件当双向顶进的工作井中后靠板桩上留有通过管道的孔口时：平均压力应修改为：后靠土体的稳定工作条件：单段支护两端支护2241DbhPp)4122(2223213DbhhhhhPShp)4122()(22232143DbhhhhhPShhp承压壁后靠土体的稳定性验算估算承压壁的尺寸；计算承压壁后靠土体的稳定安全系数S；当S1时，增加承压面积缩小h3的办法来增大h2；增大b；降低P的值。关于承压壁后靠土体的稳定性:1.在顶管顶进时，应密切观测承压壁后靠土体的隆起和水平位移，以此确定顶进时的极限顶力；2.按极限顶力适当安排中继环的数量和间距；3.可采取降水、注浆加固地基以及在承载壁后靠土体地表面施加超载等方法来提高土体承受顶力的能力。顶管的组成与构造1.常用顶管工具管顶管工具管有手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式和多刀盘土压平衡式等。手掘式顶管工具管为正面全敞开，采用人工挖土，如图所示。顶管工程的地表沉降一般顶管工具引起的地表沉降量可控制在50~100mm，而采用泥水平衡式顶管工具管引起的地表沉降量更在30mm以下。顶管工具管的基本原理及施工工艺与盾构相似。挤压式顶管工具管：网格切土装置或刃脚放大泥水平衡式顶管工具管设置密封舱泥水平衡式顶管工具管三段两铰型水力挖土式顶管工具管多刀盘土压平衡式顶管工具大刀盘土压平衡顶管机主顶设备2.中继环顶进阻力超过主千斤顶的容许总顶力、管节容许的极限压力和工作井承压壁后靠土体极限反推力三者中之一，采用中继接力顶进技术。采用中继接力技术时，将管道分成数段，在段与段之间设置中继环。采用中继接力技术以后，管道的顶进长度不再受承压壁后靠土体极限反推力大小的限制，只要增加中继环的数量，就可增加管道顶进的长度。中继环构造（1）短冲程千斤顶组（冲程为150~300mm，规格、性能要求一致）；（2）液压、电器与操纵系统；（3）壳体和千斤顶紧固件、止水密封圈；（4）承压法兰片。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。3.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;管道接口是保证管道使用功能的关键技术环节；不同用途的管道具有不同的接口和材质。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；顶管施工技术顶管推进的方向控制管道偏离轴线主要是由于作用于工具管的外力不平衡。外力不平衡的原因有哪些？顶进过程中的方向控制可以采取哪些措施？顶管顶阻的减摩措施顶推力的实现本讲要点了解顶管法的工作原理；理解顶管阻力的计算方法；掌握沉井支护工作井承压壁后土体的稳定验算。掌握钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算；了解顶管工具管的施工工艺；理解中继接力原理。本章要点什么是顶管法？顶管法的构造组成有哪些？在市政管道和地下通道工程中，采用顶管法比明挖法具有哪些优势？顶管技术可用于特殊地质条件下的管道工程，主要有哪些情况？顶管法与盾构法有何区别？顶管法的施工技术关键有哪些？如何控制？常用的顶管法工作井的支护形式有那两种？工作井的断面有那两种形式？适用于什么样的条件？顶管的顶力如何估算？什么是中继环技术？什么时候需要采用中继环？