第4章-顶管施工教学课件.ppt

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1、彭第 长春工程学院地下工程施工第第 4 4 章章 顶管施工顶管施工CONTENTS主要内容主要内容顶管施工的发展与分类4.1顶管及其选型4.2工作井布置4.3长距离顶管4.4顶管工程计算4.5管节接缝防水4.6施工作业4.74.1顶管施工的发展与分类 指采用液压千斤顶或具有顶进、指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、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方位、坡度逐根顶入土层直至达到目的地。到目的地。顶管法4.1顶管施工的发展与分类 1）先构筑施工工作井与接收井，并在工作井内设置支座和安装液压千斤顶；）

2、先构筑施工工作井与接收井，并在工作井内设置支座和安装液压千斤顶；工艺原理 2）借助主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井向接收井推进；）借助主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井向接收井推进； 3）紧随工具管或掘进机后面，将预制的管段顶入地层。）紧随工具管或掘进机后面，将预制的管段顶入地层。 4）边顶进，边开挖，边将管）边顶进，边开挖，边将管段接长。段接长。 5）直至工具管或掘进机到达）直至工具管或掘进机到达接收井，并被吊出，即完成一接收井，并被吊出，即完成一段管道的施工。段管道的施工。4.1顶管施工的发展与分类 （1）发展简史）发展简史4.1.1 顶管施工

3、的发展 最早始于最早始于1896年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。1948年日本第一次采用顶管年日本第一次采用顶管施工方法，在尼崎市的铁路下顶进了一根内径施工方法，在尼崎市的铁路下顶进了一根内径600mm的铸铁管，顶距只在的铸铁管，顶距只在6米米1950年前年前后，英、德、日等国家相继采用。后，英、德、日等国家相继采用。 我国较早的顶管施工约在上世纪我国较早的顶管施工约在上世纪50年代，初期主要是手掘式顶管，设备也较简陋。我年代，初期主要是手掘式顶管，设备也较简陋。我国顶管技术真正较大的发展是从上世纪国顶管技术真正较大的发展是从上世纪80年代中期开始。

4、在年代中期开始。在1988和和1992年成功研制了年成功研制了我国第一台多刀盘土压平衡掘进机（我国第一台多刀盘土压平衡掘进机（DN2720mm）和第一台加泥式土压平衡掘进机）和第一台加泥式土压平衡掘进机（DN1440mm），均取得了较令人满意的效果。），均取得了较令人满意的效果。4.1顶管施工的发展与分类 （2）发展趋势）发展趋势4.1.1 顶管施工的发展 1）在顶管直径方面，除了向大口径管的顶进发展以外，也向小口径管的顶进发展。）在顶管直径方面，除了向大口径管的顶进发展以外，也向小口径管的顶进发展。 2）在顶进长度方面，一次连续顶进的距离越来越长，已由初期的）在顶进长度方面，一次连续顶进的距

5、离越来越长，已由初期的2030m发展到了目发展到了目前的前的2km以上。以上。 3）在顶进管材方面，目前大量采用的是钢筋混凝土管和钢管。未来，玻璃钢管、）在顶进管材方面，目前大量采用的是钢筋混凝土管和钢管。未来，玻璃钢管、PVC塑料管和玻璃纤维管有望取代小口径混凝土管或钢管。塑料管和玻璃纤维管有望取代小口径混凝土管或钢管。 4）在顶管设备发展方面，将微电子技术、工业传感技术、实时控制技术和现代化控制）在顶管设备发展方面，将微电子技术、工业传感技术、实时控制技术和现代化控制理论与机械、液压技术综合运用于顶管机械上是顶管技术的发展趋势。理论与机械、液压技术综合运用于顶管机械上是顶管技术的发展趋势。

6、 5）在顶管线路的曲直度方面，过去顶管大多为直线顶管，现在已发展为曲线顶管。）在顶管线路的曲直度方面，过去顶管大多为直线顶管，现在已发展为曲线顶管。4.1顶管施工的发展与分类 （1）按所顶进的管子口径大小分：）按所顶进的管子口径大小分：4.1.2 顶管法施工的分类大口径：大口径：2m以上以上中口径：中口径：1.22.0m小口径：小口径：0.51.2mm微型顶管：微型顶管：500mm以下以下 （2）按一次顶进的长度可以分为：）按一次顶进的长度可以分为：普通距离顶管普通距离顶管长距离顶管长距离顶管 （3）按所顶进的管材分：）按所顶进的管材分：钢筋混凝土顶管钢筋混凝土顶管钢管顶管钢管顶管其他管材的顶

7、管其他管材的顶管 （4）按顶管机的类型分：）按顶管机的类型分：手掘式人工顶管手掘式人工顶管挤压顶管挤压顶管水射流顶管水射流顶管机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式 ）4.2 顶管机及其选型 （1）工作原理）工作原理4.2.1 手掘式顶管 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。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，需采用降水等如果在含水量较大的砂土中，需采用降水等辅助措施。辅助措施。4.2 顶管

8、机及其选型 （2）工具管）工具管4.2.1 手掘式顶管 1）作用：所顶管子的最前端，具有掘进、防塌、出泥、导向、纠偏及安全保护作用。）作用：所顶管子的最前端，具有掘进、防塌、出泥、导向、纠偏及安全保护作用。 2）类型：）类型：一段式一段式两段式两段式 一段式工具管一段式工具管u 与混凝土管之间结合不太可靠，常会产生与混凝土管之间结合不太可靠，常会产生渗漏现象；渗漏现象；u 发生偏斜时纠偏效果不好。发生偏斜时纠偏效果不好。u 千斤顶直接顶在后面混凝土管节上，第一千斤顶直接顶在后面混凝土管节上，第一节管容易损坏。节管容易损坏。4.2 顶管机及其选型 （2）工具管）工具管4.2.1 手掘式顶管两段式

9、工具管两段式工具管网格式工具管结构网格式工具管结构4.2 顶管机及其选型 （2）工具管）工具管4.2.1 手掘式顶管4.2 顶管机及其选型 （3）施工工艺）施工工艺4.2.1 手掘式顶管 1）建造工作井。）建造工作井。 2）地表设施的安）地表设施的安装。装。 3）安装工作井内设备。）安装工作井内设备。 4）顶进施工。）顶进施工。 5）工具管内挖土前进。）工具管内挖土前进。4.2 顶管机及其选型 （1）概念）概念4.2.2 土压平衡顶管机 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。利用土仓内的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。利用土仓内的泥土压力来

10、平衡顶管机前的土压力和地下水压力，螺旋输送机出土量与进入土仓内的泥土压力来平衡顶管机前的土压力和地下水压力，螺旋输送机出土量与进入土仓内的土量平衡。土量平衡。 （2）平衡原理：两个平衡）平衡原理：两个平衡 1）顶管机在顶进过程中土仓内的压力与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平）顶管机在顶进过程中土仓内的压力与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；衡状态； 2）顶管机螺旋出土器的排土量与顶管机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。）顶管机螺旋出土器的排土量与顶管机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。4.2 顶管机及其选型 （3）施工工艺）施工工艺4.2.2 土压平衡顶管机4

11、.2 顶管机及其选型 （4）分类）分类4.2.2 土压平衡顶管机 1）单刀盘（）单刀盘（DK型）顶管机型）顶管机4.2 顶管机及其选型 （4）分类）分类4.2.2 土压平衡顶管机 2）多刀盘（）多刀盘（DT型）顶管机型）顶管机4.2 顶管机及其选型4.2.3 泥水平衡顶管机 （1）概念）概念 泥水平衡顶管机是指采用机械切削泥土、利用压力来平衡地下水压力和土压力、采用泥水平衡顶管机是指采用机械切削泥土、利用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。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。 （2）泥水平衡式顶管机按平衡对象

12、分类）泥水平衡式顶管机按平衡对象分类 1）泥水仅起平衡地下水的作用，土压力则由机械方式来平衡）泥水仅起平衡地下水的作用，土压力则由机械方式来平衡 2）泥水平衡地下水压力和土压力的作用）泥水平衡地下水压力和土压力的作用4.2 顶管机及其选型4.2.3 泥水平衡顶管机 （3）顶管机结构）顶管机结构 系统组成系统组成顶管机顶管机进排浆系统进排浆系统泥水处理系统泥水处理系统主顶系统主顶系统测量系统测量系统起吊系统起吊系统供电系统供电系统4.2 顶管机及其选型4.2.3 泥水平衡顶管机 （3）顶管机结构）顶管机结构4.2 顶管机及其选型4.2.3 泥水平衡顶管机 （4）施工工艺）施工工艺 泥水平衡工具管

13、正面泥水平衡工具管正面设刀盘，并在其后设设刀盘，并在其后设密封舱，在密封舱内密封舱，在密封舱内注入稳定正面土体的注入稳定正面土体的泥浆，刀盘切下的泥泥浆，刀盘切下的泥土，沉在密封舱下部土，沉在密封舱下部的泥水中而被水力运的泥水中而被水力运输管道运至地面。输管道运至地面。4.2 顶管机及其选型4.2.3 泥水平衡顶管机 （4）施工工艺）施工工艺送水、排泥泵送水、排泥泵泥浆沉淀池泥浆沉淀池4.2 顶管机及其选型4.2.4 顶管机的选型 考虑因素考虑因素 1）与工程地质条件相适应）与工程地质条件相适应 2）调查清楚周边环境和设施）调查清楚周边环境和设施 3）与设计施工条件相适应）与设计施工条件相适应

14、4.3 工作井布置4.3.1 工作井的形式 （1）工作井分类）工作井分类 1）按其作用分为）按其作用分为顶进井（始发井）顶进井（始发井）安放所有顶进设备安放所有顶进设备场所场所顶管掘进机的始发顶管掘进机的始发场所场所承受主顶油缸推力的反作用力的构筑物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、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材料设备的吊装、操纵人员的上下等使用接收井接收井4.3 工作井布置4.3.1 工作井的形式 （1）工作井分类）工作井分类 2）按构筑方法分）按构筑方法分沉井沉井地下连续墙成井地下连续墙成井钢板桩井钢板桩井

15、砌筑井砌筑井4.3 工作井布置4.3.1 工作井的形式 （2）工作井的位置选择）工作井的位置选择 尽量避开房屋、地下管线、河塘、架空电线等不利于顶管施工作业的场所。尽量避开房屋、地下管线、河塘、架空电线等不利于顶管施工作业的场所。 （3）工作井的数量选择）工作井的数量选择 根据施工全线的情况，合理选择。根据施工全线的情况，合理选择。 顶进井的成本大于接收井，尽量减少顶进井数量。顶进井的成本大于接收井，尽量减少顶进井数量。 （4）工作井的构筑方式的选择）工作井的构筑方式的选择 全盘综合考虑，多用钢板桩法。全盘综合考虑，多用钢板桩法。4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内布置）

16、井内布置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4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内布置）井内布置 1）后座墙）后座墙n 主顶油缸推力的反力传主顶油缸推力的反力传递到工作坑后部土体中递到工作坑后部土体中去的墙体，是去的墙体，是主推千斤主推千斤顶的支承结构顶的支承结构。4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内布置）井内布置 2）后靠背）后靠背n 主顶千斤顶尾部的厚铁主顶千斤顶尾部的厚铁板和钢结构件。板和钢结构件。4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内

17、布置）井内布置 3）主顶装置主顶装置n 由主顶油缸、主顶油泵由主顶油缸、主顶油泵和操纵台及油管等四部和操纵台及油管等四部分构成。分构成。n 主顶千斤顶沿管道中心主顶千斤顶沿管道中心按左右对称布置。按左右对称布置。n 主顶进装置除主顶千斤主顶进装置除主顶千斤顶以外，还有千斤顶架，顶以外，还有千斤顶架，以支承主顶千斤顶。以支承主顶千斤顶。4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内布置）井内布置 4）导轨）导轨n 使管节在工作井内有一使管节在工作井内有一个较稳定的导向，引导个较稳定的导向，引导管节按设计的轴线顶入管节按设计的轴线顶入土中，同时使顶铁能在土中，同时使顶铁能在导轨面上滑动

18、。导轨面上滑动。4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内布置）井内布置 5）顶铁）顶铁n 若采用的主顶千斤顶的若采用的主顶千斤顶的行程长短不能一次将管行程长短不能一次将管节顶到位时，必须在千节顶到位时，必须在千斤顶缩回后在中间加垫斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。块或几块顶铁。n 顶铁有环形顶铁和弧形顶铁有环形顶铁和弧形或马蹄形顶铁之分。或马蹄形顶铁之分。4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内布置）井内布置 6）管节）管节n 一般为钢筋混凝土管节一般为钢筋混凝土管节或钢管节或钢管节4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （1）井内布置）井内布置 7

19、）洞口止水圈）洞口止水圈n 安装在顶进井的出洞洞安装在顶进井的出洞洞口和接收井的进洞洞口，口和接收井的进洞洞口，具有制止地下水和泥砂具有制止地下水和泥砂流到工作坑和接收坑的流到工作坑和接收坑的功能。功能。n 一般由橡胶板和钢板组一般由橡胶板和钢板组成，锚栓固定在井壁或成，锚栓固定在井壁或止水墙上。止水墙上。4.3 工作井布置4.3.2 顶进工作井的布置 （2）地面布置）地面布置 地面布置包括：地面布置包括： 起吊起吊 供水、供电、供浆供水、供电、供浆 液压液压 气压气压4.4 长距离顶管 长距离顶管，沿程阻力不断增加，主顶油缸的顶力难以克服管道的总阻力，顶进十分困难。长距离顶管，沿程阻力不断增

20、加，主顶油缸的顶力难以克服管道的总阻力，顶进十分困难。 常用措施有：常用措施有： 1）增加主千斤顶顶力）增加主千斤顶顶力 2）减少管道周边与地层摩擦力）减少管道周边与地层摩擦力 3）中途设置辅助千斤顶（中继环）中途设置辅助千斤顶（中继环） 4）减小顶管承受的正面阻力）减小顶管承受的正面阻力4.4 长距离顶管4.4.1 增大主顶油缸顶力 最为简单有效的方法，但受到诸多因素制约：最为简单有效的方法，但受到诸多因素制约： 1）受机械加工水平的制约；）受机械加工水平的制约； 2）受管段端面局部抗压强度的制约；）受管段端面局部抗压强度的制约； 3）受后座所能承受能力的制约。）受后座所能承受能力的制约。4

21、.4 长距离顶管4.4.2 减阻措施 （1）管节制作与设计施工减阻）管节制作与设计施工减阻 1）制作技术）制作技术n 1）精心设计：工具管的刃角外径略大于管道的外径；）精心设计：工具管的刃角外径略大于管道的外径；n 2）精心制作：管壁表面光洁平滑，降低摩擦系数）精心制作：管壁表面光洁平滑，降低摩擦系数 2）注入触变泥浆减阻）注入触变泥浆减阻n 管道外壁涂抹泥浆，或向管道外壁与地层间的间隙注入泥浆（减摩材料，润滑作管道外壁涂抹泥浆，或向管道外壁与地层间的间隙注入泥浆（减摩材料，润滑作用）。用）。4.4 长距离顶管4.4.3 增设中继间 （1）中继间）中继间 一次顶进距离大于一次顶进距离大于100

22、m时，应采用中继间技术。时，应采用中继间技术。 管道顶进的中途设置辅助千斤顶，靠辅助千斤顶提供的动力继续顶进管段，延长顶管管道顶进的中途设置辅助千斤顶，靠辅助千斤顶提供的动力继续顶进管段，延长顶管的顶进长度，满足敷设长距离管道的需要。的顶进长度，满足敷设长距离管道的需要。1顶管机；2前特殊管；3中继间；4后特殊管；5混凝土管4.4 长距离顶管4.4.3 增设中继间 （2）中继间顶进过程）中继间顶进过程 设置中继环后，顶进时，先启用最前端的中继环，将前方的工具管和管道向前顶进，设置中继环后，顶进时，先启用最前端的中继环，将前方的工具管和管道向前顶进，达到中继环的顶程后，启动后面的中继环作业，将两

23、个中间环之间的管道向前顶进。达到中继环的顶程后，启动后面的中继环作业，将两个中间环之间的管道向前顶进。4.4 长距离顶管4.4.3 增设中继间 （3）中继间的结构）中继间的结构 1）钢筋混凝土管顶管用的中继间）钢筋混凝土管顶管用的中继间4.4 长距离顶管4.4.3 增设中继间 （3）中继间的结构）中继间的结构 1）钢筋混凝土管顶管用的中继间）钢筋混凝土管顶管用的中继间4.4 长距离顶管4.4.3 增设中继间 （3）中继间的结构）中继间的结构 2）钢管顶管用的中继间）钢管顶管用的中继间4.4 长距离顶管4.4.3 增设中继间 （4）中继间的布置）中继间的布置 为了防止遇到土质突然变化和其他的不可

24、控因素，顶管机后的第一个中继间应提前一为了防止遇到土质突然变化和其他的不可控因素，顶管机后的第一个中继间应提前一些安放，须留有较大的顶力的富余量。些安放，须留有较大的顶力的富余量。 中继间顶力富裕量，第一个中继间不宜小于中继间顶力富裕量，第一个中继间不宜小于40%，其余不宜小于，其余不宜小于30%。 设计阶段中继间的数量设计阶段中继间的数量n可按下式估算：可按下式估算：00(50)10.7kD fLnf式中：D0管道的外径，m；L管道设计顶进长度，m；fk管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，kN/m2；f0中继间设计允许顶力，kN。4.4 长距离顶管4.4.4 降低开挖面正面顶进阻力的措施 降低

25、正面阻力措施：清除工具管前端的渣土，降低程度与出土量有关。降低正面阻力措施：清除工具管前端的渣土，降低程度与出土量有关。 清除渣土应适量，及时清除渣土，降低阻力；清除过多，可能造成地层松散、工作面塌陷，清除渣土应适量，及时清除渣土，降低阻力；清除过多，可能造成地层松散、工作面塌陷，从而引起地面沉降。从而引起地面沉降。4.5 顶管工程计算4.5.1 顶管顶力的计算 管道的总顶力可按下式估算：管道的总顶力可按下式估算： FpD0Lfk+NF式中：Fp顶进总阻力标准值，kN；D0管道的外径，m；L道设计顶进长度，m；fk管道外壁与土的单位面积平均摩阻力；NF顶管机的迎面阻力。4.5 顶管工程计算4.

26、5.2 顶管后座墙的稳定性验算 假定主顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑后的土体上，为确保后座假定主顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑后的土体上，为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为的总顶进力应为的总顶进力P的的1.21.6倍，反力倍，反力B后座墙的宽度；系数，一般取1.52.5；h后座墙的高度；h1地面到后座塔顶部土体计算高度；KP被动土压力系数；c土的黏聚力；土的容重。PpPKhhKchKhBR12224.6 管节接缝防水4.6.1 钢管顶管的接口 钢管两管节之间采用焊接连接，其整钢管两管节之间采用焊接

27、连接，其整体性好，不易产生渗漏水。体性好，不易产生渗漏水。4.6 管节接缝防水4.6.2 钢筋混凝土管节接缝防水 管节结构有平口、企口和承口三种类型。结构不同，止水方法也不同。管节结构有平口、企口和承口三种类型。结构不同，止水方法也不同。 （1）平口管接口及止水）平口管接口及止水 平口管用平口管用“T”形钢套环接口，把两只管子连接在一起，在混凝土管和钢套环中间安装形钢套环接口，把两只管子连接在一起，在混凝土管和钢套环中间安装有有2根齿形橡胶圈止水。根齿形橡胶圈止水。4.6 管节接缝防水4.6.2 钢筋混凝土管节接缝防水 （2）企口接口及防水）企口接口及防水 企口管用企口式接口，用企口管用企口式

28、接口，用1根根“q”形橡胶圈止水。止水圈右边腔内有硅油，在两管节对形橡胶圈止水。止水圈右边腔内有硅油，在两管节对接连接过程中，充有硅油的一腔会翻转到橡胶体的上方及左边，增强了止水效果。接连接过程中，充有硅油的一腔会翻转到橡胶体的上方及左边，增强了止水效果。4.6 管节接缝防水4.6.2 钢筋混凝土管节接缝防水 （3）承口管接口及防水）承口管接口及防水 承口管用承口管用“F”形套环接口，接口处用形套环接口，接口处用1根齿形橡胶圈止水。把根齿形橡胶圈止水。把“T”形钢套环的前面一形钢套环的前面一半埋入混凝土管中就变成了半埋入混凝土管中就变成了“F”形接口。为防止钢套环与混凝土结合面渗漏，在该处形接

29、口。为防止钢套环与混凝土结合面渗漏，在该处设了一个遇水膨胀的橡胶止水圈。设了一个遇水膨胀的橡胶止水圈。4.7 施工作业4.7.1 施工准备工作 （1）地面准备工作）地面准备工作 （2）工作井）工作井 （3）洞门）洞门 （4）测量放样）测量放样 （5）后座墙安装）后座墙安装 （6）导轨安装）导轨安装 （7）主顶架安装）主顶架安装 （8）止水装置安装）止水装置安装4.7 施工作业4.7.2 顶进 （1）始发段顶进施工）始发段顶进施工 1）拆除封门）拆除封门 2）施工参数控制）施工参数控制:土压力、顶进速度和出土量。土压力、顶进速度和出土量。 （2）正常段顶进）正常段顶进n 顶进速度：顶进速度：2030mm/min；n 遇正面障碍物：遇正面障碍物：10mm/min。4.7 施工作业4.7.2 顶进 （3）接收段顶进施工）接收段顶进施工 顶进速度：顶进速度：10mm/min； 为避免工具管切口内大量土体涌入接收井内，工具管进入洞口前尽量挖空正面土体。为避免工具管切口内大量土体涌入接收井内，工具管进入洞口前尽量挖空正面土体。