顶管工程介绍

顶管工程顶管施工技术讲座顶管工程技术的发展历史顶管施工技术工作井施工技术顶管管材设计顶管工程施工机械设备介绍顶管工地图片对本工程的建议结语主要内容前言顶管技术的发展历史顶管施工技术(Pipejacking)被认为最早应用于罗马时代，在二战中兴起于美国、二战后在欧洲的英国、德国和日本迅速发展。在2O世纪的6O和7O年代，顶管施工技术在美国、欧洲、日本得到了较大的改进，奠定了现代顶管施工技术的基础。顶管技术在中国的发展始于1956的上海。1984年前后，我国的北京、上海、南京等地先后开始引进国外先进的机械式顶管设备，使我国的顶管技术上了一个新台阶。随后进入快速发展阶段。顶管施工技术发展的主要原因是市场的推动。1顶管法顶管法是修建地下管道和涵洞的重要方法。1概述:顶管施工技术是一种非开挖地下管道施工方法，这种施工方法能很方便的穿越公路、铁路、房屋、河流等铺设地下管道，并且污染小，对交通影响小，开挖土方少，机械化程度高，被认为是一种现代化的管道铺设方法，越来越多的地下管道工程采用这一施工方法。1.1顶管法简介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.顶管法施工示意图目前广泛采用的三种顶进工法人工开放式顶进工法手掘式挤压式泥水平衡封闭式顶进工法网格水冲式刀盘掘进式岩盘破碎式土压平衡封闭式顶进工法大刀盘式多刀盘式顶管法施工主要用于特殊施工环境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。⑤埋深较深(深度大于4米以上),开槽明埋施工造价较高的工程等。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。1.2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，长距离顶进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；1.3顶管工程地质勘察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2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,工作坑和接收坑设计,管材设计。2.1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3)工作井的布设应遵循的条件工作坑是顶管施工的顶进工作场所。其位置可根据以下条件确定:⑴根据管线设计，工作坑可选在检查井处；⑵单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水；⑶考虑地形和土质情况,有无可利用的原土后背；⑷工作坑与可能穿越的建筑物要有一定安全距离；⑸工作坑与其周围建（构）筑物要有一定安全距离；⑹距水、电源较近的地方等。顶进工作井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、SWM工法井和钢板桩。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。一井多用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）。（2）接收工作井4312hhhHH2——地表至基底的高度（m）；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。2.2顶管顶力估算的经验公式Rf=K[f·（2PV+2PH+PB）+PA]其中：Rf——顶力（吨），K——安全系数，f——管壁与土间的摩擦系数PH——管侧的侧土压力（吨）PV——管顶上的垂直土压力（吨），PB——全部顶进的管段重量（吨），PA——管端部的贯入阻力（吨）顶力计算的理论公式PV=KP·γ·H·D外·LPH=γ（H+D外/2）·D外·L·tan2（45°—φ/2）PB=G·LPA=RA·A其中(根据设计图纸及本工程有关地质资料查得)：KP——垂直土压力系数,γ——土的容重(吨/米3),H——管顶覆土深度(米),D外——管道外径（米），L——管道顶进最大长度（米），φ——土的内摩擦角，G——管道单位长度重量（吨/米2），RA——土贯入阻力（吨/米2），A——管端面积（米2）2.3后背结构及抗力计算①后背结构设计本工程采用厚钢板后背（如上图），这种后背设置简单，安装时应满足下列要求:A.使千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3；B.后背垫铁可用70mm钢板。C.后背井壁后松散砂层灌注水泥砂浆增加土的抗剪强度。②后背的抗力计算管子在顶进过程中受到的全部阻力，都通过千斤顶传递给后背墙。所以后背墙必须有足够的稳定性。为了保证顶进质量和施工安全，应进行后背的强度和刚度计算。根据顶进需要的总顶力，运用朗肯土压力公式核算后背受力及挡桩的长度，使土体所受的力小于土壤的允许承载力。后背墙稳定性验算：Ｒ＝Ｋr*Ｂ*Ｈ(ｈ+Ｈ/2)ｒ*Ｋｐ式中:Ｒ——后背墙承载能力（ｔ）；Ｂ——后背墙的宽度（ｍ）；Ｈ——后背墙的高度（ｍ）；ｈ——后背墙至地面高度（ｍ）；ｒ——土的容量（ｔ/ｍ３）；Ｋr——被动土压力系数。Ｋｐ——后背墙的土坑系数。在设计后背墙时R＞T，安全系数应在1.2倍以上。当R≤T时，需做后背墙加固措施，如坝河地下土质较差，工作井底均为砂土，可采用现场浇灌混凝土挡土墙的措施，还可以采用加大后背墙承压面积、设置挖孔桩等措施。2.4顶管承压壁后靠土体的稳定验算1）沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算apFFFFP212各分量计算2221tg(45)2tg(45)tg(45)2222pFAHcHhH2221tg(45)2tg(45)tg(45)2222aFAHcHhH1121HApFaWF2计算示例2pcK()(45)2popHhKKtg22211()()221tg(45)tg(45)222ppHhKHhhKhHhH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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；掌握后背结构及抗力计算掌握沉井支护工作井承压壁后土体的稳定验算。3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。手掘式顶管工具管：正面全敞开挤压式顶管工具管：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DN2500泥水平衡掘进机头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基本相似。4中继环4.1中继接力原理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。中继环示意图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。4.2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。4.3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。5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；工程实例介绍外包钢板复合式钢筋混凝土管和钢筋混凝土管道的顶距已达100~290m，钢管的顶距已达1200m。2002.1嘉兴污水处理排海工程中，利用直径为2米的钢筋混凝土顶管，实现了一次顶进2060米，超越上海奉贤创造一次顶进1856米（1999）。本讲要点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。本讲要点顶管设计的关键技术；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；祝各位身体健康生活愉快!