9-顶管与箱涵法施工

第七章顶管与箱涵法施工§7.1概述§7.2顶管法施工§7.3水平定向钻施工§7.4箱涵法施工§7.1概述在城市市政管道和地下通道工程中，普遍采用明挖法施工。但在管道埋深较大、交通干线附近和周围环境对位移、地下水有严格限制的地段则采用非开挖施工法更为安全与经济。常用的非开挖工法有：顶管法、水平定向钻法、箱涵法。§7.1概述§7.2顶管法施工顶管法是将管道用大功率的顶推设备顶进至终点来完成铺设任务的施工方法。顶管法施工过程如下：顶管的工作井----顶管出口孔壁对面侧墙为承压壁，其上安装液压千斤顶和承压垫板----然后以工具管为先导，将预制管节按设计轴线逐节顶入土层中----直到下一工作井的进口孔壁。§7.2顶管法施工60年代开始，顶管技术不断得到开发和推广；70-80年代，先后引进和开发了长距离顶管、中继间、泥浆减阻、计算机控制、激光导向系统等先进技术，管道顶进最大长度已超过千米。嘉兴污水处理排海顶管工程一次顶进2050m，创造了同类顶管工程的世界记录。顶管适用土层很广，特别适用于粘性土、粉性土和砂土，也适用于卵石、碎石、风化残积土等非粘性土。顶管法主要用于管径300-4000㎜的地下管道施工，设备能够平衡地下水压力和土压力，能控制地表的隆起和沉降，具有激光定向功能，顶进速度200-300㎜/min。7.2.1顶管法施工关键设备工具管工具管，又叫做机头，它是顶管的关键机具，一般有以下功能：掘进、防坍塌、出泥和导向。不同工具管有不同的特性，所以应当依据工程特点、地质情况和设计要求等选择合适的工具管。按照功能工具管分类如下：（1）按掘进功能，可分为：手掘式、挤压式、半机械式、机械式和水力挖掘式工具管。（2）按防坍塌功能，可分为：机械平衡式、泥水平衡式、土压平衡式、水压平衡式和气压平衡式工具管。（3）按出泥功能，可分为：干出泥式和泥水出泥式工具管。7.2.1顶管法施工关键设备中继间顶管的关键设备式工具管，而长距离顶进的关键设备是中继间。距离较长的管道，由于管道四周的摩阻力越来越大，一方面主千斤顶的顶力有限，不可能无限增加，另一方面主千斤顶的顶力也受到管道允许应力和后背墙允许应力的制约。为了解决上述问题就出现了中继间。采用中继间技术就是将一条长管道分为多个区段，并在区段之间加入中继环，中继环的作用时分散主战的顶力。而且一般主战的顶力要大于中继环的顶力。7.2.1顶管法施工关键设备触变泥浆减阻在顶管中为了减少管壁四周的摩阻力，触变泥浆套的形成依赖于工具管。在长距离和超常距离顶管中，由于施工工期较长，触变泥浆容易因失水而失去作用，因此在管道沿程，从工具管开始每隔一定距离都需设置注浆孔，及时补充新的触变泥浆。通常在中继环附近设置注浆孔。7.2.1顶管法施工关键设备纠偏纠偏是指工具管偏离设计轴线后，利用工具管的纠偏机构，改变管端的方向，减少偏差的过程。其目的是使管道沿设计轴线顶进。由于工具管产生的偏差都将全部保留在整条管线上，而且工具管的纠偏也是非常重要的，纠偏的好坏将直接影响顶管施工的质量。7.2.2顶管法施工中顶力计算顶管施工前必须首先计算顶力,然后才能根据计算出的顶力进行施工设计.与顶管直接有关的施工设计内容主要包括:千斤顶的选用规格及数量,不采用中继间的最大顶进距离,采用中继间的数量及其间距,管端能承受的最大顶力,是否采用润滑剂,后背墙的设计,以及不同方案的对比等.如果在顶进过程中，管道所受的应力大于其极限应力，就会引起管道的变形和破坏，影响管道正常的安装和使用。所以，为了避免损害管道及接点处发生应力集中，精确的估算顶进过程中顶力的大小在结构上也是必要的.7.2.2顶管法施工中顶力计算根据工程的特点以及实测顶力的变化情况，总结出影响顶力的主要因素如下：（1）地质条件的影响;（2）管径的影响;（3）注浆的影响。（4）顶进的施工操作。若顶进过程中停止时间过长，重新启动时，顶力会明显增大。因为停顿时间长，四周松土会坍落在管壁上，同时水分也会从减阻浆液中离析出来，失去减阻支撑作用，造成顶进阻力的增大。（5）管线偏差的影响。在顶进过程中不断出现偏差，若校正过多，也会引起阻力的增加，从而使总顶力增大。一般在进出洞口处，管线的偏差较大，纠偏次数也多，顶力增加较为显著。7.2.2顶管法施工中顶力计算上海市政经验公式上海结合该地区土层的具体条件，结合触变泥浆顶管工程的成熟经验，提出了顶力计算公式。F=KπDL式中：D----管道外径（m）；L----顶进距离（m）；K----采用触变泥浆时每平方米管道的外侧顶力，上海地区取K＝8～12KN/m2；注意：其他地区要根据实际经验对上式进行修正后方可使用。7.2.2顶管施工中顶力计算（2）顶力计算①按照理论公式计算：F＝1588KN。②按照半经验公式计算：顶管正面摩阻力F1＝310KN;顶管侧壁摩擦力F2＝2410KN。总顶力：F＝F1＋F2＝310+2410＝2720KN。流花路解放北路以太广场中华大酒店（1）工程概况本工程为广州地铁排水恢复工程,地下位置复杂,采用小口径土压平衡顶管法施工，施工采用注浆减阻。右图为施工平面图。7.2.2顶管法施工中顶力计算施工时每20cm记录一次顶力值（见图）。实测最大顶力为800KN。正面阻力的平均值越为300KN。管侧摩阻力，在前40m。根据实测值反算出的管侧摩阻力系数仅为0.3KN/m2；在后41m，反算出系数为3.3KN/m2，比经验公式计算出的顶力值小很多。因此，实际工程中要根据具体情况动态修正计算参数，积累当地的施工经验。顶进距离（m）顶力7.2.4顶管法施工工程实例垂直顶升工程布设反力座及千斤顶反力座施工流程图管节出洞管节接长终顶处理钢闷板特制钢框顶铁第一节管节就位管节千斤顶特制钢框封堵压浆利用特制钢框固定管节，防止其回落(1)在每次顶升前，测量立管的垂直度和中心偏移情况；(2)竖管的第一个节段顶升至水平隧道顶部，将水平隧道顶部切割出与竖管管节截面尺寸一致的钢壳作为可拆式封板，并与竖管顶部相互焊接作为竖管的钢闷板；(3)管节接长时，利用特制钢框固定已顶升完成的管节，以防止其回落；(4)竖直顶升完最后一节，与水平隧道利用螺栓及特制底框连接固定。(5)在竖管与水平管交接处钢管外压注水泥浆，进行最后的封堵压浆，以增强立管与水平隧道的水密性和连接稳定强度。(1)在施工顶管前，还应对每根立管所组成的管节进行试拼装，进行编号，在顶进过程中按编号对号入座，以确保每座立管的拼装精度；(2)管节混凝土强度等级为C30、抗渗标号为S8；(3)管节法兰连接应在法兰间敷设垫层，垫层材科可用压密性较好的沥青防水涂料或弹性较好的氯丁核胶密封条；(4)钢材采用环氧基重防蚀涂料和牺牲阳极阴极保护联合防腐。7.2.3顶管法的施工工艺动画显示§7.3水平定向钻施工7.3.1水平定向钻施工原理7.3.2水平定向钻施工前勘察7.3.3水平定向钻工程实例水平导向钻的施工工艺导向扩孔（φ300、φ400、φ500、φ600）回拖管材水平定向钻导向钻进原理大多数的导向钻进使用一种射流辅助切削钻头，钻头通常是一个斜面，因此当钻杆不停地回转时，可钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向推进而不转时，钻孔向一方偏向推进。在钻孔向前推进时，通过追踪安装在钻头内发射器的信号来确定导向钻的深度与方向钻孔轨迹的设计方法确定造斜点（直线段变为曲线段起点）确定曲线段的曲率半径计算每根钻杆的曲率半径钻杆号钻杆斜率钻杆深度备注1-25-0.752-21-1.383-17-1.897.3.2水平定向钻施工前勘察管道地基岩土分类（需重视砂土、淤泥质粘土）城市地下障碍物的调查（如杂填物，河道边板桩）城市已有地下管线的调查7.3.2水平定向钻施工前勘察静力触探（注意回填触探孔）管线仪（适合快速探测金属管线）地质雷达（可探查障碍物与各类管线）Subsite75R/75T型电磁感应法探测管线的仪器设备RD400PXL型RD4000型电磁感应法探测管线的仪器设备EKKO100增强型EKKO1000型Noggin250型EKKO系列SIR3000型（最新）匹配天线SIR系列3207型5103型5100型NextGSSI自行生产的天线X3M型RAMAC系列匹配天线RIS-2K/ME型（多道）RIS系列RIS-2K/0型（单道）宁夏路（近金沙江路轻轨站）现场探测图宁夏路（近金沙江路轻轨站）解释剖面北边油漆标记点雨水管Φ1000信息排管边长900煤气管Φ300Φ500上水管上水管Φ300雨水管Φ1000Φ700煤气管煤气管Φ300上水管Φ300南边油漆标记点1.20m1.00m1.20m1.00m1.00m1.8m0.80m1.00m宁夏路管线探测综合断面图比例1：220年月日北边探槽南边探槽φ300----管径0.8m----管顶埋深注：7.3.3水平定向钻工程实例峨眉站排管工程，排管长60米(2*6)，使用的管材为PE管，壁厚12MM，内径160MM，排管需穿越汉阳路和峨眉路，接进原有工井。顶管的最深深度为6.09米。施工完毕后通牛发现部份排管疏通有障碍。在2002年1月21日使用管道探测器对排管进行探测，探测结果有几孔严重变形，排管断面成椭圆形。(详细资料见管道探测联系单)。管道探测设备图(一)管道探测设备图(二)工程探测结果例图孔径的严重变形分析原因1、泥浆用量不够，造成护壁不够充份。2、管材的环刚度未达到设计要求，造成在顶管过程中无法承受外部压力而产生变形。3、扩孔不够充分，造成回拖管线与周围摩擦力加大。4、扩孔器和管材之间连接方式不完善。(目前大多采用拖管头固定器对管线进行固定。当其中一根管材受力后发生偏向，其他管材也会一起偏向，造成整体移位。)§7.4箱涵法施工采用预制钢筋混凝土箱涵顶进工法施工下立交道路，其原理在基坑内滑板上预制箱涵，采用油压千斤顶顶推箱涵，将箱涵从道路下穿越。然后再箱涵前后两端建造引道。施工流程：基坑围护及开挖---滑板制作---箱涵浇筑----顶进后靠施工及千斤顶安装---铁路或公路保护----箱涵顶进----引道施工§7.4箱涵法施工上海真北路立交位于沪宁铁路与真北路交叉处，下立交道路工程采用箱涵顶进法施工。为四个单孔箱涵，其中两孔快车道，两孔人行道。四个箱涵占据的总宽度为36.4m，箱涵长度为35.7一39.4m不等，箱涵中心线与铁路中心线交角为79度。箱涵的横断面见图。工程地质情况：从表层往下依次为褐黄色粉质粘土（层厚2.32m）、灰色粉砂（层厚2.88m）、灰色淤泥质粘土（层厚7.3m)，下卧层为饱和含水的软弱淤泥质粘土。§7.4箱涵法施工后背及滑板施工该工程考虑后靠梁与滑板组成共同相连结构，后靠梁为钢筋混凝土。滑板分为一块快车道滑板和二块慢车道滑板，滑板坡度分别为7.14%。和5.83%。滑板混凝土浇筑后在表面用水泥砂浆抹平。滑板表面涂上润滑隔离层，润滑剂采用石蜡：机油一4：1，厚度3mm，在润滑剂上铺一层塑料布。§7.4箱涵法施工箱涵制作四只单孔箱涵分别制作，每孔箱涵分两次浇筑混凝土，第一节为底部和部分墙身，第二节为剩余墙身和顶板。箱涵外侧直线度小于1cm。箱涵混凝土浇筑后进行精心养护，混凝土达到强度后在外表面涂刷沥青防水层。§7.4箱涵法施工箱涵顶进快车道箱涵顶进依靠10只200T千斤顶，慢车道为7只千斤顶。为减少箱涵顶进启动的摩阻力，采取在箱涵底部设气垫。快车道箱涵自重1365T，设气垫后摩阻系数可减少至0.3,设计启动顶力仅为405T。千斤顶顶程为1.5m，箱涵顶进中，不断增加钢顶铁和混凝土顶柱，顶铁长lm，顶柱长4m。顶进测量采用激光经纬仪导向，水准仪测高程，顶进施工时每顶一次即进行一次高程和左右偏差的测量，反馈施工，及时纠偏。箱涵两侧设导向墩，可用于箱涵人土前的纠偏调整。为防止箱涵端部“叩头”，在箱涵底板前端安装一个钢制的船头坡。Theend.