第七講頂管法

1、.地地 下下 工工 程程 設(shè)設(shè) 計計 原原 理理第第0707章章 頂管法頂管法 .本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容n什么是頂管法？什么是頂管法？頂管法的功能與適用環(huán)境頂管法的功能與適用環(huán)境n頂管法的設(shè)計與計算頂管法的設(shè)計與計算n頂管的組成與構(gòu)造頂管的組成與構(gòu)造n頂管施工技術(shù)頂管施工技術(shù)學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求：n了解頂管法的功能和適用環(huán)境；了解頂管法的功能和適用環(huán)境；n掌握頂管結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算內(nèi)容和方法。掌握頂管結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算內(nèi)容和方法。.頂管法頂管法n采用液壓千斤頂采用液壓千斤頂或具有頂進(jìn)、牽引功能的設(shè)備，或具有頂進(jìn)、牽引功能的設(shè)備，以頂管工作井作承以頂管工作井作承壓壁壓壁，將管子按設(shè)計高程、方位、坡度逐根

2、頂入土層直至達(dá)到目的，將管子按設(shè)計高程、方位、坡度逐根頂入土層直至達(dá)到目的地。地。頂管法與盾構(gòu)法頂管法與盾構(gòu)法都是修建地下都是修建地下管道和隧道的重要方法。管道和隧道的重要方法。采用頂管法可以顯著降低明挖法由采用頂管法可以顯著降低明挖法由于基坑開挖和井點降水帶來的環(huán)境于基坑開挖和井點降水帶來的環(huán)境影響及危害。影響及危害。.頂管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖頂管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖頂管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地頂管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地帶的地下工程，其長度、斷面尺寸均受到帶的地下工程，其長度、斷面尺寸均受到較大限制。國內(nèi)最長的頂管隧道是西氣東較大限制。國內(nèi)最長的頂管隧道是西氣東輸工程穿越黃

3、河的隧道，長度近輸工程穿越黃河的隧道，長度近3000m3000m，直，直徑約徑約2m2m。挖建蓋（填）明挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖明挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖.頂管法的適用環(huán)境頂管法的適用環(huán)境 特殊地質(zhì)條件下的管道工程中特殊地質(zhì)條件下的管道工程中 ：n穿穿越江河、湖泊、港灣越江河、湖泊、港灣水水體下的供水、輸氣、輸油管道工程；體下的供水、輸氣、輸油管道工程；n穿穿越城市建筑群、繁華街道越城市建筑群、繁華街道地下地下的上下水、煤氣管道工程；的上下水、煤氣管道工程；n穿穿越重要公路、鐵越重要公路、鐵路路路基下的通訊、電力電纜管道工程；路基下的通訊、電力電纜管道工程；n水庫壩體水庫壩體涵管重建涵管重建工程等

4、。工程等。頂管技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了頂管法的安全應(yīng)用和推廣。頂管技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了頂管法的安全應(yīng)用和推廣。中繼環(huán)接力頂推裝置中繼環(huán)接力頂推裝置觸變泥漿減阻頂進(jìn)技術(shù)觸變泥漿減阻頂進(jìn)技術(shù)自動測斜糾偏技術(shù)自動測斜糾偏技術(shù)泥水平衡技術(shù)泥水平衡技術(shù)土壓平衡技術(shù)土壓平衡技術(shù)氣壓保護技術(shù)氣壓保護技術(shù)曲線頂管技術(shù)曲線頂管技術(shù) .頂管法的關(guān)鍵技術(shù)頂管法的關(guān)鍵技術(shù)1 1）方向控制：是頂管施工成敗的關(guān)鍵。方向控制：是頂管施工成敗的關(guān)鍵。與設(shè)計軸線一致，對長距離頂進(jìn)，應(yīng)保證中繼環(huán)正常工作；與設(shè)計軸線一致，對長距離頂進(jìn)，應(yīng)保證中繼環(huán)正常工作；2 2）頂力大小及方向頂力大小及方向： 管尾頂進(jìn)方式，頂進(jìn)距離必然受到限制管尾頂進(jìn)方式

5、，頂進(jìn)距離必然受到限制 ，一般采用中繼環(huán)接力；，一般采用中繼環(huán)接力；3 3）工具管開挖面正面土體的穩(wěn)定性工具管開挖面正面土體的穩(wěn)定性 防止坍塌、涌水和頂進(jìn)方向的偏離；防止坍塌、涌水和頂進(jìn)方向的偏離；4 4）承壓壁后靠結(jié)構(gòu)及土體的穩(wěn)定性承壓壁后靠結(jié)構(gòu)及土體的穩(wěn)定性 承壓壁結(jié)構(gòu)的強度和剛度、加固后靠土體限制土體滑動等。承壓壁結(jié)構(gòu)的強度和剛度、加固后靠土體限制土體滑動等。.頂管法的工程地質(zhì)勘察頂管法的工程地質(zhì)勘察勘察要點：勘察要點：土：土層類別、埋深；各土層土體的物理、力學(xué)性質(zhì)土：土層類別、埋深；各土層土體的物理、力學(xué)性質(zhì)水：地下水位、壓力；地下水和土的腐蝕性水：地下水位、壓力；地下水和土的腐蝕性環(huán)

6、境：土層凍結(jié)深度環(huán)境：土層凍結(jié)深度地下設(shè)施：地下管線；地下洞室；地下設(shè)施：地下管線；地下洞室；地表條件：臨近建筑物基礎(chǔ)；地面動載地表條件：臨近建筑物基礎(chǔ)；地面動載采用頂管法鋪設(shè)地下管路時選線的依據(jù)之一是工程地質(zhì)條件，為此應(yīng)采用頂管法鋪設(shè)地下管路時選線的依據(jù)之一是工程地質(zhì)條件，為此應(yīng)進(jìn)行足夠詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，包括勘探、物探、室內(nèi)土工和水力、進(jìn)行足夠詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，包括勘探、物探、室內(nèi)土工和水力、水質(zhì)試驗，并進(jìn)行場地環(huán)境調(diào)查等。水質(zhì)試驗，并進(jìn)行場地環(huán)境調(diào)查等。. 為減少對交通的干擾和避免大開挖，大口徑管節(jié)在埋深大于3m時，可采用頂管法埋設(shè)。一、機頭概念機頭也可以叫導(dǎo)頭或工作管，主要作用是挖掘

7、管節(jié)前的土壤，頂管時把管節(jié)導(dǎo)入設(shè)計位置，也就是起埋設(shè)管節(jié)的作用功能校正挖土方向,挖土,防止管節(jié)前土壤坍塌挖土方法手工擠壓水沖抽吸.二、工作坑 工作坑平面呈矩形，一般沿溝道方向較長，深度較深，坑壁支撐，一般采用鋼板樁；若竣工后坑位無需覆土，可采用鋼筋混凝土沉箱，箱壁應(yīng)預(yù)留位置正確、大小合適的管孔，竣工后沉井可改建成窨井。 坑的前后壁在溝道頂進(jìn)時受力巨大，均應(yīng)加固。 坑的后壁為千斤頂后座，承受全部推力的反作用力，應(yīng)進(jìn)行土力學(xué)概算。.三、管節(jié)頂進(jìn)與接口(一) 挖土挖掘方法人工挖土水力沖土擠壓切土機械切土(二) 管節(jié)頂進(jìn)方向控制 在頂管過程中，必須經(jīng)常觀測頂進(jìn)的管節(jié)位置是否符合設(shè)計。.(三) 管節(jié)接口

8、 頂管用的鋼筋混凝土管節(jié)的管口形式是凸口式，其接口的處理分兩個階段進(jìn)行。 在一節(jié)管子頂進(jìn)以后，另一節(jié)管子下到工作坑里時，將兩節(jié)管子的管口對齊，并在凸緣處填塞一圈浸過瀝青的麻辮；管內(nèi)壁的接口處用金屬內(nèi)脹圈將管子撐緊，使頂管過程中管子接口處不致產(chǎn)生錯口。 內(nèi)脹圈是兩個半圓形金屬圈，兩者用螺栓即可把內(nèi)圈脹大，撐緊兩節(jié)管子的接口。 管節(jié)全部頂進(jìn)后，拆除內(nèi)脹圈，再在接口處填水泥砂漿并與管內(nèi)壁抹平，接口就完成。.頂管時接口管理頂管時接口管理.頂管工程設(shè)計與計算頂管工程設(shè)計與計算1. 頂管工作井設(shè)置頂管工作井設(shè)置 兩種類型的工作井兩種類型的工作井1）供頂管機頭安裝用的）供頂管機頭安裝用的頂進(jìn)工作井頂進(jìn)工作井

9、（稱頂進(jìn)井）；（稱頂進(jìn)井）；2）供頂管工具管進(jìn)坑和拆卸用的）供頂管工具管進(jìn)坑和拆卸用的接收工作井接收工作井（稱接收井）。（稱接收井）。（a）雙向頂進(jìn)；（）雙向頂進(jìn)；（b）單向頂進(jìn)）單向頂進(jìn)p 工作井的設(shè)置工作井的設(shè)置p 頂管頂力估算頂管頂力估算p 承壓壁后靠結(jié)構(gòu)及土體的穩(wěn)定性承壓壁后靠結(jié)構(gòu)及土體的穩(wěn)定性.工作井支護結(jié)構(gòu)工作井支護結(jié)構(gòu) n實質(zhì)上是方形或圓形的實質(zhì)上是方形或圓形的小基坑小基坑，其支護類型同普通基坑，其平面尺寸，其支護類型同普通基坑，其平面尺寸較小，支護經(jīng)常較小，支護經(jīng)常采用鋼筋混凝土沉井和鋼板樁。采用鋼筋混凝土沉井和鋼板樁。n管徑管徑1.8m1.8m或頂管埋深或頂管埋深5.5m5.

10、5m時普遍采用時普遍采用鋼筋混凝土沉井鋼筋混凝土沉井作為頂進(jìn)工作為頂進(jìn)工作井。作井。n沉井作為工作井時，一般采用沉井作為工作井時，一般采用雙向頂進(jìn)雙向頂進(jìn)；n采用鋼板樁支護工作井時，一般采用采用鋼板樁支護工作井時，一般采用單向頂進(jìn)。單向頂進(jìn)。 有些工作井既可以用作前一管段頂進(jìn)的接收井，又是后一管段頂進(jìn)有些工作井既可以用作前一管段頂進(jìn)的接收井，又是后一管段頂進(jìn)的頂進(jìn)井。的頂進(jìn)井。 工作井可以采用圓形的，也可以采用矩形的。工作井可以采用圓形的，也可以采用矩形的。 工作井在施工結(jié)束后，一部分將改為閥門井、檢查井。工作井在施工結(jié)束后，一部分將改為閥門井、檢查井。 工作井地面影響范圍一般按井深的工作井地

11、面影響范圍一般按井深的1.51.5倍計算，在此范圍內(nèi)的建筑倍計算，在此范圍內(nèi)的建筑物和管線等均應(yīng)采取必要的技術(shù)措施加以保護。物和管線等均應(yīng)采取必要的技術(shù)措施加以保護。.頂管工作井的深度頂管工作井的深度 （1）頂進(jìn)工作井）頂進(jìn)工作井 （2）接收工作井）接收工作井3211hhhHh1h1地表至導(dǎo)軌頂?shù)母叨龋ǖ乇碇翆?dǎo)軌頂?shù)母叨龋╩ m）h2h2導(dǎo)軌高度（導(dǎo)軌高度（m m）h3h3基礎(chǔ)厚度（包括墊層）（基礎(chǔ)厚度（包括墊層）（m m）4312hhhHh1h1地表至支承墊頂?shù)母叨龋ǖ乇碇林С袎|頂?shù)母叨龋╩ m）h3h3基礎(chǔ)厚度（包括墊層）（基礎(chǔ)厚度（包括墊層）（m m）h4h4支承墊厚度（支承墊厚度（m

12、m）.防水構(gòu)造防水構(gòu)造n工作井的工作井的洞口洞口應(yīng)進(jìn)行防水處理，設(shè)置應(yīng)進(jìn)行防水處理，設(shè)置擋水圈和封門板，擋水圈和封門板，進(jìn)出井的一進(jìn)出井的一段距離內(nèi)應(yīng)進(jìn)行井點降水或地基加固處理，以防土體流失，保持土段距離內(nèi)應(yīng)進(jìn)行井點降水或地基加固處理，以防土體流失，保持土體和附近建筑物的穩(wěn)定。體和附近建筑物的穩(wěn)定。n工作井的工作井的頂標(biāo)高頂標(biāo)高應(yīng)滿足防汛要求，坑內(nèi)應(yīng)設(shè)置集水井，在暴雨季節(jié)應(yīng)滿足防汛要求，坑內(nèi)應(yīng)設(shè)置集水井，在暴雨季節(jié)施工時應(yīng)防止地下水流入工作井，事先在工作井周圍設(shè)置擋水圍堰施工時應(yīng)防止地下水流入工作井，事先在工作井周圍設(shè)置擋水圍堰。.2. 頂管頂力估算頂管頂力估算頂管推力應(yīng)克服頂管管壁與土的摩阻

13、力及前刃腳切土?xí)r的阻力：頂管推力應(yīng)克服頂管管壁與土的摩阻力及前刃腳切土?xí)r的阻力： N N1 1 管頂以上的荷載；管頂以上的荷載；N N2 2 全部管道自重；全部管道自重；E E 頂管兩側(cè)的土壓力；頂管兩側(cè)的土壓力；R R 土對鋼刃腳正面的單位面積阻力土對鋼刃腳正面的單位面積阻力 k k 系數(shù)，一般采用系數(shù)，一般采用1.21.2。2)(322111RAEffNNfNkP.1 1）沉井支護工作井承壓壁后靠）沉井支護工作井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗算土體的穩(wěn)定驗算apFFFFP2122221tg (45)2tg(45)tg (45)2222pFAHcHhH2221tg (45)2tg(45)tg (45

14、)2222aFAHcHhH1121HApFaWF 23. 頂管承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗算頂管承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗算考慮與否？考慮與否？.n無絕對把握的前提下，無絕對把握的前提下，F(xiàn)1及及F2均不予考慮均不予考慮。 n若不考慮若不考慮F1及及F2，一般采用下式進(jìn)行沉井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性，一般采用下式進(jìn)行沉井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性驗算：驗算：nS為沉井穩(wěn)定系數(shù)，一般取為沉井穩(wěn)定系數(shù)，一般取S1.01.2。土質(zhì)越差，。土質(zhì)越差，S的取值越大。的取值越大。SFFPap.2）鋼板樁支護工作井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗算）鋼板樁支護工作井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定驗算n首先首先可以假定不存在板樁可以假定不存在板

15、樁n板樁的參與作用，便出現(xiàn)板樁的參與作用，便出現(xiàn)了一條類似于了一條類似于板樁彈性曲板樁彈性曲線的荷載曲線線的荷載曲線FPp/23120)2121(phhhhp2bhPp 2bhF .兩段支護情況兩段支護情況 n只有最下面的一段參與只有最下面的一段參與承受承受和傳遞來自承壓壁的反作用和傳遞來自承壓壁的反作用力力 ；n要用混凝土將下段板樁與上要用混凝土將下段板樁與上段板樁之間的段板樁之間的空隙填充空隙填充起起來，以構(gòu)成封閉的傳力系來，以構(gòu)成封閉的傳力系統(tǒng)。統(tǒng)。否則否則，需將，需將h3縮短到上段縮短到上段板樁的下沿。板樁的下沿。.單段支護下的頂管工作井承壓壁穩(wěn)定性計算示意圖單段支護下的頂管工作井承壓

16、壁穩(wěn)定性計算示意圖n當(dāng)當(dāng)A A點在后靠土點在后靠土體被動土壓力線體被動土壓力線上或在其左側(cè)上或在其左側(cè)時，時，則后靠土體是穩(wěn)則后靠土體是穩(wěn)定的，定的， )2(23213hhhbPShp后靠土體的穩(wěn)定條件后靠土體的穩(wěn)定條件.雙段支護下的頂管工作井承壓壁穩(wěn)定性計算示意圖雙段支護下的頂管工作井承壓壁穩(wěn)定性計算示意圖)2(2)(32143hhhbPShhpn當(dāng)當(dāng)A A點在后靠土點在后靠土體被動土壓力線體被動土壓力線上或在其左側(cè)上或在其左側(cè)時，時，則后靠土體是穩(wěn)則后靠土體是穩(wěn)定的，定的， 后靠土體的穩(wěn)定條件后靠土體的穩(wěn)定條件.當(dāng)雙向頂進(jìn)的工作井中后靠板樁上留有通過管道的孔口時：當(dāng)雙向頂進(jìn)的工作井中后靠板

17、樁上留有通過管道的孔口時：n平均壓力應(yīng)修改為：平均壓力應(yīng)修改為：n后靠土體的穩(wěn)定工作條件：后靠土體的穩(wěn)定工作條件：單段支護單段支護兩端支護兩端支護2241DbhPp)4122(2223213DbhhhhhPShp)4122()(22232143DbhhhhhPShhp.承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性驗算 n估算承壓壁的尺寸；估算承壓壁的尺寸；n計算承壓壁后靠土體的穩(wěn)定安全系數(shù)計算承壓壁后靠土體的穩(wěn)定安全系數(shù)S；n當(dāng)當(dāng)S1時，增加承壓面積時，增加承壓面積n縮小縮小h3的辦法來增大的辦法來增大h2；n增大增大b；n降低降低P的值。的值。關(guān)于承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性關(guān)于承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性:在頂管頂進(jìn)時，應(yīng)

18、密切觀測承壓壁后靠土體的隆起和水平位移，在頂管頂進(jìn)時，應(yīng)密切觀測承壓壁后靠土體的隆起和水平位移，以此確定頂進(jìn)時的極限頂力；以此確定頂進(jìn)時的極限頂力；按極限頂力適當(dāng)安排中繼環(huán)的數(shù)量和間距；按極限頂力適當(dāng)安排中繼環(huán)的數(shù)量和間距；1. 可采取降水、注漿加固地基以及在承載壁后靠土體地表面施加超可采取降水、注漿加固地基以及在承載壁后靠土體地表面施加超載等方法來提高土體承受頂力的能力。載等方法來提高土體承受頂力的能力。. 頂管的組成與構(gòu)造頂管的組成與構(gòu)造 1. 1. 常用頂管工具管常用頂管工具管n頂管工具管有頂管工具管有手掘式、擠壓式、泥手掘式、擠壓式、泥水平衡式、三段兩鉸型水力挖土式水平衡式、三段兩鉸型

19、水力挖土式和多刀盤土壓平衡式和多刀盤土壓平衡式等。等。n手掘式手掘式頂管工具管為正面全敞開，頂管工具管為正面全敞開，采用人工挖土，如圖所示。采用人工挖土，如圖所示。n頂管工程的地表沉降頂管工程的地表沉降n一般頂管工具一般頂管工具引起的地表引起的地表沉降量可控制在沉降量可控制在50100mm，而采用泥水，而采用泥水平衡式頂管工具管引起的平衡式頂管工具管引起的地表沉降量更在地表沉降量更在30mm以以下。下。n頂管工具管的基本原理及頂管工具管的基本原理及施工工藝與盾構(gòu)施工工藝與盾構(gòu)相似相似。 .擠壓式頂管工具管：擠壓式頂管工具管：網(wǎng)格切土裝置或刃腳放大網(wǎng)格切土裝置或刃腳放大 .泥水平衡式頂管工具管泥

20、水平衡式頂管工具管 設(shè)置密封艙設(shè)置密封艙 .泥水平衡式頂管工具管泥水平衡式頂管工具管.三段兩鉸型水力挖土式頂管工具管三段兩鉸型水力挖土式頂管工具管 .多刀盤多刀盤土壓平衡式土壓平衡式頂管工具頂管工具 .大刀盤土壓平衡頂管機大刀盤土壓平衡頂管機 .主頂設(shè)備主頂設(shè)備 .2. 中繼環(huán)中繼環(huán)n頂進(jìn)阻力超過主千斤頂?shù)捻斶M(jìn)阻力超過主千斤頂?shù)娜菰S總頂力容許總頂力、管節(jié)管節(jié)容許的極限壓力和工容許的極限壓力和工作井承壓壁后靠作井承壓壁后靠土體極限反推力土體極限反推力三者中之一，采用中繼接力頂進(jìn)三者中之一，采用中繼接力頂進(jìn)技術(shù)。技術(shù)。n采用中繼接力技術(shù)時，將管道分成數(shù)段，在段與段之間設(shè)置中繼采用中繼接力技術(shù)時，將

21、管道分成數(shù)段，在段與段之間設(shè)置中繼環(huán)。環(huán)。 采用中繼接力技術(shù)以后，管道的頂進(jìn)長度不再受承壓壁后靠土體極限反推力大小的限制，只要增加中繼環(huán)的數(shù)量，就可增加管道頂進(jìn)的長度。 .中繼環(huán)構(gòu)造中繼環(huán)構(gòu)造（1）短沖程千斤頂組（沖程為）短沖程千斤頂組（沖程為150300mm，規(guī)格、性能要求一致）；，規(guī)格、性能要求一致）；（2）液壓、電器與操縱系統(tǒng)；）液壓、電器與操縱系統(tǒng)；（3）殼體和千斤頂緊固件、止水密封圈；）殼體和千斤頂緊固件、止水密封圈；（4）承壓法蘭片。）承壓法蘭片。.中繼環(huán)自動控制中繼環(huán)自動控制n從工具管向工作井依次按從工具管向工作井依次按1#1#、2# 2# 編號。編號。n工作時，首次啟動工作時，

22、首次啟動1#1#，n中繼環(huán)頂推行程達(dá)到允許行程后停止中繼環(huán)頂推行程達(dá)到允許行程后停止1#1#中繼環(huán)，啟動中繼環(huán)，啟動2#2#中繼環(huán)工中繼環(huán)工作，直到最后啟動工作井千斤頂。作，直到最后啟動工作井千斤頂。.3. 管道及其接口管道及其接口n頂管所用管道按其材質(zhì)分頂管所用管道按其材質(zhì)分鋼筋混凝土管和鋼管鋼筋混凝土管和鋼管兩類兩類;n管道接口是保證管道使用功能的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；管道接口是保證管道使用功能的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；n不同用途的管道具有不同的接口和材質(zhì)。不同用途的管道具有不同的接口和材質(zhì)。n鋼管接口一般采用鋼管接口一般采用承插、法蘭、螺紋或焊接。承插、法蘭、螺紋或焊接。 n排水管道排水管道采用的預(yù)制鋼筋混凝土管道采用的預(yù)制鋼筋混凝土管道 ；n煤氣管道煤氣管道一般采用鑄鐵管和鋼管一般采用鑄鐵管和鋼管 ；n上水管道上水管道普遍采用的鋼筋混凝土管及鋼管普遍采用的鋼筋混凝土管及鋼管 ；.頂管施工技術(shù)頂管施工技術(shù)n頂管推進(jìn)的方向控制頂管推進(jìn)的方向控制n管道