非开挖顶管结构设计.ppt

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第六章第六章非开挖顶管设计非开挖顶管设计（设计）（设计）主讲：

孟杏微主讲：

孟杏微11/10/2022劈裂锥形物顶进坑接收坑非开挖技术非开挖技术（TrenchlessTechnologyTrenchlessTechnology）是指利用岩土钻掘技）是指利用岩土钻掘技术在地表不开挖的情况下，铺设、修复和更换地下管线。

术在地表不开挖的情况下，铺设、修复和更换地下管线。

6.16.1概述概述2010-05-2811/10/2022顶管技术顶管技术（PipeJacking）（PipeJacking），也称为液压顶管技，也称为液压顶管技术，不仅是一种具体的非开挖管道铺设方法，同时术，不仅是一种具体的非开挖管道铺设方法，同时还是以顶管施工原理为基础的一些非开挖铺管技术还是以顶管施工原理为基础的一些非开挖铺管技术的总称的总称.6.16.1概述概述2010-05-2811/10/2022AA顶管机顶管机BB顶进井顶进井CC皮带传送机皮带传送机DD顶管顶管EE钢顶管凸轮钢顶管凸轮FF泥浆车泥浆车GG整洁的运行电池整洁的运行电池HH泥浆润滑泥浆润滑II轨道轨道JJ钢顶管环钢顶管环K2K266个液压顶个液压顶LL激光束激光束MM注浆注浆NN顶进井顶进井OO轨道段轨道段PP泥浆润滑混合器泥浆润滑混合器2010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/2022顶管管片2010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/2022a.a.穿越江河、湖泊、港穿越江河、湖泊、港湾水体下的供水、输气、湾水体下的供水、输气、输油管道工程。

输油管道工程。

非开挖顶管应用范围非开挖顶管应用范围b.b.穿越城市建筑群、繁穿越城市建筑群、繁华街道地下的上下水、华街道地下的上下水、煤气管道工程。

煤气管道工程。

2010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/2022c.c.穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程电力电缆电力电缆水平仪水平仪顶管掘进机顶管掘进机2010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/2022d.水库坝体涵管重建工程2010-05-2811/10/2022e.箱型断面通道2010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/2022f.顶管锚固2010-05-2811/10/2022设计包括：

土层工程勘察、工作井开挖和支设计包括：

土层工程勘察、工作井开挖和支护设计、顶管顶进、顶管荷载分析计算、盾构挖护设计、顶管顶进、顶管荷载分析计算、盾构挖掘和工程管理等设计。

掘和工程管理等设计。

6.26.26.26.2顶管工程结构设计顶管工程结构设计顶管工程结构设计顶管工程结构设计6.2.1土层工程地质勘察工程地质勘查不仅是顶管工程设计不可缺少的程序，也是知道设计和施工的重要技术资料。

勘查要点主要包括：

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；2010-05-2811/10/20226.2.2顶管工作井设计在顶管施工中，虽然不需要开挖地面，但必须在顶进管道的两端开挖若干个工作井。

可分为：

顶进工作井和接收工作井。

土层冻结深度；地下管线；地下洞室；临近建筑物基础；地面动荷载。

主要方法：

钻探、井探；土工试验；调查、工程物探等等。

2010-05-2811/10/2022供顶管机头安装用的供顶管机头安装用的顶进工作井顶进工作井（顶进井顶进井）供顶管机进坑和拆卸用供顶管机进坑和拆卸用的接收工作井的接收工作井（接收井接收井）接收井接收井顶进井顶进井2010-05-2811/10/2022顶进井接收井2010-05-2811/10/2022工作井施工工作井施工2010-05-2811/10/20221111）工作井的分类及顶进形式）工作井的分类及顶进形式）工作井的分类及顶进形式）工作井的分类及顶进形式a.a.工作井分类：

工作井分类：

按使用性质：

顶进、终点、中间工作井。

按使用性质：

顶进、终点、中间工作井。

按设计深度：

浅、普通、深工作井。

按设计深度：

浅、普通、深工作井。

b.b.顶进形式：

顶进形式：

按顶进方向：

单向、双向、调头、多向顶进。

按顶进方向：

单向、双向、调头、多向顶进。

按管道排数：

单排、双排、多排顶进。

按管道排数：

单排、双排、多排顶进。

2）2）工作井的设计原则工作井的设计原则工作井选址原则工作井选址原则2010-05-2811/10/2022应根据下列条件选择顶管工作井的位置：

1）管道井室的位置；2）可利用井壁土体作后座墙；3）便于排水、出土和运输；4）对地上和地下的建筑物、构筑物易于采取保护及安全施工措施；5）距电源和水源较近，交通便利；6）单向顶进时宜设在下游一侧。

需要注意的问题：

a.尽量减少工作井的数量；b.选址应避开房屋、地下管线、池塘、架空电线等不利于施工的场所等等。

2010-05-2811/10/20223）顶管工作井设计工作井实质上是方形或圆形的小基坑，支护常采用钢筋混凝土沉井和钢板桩。

工作井在施工结束后，一部分将改为阀门井、检查井。

因此，在设计工作井时要兼顾一井多用的原则。

2010-05-2811/10/2022

（1）矩形工作井底部尺寸设计计算2010-05-2811/10/2022顶进井顶进井接收井接收井

（2）顶管工作井的深度2010-05-2811/10/20222010-05-2811/10/20226.2.3顶进力的分析计算顶管技术中的顶进力是在施工中推进整个管道系统和相关机械设备向前运动的力，需要克服顶进中的各种阻力，同时在顶进过程中还不断的受到各种外界因素的影响。

影响因素：

施工设计和现场施工条件；施工工艺因素；2010-05-2811/10/2022施工设计和现场施工条件对顶进力的影响：

a.顶进管道的尺寸、形状、自重和外表面的性质；b.施工管线的长度；c.土层类型及在施工中的变化情况；d.地下水位高度；e.土体稳定性；f.覆土厚度以及上部地层的容重；g.地表的荷载情况。

2010-05-2811/10/2022施工工艺的影响：

a.施工中的超挖量；b.润滑措施；c.管接头出的台阶或变形；d.曲线段顶进；e.管道的错位；f.中继站的采用；g.管道的顶进速度；h.施工停顿的频度和时间。

顶管顶力只有克服顶管管壁与土层之间的摩擦阻力及前刃角切土时的阻力，才能把管道推进土体中。

2010-05-2811/10/20226.2.46.2.46.2.46.2.4后座墙设计后座墙设计后座墙设计后座墙设计后座墙后座墙是顶进管道时为千斤顶提供反作用力的是顶进管道时为千斤顶提供反作用力的一种结构。

在施工中，要求后座墙必须保持稳定，一种结构。

在施工中，要求后座墙必须保持稳定，一旦后座墙遭到破坏，顶进工程就要停顿。

一旦后座墙遭到破坏，顶进工程就要停顿。

（1）后座墙的功能及要求功能：

在顶进过程中自始至终地承担主顶工作站顶管前进时的后座力。

要求：

（1）充分的强度；

（2）足够的刚度；（3）后座墙表面要平直；（4）材质要均匀；（5）结构简单、装拆方便。

2010-05-2811/10/2022（2222）后座墙的强度及影响因素）后座墙的强度及影响因素）后座墙的强度及影响因素）后座墙的强度及影响因素影响因素：

影响因素：

客观因素（客观因素（管材种类、管径大小、顶距管材种类、管径大小、顶距长长短、覆土厚度、土的种类、地下水位、管节重量短、覆土厚度、土的种类、地下水位、管节重量）主观因素（主观因素（顶进误差；中途停工；挖土方法顶进误差；中途停工；挖土方法）。

（33）后座墙的刚度要求）后座墙的刚度要求（44）后座墙的形式和类别）后座墙的形式和类别按结构：

整体式和装配式按使用材料：

人工后座墙和天然后座墙按土的性能利用：

压缩式、拖拉式、重力式2010-05-2811/10/2022（55）后座墙的设计计算）后座墙的设计计算在一般情况下，顶管工作井后座墙能承受的最大顶力取决于所顶管道所能承受的最大顶力，在最大顶力确定之后，即可据此进行后座墙的结构设计。

顶管工作井普遍采用沉井或钢板桩支护结构，对这两种形式的工作井都应首先验算支护结构的强度。

此外，由于顶管工作井承压壁后靠土体的滑动会引起周围土体的位移，影响周围环境并影响到顶管的正常施工，所以在工作井设置前还必须验算顶管承压壁后靠土体的稳定性，以确保顶管工作井的安全和稳定性。

2010-05-2811/10/202211）沉井支护工作井壁后土体稳定验算）沉井支护工作井壁后土体稳定验算采用沉井结构作为顶管工作井时，可按左图所示的顶管顶进时的荷载计算图，验算沉井结构的强度和沉井承压壁后靠土体的稳定性。

沉井承压壁后靠土体在顶管顶力超过其承受能力后会产生滑动。

沉井承压壁后靠土体的极限平衡条件为水平方向和合力为零。

2010-05-2811/10/2022顶管最大计算顶力：

2010-05-2811/10/2022在实际工程中，在无绝对把握的情况下，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：

2010-05-2811/10/2022（a）没有板桩墙的协同作用；（c）在板桩墙的协同作用下（荷载曲线近似于梯形）（b）在板桩墙的协同作用下（荷载曲线类似于弹性曲线）；2）钢板桩支护工作井壁后土体稳定验算2010-05-2811/10/2022式中，-承压壁承受顶力后的平均压力。

由于板桩的协同作用，便出现了一条类似于板桩弹性曲线的荷载曲线。

因为板桩自身刚度较小，承压壁后面的土压力一般假设为均匀分布，而板桩两端的土压力为零，则总的土体抗力为梯形分布，由板桩静力平衡条件得：

2010-05-2811/10/2022当顶进管道的敷设深度较大时，顶管工作井的支护通常采用如图所示的两段形式。

在两段支护的情况下，只有下面的一段参与承受和传递来自承压壁的作用力，因而仍可用上述公式。

至于h4，则可不必考虑。

下面一段完全参与起作用的前提，是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。

2010-05-2811/10/2022图6.7钢板桩单段支护条件下的承压壁稳定性计算（a）安全系数K1，表明足够稳定；（b）安全系数K=1，表明尚且稳定；（c）安全系数K1，表明不稳定2010-05-2811/10/2022图6.8钢板桩两段支护条件下的承压壁稳定性计算（a）安全系数S1，表明足够稳定；（b）安全系数S=1，表明尚且稳定；（c）安全系数S1，表明不稳定2010-05-2811/10/2022从图6.7、图6.8两图中可见，当A点在后靠土体被动土压力线上或在其左侧（即承压壁后靠土体反力等于或小于承压壁上的被动土压力）时，则后靠土体是稳定的，由此推导得后靠土体的稳定条件为:

2010-05-2811/10/2022上述推导是基于单向顶进的情况，若是双向顶进，即后靠板上留有通过管道的孔口时，则平均压力P应修改为:

同理后靠土体的工作稳定条件为:

2010-05-2811/10/20226.3顶管掘进方法、设备和管材2010-05-2811/10/20226.3.1顶管挖掘方法国内常用的顶管机：

手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式、多刀盘土压平衡式。

2010-05-2811/10/2022最简单的手掘式顶管机只有顶进工具管，即只有一个钢质的圆柱形外壳加上楔型的切削刃口、液压纠偏油缸、一个传压环以及一个用来导正和密封第一节顶进管道的盾尾。

2010-05-2811/10/2022手掘式顶管机也即是非机械的开放式手掘式顶管机也即是非机械的开放式手掘式顶管机也即是非机