地下工程施工技术7.docx
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地下工程施工技术7
第七章顶管施工技术
一、概述
是地下管道施工中穿越障碍物时常用的一种施工技术。
1.定义:
一般是先在工作坑内设置支座和安装液压千斤顶,然后借助支座后座提供的反力将预制的管段顶如地层,边顶进,边开挖地层,边将管段接长,直到越过障碍物并到达接收坑。
顶管技术施工工艺总图
2.发展历史
100多年前,美国首先提出并采用该工艺。
1950年前后,英、德、日等国家相继采用。
1953年,我国首次应用于京包铁路。
1960年开始,许多国家得到广泛应用。
1960年,上海研制出了机械式顶管。
1967年,上海研制出了挤压式顶管。
1987年,上海市基础工程公司利用三段双铰型工具管顶进了1120m,直径3m。
1999年前后,浙江奉贤县污水排放工程:
长1856m,直径1.6m。
3.近期发展:
口径大小:
向两端发展,微型顶管和大直径顶管;
最大可达6m。
长度大小:
逐渐加长。
德国施工过1200m
中国1120m、1856m
曲线顶进:
4.优点
●管段整体预制,结构强度、水密性能易保证;
●与盾构法相比,接缝大为减少,容易达到防水要求;
●管道纵向受力性能好,能适应地层的变形;
●地面沉降小,利于环保;
●不需二次衬砌,工序简单;
●内壁光滑,流水阻力小。
二、工具管
1.手掘式工具管
依靠人工挖土和排土。
结构简单、操作方便。
劳动强度大。
用于直径小于1.5m、顶进距离不长的工程。
2.挤压式工具管
挤压式工具管
作业:
锥形挤压口在顶进力
优点:
操作简单
缺点:
由于是敞口,孔口易崩塌;开挖面扰动大;
排土量不易控制;地表沉陷和隆起量大。
适用条件:
淤泥质黏土、黏土;对环境保护要求不高。
3.三段双铰型工具管
主要靠水力冲挖泥土。
结构分前、中、后三段。
三段双铰型水力挖土工具管
1—刃脚,4—胸板,7—高压水仓;8—垂直铰链,9—纠偏油缸10—水枪,12—吸口隔栅,17—上下纠偏油缸;18—水平铰链,19—吸泥管,
20—气闸门21—大水密门
纠偏:
垂直纠偏——启动上下纠偏油缸,前段饶水平铰链上下转动
水平纠偏——启动水平纠偏油缸,中段和前段饶垂直铰链上下转动
结构:
冲泥仓(前部):
有刃脚和隔栅,用于切土和挤土
操作室(中部):
工人操作处,用胸板与冲泥仓隔开
控制室(后部):
有各种控制仪表,了解工作状态
优点:
测力灵敏、纠偏灵活、导向可靠、操作方便、
密封性好、能稳定土体、施工安全
缺点:
适用范围小。
因水力开挖,仅适用于靠近河流的工程并有排泥场所的工程。
4.泥水平衡式工具管
靠输入有压力的泥水使开挖面地层保持稳定的工具管。
前端有切土刀盘和密封泥水仓。
泥水平衡式工具管
操作:
顶进时,一边切土一边向仓内输入有压力的泥水,保持土体稳定。
切下的土随泥水一起输送至地面,泥水可循环使用。
优点:
适应范围广、施工速度快、操作环境好、施工安全、有利于长距离顶进等。
缺点:
泥水排放困难、需要配置一套庞大的泥水处理设备,适用性受到一定限制。
2.土压平衡式工具管
土压平衡式工具管
操作:
利用切削下来的土使切土面保持稳定。
用螺旋输送机排土。
排出的土装入斗车运出。
结构:
工具管的前后两节可以伸缩,也可折成一定的角度。
前后两节之间装有四组油缸,上下左右呈十字形布置。
优点:
对土层扰动小、能有效控制地表沉降
操作简便、安全、施工速度快、费用低
与泥水式相比,可减少对环境的污染
适用:
淤泥质黏土、黏土、亚黏土、粉沙土、有地下水的地层。
应用:
今年来,国内外发展较快,应用范围日趋扩大。
三、顶管在施工阶段的荷载计算
要保证顶进过程中管段有足够的强度和刚度,能满足在顶进时可能发生的受力变形要求。
1.受力分析
顶进阻力:
a.刃脚前壁阻力
b.各管的外壁摩阻力
c.纠偏力
d.阻碍性的强制顶进力
最大顶进力:
一般作用于最后面一节管段
最大纠偏力:
一般发生在最靠近工具管的管段
管段顶进时可能发生的一种受力状态
a—管段端面上的应力分布;b—纵向力的走向
2.总顶进阻力计算
计算目的:
验算管端面的局部承压能力
用于检验千斤顶的能力
决定是否需要设置中继环千斤顶
(1)上海地区的经验公式:
W=(3~5)×全程管道自重
人工开挖时取下限,挤压法时取上限。
(2)力学分析计算
与土层开挖方式有关:
人工开挖:
W=W1
挤压法开挖:
W=W1+W2
水冲法开挖:
W=W1+W2+W3
a.降水良好的坚实土层中
W1=f[K1(PV+PH)DL+P0]
式中:
f—管壁与土层的摩擦系数;
K1—顶力折减系数,顶进长度≤15m时,为1;16—30m时为0.8;31—45m时为0.75。
PV—作用于管顶的垂直土压力,PV=γH
PH—管壁上的水平土压力;
D—管道外径;
L—单程顶进长度;
P0—全程管道自重。
b.管道采用挤压法或水冲法顶进时工具管前端的迎面挤压力
W2=πDcptR
式中:
Dcp—锥形挤压口端面的平均直径;
t—锥形挤压口端面的平均厚度;
R—单位面积挤压力,一般取为被动土压力。
c.水冲法顶进时,工具管前端由泥浆引起的水压阻力:
W3=PπD2/4
式中,p—冲水压力,P=Dγ'/2
γ'—泥浆土重度,一般取12~13kN/m3
四、土压平衡式顶管
1.多刀盘切削式
直径:
2360mm、1800mm
刀盘:
四个,由各自的电机驱动。
转向:
水平的两只转向相反,竖向的两只转向相同。
使用:
每组油缸三只组成,形成150mm,工作压力21MPa
纠正方向应慢纠、勤纠四组油缸轮流使用。
所有操作都通过操纵台的按钮控制。
控制操作时,一个是方向,另一个是土压力。
土压力应在主动土压力和被动土压力之间。
优点:
构造简单、性能可靠、操作维修方便、造价低廉
自重小,便于运输和吊装
四个小刀盘的转矩互相抵消,不易产生偏斜
对地面和地下管线影响小
适应性强,有较大的发展前途。
2.大刀盘土压平衡式顶管机
工作原理与盾构掘进机相同。
最小的直径0.8m,最大直径十几米。
大刀盘土压平衡式顶管机
五、微型顶管
1.概述
(1)微型顶管的定义:
顶管直径很小,工作人员不能进入管道到达工作面,必须靠远距离自动控制进行操作的小型顶管称为微型顶管。
管道直径:
150~600mm。
适用:
在建筑物密集、交通繁忙的市区敷设电缆管道和市政管道。
(2)分类
挤土法
非纠偏微型顶管水平钻顶法
排土法套筒钻顶法
水平钻进法
挤钻法
纠偏微型顶管钻顶结合法
盾构法
非纠偏微型顶管:
非纠偏微型顶管
由于施工中前方不存在工具管,不能减小或降低正面阻力,故推进长度有限,一般仅用于覆土较浅、长度小于60m、直径200mm的微型顶管施工。
纠偏微型顶管:
纠偏微型顶管
2.压密式小口径顶管
●将前方土体向管道周围土体径向挤压,在不排土或少排土的情况下顶进管道。
●一般用于:
φ300mm以下的钢筋砼管、塑料管、钢管。
●日本产301型顶管机的工艺过程:
301型微型顶管机施工过程
1.装配:
将顶管机在顶进坑内吊装就位,并利用4个撑脚调整水平位置,在地面设置动力设备和控制台。
2.顶端推进:
机器前端的油缸先行顶出,将土向四周挤压。
3.后座推进:
位于顶进坑内的油缸向前顶进,同时前端的油缸向后缩回。
4.接续推进管。
5.到达另一端,头部装置回收。
6.拆卸顶进坑内的工作台。
●顶管机的定向:
水平方向:
机头上装有电磁波发射装置,地面上有接收器,靠电磁波的强弱测定和控制顶进方向。
侧向位置探测系统
垂直方向:
地面上设置储液箱,储液箱与机头内的压力元件相连通,机头位置的高低通过液压变化信息可在控制盘上得到反映,通过控制盘加以控制。
竖向位置探测系统
3.螺旋式小口径顶管
工艺:
a.将直径较小的螺旋杆从顶进坑顶到接收坑
b.在顶进坑内将扩管头与螺旋杆连接
c.顶进扩管头,同时前方的泥土用压力水冲碎,由螺旋杆将其输送到接收坑内,运出地面。
d.边顶进,边安装管段,边出土。
e.螺旋杆在顶进坑内逐节接长,在接收坑内逐节拆除。
f.最后取出扩管头。
使用条件:
管径必须在150mm以上、350mm以下,
推进距离最长为50m左右
土质:
适用范围宽,黏土、粉沙土、砂质土等均可。
特点:
施工精度高,推进50m时误差仅2mm
施工时无震动,噪音小
重量轻、操作方便、施工人员少
基坑小。
管长2m时,3.6m长、1.5m宽的顶进坑即可。
4.水平钻式小口径顶管
靠水平设置的螺旋钻钻进出土的一类微型顶管。
形式有多种,下图为典型形式。
工艺:
电动机带动螺旋杆转动、螺旋杆带动钻头转动并切土。
泥土由螺旋钻自身反向输送到工作坑内,运出地面。
螺旋杆随着钻头的钻进随时接长。
钻头到达接收坑后取出,在接收坑内安装顶进设备
将砼管从接收坑向工作坑顶进,直到砼管到达工作坑为止。
取出钻杆。
砼管的顶进由水平钻的钻杆导向。
适用:
管径250mm左右,顶进距离50m左右。
适用扩管器后,管径可达600mm
适用地层较广,如砾石、砂质土、黏土、粉土等
与上法的比较:
相同:
二者都需两次作业:
钻孔、顶管
区别:
螺旋钻式—砼管的顶进方向与钻的方向相同
从工作坑向接收坑方向顶进
水平钻式—砼管的顶进方向与钻的方向相反
从接收坑向工作坑方向顶进
优点:
顶进砼管时方向容易控制、也不需出土,速度快。
所需顶力较小,管的结构不易被压碎。
六、长距离顶管
长距离顶管的主要困难是:
顶进坑内的主千斤顶的推顶力有限,不足于克服管道长距离顶进时遇到的总阻力。
主要措施:
1.增加主千斤顶的顶力
比较有效,但受到一定限制:
机械水平的制约
管段端面的局部抗压强度限制
目前,单只千斤顶的顶力已从1000kN增大到2000kN。
2.减小管道周边与地层的摩擦力
●提高制作技术和质量。
工具管的刃脚外径略大于管道外径
圆度均匀,保持直径一致
●采用减摩泥浆
在管道的外壁涂抹泥浆
在管道外壁和地层之间注入触变泥浆:
膨润土泥浆。
一般在顶入第二节管段后开始注浆。
随着管段的推进,后面的管段要不断地补浆,每隔2~5节管段设置一些补浆孔。
3.降低开挖面的正面顶进阻力
主要措施时调整排土量。
靠及时清除工具管前端的渣土来实现。
但也不能过量清除,以免工作面失稳。
4.采用中继环,中途设置辅助千斤顶
即沿全长分成若干段,在段与段之间设置中继环。
中继环用钢材制作,内壁上设置一定数量的千斤顶,推动中继环前方的管道。
顶进时,先启用最前面的中继环,将前方的管道及工具管一起向前推进,后面的中继环和主千斤顶保持不动。
这样,逐段接力向前推进,住千斤顶在每个循环中都是最后推进。
一般单程顶进距离为40~100m。
由于逐段推进,总效率低。
举例:
浙江奉化排污工程的中继管布置。
总长度:
1856m,直径1.6m。
沿线设11个中继环。
每次仅用2个(为延长每个的适用寿命,减少每个的使用次数)。
中继环的布置间距:
越靠工具管,间距越小(因启动次数多,多布置以便于轮流启动,减少启动次数,延长使用寿命。
第10节间距:
246m
第11节间距:
256m