顶管法施工完整版本

班级土木092班级土木092学号0917010177姓名郏帅帅目录第一章顶管法概论第二章顶管法施工分类第三章顶管机及选项第四章工作井及其布置第五章顶力计算与后背受力计算第六章顶管法施工第七章管节接缝的防水第一章顶管法概论1、1、顶管法基本概念顶管法施工是继盾构施工之后发展起来的一种土层地下工程施工方法，主要用于地下供水管、排水管、煤气管、电讯电缆管等的施工。它不需开挖面层，且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法。2、顶管法发展历史顶管施工技术始于1896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6米。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。我国顶管技术真正较大的发展是从上世纪80年代中期开始。1988年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机。3、施工过程一般是先在工作坑内设置支座和安装液压千斤顶，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坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，与此同时，紧随工具管或掘进机后面，将预制的管段顶入地层。是边顶进，边开挖地层，边将管段接长的管道埋设方法。4、技术发展随着时间的推移，顶管技术得到迅速发展。主要体现在以下方面：（1）、一次连续顶进的距离，越来越长（2）、顶管直径，向大小直径两个方向发展（3）、管材，向钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢顶管发展（4）、挖掘技术，机械化程度越来越高（5）、顶管线路的曲直度，曲线形状越来越复杂，曲率半径越来越小。5、盾构法和顶管法的异同点：相同点：（1）二者都属于暗挖法施工大口径（>900㎜）地下工程的主要施工方法。（2）二者都要开挖工作基坑（工作井和接收井），工作基坑的施工方法相同。（3）二者工作面的开挖方法，出、进洞施工技术基本相似。（4）二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边环境保护等问题，都要进行注压浆。不同点：（1）盾构法的衬砌为管片，且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装，拼装好后一般不会再移动；顶管法的衬砌为管节，且每环管节是一次预制成功的，由顶进装置依次顶进，直至第一节管节到达接收井位置。（2）盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿，而顶管法施工的主顶进装置布置在工作井内，如果顶力不足要加设中继间。（3）盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板。顶管法的主顶千斤顶的行程长短不能一次将管节顶到位时，必须在千斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。环型顶铁是使主顶千斤顶的推力可以较均匀地加到所顶管道的周边；U型顶铁是为了弥补千斤顶行程不足而用。第二章顶管施工的分类1、按管口径大小分：分大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指Ф2m以上的顶管，人可以在其中直立行走。中口径顶管的管径多为1.2～1.8m，人在其中需弯腰行走，大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为500～1000mm，人只能在其中爬行，有时甚至爬行都比较困难。微型顶管的直径通常在400mm以下，最小的只有75mm。2、按一次顶进的长度分：（顶进长度指顶进工作坑和接收工作坑的距离）分为普通距离顶管和长距离顶管。顶进距离长短的划分目前尚无明确规定，过去多指100m左右的顶管。目前，千米以上的顶管已屡见不鲜，可把500m以上的顶管称为长距离顶管。3、按顶管机的类型分：手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式）。手掘式顶管的推进管前只是一个钢制的带刃口的管子（称为工具管），人在工具管内挖土。掘进机顶管的破土方式与盾构类似，也有机械式和半机械式之分。4、按管材分：分为钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。5、按管子轨迹的曲直分：分为直线顶管和曲线顶管。第三章顶管机及其选型1、手掘式顶管机最早发展起来的一种顶管施工方式。在特定的土质条件下和采用一定的辅助施工措施后便具有施工操作简便、设备少、施工成本低、施工进度快等优点，至今仍被许多施工单位采用。手掘式顶管机也即是非机械的开放式(或敞口式)顶管机，适用于能自稳的土体中。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。如果在含水量较大的砂土中，需采用降水等辅助措施。手掘式顶管机主要由切土刃角、纠偏装置、承插口等组成。所用的工具管有一段式和两段式。一段式工具管与混凝土管之间的结合不太可靠，常会产生渗漏现象；发生偏斜时纠偏效果不好；千斤顶直接顶在其后的混凝土管上，第一节管容易损坏。现多用两段式，前后两段之间安装有纠偏油缸，后壳体与后面的正常管节连接在一起。2、泥水平衡式顶管机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，是较先进的顶管机。泥水平衡式顶管机按平衡对象分有两种，一种是泥水仅起平衡地下水的作用，土压力则由机械方式来平衡；另一种是同时具有平衡地下水压力和土压力的作用。2.1泥水平衡式顶管机结构泥水平衡工具管正面设刀盘，并在其后设密封舱，在密封舱内注入稳定正面土体的泥浆，刀盘切下的泥土，沉在密封舱下部的泥水中而被水力运输管道运至地面泥水处理装置。泥水平衡式工具管主要由大刀盘装置、纠偏装置、泥水装置、进排泥装置等组成。在前、后壳体之间有纠偏千斤顶，在掘进机上下部安装进、排泥管。泥水平衡式顶管机的结构形式有多种，如刀盘可伸缩的顶管机、具有破碎功能的顶管机、气压式顶管机等。泥水平衡顶管施工的完整系统由顶管机、进排泥系统、泥水处理系统、主顶系统、测量系统、起吊系统、供电系统等组成。泥水平衡顶管施工与其它形式的顶管相比，增加了进排泥和泥水处理系统。2.2泥水平衡式顶管机施工特点优点：适用的土质范围较广，尤其适用于施工难度极大的粉砂质土层中；可保持挖掘面的稳定，对周围土层的影响小，地面变形小；较适宜于长距离顶管施工；工作井内作业环境好且安全；可连续出土，施工进度快。缺点：施工场地大，设备费用高，需在地面设置泥水处理、输送装置；机械设备复杂，且各系统间相互连锁，一旦某一系统故障，必须全面停止施工。3土压平衡式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。与泥水顶管施工相比，排出的土或泥浆一般不需进行二次处理，具有刀盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、地面和建筑的沉降较小等特点。按泥土仓中所充的泥土类型分，有泥土式、泥浆式和混合式三种；按刀盘形式分，有带面板刀盘式和无面板刀盘式；按有无加泥功能分，有普通式和加泥式；从刀盘的机械传动方式分，有中心传动式、中间传动式和周边传动式；按刀盘的多少分，有单刀盘式和多刀盘式。由土压平衡盾构机移植而来，其平衡原理与盾构相同。与泥水顶管施工相比，排出的土或泥浆一般不需进行二次处理，具有刀盘切削土体、开挖面土压平衡、对土体扰动小、地面和建筑的沉降较小等特点。3.1土压平衡式顶管机分类按泥土仓中所充的泥土类型分：有泥土式、泥浆式和混合式三种按刀盘形式分：有带面板刀盘式和无面板刀盘式按有无加泥功能分：有普通式和加泥式从刀盘的机械传动方式分：有中心传动式、中间传动式和周边传动式按刀盘的多少分：有单刀盘式和多刀盘式3.2单刀盘式（DK型）顶管机单刀盘式顶管机是日本在上世纪70年代初期开发的，它又称为泥土加压式顶管机，国内称为辐条式刀盘顶管机或加泥式顶管机。由刀盘及驱动装置、前壳体、纠偏油缸组、刀盘驱动电机、螺旋输送机、操纵台、后壳体等组成。没有刀盘面板，刀盘后面设有许多根搅拌棒。这种结构的DK型顶管机在国内已自成系列，适用于φ1.2~3.0m口径的混凝土管施工，在软土、硬土中都可采用，并且可与盾构机通用，可在覆土厚度为0.8倍管道外径的浅埋土层中施工。3.3多刀盘式（DT型）顶管机适用于软土，四把切削搅拌刀盘对称地安装在前壳体的隔仓板上，伸入到泥土仓中。隔仓板把前壳体分为左右两仓，左仓为泥土仓，右仓为动力仓。螺旋输送机按—定的倾斜角度安装在隔仓板上，螺杆是悬臂式，前端伸入到泥土仓中。隔仓板的水平轴线左右和垂直轴线的上部各安装有一只隔膜式土压力表。在隔仓板的中心开有一人孔，通常用盖板把它盖住。在盖板的中心安装有一向右伸展的测量用光靶。由于该光靶是从中心引出的，所以即使掘进机产生一定偏转以后，只需把光靶作上下移动，使光靶的水平线和测量仪器的水平线平行就可以进行准确的测量，而且不会因掘进机偏转而会产生测量误差。前后壳体之间有呈井字形布置的四组纠偏油缸联接。在后壳体插入前壳体的间隙里，有两道V字形密封圈，它可保证在纠偏过程中不会产生渗漏现象。第四章工作井及其布置工作井（工作坑或基坑），按其作用分为顶进井（始发井）和接收井两种。顶进井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机的始发场所，是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、材料设备的吊装、操纵人员的上下等使用。接收井是接收顶管机或工具管的场所，与工作井相比，接收井布置比较简单。1、顶进工作井的井内布置井内布置内容主要包括前止水墙、后座、基础底板及排水井等。后座要有足够的抗压强度，能承受得了主顶千斤顶的最大顶力。前止水墙上安装有洞口止水圈，以防止地下水土及顶管用润滑泥浆的流失。在顶管工作井内，还布置有工具管、环形顶铁、弧形顶铁、基坑导轨、主顶千斤顶及千斤顶架、后靠背。其中主顶千斤顶及千斤顶架的布置尤为重要，主顶千斤顶的合力的作用点对于初始顶进的影响比较大。在顶进井的地面上，布置行车或其他类型的起吊运输设备。2、工作井说明：（1）后座墙把主顶油缸推力的反力传递到工作坑后部土体中去的墙体，是主推千斤顶的支承结构。它的构造会因工作坑的构筑方式不同而不同。在沉井工作坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁。在钢板桩工作坑中，必须在工作坑内的后方与钢板桩之间挠筑一座与工作坑宽度相等的、厚度为0.5~1.0m的、其下部最好能插入到工作井底板以下0.5～1.0m的钢筋混凝土墙，目的是使推力的反力能比较均匀地作用到土体中去。后座墙的平面需与顶进轴线垂直。（2）后靠背靠主顶千斤顶尾部的厚铁板或钢结构件，称之为钢后靠，其厚度在300mm左右。钢后靠的作用是尽量把主顶千斤顶的反力分散开来，防止将混凝土后座压坏。（3）洞口止水圈安装在顶进井的出洞洞口和接收井的进洞洞口，具有制止地下水和泥砂流到工作坑和接收坑的功能。（4）顶进导轨由两根平行的轨道所组成，其作用是使管节在工作井内有一个较稳定的导向，引导管节按设计的轴线顶入土中，同时使顶铁能在导轨面上滑动。在钢管顶进过程中，导轨也是钢管焊接的基准装置。（5）主顶装置由主顶油缸、主顶油泵和操纵台及油管等四部分构成。主顶千斤顶沿管道中心按左右对称布置。主顶进装置除了主顶千斤顶以外，还有千斤顶架，以支承主顶千斤顶；供给主顶千斤顶压力油的是主顶油泵；控制主顶千斤顶伸缩的是换向阀。油泵、换向阀和千斤顶之间均用高压软管连接。主顶油缸的压力油由主顶油泵通过高压油管供给。常用的压力在32～42MPa之间，高的可达50MPa。在管径比较大的情况下，主顶油缸的合力中心应比管节中心低5％的管内径左右。（6）垫块或顶铁若采用的主顶千斤顶的行程长短不能一次将管节顶到位时，必须在千斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。顶铁有环形顶铁和U形或马蹄形顶铁之分。环形顶铁的内外径与混凝土管的内外径相同，作用是把主顶油缸的推力均匀地分布在顶管的端面上；U形和马蹄形顶铁的作用有两个，一是用于调节油缸行程与管节长度的不一致，二是把主顶油缸各点的推力较均匀地传递到环形顶铁上去。U形顶铁用于手掘式、土压平衡式等许多方式的顶管中，它的开口是向上的，便于管道内出土。马蹄形顶铁适用于于泥水平衡式顶管和土压式中采用土砂泵出土的顶管施工，它的开口方向与U形顶铁相反，是倒扣在基坑导轨上的。只有这样，在主顶油缸回缩以后加顶铁时不需要拆除输土管道。3工作井的有效长度计算：L≥L1+L4+L5+L6+500mm同时L≥L2+L3+L4+L5+L6+200mmL1—工具管长度，当采用工具管时，d1000工具管长度一般为2000mm;L2—单根管子长度，一般为2000L3—管道外露F型钢套环长度,一般为125mm;L4—液压千斤顶长度;L5—环形顶铁厚度，一般为200mm;L6—后背厚度，钢制整体装配式后背一般为300mm;第五章顶力计算与后背受力计算1、后背结构及抗力计算后背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。一般采用现浇整体式后座墙组合钢板结构，这种后背安装方便，安装时应满足下列要求：使用千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3。（1）顶力计算推力的理论计算：F=F1十F2其中，F—总推力；Fl一迎面阻力；F2—顶进阻力F1＝π/4×D2×PD—管外径；P—控制土压力,手掘敞开式顶进施工时P=0P＝Ko×γ×HoKo—静止土压力系数;γ—土的湿重量;Ho—地面至掘进机中心的厚度F2=fRD[2H+(2H+D)tg2(450-φ/2)+W/RD]Lf—管道与土之间的摩擦系数；R—土的容重；H—管顶以上覆盖土层的厚度；Φ—内摩擦角;W—管道每米重量;L—最大顶进长度（m）根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。(2)后靠背受力计算式中：R-总推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）a－系数（取1.5－2.5之间)B－后座墙的宽度（m）γ－土的容重（KN/m3)H－后座墙的高度(m)Kp-被动土压系数c-土的内聚力（kPa)h-地面到后座墙顶部土体的高度（m)第六章顶管施工施工时，先制作顶管工作井及接收井，作为一段顶管的起点和终点，工作井中有一面或两面井壁设有预留孔，作为顶管出口，其对面井壁是承压壁，承压壁前侧安装有顶管的千斤顶和承压垫板（即钢后靠），千斤顶将工具管顶出工作井预留孔，而后以工具管为先导，逐节将预制管节按设计轴线顶入土层中，直至工具管后第一节管节进入接收井预留孔，施工完成一段管道。为进行较长距离的顶管施工，可在管道中间设置一至几个中继间作为接力顶进，并在管道外周压注润滑泥浆。顶管施工可用于直线管道，也可用于曲线等管道。顶管施工工艺流程为:安装导轨→设置后背→安装设备(千斤顶组合)→工作井出洞→掘进挖土→顶进→出土→运土→测量→纠偏→接受井进洞→竣工测量→收尾。1、长距离顶管在市政工程建设中，长距离管道的敷设是其重要的工作内容。长距离管道的困难是，设置在顶进坑内的主千斤顶的推顶力有限，不足以克服管道长距离顶进时遇到的总阻力。希望增加顶管单程顶进的长度时，需要采取相关的措施，如增加主千斤顶的顶力、减少管道周边与地层的摩擦力、中途设置辅助千斤顶（中继环）、减小顶管承受的正面阻力等。目前在发展长距离顶管技术的过程中，减摩和设置中继环两项措施已得到较多研究，并已成为成熟的技术。1.1增设中继环（间）为了适应长距离顶进管道的需要，研制了中继环（又称中继间、中间站）。即在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。采用中继环时，管道沿全长分成若干段，在段与段之间设置中继环。中继环是一个由钢材制成的圆环，内壁上设置有一定数量的短行程千斤顶，产生的推顶力可用于推进中继环前方的管道。1.2中继环推进过程设置中继环以后，顶管顶进时，每次都应先启用最前面的中继环，将其前方的管道连同工具管一起向前顶进，后面的中继环和主千斤顶保持不动，直至达到该中继环的一个顶程为止，接着后面的中继环开始推顶作业，将两个中继环之间的管道向前推进。与此同时，前面的一个中继环的千斤顶排放油压，活塞杆缩进套筒。可见，这时被推进的只是该中继环和前面一个中继环之间的管段。在顶进作业中，主千斤顶在每个循环中都最后推进。借助中继环的逐级接力过程，可将顶管的顶推距离延长。1.3中继环的结构形式由前特殊管、后特殊管和壳体油缸、均压环等组成。在前特殊管的尾部有一个与T形套环相类似的密封圈和接口。中继环壳体的前端与T型套环的一半相似，利用它把中继环壳体与混凝土管连接起来。中继环的后特殊管外侧则设有两环止水密封圈，使壳体虽在其上来回运动而不会产生渗漏。中继环油缸被固定在壳体上，油缸均匀布置在壳体内。油缸两头装有均压钢环，钢环与混凝土管之间有衬垫环。衬垫环多用20mm厚的木板做成。中继油缸为单作用油缸，只有当后一只中继环向前推进时，前一只中继环的油缸才能缩回。管子顶通后，把中继环油缸拆卸下来，管子可直接合拢。1.4中继环的布置中继间的布置要满足顶力的要求，同时使其操作方便、合理，提高顶进速度。中继环在安放时，第一只中继环应放在比较前面一些。因为掘进机在推进过程中推力的变化会因土质条件的变化而有较大的变化。所以，当总推力达到中继环总推力40～60％时，就应安放第一只中继环，以后，每当达到中继环总推力的70％～80％时，安放一只中继环。而当主顶油缸达到中继环总推力的90％时，就必须启用中继环。2、微型顶管一般指口径在400mm以下，人无法进入管内作业的顶管施工。微型顶管施工设备主要由切削系统、激光导向系统、出碴系统、顶进系统、控制系统等组成，根据激光导向系统测量偏斜数据，可操纵液压纠偏系统，从而实现调节铺管方向的目的。微型顶管的一次顶进长度大多在50～60m，也有的达到百米及以上。微型顶管的类型很多，按其工作原理和取土方式分有压入式、螺旋钻式、泥水式、土压式、空心钻式等，其中压入式和螺旋钻式应用较多。2.1压入式微型顶管压入式微型顶管是指将前方土体向管道周围土体径向挤压，在不出土或少出土的情况下顶进管道的顶管工艺。一般用于直径较小的管道施工。压入方式按动力分有