地铁运行对环境的影响及地铁减振技术PPT课件.ppt

第七章顶管法 上海理工大学土木工程系陈有亮 1 目录 7 1概述7 2顶管工程设计7 3常用顶管工具管7 4中继环7 5管道及其接口7 6顶管法施工主要技术措施 2 7 1概述 7 1 1顶管法简介7 1 2顶管法的关键技术7 1 3顶管法的工程地质勘察 3 7 1 1顶管法简介 顶管法 PipeJackingMethod 主要是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 是修建隧道和地下管道的一种重要方法 顶管技术可用于特殊地质条件下的管道工程中 主要有 1 穿越江河 湖泊 港湾水体下的供水 输气 输油管道工程 2 穿越城市建筑群 繁华街道地下的地下水 煤气管道工程 3 穿越重要公路 铁路路基下的通讯 电力电缆管道工程 4 水库坝体涵管重建工程等 4 7 1 1顶管法简介 顶管法利用主顶千斤顶及管道中继环千斤顶的推力 将管道从工作坑内穿过土层一直推到接收坑 同时 将紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间 顶管法分为人工顶管 机械顶管 水射流顶管 挤压顶管四大类 工作中根据管径 土层状况 管线长度 技术经济性来选定 5 6 7 1 1顶管法简介 顶管施工的历史顶管施工最早始于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 国内1953年北京第一次进行顶管施工 1956年上海也开始进行了顶管试验 1978年上海开发了适用于软粘土和淤泥质粘土的挤压法顶管 1984年国内开始引进国外的机械顶管设备 随之也引进了顶管理论 顶管施工方法 诸如土压平衡理论 泥水平衡理论 气压平衡理论等 1988年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机 7 7 1 1顶管法简介 顶管施工的理论顶管施工中最为流行的有三种工作面平衡理论 1 气压平衡 在所顶进的管道中及挖掘面上充满一定压力的空气 以空气的压力来平衡地下水及土层的压力 有全气压平衡和局部气压平衡之分 2 土压平衡 以顶管掘进机土舱内泥土的压力来平衡顶管掘进机所处土层的土压力和地下水压力 3 泥水平衡 以含有一定量粘土 且具有一定相对密度的泥水充满顶管掘进机的泥水舱 并对它放加一定的压力 以平衡地下水压力和土压力的一种顶管施工方法 8 7 1 1顶管法简介 顶管技术的分类1 按顶管作业的形式人工顶管挤压顶管水射流顶管机械顶管 泥水式 泥浆式 土压式 岩石式2 按管径分大口径大于2000毫米中口径900毫米 2000毫米小口径小于900毫米3 按顶进轨迹直线顶管曲线顶管 9 7 1 1顶管法简介 顶管技术的分类4 按顶进距离短距离顶管小于100米中距离顶管100米 300米长距离顶管大于300米 10 7 1 1顶管法简介 人工顶管在推进管前安装一个带刃口的钢制管子 称为工具管 其具有挖土保护和纠偏功能 人在工具管内挖土 运土 随后利用安装在工作井内的千斤顶逐渐分段顶入 特点 工作坑尺寸较小 造价较低 劳动强度大 施工安全性差 易造成地面下沉 效率较低 需全面降水 机械顶管技术在推进管前端装上掘进机械 利用掘进机进行掘土 破碎 输送的顶管施工方法称为机械顶管 相应的顶管机械有泥水平衡顶管机 加泥式顶管机 土压平衡顶管机 岩石掘进式顶管机 11 7 1 2顶管法的关键技术 1方向控制2顶力大小及方向3工具管开挖面正面土体的稳定性4承压壁后靠结构及土体的稳定性 12 1方向控制 管道能否按设计轴线顶进 是顶管 尤其是长距离顶管 成败的关键 顶进方向失去控制会导致管道偏离设计轴线 造成所需顶力的增大 严重的甚至会导致工程无法正常进行 高精度的方向控制也是保证中继环正常工作的必要条件 13 2顶力大小及方向 如仅采用管尾顶进方式 顶管的顶推力必然随着顶进长度的增加而增大 但由于受到顶推动力和管道强度的制约 顶推力并不能无限制的增大 因此 只采用管尾推进方式 管道的顶进距离必然受到限制 一般采用中继环接力顶推技术加以解决 此外 顶力的方向控制也十分重要 能否保证顶进中顶推合力的方向与管道轴线方向一致是控制管道方向 同时也是确保顶管工程正常实施的关键 14 3工具管开挖面正面土体的稳定性 在开挖和顶进过程中 尽量减小对正面土体的扰动是防止坍塌 涌水和确保正面土体稳定的关键 正面土体的失稳会导致管道受力情况急剧变化 甚至会造成顶进方向的偏离 15 4承压壁后靠结构及土体的稳定性 顶管工程中 多数情况必须有顶管工作井 顶管工作井一般采用沉井结构或钢板桩支护结构 除了要验算结构的强度和刚度外 还应确保后靠土体的稳定性 可以采用注浆 增加后靠土体地面超载等方式限制后靠土体的滑动 若后靠土体失稳 不仅会影响顶管的正常施工 严重的还会影响到周围环境 16 7 1 3顶管法的工程地质勘察 若决定采用顶管法来铺设一条管路 为了能够拟定最佳设计方案 首先要对顶管线路进行确定 顶管线路的工程地质勘察不仅是顶管工程设计不可缺少的程序 同时也是指导设计和施工的重要技术资料 其勘察要点和主要技术方法为 17 18 7 2顶管工程设计 顶管工程设计主要应解决好工作井设置 顶管顶力估算以及承压壁后靠结构及土体的稳定性问题 7 2 1顶管工作井设置7 2 2顶管顶力估算7 2 3顶管承压壁后靠土体的稳定性验算 19 7 2 1顶管工作井设置 顶管施工常需两种形式的工作井 1 供顶管机头安装用的顶进工作井 顶进井 2 供顶管工具管进坑和拆卸用的接收工作井 接收井 20 7 2 1顶管工作井设置 工作井实质上是方形或圆形的小基坑 其支护形式同普通基坑 与一般基坑不同的是因其平面尺寸较小 支护结构经常采用钢筋混凝土沉井和钢板桩 在管径不小于1 8m或顶管埋深不小于5 5m时普遍采用钢筋混凝土沉井作为顶进工作井 当采用沉井工作井时 为减少顶管设备的转移 一般采用双向顶进 而当采用钢板桩支护工作井时 为确保土体稳定 一般采用单向顶进 21 a 双向推进 b 单向推进 22 7 2 1顶管工作井设置 当上下游管线的夹角大于170度时 一般采用矩形工作井施行直线顶进 常规的矩形工作井平面尺寸可根据下表选用 当上下游管线的夹角不大于170度时 一般采用圆形工作井施行曲线顶进 23 24 7 2 1顶管工作井设置 从经济 合理的角度考虑 工作井在施工结束后 一部分将改为阀门井 检查井 因此 在设计工作井时要兼顾一井多用的原则 工作井的平面布置应尽量避让地下管线 以减小施工的扰动影响 25 7 2 1顶管工作井设置 26 7 2 1顶管工作井设置 工作井的洞口应进行防水处理 设置挡水圈和封门板 进出井的一段距离内应进行井点降水或地基加固处理 以防止土体流失 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 在暴雨季节施工时为防止地下水流入工作井 应事先在工作井周围设置挡水围堰 27 7 2 2顶管顶力估算 28 7 2 3顶管承压壁后靠土体的稳定性验算 顶管工作井普遍采用沉井或钢板桩支护结构 对这两种形式的工作井都应首先验算支护结构的强度 此外 由于顶管工作井承压壁后靠土体的滑动会引起周围土体的位移 影响周围环境 并影响到顶管的正常施工 所以在工作井设置前还必须验算顶管承压壁后靠土体的稳定性 以确保顶管工作井的安全和稳定 29 沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定性验算 采用沉井结构作为工作井时 可按下图所示的顶管顶进时的荷载计算图 验算沉井结构的强度和沉井承压壁后靠土体的稳定性 沉井结构的强度验算将另外介绍 30 31 沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定性验算 沉井承压壁后靠土体在顶管顶力超过其承受能力后产生滑动 由沉井承压壁后靠土体的极限平衡条件 F 0 得 32 沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定性验算 33 沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定性验算 需要强调的是 在中压缩性至低压缩性粘性土层或孔隙比e 1的砂性土层中 若沉井侧面井壁与土体的空隙经密实填充且顶管顶力作用中心基本不变 可在承压壁后靠土体稳定验算时考虑F1及F2 实际工程中 在无绝对把握的前提下 上式的F1及F2均不考虑 若不考虑F1及F2 一般采用下式进行沉井承压壁后靠土体的稳定性验算 34 钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定性验算 略 35 7 3常用顶管工具管 目前常用的顶管工具管有手掘式 挤压式 泥水平衡式 三段两铰式型水力挖土式和多刀盘土压平衡式等 36 手掘式顶管工具管 手掘式顶管工具管为正面全敞开 采用人工挖土 如下图所示 37 挤压式顶管工具管 挤压式顶管工具管正面有网格切土装置或将切口刃脚放大 由此减小开挖面 采用挤土顶进 如下图所示 38 泥水平衡式顶管工具管 泥水平衡式顶管工具管正面设置削土刀盘 其后设置密封舱 在密封舱中注入稳定正面土体的护壁泥浆 刮土刀盘刮下的泥土沉入密封舱下部的水中并通过水力运输管道排放至地面的泥水处理装置 如下图所示 39 三段两铰型水力挖土式顶管工具管 三段两铰型水力挖土式顶管的工具管的内腔分为前 中 后三个舱室 前舱为冲泥舱 舱前端装有切削 挤压土的格栅 中舱为操作室 两者之间用胸板隔开 后舱为控制室 设有各种测试仪器和仪表 在千斤顶顶推下 格栅将土体切开 再经高压水射流破碎 搅混成流态 由吸泥泵吸出并送入水力运输管道排放至地面的贮泥水池 如下图所示 40 三段两铰型水力挖土式顶管工具管 41 多刀盘土压平衡式顶管工具管 多刀盘土压平衡式顶管工具管头部设置密封舱 密封隔板上装设数个刀盘切土器 顶进时螺旋器出土速度与工具管推进速度相协调 如下图所示 42 常用顶管工具管 近年来 顶管法已普遍用于建筑物密集市区以及穿越江河 堤坝和铁路路基的地下工程 钢筋混凝土管道和外包钢板复合式钢筋混凝土管道的顶距已达100 290m 钢管的顶距已达1200m 在合理的施工条件下 采用一般顶管工具管引起的地表沉降量可控制在50 100mm 而采用泥水平衡式顶管工具管引起的地表沉降量更在30mm以下 43 常用顶管工具管 上述顶管工具管的基本原理及施工工艺与盾构基本相似 在顶管施工中 已实现地面遥控操作 管道轴线和标高可采用激光测量仪连续量测 并能做到及时纠偏 智能化程度较高 44 7 4中继环 7 4 1中继接力原理7 4 2中继环构造7 4 3中继环自动控制 45 7 4 1中继接力原理 在长距离的顶管工程中 当顶进阻力 即顶管掘进迎面阻力和管壁外周摩阻力之和 超过主千斤顶的容许总顶力 管节容许的极限压力或工作井承压壁后靠土体极限反推力三者之一 无法一次达到顶进距离要求时 应采用中继接力顶进技术 实施分段顶进 使顶入每段管道的顶力降低到允许顶力范围内 46 7 4 1中继接力原理 47 7 4 1中继接力原理 采用中继接力技术时 将管道分成数段 在段与段之间设中继环 中继环将管道分成前后两个部分 中继油缸工作时 后面的管段成为承压后座 前面的管段被推向前方 中继环按先后顺序逐个启动 实现管道分段推进 由此达到减小顶力的目的 采用中继接力技术以后 管道的顶进长度不再受承压壁后靠土体极限反推力大小的限制 只要增加中继环的数量 就可增加管道顶进的长度 中继接力技术是长距离顶管不可缺少的技术措施 48 7 4 1中继接力原理 中继环安装的位置应通过顶力计算确定 第一组中继环主要考虑工具管的迎面阻力和管壁摩阻力 并应有较大的安全系数 其它中继环则考虑克服管壁的摩阻力 可留有适当的安全系数 49 7 4 2中继环构造 中继环主体结构由以下几部分组成 1 短冲程千斤顶组 冲程为150 300mm 规格 性能要求一致 2 液压 电器与操纵系统 3 壳体和千斤顶紧固件 止水密封圈 4 承压法兰片 50 51 7 5管道及其接口 顶管所用管道按其材质分为钢筋混凝土管和钢管两类 按用途可分为排水管道 煤气管道 上水管道等 52 7 6顶管法施工主要技术措施 7 6 1顶进中的方向控制7 6 2减少顶进阻力的措施 53 7 6