管道顶进施工

顶管法原理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.顶管施工技术的发展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。随着时间的推移，顶管技术也与时俱进地得到迅速发展。主要体现在以下方面：一次连续顶进的距离：越来越长顶管直径：向大小直径两个方向发展管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢顶管挖掘技术：机械化程度越来越高顶管线路的曲直度：曲线形状越来越复杂，曲率半径越来越小。顶进工法的类型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的应用特殊施工环境条件下的管道工程：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。顶管法施工关键技术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；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；工具管开挖面正面土体的稳定性；承压壁后靠结构及土体的稳定性；顶管工程地质勘察勘察要点：土层类别、埋深各土层土体的物理、力学性质地下水位、压力地下水和土的腐蚀性土层冻结深度地下管线地下洞室临近建筑物基础地面动载顶管工程设计双向顶进工法选择及顶管机选型；工作井设置；顶管顶力估算；承压壁后靠结构及土体的稳定验算；工作坑和接收坑设计；管材设计。单向顶进手掘式顶管施工是最早发展起来的一种顶管施工方式。在特定的土质条件下和采用一定的辅助施工措施后具有施工操作简便、设备少、施工成本低、施工进度快等优点，至今仍被广泛采用。顶管机及其选型手掘式顶管机手掘式顶管机也即是非机械的开放式(或敞口式)顶管机，适用于能自稳的土体中。在顶管的前端装有工具管，施工时，采用手工的方法来破碎工作面的土层，破碎辅助工具主要有镐、锹以及冲击锤等。如果在含水量较大的砂土中，需采用降水等辅助措施。一段式工具管与砼管结合不太可靠，易产生渗漏现象；发生偏斜时纠偏效果不好；千斤顶直接顶在砼管上，管节容易损坏。前段壳体纠偏油缸后段壳体手掘式顶管机主要由切土刃角、纠偏装置、承插口等组成。所用的工具管有一段式和两段式。两段式工具馆前后两段之间安装有纠偏油缸，后壳体与后面的正常管节连接在一起。手掘式顶管施工的优缺点优点：具有顶管施工的所有优点。工作坑占用场地小。设备简单、技术难度低，易于推广。缺点：对不同地质条件有很大的局限性。顶进面土压不能平衡，容易塌方。劳动强度大，施工进度慢。泥水平衡式顶管机泥水平衡顶管机是指采用机械切削泥土、利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力、采用水力输送弃土的泥水式顶管机，是当今生产的比较先进的一种顶管机。泥水平衡式顶管机按平衡对象分有两种：泥水仅起平衡地下水的作用，土压力则由机械方式来平衡；泥水同时具有平衡地下水压力和土压力的作用。泥水平衡式顶管机结构及施工泥水平衡工具管正面设刀盘，并在其后设密封舱，在密封舱内注入稳定正面土体的泥浆，刀盘切下的泥土，沉在密封舱下部的泥水中而被水力运输管道运至地面泥水处理装置。泥水平衡式工具管主要由大刀盘装置、纠偏装置、泥水装置、进排泥装置等组成。在前、后壳体之间有纠偏千斤顶，在掘进机上下部安装进、排泥管。DN2500泥水平衡掘进机头泥水平衡顶管施工的完整系统由顶管机、进排泥系统、泥水处理系统、主顶系统、测量系统、起吊系统、供电系统等组成。泥水平衡顶管施工与其它形式的顶管相比，增加了进排泥和泥水处理系统。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。泥水平衡式顶管施工的优缺点土压平衡式顶管机土压平衡顶管机由土压平衡盾构机移植而来，其平衡原理与盾构相同。与泥水顶管施工相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般不需再进行二次处理，具有刀盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、地面和建筑的沉降较小等特点。按泥土仓中所充的泥土类型分，有泥土式、泥浆式和混合式三种；按刀盘形式分，有带面板刀盘式和无面板刀盘式；按有无加泥功能分，有普通式和加泥式；从刀盘的机械传动方式分，有中心传动式、中间传动式和周边传动式；按刀盘的多少分，有单刀盘式和多刀盘式。优点:适用的土质范围广,从软黏土到砂砾土都能适用,是一种全土质的顶管掘进机,能保持挖掘面稳定,地面变形极小,施工时的覆土可很浅,是其他形式的顶管机无法做到的(覆土太浅时,手掘式顶管地面易塌陷,泥水式和气压式顶管则易冒顶和跑气).弃土运输处理方便,作业环境好.缺点:在砂砾层和粘粒含量少的砂层中施工时,必须采用添加剂改良土体.土压平衡式顶管施工的优缺点单刀盘式（DK型）顶管机单刀盘式土压平衡顶管机是日本在上世纪70年代初期开发的，它具有广泛的适应性、高度的可靠性和先进的技术性。又称为泥土加压式顶管机，由刀盘及驱动装置、前壳体、纠偏油缸组、刀盘驱动电机、螺旋输送机、操纵台、后壳体等组成。适用于φ1.2~3.0m口径的混凝土管施工，在软土、硬土中都可采用，并且可与盾构机通用，可在覆土厚度为0.8倍管道外径的浅埋土层中施工。大刀盘土压平衡顶管机多刀盘式（DT型）顶管机这是一种非常适用于软土的顶管机，四把切削搅拌刀盘对称地安装在前壳体的隔仓板上，伸入到泥土仓中。隔仓板把前壳体分为左右两仓，左仓为泥土仓，右仓为动力仓。螺旋输送机按—定的倾斜角度安装在隔仓板上，螺杆是悬臂式，前端伸入到泥土仓中。前后壳体之间有呈井字形布置的四组纠偏油缸联接。小刀盘螺旋出土机纠偏千斤顶多刀盘式（DT型）顶管机工作井及其布置工作井（工作坑或基坑），按其作用分为顶进井（始发井）和接收井两种：顶进井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机的始发场所，是承受主顶油缸推力的反作用力的构筑物，供工具管出洞、下管节、挖掘土砂的运出、材料设备的吊装、操纵人员的上下等使用。接收井是接收顶管机或工具管的场所，与工作井相比，接收井布置比较简单。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:根据管线设计，工作坑可选在检查井处；单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水；考虑地形和土质情况,有无可利用的原土后背；工作坑与可能穿越的建筑物要有一定安全距离；工作坑与其周围建（构）筑物要有一定安全距离；距水、电源较近的地方等。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。顶进工作井顶进工作井的井内布置123456789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-井壁井内布置内容主要包括前止水墙、后座墙、基础底板、排水井，以及工具管、环形顶铁、弧形顶铁、基坑导轨、主顶千斤顶及千斤顶架、后靠背等。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。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。沉井工作坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁。钢板桩工作坑中，须在工作坑内的后方与钢板桩之间浇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。注意后座墙的平面一定要与顶进轴线垂直。后座墙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。后背结构后背的抗力计算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，如浇灌混凝土挡土墙、加大后背墙承压面积、设置挖孔桩等措施。工作井的洞口应进行防水处理，设置止水圈和封门板，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。防水构造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。顶进导轨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。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。主顶设备若采用的主顶千斤顶的行程长短不能一次将管节顶到位时，必须在千斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。顶铁有环形顶铁和弧形或马蹄形顶铁之分。环形顶铁：其内外径与混凝土管的内外径相同，主要作用是把主顶油缸的推力较均匀地分布在所顶管子的端面上；顶铁环形顶铁弧形和马蹄形顶铁的作用：一是用于调节油缸行程与管节长度的不一致；二是把主顶油缸各点的推力比较均匀地传递到环形顶铁上去。弧形顶铁用于手掘式、土压平衡式等许多方式的顶管中，它的开口是向上的，便于管道内出土。马蹄形顶铁适用于泥水平衡式顶管和土压式中采用土砂泵出土的顶管施工，它的开口方向与弧形顶铁相反，倒扣在基坑导轨上的，主顶油缸回缩以后加顶铁时不需要拆除输土管道。弧形顶铁马蹄形顶铁地表沉降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。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。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