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1、顶管法原理顶管法原理 n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 根顶入土层直至达到目的地. 顶管施工技术的发展 顶管施工技术(Pipe jacking)被认为最早应用于罗 马时代，在二战中兴起于美国、二战后在欧洲的英 国、德国和日本迅速发展。 在2O世纪的6O和7O年代，顶管施工技术在美国、欧 洲、日本得到了较大的改进，奠定了现代顶管施工 技术的基础。 顶管技术在中国的发展始于1956的上海。1984年前 后，我国的北京、上海、南京等地先后开始引进国 外先进的机械式顶管设备，使我国的顶管技术上了 一个新台阶。 随后进入快速发展阶段。 顶
2、管施工技术发展的主要原因是市场的推动。 随着时间的推移，顶管技术也与时俱进地 得到迅速发展。主要体现在以下方面： 一次连续顶进的距离：越来越长 顶管直径：向大小直径两个方向发展 管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢顶管 挖掘技术：机械化程度越来越高 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。 顶进工法的类型 人工开放式顶进工法 手掘式 挤压式 泥水平衡封闭式顶进工法 网格水冲式 刀盘掘进式 岩盘破碎式 土压平衡封闭式顶进工法 大刀盘式 多刀盘式 顶管法的应用 特殊施工环境条件下的管道工程： 穿越江河、湖泊、港湾水体下的供水、输气、输 油管道工程； 穿越城市建筑群、繁华街道地下的上下
3、水、煤气 管道工程； 穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管 道工程； 水库坝体涵管重建工程等。 埋深较深(深度大于4米以上),开槽明埋施工造价 较高的工程等。 顶管法施工关键技术 方向控制：与设计轴线一致，对顶力的影 响，保证中继环正常工作 ； 顶力大小及方向：管尾顶进方式，顶进距 离必然受到限制 ，长距离顶进一般采用中 继环接力； 工具管开挖面正面土体的稳定性； 承压壁后靠结构及土体的稳定性； 顶管工程地质勘察 勘察要点： 土层类别、埋深 各土层土体的物理、力学性质 地下水位、压力 地下水和土的腐蚀性 土层冻结深度 地下管线 地下洞室 临近建筑物基础 地面动载 顶管工程设计 双向顶进
4、工法选择及顶管机选型； 工作井设置； 顶管顶力估算； 承压壁后靠结构及土体的稳定验算； 工作坑和接收坑设计； 管材设计。 单向顶进 手掘式顶管施工是最早发展 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，至今仍被广泛采用。 顶管机及其选型顶管机及其选型 手掘式顶管机 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。 一段式工
5、具管与砼管结合不太可 靠，易产生渗漏现象；发生偏斜 时纠偏效果不好；千斤顶直接顶 在砼管上，管节容易损坏。 前段壳 体 纠偏油 缸 后段壳体 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。 两段式工具馆前后两段 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。 手掘式顶管施工的优缺点 优点： 具有顶管施工的所有优点。 工作坑占用场地小。 设备简单、技术难度低，易于推广。 缺点： 对不同地质条件有很大的局限性。 顶进面土压不能平衡，容易塌方。 劳动强度大，施工进度慢。 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 用泥水压力来平衡地下水
6、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。泥水平衡式顶 管机按平衡对象分有两种： 泥水仅起平衡地下水的作用，土压力则由机 械方式来平衡； 泥水同时具有平衡地下水压力和土压力的作 用。 泥水平衡式顶管机结构及施工 n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。 DN2500 泥水平衡掘进机头 泥水平衡顶管
7、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。 n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。 n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。 泥水平衡式顶管施工的优缺点 土压平衡式顶管机 土压平衡顶管机由土压平衡盾构机移
8、植而来，其平衡 原理与盾构相同。与泥水顶管施工相比，最大的特点 是排出的土或泥浆一般不需再进行二次处理，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。 优点: 适用的土质范围广,从软黏土到砂砾土都能适用,是 一种全土质的顶管掘进机,能保持挖掘面稳定,地面 变形极小,施工时的覆土可很浅,是其他形式的顶管 机无法做到
9、的(覆土太浅时,手掘式顶管地面易塌陷, 泥水式和气压式顶管则易冒顶和跑气).弃土运输处 理方便,作业环境好. 缺点: 在砂砾层和粘粒含量少的砂层中施工时,必须采用添 加剂改良土体. 土压平衡式顶管施工的优缺点 单刀盘式（DK型）顶管机 单刀盘式土压平衡顶管机是日本在上世纪70年代初期开发 的，它具有广泛的适应性、高度的可靠性和先进的技术性 。又称为泥土加压式顶管机，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。适用于1.23.0m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。 大刀
10、盘土压平衡顶管机 多刀盘式（DT型）顶管机 这是一种非常适用于软土的顶管机，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。前后壳体之间有 呈井字形布置的四组纠偏油缸联接。 小刀盘 螺旋出土机纠偏千斤顶 多刀盘式（DT型）顶管机 工作井及其布置工作井及其布置 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
11、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。 工作井的布设应遵循的条件 工作坑是顶管施工的顶进工作场所。其位置 可根据以下条件确定: 根据管线设计，工作坑可选在检查井处； 单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水； 考虑地形和土质情况,有无可利用的原土后背； 工作坑与可能穿越的建筑物要有一定安全距离； 工作坑与其周围建（构）筑物要有一定安全距离； 距水、电源较近的地方等。 n实质上是方形或圆形的小基坑，其支护类型同普通 基坑，其平面尺寸较小，支护经常采用钢筋混凝土 沉井、SWM工法井和钢板桩。 n管径1.8m
12、或顶管埋深5.5m时普遍采用钢筋混凝 土沉井作为顶进工作井。 n沉井作为工作井时，一般采用双向顶进； n采用钢板桩支护工作井时，一般采用单向顶进。 顶进工作井 顶进工作井的井内布置 12345678 9 顶进工作井内布置图 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 井内布置内容主要 包括前止水墙、后 座墙、基础底板、 排水井，以及工具 管、环形顶铁、弧 形顶铁、基坑导轨 、主顶千斤顶及千 斤顶架、后靠背等 。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
13、于初始顶进的 影响比较大。 后座墙是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。 沉井工作坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁 。 钢板桩工作坑中，须在工作坑内的后方与钢板桩之 间浇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。 注意后座墙的平面一定要与顶进轴线垂直。 后座墙 后靠背是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。 后背
14、结构 后背的抗力计算 管子在顶进过程中受到的全部阻力，都通过千斤顶传 递给后背墙。所以后背墙必须有足够的稳定性。 为了保证顶进质量和施工安全，应进行后背的强度和 刚度计算。根据顶进需要的总顶力，运用朗肯土压力 公式核算后背受力及挡桩的长度，使土体所受的力小 于土壤的允许承载力。 后背墙稳定性验算：r*(+/2)* 式中: 后背墙承载能力（）； 后背墙的宽度（）； 后背墙的高度（）； 后背墙至地面高度（）； 土的容量（/）； r被动土压力系数。 后背墙的土坑系数。 在设计后背墙时RT，安全系数应在1.2 倍以上。当 RT 时，需做后背墙加固措施，如浇灌混凝土挡土墙 、加大后背墙承压面积、设置挖孔
15、桩等措施。 工作井的洞口应进行防水处理，设置止水圈 和封门板，进出井的一段距离内应进行井点 降水或地基加固处理，以防土体流失，保持 土体和附近建筑物的稳定。 工作井的顶标高应满足防汛要求，坑内应设 置集水井，在暴雨季节施工时应防止地下水 流入工作井，事先在工作井周围设置挡水围 堰。 防水构造 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。 顶进导轨 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。常
16、用 的压力在3242MPa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。 主顶设备 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 。顶铁有环形顶铁和弧形或马蹄形顶铁之分。 环形顶铁：其内外径 与混凝土管的内外径 相同，主要作用是把 主顶油缸的推力较均 匀地分布在所顶管子 的端面上； 顶 铁 环形顶铁 弧形和马蹄形顶铁的作用：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比 较均匀地传递到环形顶铁上去。 弧形顶铁用于手掘式、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。 马蹄形顶铁适用于泥水平衡式
