非開挖頂管結構設計

非開挖頂管結構設計第1頁/共68頁2010-05-28

頂管技術(PipeJacking)，也稱為液壓頂管技術，不僅是一種具體的非開挖管道鋪設方法，同時還是以頂管施工原理為基礎的一些非開挖鋪管技術的總稱.6.1概述第2頁/共68頁2010-05-28A頂管機B頂進井C皮帶傳送機D頂管E鋼頂管凸輪F泥漿車G整潔的運行電池H泥漿潤滑I軌道J鋼頂管環(huán)K2～6個液壓頂L激光束M注漿N頂進井O軌道段P泥漿潤滑混合器第3頁/共68頁2010-05-28第4頁/共68頁2010-05-28頂管管片第5頁/共68頁2010-05-28第6頁/共68頁2010-05-28第7頁/共68頁2010-05-28第8頁/共68頁2010-05-28a.穿越江河、湖泊、港灣水體下的供水、輸氣、輸油管道工程。非開挖頂管應用范圍b.穿越城市建筑群、繁華街道地下的上下水、煤氣管道工程。第9頁/共68頁2010-05-28第10頁/共68頁2010-05-28c.穿越重要公路、鐵路路基下的通訊、電力電纜管道工程電力電纜水平儀頂管掘進機第11頁/共68頁2010-05-28第12頁/共68頁2010-05-28第13頁/共68頁2010-05-28第14頁/共68頁2010-05-28d.水庫壩體涵管重建工程第15頁/共68頁2010-05-28e.箱型斷面通道第16頁/共68頁2010-05-28第17頁/共68頁2010-05-28第18頁/共68頁2010-05-28f.頂管錨固第19頁/共68頁2010-05-28

設計包括：土層工程勘察、工作井開挖和支護設計、頂管頂進、頂管荷載分析計算、盾構挖掘和工程管理等設計。6.2頂管工程結構設計6.2.1土層工程地質勘察

工程地質勘查不僅是頂管工程設計不可缺少的程序，也是知道設計和施工的重要技術資料。

勘查要點主要包括：土層類別、埋深；各土層土體的物理、力學性質；地下水位、壓力；地下水和土的腐蝕性；第20頁/共68頁2010-05-286.2.2頂管工作井設計

在頂管施工中，雖然不需要開挖地面，但必須在頂進管道的兩端開挖若干個工作井?？煞譃椋喉斶M工作井和接收工作井。土層凍結深度；地下管線；地下洞室；臨近建筑物基礎；地面動荷載。

主要方法：鉆探、井探；土工試驗；調查、工程物探等等。第21頁/共68頁2010-05-28供頂管機頭安裝用的頂進工作井(頂進井)供頂管機進坑和拆卸用的接收工作井(接收井)接收井頂進井第22頁/共68頁2010-05-28頂進井接收井第23頁/共68頁2010-05-28工作井施工第24頁/共68頁2010-05-281）工作井的分類及頂進形式a.工作井分類：按使用性質：頂進、終點、中間工作井。按設計深度：淺、普通、深工作井。b.頂進形式：按頂進方向：單向、雙向、調頭、多向頂進。按管道排數(shù)：單排、雙排、多排頂進。2)工作井的設計原則工作井選址原則第25頁/共68頁2010-05-28應根據(jù)下列條件選擇頂管工作井的位置：1）管道井室的位置；2）可利用井壁土體作后座墻；3）便于排水、出土和運輸；4）對地上和地下的建筑物、構筑物易于采取保護及安全施工措施；5）距電源和水源較近，交通便利；6）單向頂進時宜設在下游一側。需要注意的問題：a.盡量減少工作井的數(shù)量；b.選址應避開房屋、地下管線、池塘、架空電線等不利于施工的場所等等。第26頁/共68頁2010-05-283）頂管工作井設計

工作井實質上是方形或圓形的小基坑，支護常采用鋼筋混凝土沉井和鋼板樁。工作井在施工結束后，一部分將改為閥門井、檢查井。因此，在設計工作井時要兼顧一井多用的原則。第27頁/共68頁2010-05-28(1)矩形工作井底部尺寸設計計算第28頁/共68頁2010-05-28頂進井接收井（2）頂管工作井的深度第29頁/共68頁2010-05-28第30頁/共68頁2010-05-286.2.3頂進力的分析計算

頂管技術中的頂進力是在施工中推進整個管道系統(tǒng)和相關機械設備向前運動的力，需要克服頂進中的各種阻力，同時在頂進過程中還不斷的受到各種外界因素的影響。

影響因素：施工設計和現(xiàn)場施工條件；施工工藝因素；第31頁/共68頁2010-05-28

施工設計和現(xiàn)場施工條件對頂進力的影響：a.頂進管道的尺寸、形狀、自重和外表面的性質；

b.施工管線的長度；

c.土層類型及在施工中的變化情況；d.地下水位高度；e.土體穩(wěn)定性；f.覆土厚度以及上部地層的容重；g.地表的荷載情況。第32頁/共68頁2010-05-28施工工藝的影響：a.施工中的超挖量；b.潤滑措施；c.管接頭出的臺階或變形；d.曲線段頂進；e.管道的錯位；f.中繼站的采用；g.管道的頂進速度；h.施工停頓的頻度和時間。

頂管頂力只有克服頂管管壁與土層之間的摩擦阻力及前刃角切土時的阻力，才能把管道推進土體中。第33頁/共68頁2010-05-286.2.4后座墻設計

后座墻是頂進管道時為千斤頂提供反作用力的一種結構。在施工中，要求后座墻必須保持穩(wěn)定，一旦后座墻遭到破壞，頂進工程就要停頓。（1）后座墻的功能及要求

功能：在頂進過程中自始至終地承擔主頂工作站頂管前進時的后座力。

要求：（1）充分的強度；（2）足夠的剛度；（3）后座墻表面要平直；（4）材質要均勻；（5）結構簡單、裝拆方便。第34頁/共68頁2010-05-28（2）后座墻的強度及影響因素

影響因素：

客觀因素（管材種類、管徑大小、頂距長短、覆土厚度、土的種類、地下水位、管節(jié)重量）主觀因素（頂進誤差；中途停工；挖土方法）。（3）后座墻的剛度要求（4）后座墻的形式和類別按結構：整體式和裝配式按使用材料：人工后座墻和天然后座墻按土的性能利用：壓縮式、拖拉式、重力式第35頁/共68頁2010-05-28（5）后座墻的設計計算

在一般情況下，頂管工作井后座墻能承受的最大頂力取決于所頂管道所能承受的最大頂力，在最大頂力確定之后，即可據(jù)此進行后座墻的結構設計。

頂管工作井普遍采用沉井或鋼板樁支護結構，對這兩種形式的工作井都應首先驗算支護結構的強度。此外，由于頂管工作井承壓壁后靠土體的滑動會引起周圍土體的位移，影響周圍環(huán)境并影響到頂管的正常施工，所以在工作井設置前還必須驗算頂管承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性，以確保頂管工作井的安全和穩(wěn)定性。第36頁/共68頁2010-05-281）沉井支護工作井壁后土體穩(wěn)定驗算

采用沉井結構作為頂管工作井時，可按左圖所示的頂管頂進時的荷載計算圖，驗算沉井結構的強度和沉井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性。沉井承壓壁后靠土體在頂管頂力超過其承受能力后會產(chǎn)生滑動。沉井承壓壁后靠土體的極限平衡條件為水平方向和合力為零。第37頁/共68頁2010-05-28頂管最大計算頂力：第38頁/共68頁2010-05-28

在實際工程中，在無絕對把握的情況下，F(xiàn)1及F2均不予考慮。若不考慮F1及F2，一般采用下式進行沉井承壓壁后靠土體的穩(wěn)定性驗算：第39頁/共68頁2010-05-28（a）沒有板樁墻的協(xié)同作用；(c)在板樁墻的協(xié)同作用下(荷載曲線近似于梯形)(b)在板樁墻的協(xié)同作用下(荷載曲線類似于彈性曲線)；2）鋼板樁支護工作井壁后土體穩(wěn)定驗算第40頁/共68頁2010-05-28式中，----承壓壁承受頂力后的平均壓力。

由于板樁的協(xié)同作用，便出現(xiàn)了一條類似于板樁彈性曲線的荷載曲線。因為板樁自身剛度較小，承壓壁后面的土壓力一般假設為均勻分布，而板樁兩端的土壓力為零，則總的土體抗力為梯形分布，由板樁靜力平衡條件得：第41頁/共68頁2010-05-28

當頂進管道的敷設深度較大時，頂管工作井的支護通常采用如圖所示的兩段形式。在兩段支護的情況下，只有下面的一段參與承受和傳遞來自承壓壁的作用力，因而仍可用上述公式。至于h4，則可不必考慮。下面一段完全參與起作用的前提，是要用混凝土將下段板樁與上段板樁之間的空隙填充起來，以構成封閉的傳力系統(tǒng)。否則，需將h3縮短到上段板樁的下沿。第42頁/共68頁2010-05-28圖6.7鋼板樁單段支護條件下的承壓壁穩(wěn)定性計算(a)安全系數(shù)K＞1，表明足夠穩(wěn)定；(b)安全系數(shù)K=1，表明尚且穩(wěn)定；(c)安全系數(shù)K＜1，表明不穩(wěn)定第43頁/共68頁2010-05-28圖6.8鋼板樁兩段支護條件下的承壓壁穩(wěn)定性計算(a)安全系數(shù)S＞1，表明足夠穩(wěn)定；(b)安全系數(shù)S=1，表明尚且穩(wěn)定；(c)安全系數(shù)S＜1，表明不穩(wěn)定第44頁/共68頁2010-05-28

從圖6.7、圖6.8兩圖中可見，當A點在后靠土體被動土壓力線上或在其左側(即承壓壁后靠土體反力等于或小于承壓壁上的被動土壓力)時，則后靠土體是穩(wěn)定的，由此推導得后靠土體的穩(wěn)定條件為:第45頁/共68頁2010-05-28

上述推導是基于單向頂進的情況，若是雙向頂進，即后靠板上留有通過管道的孔口時，則平均壓力P應修改為:

同理后靠土體的工作穩(wěn)定條件為:第46頁/共68頁2010-05-286.3頂管掘進方法、設備和管材第47頁/共68頁2010-05-286.3.1頂管挖掘方法

國內常用的頂管機：

手掘式、擠壓式、泥水平衡式、三段兩鉸型水力挖土式、多刀盤土壓平衡式。第48頁/共68頁2010-05-28

最簡單的手掘式頂管機只有頂進工具管，即只有一個鋼質的圓柱形外殼加上楔型的切削刃口、液壓糾偏油缸、一個傳壓環(huán)以及一個用來導正和密封第一節(jié)頂進管道的盾尾。第49頁/共68頁2010-05-28手掘式頂管機也即是非機械的開放式(或敞口式)頂管機，在施工時，采用手工的方法來破碎工作面的土層，破碎輔助工具主要有鎬、鍬以及沖擊錘等。破碎下來的泥土或巖石可以通過傳送帶、手推車或軌道式的運輸?shù)V車來輸送第50頁/共68頁2010-05-28擠壓式頂管由手掘式頂管經(jīng)過實踐改造而制成的，如遇“上軟下硬”截面土質，可在手掘式頂管頭上部焊接格柵或擋板抵抗上部流砂，以挖鏟或風鎬破碎下部硬土和巖石，使手掘式頂管變成為網(wǎng)格式工具管；如遇淤泥質土，可將工具頭前焊接喇叭口，使其成為擠壓式機頭，減少土體塌方造成施工事故。第51頁/共68頁2010-05-28

泥水式頂管機是一種封閉式頂管機，頂管機裝備有機械式的切削工具，由切削臂和切削頭組成，其下部還安裝有抽吸裝置。在施工中，破碎下來的泥土形成混合漿液，采用水力的方法，從破碎室經(jīng)過傳輸管道輸送到地表的分離裝置，分離裝置將土和膨潤土漿液進行分離，這樣，作為平衡介質的膨潤土漿液可以重新被輸送到破碎室，進行循環(huán)利用。

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三段兩鉸型水力挖土式頂管的頂管機內腔分為前、中、后三個艙室。前艙為沖泥艙，艙前端裝有切削、擠壓土的格柵。中艙為操作室，兩者之間用胸板隔開。后艙為控制室，設有各種測試儀器和儀表。在千斤頂頂推下，格柵將土體切開，再經(jīng)高壓水射流破碎、攪混成流態(tài)，由吸泥泵吸出并送入水力運輸管道排放至地面的貯泥水池，如圖6－12所示第53頁/共68頁2010-05-28圖6－12第54頁/共68頁2010-05-28

多刀盤土壓平衡式頂管機頭部設置密封艙，密封隔板上裝置數(shù)個刀盤切土器，頂進時旋轉器出土速度與頂管機推進速度相協(xié)調。第55頁/共68頁2010-05-28

上述頂管機的基本原理及施工工藝與盾構基本相似。在頂管施工中，已實現(xiàn)地面遙控操作，管道軸線和標高可采用激光測量儀連續(xù)測量，并能做到及時糾偏，智能化程度高。第56頁/共68頁2010-05-28第57頁/共68頁2010-05-28第58頁/共68頁2010-05-28第59頁/共68頁2010-05-28第60頁/共68頁2010-05-286.3.2中繼環(huán)結構及原理

在長距離的頂管工程中，當頂進阻力(即頂管掘進迎面阻力和管壁外周摩阻力之和)超過主千斤頂?shù)娜菰S總頂力、管節(jié)容許的極限壓力或工作井承壓壁后靠土體極限反推力三者中之一，無法一次達到頂進距離要求時，應采用中繼接力頂進技術，實施分段頂進，使頂入每段管道的頂力降低到允許頂力范圍內。采用中繼接力技術時，將管道分成數(shù)段，在段與段之間設置中繼環(huán)。中繼環(huán)將管道分成前后兩個部分，中繼油缸工作時，后面的管段成為承壓后座，前面的管段被推向前方。第61頁/共68頁2010-05-28

中繼環(huán)按先后次序逐個啟動，實現(xiàn)管道分段頂進，由此達到減小頂力的目的。采用中繼接力技術以后，管道的頂進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，就可增加管道頂進的長度。中繼接力技術是長距離頂管不可缺少的技術措施。第62頁/共68頁2010-05-286.3.3頂管頂進方向控制

在頂管的頂進過程中要嚴格控制方向，一方面能校正在直線上、曲線上、坡道上的管道偏差；另一方面能保證曲線、坡道上所要求的方向變更。在頂進過程中，應經(jīng)常對管道的軸線進行觀測，發(fā)現(xiàn)偏差須及時采取措施糾正。管道偏離軸線主要是由于作用于頂管機的外力不平衡造成的，外力不平衡的主要原因：（1）推進的管片不可能絕對在同一條直線上。（2）管道截面不可能絕對垂直與管道軸線。（3）管節(jié)之間墊板的壓縮性不完全一致。（4）頂管的迎面阻力的合力不一定與管片后端推進頂力的合力重合一致。（5）推進的管道在發(fā)生撓曲時，沿管道縱向的一些地方會產(chǎn)生約束管道撓曲的附加抗力。第63頁/共68頁2010-05-28頂進中的方向控制可采用以下幾種措施：（1）嚴格控制挖土，兩側均勻挖土，左右側鋼刃角要保持吃土10cm，正常情況不允許