5.4頂管工程關(guān)鍵技術(shù)分析

第五章頂管施工技術(shù)大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部宋永發(fā)課程內(nèi)容contents頂管技術(shù)的基本原理及組成國(guó)內(nèi)外頂管技術(shù)的發(fā)展5.15.2頂管施工的分類及特點(diǎn)5.3超大斷面矩形頂管施工技術(shù)頂管工程關(guān)鍵技術(shù)分析5.45.55.4頂管工程關(guān)鍵技術(shù)分析5.4.1管道頂進(jìn)頂管頂進(jìn)方式選擇原則如下：首先，詳細(xì)了解工程概況，地質(zhì)條件，地下水位，頂管的管徑，埋深，附近地上或地下建筑物、構(gòu)筑物和各種設(shè)施，附近管線的埋設(shè)，地下阻礙物情況等。其次，從技術(shù)的角度考慮：對(duì)于口徑小的頂管，因人無法進(jìn)入管內(nèi)施工，通常都采用泥水頂進(jìn)；對(duì)于地下水位高、變化大及土質(zhì)較松軟的地段，宜采用掘進(jìn)法施工；對(duì)于地下雜物、石子較多即障礙物較多的情況，應(yīng)選用具有除障功能的機(jī)械式掘進(jìn)機(jī)或采用手掘式頂管等等一系列情況。概述5.4.1管道頂進(jìn)頂管頂進(jìn)方式選擇原則如下：最后，還應(yīng)考慮安全因素，一般所選頂管方式要能處理未預(yù)見到的情況(如石塊等)，避免出現(xiàn)頂不進(jìn)退不出的局面。施工工藝的選擇在整個(gè)頂管階段是尤為重要的，在頂管施工前宜按以上方法確定施工工藝的合理組合。概述5.4.1管道頂進(jìn)頂管隧道開挖面穩(wěn)定性理論研究較少，主要參考盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性來進(jìn)行。開挖面穩(wěn)定性研究的過程主要為：先構(gòu)造典型的開挖面失穩(wěn)破壞模式，然后通過極限分析法或極限平衡法等方法建立能量或者力學(xué)平衡方程，求解得到開挖面極限支護(hù)力。（1）頂管隧道開挖面穩(wěn)定性研究5.4.1管道頂進(jìn)由于極限分析法的模型和求解過程較為復(fù)雜，難以推廣應(yīng)用，而極限平衡法具有模型簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便和推導(dǎo)過程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)隧道極限支護(hù)力計(jì)算中。楔形體模型是目前開挖面穩(wěn)定性研究的主流方向，不同類型的研究成果提高了楔形體模型在不同地層條件中的適用性。根據(jù)實(shí)際施工地址情況選擇適當(dāng)?shù)男ㄐ误w模型，是開挖面穩(wěn)定的重要保證條件。（1）頂管隧道開挖面穩(wěn)定性研究5.4.1管道頂進(jìn)頂管頂進(jìn)力是工作井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和頂管機(jī)選型的決定性參數(shù)之一，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到頂管工程的成本和安全。當(dāng)頂進(jìn)力較大時(shí)，將使得管道和工作井設(shè)計(jì)過于保守，增加了不必要的工程造價(jià)。當(dāng)采用偏小的頂進(jìn)力時(shí)，則可能出現(xiàn)由于頂力不足造成頂進(jìn)無法進(jìn)行。（2）頂管頂進(jìn)力計(jì)算研究5.4.1管道頂進(jìn)頂管頂進(jìn)力由刀盤迎面土體的阻力和管土側(cè)摩阻力兩部分組成，當(dāng)頂管機(jī)的相關(guān)參數(shù)（類型、頂管的直徑、地層以及埋深）一定時(shí)，迎面阻力可認(rèn)為是一個(gè)定值，而管土側(cè)摩阻力隨著頂進(jìn)距離的增加而增大，管土側(cè)摩阻力主要取決于管土接觸壓力和摩擦系數(shù)。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者集中于從管土接觸壓力和管土摩擦系數(shù)等角度開展頂進(jìn)力理論研究。（2）頂管頂進(jìn)力計(jì)算研究5.4.1管道頂進(jìn)目前在我國(guó)內(nèi)《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-97）中，頂進(jìn)力的計(jì)算公式如下：??=??×??×??1[2??+(2??+??1)??????2(45–??/2)+??/????1]×??+??0P—計(jì)算的總頂進(jìn)力；??—頂進(jìn)時(shí)管道表面與其周圍土層之間得到摩擦系數(shù)；??—管道所處土層的重力密度????/??3；??1—管道外徑，m；（2）頂管頂進(jìn)力計(jì)算研究5.4.1管道頂進(jìn)目前在我國(guó)內(nèi)《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-97）中，頂進(jìn)力的計(jì)算公式如下：??=??×??×??1[2??+(2??+??1)??????2(45–??/2)+??/????1]×??+??0??—管道頂部以上覆蓋土層厚度，m；??—管道所處土層的內(nèi)摩擦角，°；??—管道單位長(zhǎng)度的自重，????/??；??—管道的計(jì)算頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；??0—頂進(jìn)時(shí)工具管的迎面阻力，????（2）頂管頂進(jìn)力計(jì)算研究5.4.2頂管出洞技術(shù)頂管出洞是指在工作井安放就位的掘進(jìn)機(jī)和第一節(jié)管從井中破封門進(jìn)入土中的階段。完成好這一階段的關(guān)鍵是做好以下幾個(gè)方面的工作：管線放線、導(dǎo)軌鋪設(shè)、洞口止水和穿墻等幾個(gè)方面的工作。概述5.4.2頂管出洞技術(shù)頂管管線放線是保證頂管軸線正確的關(guān)鍵。放線準(zhǔn)確就能保證工具管按設(shè)計(jì)要求順利進(jìn)洞，滿足施工質(zhì)量要求；反之，就可能造成頂管軸線偏差，影響工程進(jìn)度和工程質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)造成頂進(jìn)時(shí)設(shè)備損壞，使頂管停頓。（1）管線放線5.4.2頂管出洞技術(shù)基坑導(dǎo)軌是安裝在工作井內(nèi)為管子出洞提供一個(gè)基準(zhǔn)的設(shè)備。導(dǎo)軌鋪沒應(yīng)注意管線軸線、導(dǎo)軌標(biāo)高和導(dǎo)軌支撐穩(wěn)定性幾個(gè)方面問題。軸線重合。要依據(jù)管線軸線測(cè)量結(jié)果，鋪設(shè)時(shí)，將管線軸線線與導(dǎo)軌中線重合。管線標(biāo)高。導(dǎo)軌的鋪設(shè)高程要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，先算出管道底的標(biāo)高，根據(jù)它從而得到導(dǎo)軌鋪設(shè)標(biāo)高，最好將導(dǎo)軌鋪設(shè)成管道要求的坡度，從而減少后續(xù)校正的工作。另外，導(dǎo)軌與工作坑底應(yīng)用混凝土澆筑成，不宜采用枕木。導(dǎo)軌支撐。頂管頂進(jìn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，如對(duì)導(dǎo)軌支撐不穩(wěn)將造成管道偏差，一般在導(dǎo)軌和工作坑中采用型鋼支撐，同時(shí)用電焊將其焊牢。（2）導(dǎo)軌鋪設(shè)5.4.2頂管出洞技術(shù)頂管工程中，進(jìn)出洞口是一項(xiàng)很重要的工作。施工中應(yīng)充分考慮它的安全、可靠性。尤其是從工作坑中的出洞開始頂管，如采出洞安全可靠又順利，可以說頂管施工已成功了一般。為使進(jìn)出洞工作順利開展，可采取對(duì)洞口土體進(jìn)行加固措施。如果土質(zhì)不是很軟或比較軟，則可采用門式加固法，即對(duì)所頂管道外徑的兩側(cè)和頂部的一定寬度和長(zhǎng)度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固。加固方法有高壓旋噴樁技術(shù)、攪拌樁技術(shù)、注漿技術(shù)和凍結(jié)技術(shù)。（3）洞口加固5.4.2頂管出洞技術(shù)另外，洞口的封門也可根據(jù)土質(zhì)條件及掘進(jìn)機(jī)或工具管的形式來選定。在使手掘式的工具管掘進(jìn)機(jī)中，洞口可用低標(biāo)號(hào)混凝土砌筑一堵磚封門。在出洞時(shí)可用工具管直接將磚封門擠到，以保證進(jìn)出洞口工作順利。還有一種方法是做一扇特制的鋼制的鋼封門使工具管或掘進(jìn)機(jī)安全地出洞。（3）洞口加固5.4.2頂管出洞技術(shù)頂管過程中，無論是管子從工作坑出洞還是在接收坑進(jìn)洞，管子和洞口間都必須留有一定的間隙，此間隙如果不被封住，地下水和泥砂將會(huì)通過此間隙流到坑中，輕者會(huì)影響工作坑的作業(yè)，嚴(yán)重會(huì)造成洞口上部地表的坍塌，殃及同建筑物或地下管線的安全。因此，頂管過程中洞口止水是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)，必須認(rèn)真、仔細(xì)地做好此項(xiàng)工作。（4）洞口止水5.4.3頂管施工線形控制技術(shù)用坐標(biāo)法，根據(jù)設(shè)計(jì)給出的工作井坐標(biāo)，以及接收井中心的坐標(biāo)，直線頂管部分采用導(dǎo)線法，將控制點(diǎn)定在工作井上。頂管頂進(jìn)時(shí)，在機(jī)頭中心設(shè)置一個(gè)光靶，根據(jù)光靶反映的讀數(shù)，即可知道目前機(jī)頭的方位；對(duì)于曲線頂管部分，根據(jù)工作井、接收井坐標(biāo)、圓心坐標(biāo)以及曲線半徑，使用全站儀測(cè)出機(jī)頭光靶坐標(biāo)，即可知道機(jī)頭偏差情況。（1）測(cè)量的方法5.4.3頂管施工線形控制技術(shù)頂進(jìn)的測(cè)量與方向的控制，主要是采用全站儀，輔以激光經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀測(cè)量。由于頂進(jìn)距離長(zhǎng)，如觀察困難，可以采用自動(dòng)跟蹤儀測(cè)量。然后通過油缸進(jìn)行糾編，遵循先糾上下后糾左右的原則。（2）測(cè)量設(shè)備5.4.3頂管施工線形控制技術(shù)a.制定嚴(yán)格的放樣復(fù)核制度，并做好原始記錄。頂進(jìn)前必須遵守嚴(yán)格的放樣復(fù)測(cè)制度，確保測(cè)量萬無一失。b.布設(shè)在工作井后方的儀座必須避免頂進(jìn)時(shí)移位和變形，必須定時(shí)復(fù)測(cè)并及時(shí)調(diào)整。c.頂進(jìn)糾偏必須勤測(cè)量、多微調(diào)，糾偏角度應(yīng)保持在10′-20′，不得大于1°，并設(shè)置偏差警戒線。（3）測(cè)量與方向控制要點(diǎn)5.4.3頂管施工線形控制技術(shù)d.初始推進(jìn)階段，方向主要是主頂油缸控制，因此，一方面要減慢主頂推進(jìn)速度，另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機(jī)頭糾偏。e.開始頂進(jìn)前必須制定坡度計(jì)劃，對(duì)每米、每節(jié)管的位置、標(biāo)高需事先計(jì)算，確保頂進(jìn)時(shí)正確，以最終符合設(shè)計(jì)坡度要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為原則。（3）測(cè)量與方向控制要點(diǎn)5.4.3頂管施工線形控制技術(shù)頂管工程的測(cè)量工作是整個(gè)頂管工程質(zhì)量的關(guān)鍵，它的實(shí)施好壞將直接影響到管線線形的平順，甚至影響到頂管的順利貫通，因此需精心實(shí)施，確保無誤。頂管施工測(cè)量包括高程測(cè)量和左右偏差測(cè)量?jī)刹糠?。高程測(cè)量較簡(jiǎn)單，左右偏差測(cè)量較復(fù)雜，在直線頂管中，我們可以在后座設(shè)一激光經(jīng)緯儀，在滿足通視的條件下，直接看機(jī)頭內(nèi)標(biāo)靶就可知道左右偏差，而曲線頂管卻做不到，因?yàn)楣芫€線形是弧形的，后座內(nèi)激光經(jīng)緯儀不能一下看到底。（4）曲線頂管的測(cè)量5.4.3頂管施工線形控制技術(shù)因此需在管道內(nèi)布置移動(dòng)測(cè)站。在通過管道內(nèi)的移動(dòng)測(cè)站測(cè)量出機(jī)頭內(nèi)光靶的實(shí)際坐標(biāo)后，計(jì)算出光靶中心與該段曲線的圓心距離（實(shí)際半徑），與曲線設(shè)計(jì)半徑相比較，若大于設(shè)計(jì)曲線半徑的，說明機(jī)頭向外側(cè)偏出，若小于設(shè)計(jì)曲線半徑的，說明機(jī)頭向內(nèi)側(cè)偏出。在曲線段變?yōu)橹本€段后，根據(jù)實(shí)際測(cè)量出的光靶坐標(biāo)，使用點(diǎn)到直線的距離計(jì)算公式，算出實(shí)際偏差距離。（4）曲線頂管的測(cè)量5.4.3頂管施工線形控制技術(shù)曲線頂管的管縫控制尤其重要，因?yàn)槿绻芸p張不開，就形不成曲線；張開過大，將造成頂管偏差或超標(biāo)，特別是軟土中頂管，在管縫形成后，如果糾偏控制得不好，其趨勢(shì)會(huì)越來越大，雖然可以通過糾偏千斤頂糾偏，但這種偏差并不是一下子能糾回來的，這樣頂管的線形往往會(huì)形成蛇形，而且最大偏差點(diǎn)超過規(guī)范允許范圍，并且管縫張開過大，在地下水豐富的地方，會(huì)給工程帶來危險(xiǎn)。應(yīng)當(dāng)把管外最大開口間隙控制在20mm以內(nèi)，避免管接口張縫過大造成滲漏。在頂管時(shí)，由專人負(fù)責(zé)量機(jī)頭與第一節(jié)混凝土管左右兩邊的管縫，并做好記錄，每次糾偏前后均需實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)超出規(guī)定時(shí)停止頂管，研究對(duì)策后才能繼續(xù)頂進(jìn)。（5）曲線頂管管縫控制5.4.4頂進(jìn)糾偏應(yīng)急與預(yù)防措施（1）利用頂管機(jī)傾斜儀和測(cè)量數(shù)據(jù)提供的機(jī)頭折角、傾斜儀基數(shù)和走動(dòng)趨勢(shì)、前后尺讀數(shù)比較、機(jī)尾處地面沉降量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)0.5°以上的大動(dòng)作糾偏須盡量避免并慎重討論，不得已時(shí)也應(yīng)爭(zhēng)取在非重要地段進(jìn)行并加強(qiáng)觀測(cè)。糾偏動(dòng)作后如無折角變動(dòng)應(yīng)立即停頂，會(huì)同電工、機(jī)修工檢查電路和液壓管路，盡早排除故障，嚴(yán)防軸線超差。糾偏應(yīng)在下管后盡早進(jìn)行，注意觀察傾斜儀讀數(shù)的糾后趨勢(shì)及光點(diǎn)滯后變化，同時(shí)通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量。應(yīng)急與預(yù)防措施5.4.4頂進(jìn)糾偏應(yīng)急與預(yù)防措施（2）頂進(jìn)過程中的糾偏可采取調(diào)整糾偏千斤頂?shù)姆椒ǎM(jìn)行糾組操作，若管道左則千斤頂采用左伸右縮方法，反之亦然，如同時(shí)有高程和方向偏差，則應(yīng)先糾正偏差大的一面。（3）發(fā)生較大偏差應(yīng)分析發(fā)展趨勢(shì)，采用分次逐步糾正，勤調(diào)微糾，若偏差超過質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)通知停止頂進(jìn)，研究有效措施，方可繼續(xù)頂進(jìn)。（4）對(duì)頂進(jìn)中經(jīng)常發(fā)生頂管機(jī)頭的旋轉(zhuǎn)，影響出土、測(cè)量等，必須采取措施。防止偏轉(zhuǎn)擴(kuò)大，其方法有：改變切削刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；在管內(nèi)的相反方面增加壓重塊，直到正常。應(yīng)急與預(yù)防措施5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)目前常用障礙物處理技術(shù)分為兩大類避讓技術(shù)和清除技術(shù)。避讓技術(shù)是通過改變頂管軌跡(包括采用曲線頂管技術(shù))從而達(dá)到避讓障礙物的目的，主要處理不可清除類障礙物；清除技術(shù)分為地面處理技術(shù)及地下處理技術(shù)兩種，可處理所有障礙物。常見的地面處理技術(shù)包括豎井開挖技術(shù)以及鉆孔清除技術(shù)；地下處理技術(shù)主要包括慢速磨頂技術(shù)、開艙清除技術(shù)、套管技術(shù)、頂管回退技術(shù)、頂進(jìn)對(duì)接清除技術(shù)以及鉆爆清除技術(shù)概述5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)豎井開挖是直接通過開挖的方式取出障礙物覆土埋深、地下水位是影響豎井開挖施工工藝的關(guān)鍵因素，對(duì)于覆土較淺的情況，一般通過人工或挖掘機(jī)直接開挖；若埋藏較深時(shí)，采用先開挖導(dǎo)井后擴(kuò)挖的方法。豎井開挖技術(shù)應(yīng)用最早、技術(shù)成熟﹑難度較低，可處理各種類型、尺寸的障礙物，尤其是處理不可清除類障礙物(如地下重要管線)。由于是直接開挖，因此要求障礙物埋深有限，且只適用于地質(zhì)條件良好、方便開挖的地層。對(duì)于埋深較深的障礙物，開挖技術(shù)處理周期較長(zhǎng)。（1）豎井開挖技術(shù)5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)鉆孔清除技術(shù)是依靠鉆探技術(shù)，從地面鉆至障礙物所在位置，再對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理。根據(jù)處理障礙物方式的不同，鉆孔清除法可分為回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)清障法、沖擊清障法。采用鉆孔清除技術(shù)的不足是對(duì)環(huán)境影響較大，有噪聲。此外，與豎井開挖技術(shù)不同，鉆孔清除法只能對(duì)障礙物進(jìn)行直接清除或切割后取出，完整取出障礙物較難，不宜用不可清除類障礙物的處理。當(dāng)埋深較大，地層條件較好時(shí)，優(yōu)先使用沖擊清障法；如遇堅(jiān)硬地層則宜采用回轉(zhuǎn)鉆井清障技術(shù)（2）鉆孔清除技術(shù)5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)慢速磨頂法的基本原理就是降低頂進(jìn)速度，借助自身刀盤或其他輔助機(jī)構(gòu)，不斷對(duì)障礙物進(jìn)行磨損破碎以達(dá)到去除目的。在慢速磨頂時(shí)，為增強(qiáng)清障效果，通常采用以下措施:增加后背頂力，提高刀盤切削壓力；加大泥漿密度，提高攜渣能力，及時(shí)清理堵塞的管道；采用高分子聚合物膨潤(rùn)土觸變泥漿，提升泥漿性能，減少頂管周邊摩阻力；注人高壓水，輔助破碎障礙物；增加碎石機(jī)構(gòu)或?qū)Φ侗P進(jìn)行相關(guān)改造，使其滿足破除特定障礙物的要求，采用此措施會(huì)額外增加一定成本。（3）慢速磨頂技術(shù)5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)開艙清除技術(shù)的主要原理是在開挖面穩(wěn)定條件下開艙進(jìn)行人工、機(jī)械或爆破處理。地質(zhì)條件良好、開挖面穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)過專業(yè)人士檢查確定后，可直接打開清障孔進(jìn)行障礙物清除。開挖面不穩(wěn)定時(shí)，最常用的方法是通過氣壓平衡：氣壓平衡頂進(jìn)中，利用氣壓艙所加壓力和水土壓力值相等，起到平衡作用；泥水平衡或土壓平衡頂進(jìn)中，則需在頂管機(jī)內(nèi)增加氣壓艙。（4）開艙清除技術(shù)5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)套管技術(shù)的原理是將管徑不同的鋼套管或頂管機(jī)頂入遇障頂管機(jī)外圍或內(nèi)部，然后進(jìn)行障礙物處理。在遇障頂管機(jī)外頂入套管為外套管；在機(jī)內(nèi)頂入較小直徑頂管為內(nèi)套管技術(shù)。外套管技術(shù)根據(jù)頂管機(jī)遇障時(shí)距工作井的距離分為正向套管法和反向套管法。套管技術(shù)較為成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)低，成本適中。外套管技術(shù)由于對(duì)障礙物位置要求嚴(yán)格，當(dāng)所遇障礙物距始發(fā)井及接收井都較遠(yuǎn)時(shí)，采用此方法成本過高，故不推薦使用。內(nèi)套管技術(shù)工藝流程復(fù)雜、成本較大、對(duì)地面沉降有一定影響，該方法主要針對(duì)原頂管四周遇障抱死的特殊狀況，且要保障內(nèi)套頂管的尺寸仍然滿足原管道實(shí)際使用要求，否則不宜采用內(nèi)套管技術(shù)。（5）套管技術(shù)5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)常用回退方法主要是通過頂進(jìn)油缸反向拉拔管節(jié)，而管節(jié)本身需與頂管機(jī)頭焊接或螺紋方式連接成為整體，逐漸拉出頂管。頂管回退技術(shù)能處理可清除類及不可清除類障礙物，但施工操作復(fù)雜，且對(duì)地表沉降影響較大，故如今已很少使用。（6）頂管回退技術(shù)5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)頂進(jìn)對(duì)接清除技術(shù)就是根據(jù)頂管對(duì)接技術(shù)原理，從接收井頂入一個(gè)特制頂管，割除原頂管機(jī)內(nèi)動(dòng)力元件與倉板，破除障礙物后并清運(yùn)后與第二次頂進(jìn)的焊接處理，將頂管頭作為特殊管，從而達(dá)到全線貫通的目的。頂進(jìn)對(duì)接清除技術(shù)施工精度要求極高、難度大、成本高。相比套管法，頂進(jìn)對(duì)接技術(shù)處理障礙物更為靈活，不拘泥障礙物所處位置；相比開艙清除技術(shù)，該方法更為安全可靠。此外，采用對(duì)接清除技術(shù)后，兩個(gè)頂管機(jī)頭最終會(huì)作為特殊管焊接后埋存于地層中，故在滿足破除障礙物的前提下，盡量降低從接收井頂入機(jī)頭的價(jià)格。（7）頂進(jìn)對(duì)接清除技術(shù)5.4.5頂管施工障礙物處理技術(shù)鉆爆清