（市政工程专业论文）长距离曲线顶管技术分析与研究.pdf

攘要巍江丈学颈士学饺论文2 0 0 5 攮要 本文锌对目前工程实践中较为普遍和先进的长距离顶管施工工艺，对管材选 髑，顶力计算方法选择躺施工关键技术如注浆减瘴、中继环设置、通风、测量等 技术进行了分析探讨。 文中着重对麴线顼签瓣受力极理进嚣了分掇。透过建立力学搂墼对熬线路线 半径r 、顶推力p 和影响因素如管径d 、管节长l 、木垫片厚a 、材料弹性模量e 爨及工爨管法懿行程差( b e ) 等鹣关系避行撵导。在疆究过程审分管赛楚或否密 现拉应力二种情况，在管身出现拉应力的情况下分析了管身截面和管道接口断面 二稀受力状态。 研究表明，当管身出现拉威力对，曲线半径r 的决定因索是油积行程茇 ( b - c ) ，而顶推力p 对r 的影响较小；管道接口处最大臁应力om a x 对( b - c ) 值的 变化敏感，( b - c ) 的变能对项攘力p 影响不大。另一方聪，当熬线半径r 为定镳 时，p 对管身的拉应力影响较大，为使管身不出现裂缝，就必须控制最大顶推力。 当警身全截嚣受嚣瓣，竞诲豹王矮警涵敷遘程缓夺，一般枣予l 凇，就辩爨线路 线允许最小半径相当大。 文中最爱遴过工程实铡对攘等分辑避行了骏证。 关键词：顶管、注浆减摩、中继问、长距离、曲线、顶推力、管身应力 浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 a b s t r a c t i na l l u s i o nt op r e v a l e n ta n da d v a n c e dl o n g - d i s t a n c ej a c k i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n i c s u s e da tp r e s e n t ，c h o i c eo fp i p em a t e r i a l ，c a c u l a t ew a yo f j a c k i n gf o r c ea n ds o m ek e y c o n s t r c t i o nt e c h n i c ss u c ha sr e d u c i n gf r i c t i o nt h r o u g hi n j e c t i n gs h i t t y ，s e t t i n go f r e l a y w e l l ，v e n t i l a t i o n ，m e a s u r i n ga r ea n a l y s e d t h ea n a l y s i so fc u r v ej a c k i n gf o r c em e c h a n i s mi se m p h a s i z e d b ys e t t i n gu p m e c h a n i c a lm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i po fe u l v er a d i u s ，j a c k i n gf o r c ea n de f f e c tf a c t o r s s u c ha sp i p ed i a m e t e r ，l e n g t ho f p i p es e c t i o n ，t h i c k n e s so f w o o d e np i e c e ，e l a s t i c i t yo f m a t e r i a la n dt h ed i f f e r e n c eo fj a c kd i s p l a c e m e n ti s i n v e s t i g a t e d t w oi n s t a n c e s w h e t h e rp u l ls t r e s se m e r g e so np i p es e c t i o na r ed i s c u s s e d w h e np u l ls t r e s se m e r g eo n p i p es e c t i o n ，t w of o r c e ds t a t e so f p i p es e c t i o na n df e t c ho f p i p ea r ea n a l y s e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tw h e nt h ep u l ls t r e s se m e r g e so np i p es e c t i o nc u r v e r a d i u sl i e so nt h ed i f f e r e n c eo f j a c kd i s p l a c e m e n t ，w h i l ei ti sal i t t l ei n f l u e n c e db y j a c k i n gf o r c e t h em a xp r e s ss t r e s so nf e t c ho fp i p ei ss e n s i t i v et ot h ec h a n g eo f d i f f e r e n c eo f j a c kd i s p l a c e m e n t ，a n dt h ec h a n g eo f d i f f e r e n c eo f j a c kd i s p l a c e m e n th a s l i t t l ei n f l u e n c eo nj a e k i n gf o r c e o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nc u r v er a d i u si sc o n s t a n t ，t h e p u l ls t r e s so np i p es e c t i o ni sg r e a t l ya f f e c t e db yj a c k i n gf o r c e a n da tt h i st i m e ，i n o r d e rt oa v o i dc r a c k ，t h em a xj a c k i n gf o r c em u s tb ec o n t r o l l e d w h e np i p ei sp r e s s e d o nt h ew h o l es e c t i o n ，t h ea l l o w a b l ed i f f e r e n c eo f j a c kd i s p l a c e m e n ti ss m a l l ，l e s st h a n o n em i l l i m e t e rc u r r e n t l y a n da tt h es a m et i m e ，t h el e a s ta l l o w a b l ec u r v er a d i u si s q u i t eg r e a t i n t h el a s tp a r to f t h i sp a p e r ，t h ed e d u c t i o ni sv a l i d a t e d b yap r o j e ae x a m p l e k e yw o r d s ：p i p e j a c k i n g ，r e d u c i n gf r i c t i o nt h r o u g hi n j e c t i n gs l u r r y ，r e l a yw e l l ，l o n g d i s t a n c e ，c u r v e ，j a c k i n gf o r c e ，s t r e s so f p i p e i l 勘误表 页次内容 p 2 l第9 行公式( 3 - 7 ) 应为( 3 5 ) p 2 l 繁1 1 行公式( 3 8 ) 分母1 应为2 p 2 l 繁1 5 行公式( 3 。9 ) 分母l 应为2 p 3 6 第t 行增加a c 一b = a p 3 7 嚣5 - 9 中均改为一辐鹜 p 4 l 第4 亍拉压应力改为拉应力 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 第一章：绪论 1 1 顶管施工技术发展概况及现状 顶管施工方法已经有上百年的历史了，是继盾构旌工之后而发展起来的一 种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、河川、地 面建筑物、地下建筑物以及各种地下管线等。它最初是在工业发达国家广泛使用， 在1 8 9 2 年在美国麻省举行的学术会议上论及美国的北太平洋铁路铺设工程中顶 管应用是最早的引证文献。据资料记载，日本最早的一次顶管施工是在1 9 4 8 年， 施工地点是在尼崎市的一条铁路下面，现在，这条铁路也已经废弃了，当时顶的 是一根内径为0 6 0 0 m m 的铸铁管，顶距只有6 m ，主顶是一种手摇液压千斤顶，直 到1 9 5 7 年前后，日本才采用液压油泵来驱动油缸作为主顶动力。目前项管在穿 越铁路、公路、江河和湖泊的管道施工中得到广泛应用，顶管也由原来的小直径、 短距离向大直径、长距离发展，目前直径4 米、一次顶进2 0 0 0 米的顶管施工已 经不是什么很困难的事了。就顶管形式而言，除直线顶管外，还有曲线顶管。项 管技术和所有的应用技术一样，为满足社会需求而发明和发展，已明显向多元化 方向发展“”。 我国的顶管施工始于1 9 5 3 年的北京，后来上海也在1 9 5 6 年开始顶管试验。 但一开始都是些手掘式顶管，设备也比较简陋。在1 9 6 4 年前后，上海一些单位 已进行了大口径机械式顶管的各种试验。当时，1 ：3 径2 m 的钢筋混凝土管的一次 推进距离可达1 2 0 m ，同时，也开创了使用中继问的先河“。 以后，又进行了多种口径、不同形式的机械顶管的试验，其中土压力居多。 由于当时的顶管掘进机的设计还停留在比较原始的阶段，也没有一套完整的理论 作指导，施工时又没有针对土的性质因地制宜，所以，当时的顶管掘进机还不够 完善。土压式当初分上部出土和下部出土两种，但都没有引入土压力这个概念。 其中，也搞了一些水冲顶管的试验。 顶管施工最初主要用于下水道施工，随着顶管施工技术在给排水工程中的 应用领域越来越广泛，施工工艺也越来越完善，近来越来越多的运用到自来水管、 煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环水冷却系统等许多管道的施工中，使 我国的顶管施工迈上了一个新的台阶，并在顶管的基础上发展成一门非开挖施工 技术。 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 随着顶管长度越来越长，运用范围越来越广泛，并要求在不同土层作业， 于是促进了挖掘机的机械化，同时一系列作业设备，如切削设备遥控钻进设备等 应运而生。 德国h e r r e k n e e h t 公司目前生产1 i 种规格型号顶管机，最大直径达4 1 2 0 m m 。 能在3 0 m 深处作业。臼本现有十多家生产顶管机的公司，直径2 0 0 3 5 2 0 m m ，町 用于穿越各种土层、卵砾层和岩层“。中国2 0 0 3 年统计数字表明与2 0 0 2 年相 比机具的销售量增加4 0 1 。 所有的施工企业在各方面不断增强实力，包括采用强有力的顶管机，中继 间和先进的 9 1 1 】量系统，同时想方设法使顶管能够满足更长更复杂的地质条件下的 需要。 在管材方面，适用于顶管的种类越来越多，构造臼趋合理。较为普遍的钢 筋砼管接口处理更为完善，钢管作为传统的顶管材料在很多工程中仍在使用。最 新有钢筒砼管和玻璃钢夹砂管，也用于顶管工程。 在工作井接收井方面，各种技术可靠，经济合理的彤式不断出现。传统的 沉井、钢板桩运用广泛，作为围护结构的钻孔灌注桩加高喷桩、树根桩，地下连 续墙和s m w 工法井等都可以作为工作井和接收井的结构形式，根据不同地形、土 质进行选择。 今天在中国，我们可以看到长达2 k m 的一次性超长距离顶进管道，可以看 到大到3 5 m 直径的大口径顶管和小到1 0 0 m - n 直径的微型顶管，我们还可以看到 三维的s 型曲线顶管。顶管技术已作为常规的旌工方法正从经济发达地区向中西 部内地发展，从软土地质条件下向地质复杂的广东地区发展。 1 2 国内外几个典型的混凝土顶管工程 我们可以从下面几个典型的工程实例中大致看出顶管技术的运用。 一、汉堡下水道顶管工程： 这是世界上第一根超千米的顶管工程。该工程将一根直径为2 6 m 、壁厚3 5 0 毫米的钢筋混凝土管道，从一只工作井单向顶进3 4 0 节管段，全长1 2 0 0 m ，其中 包括5 0 0 m 直线段，4 0 0 m 曲线段和最后3 0 0 m 直线段，管段长3 5 m 自重2 5 k n 。 施工中采用1 5 只中继环，每只中继环采用2 4 只7 0 0 k n 千斤顶，即中继环顶 施工中采用1 5 只中继环，每只中继环采用2 4 只7 0 0 k n 千斤顶，即中继环顶 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 力为1 6 8 0 0 k n ，主千斤顶站采用6 只3 0 0 0 k n 千斤顶，总项力为1 8 0 0 0 k n ，管壁外 压有膨润土触变泥浆，每隔2 0 m 布置一道压浆孔，以减少摩阻力，在水头为1 5 m 的粉质粘土夹卵石的含水层中施工时，采用高压水枪冲土，泥浆曲输泥管排放出 管道，平均每天顶进l o m ，顶管工程在1 9 7 0 年完成。 二、西柏林供热管顶管工程： 西柏林远距离供热水管线的顶管工程是较大的又是具有代表性的工程，顶 管管道总长3 6 0 7 m ，有八只井把管道分成六段，晟长一段为1 0 8 8 m 。各段同时施 工，一年内完成。管道的内径为4 1 m ，外径5 0 i n ，每节长为2 9 8 m ，每段重4 8 0 k n ， 管道埋深1 5 2 0 m ，每8 0 3 0 0 m 有一只中继环，主站和中继站的推力均为2 4 0 0 0 k n ， 管线穿过许多地面建筑物，穿过州法院大楼时，其下沉量为3 m m ，其余大楼为 3 、1 4 m e n ，地面沉降是很小的，该工程在1 9 8 7 年完成，完成后的管道作为敷设四 根热水管和冷水管的地下通道。 三、伦敦供水管顶管工程： 该顶管工程是英国伦敦新建供水系统的一部分，管道全长2 英里，只设一只 工作井。管道内径为9 8 英寸，壁厚1 4 英寸，管段长1 5 英尺，重3 0 吨，主千 斤顶站采用4 只千斤顶，行程1 8 英尺，总顶力1 2 0 0 吨，采用1 0 只中继环，其 行程为1 英寸。 顶进土层大多数是不透水的粘性土，也有砂层。顶到6 0 0 英尺时，遇到了透 晶体含水层，工程停顿了3 个星期，期间安装了气闸，改用气压施工。从而排除 了积水，管道在气压下顶进2 0 0 英尺，穿过了透水层，再次进入了不透水层。以 后管道以每星期1 3 0 英尺的速度顶进，该工程有英国m o n k 公司和德国崔柏林公 司联合承包，崔柏林公司提供技术。顶管工程在1 9 8 8 年完成。 四、浙江炼油厂甬江越江管道工程“” 甬江越江管道是浙江炼油厂新建3 0 万吨合成氨装置引水工程的一部分，采 用钢管，直径为2 6 m ，壁厚2 4 m m ，采用一只工作井，管道单边一次性顶进5 8 1 9 m ， 终点偏差：偏下2 o m m ，偏右3 o m m 。1 9 8 1 年4 月由上海市基础工程公司完成这 一水下超长距离顶管工程。工作井呈圆形，采用地下连续墙旌工，管道埋深约 1 6 m ，采用气压平衡法施工。共设置5 只中继间，并采用泥浆减阻等措施。 此工程在国内开创了长距离大直径顶管的先河。 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 五、嘉兴市污水排海工程” 排海工程管道内径d 2 0 0 0 m m f 型钢承口钢筋砼管，楔型橡胶圈接口。管道埋 深9 3 0 2 1 8 1 m ，出洞口2 0 0 m 范围内是粉土夹粉砂土层，然后是粘土层。工程 采用大刀盘泥水平衡式工具管。 工具管尾部环向均匀布置4 只注浆孔，以后每隔2 节设1 节带注浆孔管节。 4 只呈9 0 。环向交叉布置。由于触变泥浆运用合理，全长2 0 5 0 m 最大顶力仅 9 0 0 0 k n ，正常顶进过程中没有使用中继间，只在停顶较长时间起顶后使用了2 # 、 4 # 中继间。测量使用了全站仪、激光经纬仪和高精度水准仪等。 工程于2 0 0 1 年1 2 月施工，2 0 0 3 年1 月运行至今良好。 1 3 顶管施工技术的工程意义 我们生活在一个日新月异，科学技术高度发达、又紧张忙乱的都市生活方式 的世界上。当今时代我们城市现存的许多设施不能满足发展的需要。需要提供更 好的污水处理系统，自来水、煤气、电力和通讯设施尤其需要工程技术人员安全 的安装管道并且使城市的破坏减至最小，非开挖技术将完全能解决这些难题，提 供安全经济的施工方法，为创建都市的安宁环境造就了勃勃生机。 与其它技术相比，顶管技术起步较晚。但是值得注意的是在最近2 0 多年中， 顶管施工技术无论在理论上，还是在施工工艺方面，都有了突飞猛进的发展。顶 管技术是极为更要的一种都市铺设管道的施工手段，采用项管旌工法铺设管道具 有如下得天独厚的优势： ( 1 ) 顶管施工是顶管铺管技术的一种，随着国外、国内的广泛应用，由于 具有不开挖地面，能穿越公路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过的特点， 当前是管道施工时最安全有效环境保护的旌工方法。 ( 2 ) 采用地下顶管施工法能对节约征地拆迁费用，减少动迁，缩短管线长 度，减少开挖回填土方和围护措施费用，具有很大的经济效益。 ( 3 ) 顶管施工不开挖地面，故而铺设管道周围土层未经扰动，管道不易发 生沉降变形，较开挖法更能保证管道使用的安全。 ( 4 ) 顶管施工范围的扩大，顶管机械的性能越来越适应各种土质。顶管特 别适用中小型管径管道的非开挖铺设，与其它非开挖设备相比，其具有独特的优 4 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 点。 同时，也应该看到，目前国内顶管技术虽日趋普及，但与埋管相比技术和操 作上仍有许多不成熟的地方。特别是管材开发不够多样化，顶力计算与实际操作 中偏差过大，不同土质操作失误带来的后患巨大以及曲线受力与控制等方面，技 术的不成熟导致施工上的顾虑。 因此，开展这方面的研究具有理论和工程实际两方面的意义。 1 _ 芎本文的主要内容 在目前的长距离曲线项管研究中，主要涉及较多的是：顶管机具设备、测量 设备和注浆减摩等方面韵课题，另外由于顶力计算公式的多样以及与实践的偏差 过大，许多研究提出了自己的观点和建议。曲线顶管中的应力分析方面的内容较 少，并且过于简单化。 本文在前人研究的基础上讨论了长距离曲线顶管中的管材选用，顶力计算公 式的选择，着重研究了曲线顶管管节的受力分析，得出可以简化施工计算的公式 和表格，对曲线顶管中的半径、顶力进行控制。 针对混凝土管道、曲线顶管受力分析，首先是充分考虑木垫片作用，建立管 节的受力模型，分管身截面和管接口断面对应力进行控制，得出曲线半径、顶推 力、工具管油缸行程差、压、拉应力、管节长、管径、木垫片厚度以及管材、木 垫片弹性模量等的相互关系公式和图形，并结合实例进行检验。 由于曲线项管是个变化的动态过程，本文研究针对静态分析，是对已有的相 关研究的补充和修正，对实践工作具有指导意义。 第二二章长距离曲线顶管管材选用 浙江大学磷士学位论文2 0 0 5 第二章长距离曲线顶管臀材选用 2 。1 疆管旌王原理檄述 顶管施工就是借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工熟管或掘进机 麸工睾坟瘫穿过层一壹捺到接受坑内晕越。与筵嚣辩，逡藏楚紧涟工其謦或蠢 进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法。施 工示意图觅图2 一l ： 图2 1 顶管施工示意图 2 1 1 三种平衡理论 顶管施工目前主要有三种平衡理论，分别是：气压平衡理论、泥水平衡理论 和压平糯理论。 1 、气压平衡理论 全气艇平筏使用褥最晕，它蹩在所瑕遴戆管遣孛及挖掇瑟上罄兖潢一定压力 的空气，以空气的压力来平衡地下水的压力。而局部气压平衡则 芏往只有掘进机 弱主仓肉态鞋一定熬空气，这至l 平餐遣下零压力巍藏子挖缀露舔中蘧下承豹终 用。 气箧平锈工其管本钵绪褐合联简单，而且实溺往强，几乎没霄祝槭故障，部 分设备上的易损件更换简单，由于它的可靠性比冀它工具镣形式离得多，因此我 国在多项超长距离顶管工程中，都选用了气压平衡工具管。并多次穿越了上海黄 漏江、黄河等河流，曾创造了管经3 。5 米钢管与中继黪棚配合一次顼进了1 7 4 3 米的钢管顶进世界纪录。 6 第二章长距离曲线顶管管材选用 浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 该机头最适用于软土地区，可穿越粘性土、粉性土以及砂土等土层，但成 尽量避开渗透性系数大的砾石和粗砂层。同时，施工造成的沉降一般较大。除此 之外，气压顶管施工对环境、设备、作业人员要求都较严格，相对于后二种方法 而言，该施工方法不宜大量推广。 2 、 泥水平衡理论 泥水平衡理论就是以含有一定量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满 掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力的一种顶 管施工理论。按照该理论，泥浆水在挖掘面上能形成泥膜，以防止地下水的渗透， 然后再加上一定的压力就可平衡地下水压力，同时，也可以平衡土压力。该理论 用于顶管施工始于2 0 世纪5 0 年代末期。泥水平衡的基本原理圈，见图2 2 ： 6 l 花 圈2 - 2 泥水平衡的基本原理 泥水平衡式顶管施工特点有： ( 1 ) 适用的土质范围比较广，如在地下水位高和变化范围很大的条件下，它都 适用。此法施工地面沉降较小。 ( 2 ) 与其他类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其在粘土层， 特别适用于长距离顶管。 ( 3 ) 泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。但弃土和存放较困难。场地 作业面较大。 ( 4 ) 工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水管道，输送弃 土，不存在吊土，搬运等危险的作业。但泥水设备噪声对环境有一定影响。 ( 5 ) 如果遇到覆土层过薄，或者遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作、j p j 成 并；学眭距离曲线顶管管材选用浙江大学硕士学位论文2 0 0 5 会因此受阻。因为在这样的土层中，泥水要么溢到地面上，要么很快渗透 到地下水中，致使泥水压力无法建立起来。 3 、 土压平衡理论 土压平衡理论就是以掘进机土舱内泥土的压力和螺旋输送机排土来平衡掘 进机所处土层的土压力和地下水压力，它排出的土可以是含水量很少的干土或含 水量较多的泥浆。它与泥水式顶管施工相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般 都不需要再进行泥水分离等二次处理。它与手掘式及其他形式的顶管施工相比 较，又具有适应土质范围广和不需要采用任何辅助施工手段的优点。 掘进机在顶进过程中，其土仓的压力p 如果小于掘进机所处土层的主动土 压力p a 时，地面就会产生沉降。反之，如果在掘进机顶进过程中，其土仓的压 力大于