5.4顶管工程关键技术分析

第五章顶管施工技术大连理工大学建设工程学部宋永发课程内容contents顶管技术的基本原理及组成国内外顶管技术的发展5.15.2顶管施工的分类及特点5.3超大断面矩形顶管施工技术顶管工程关键技术分析5.45.55.4顶管工程关键技术分析5.4.1管道顶进顶管顶进方式选择原则如下：首先，详细了解工程概况，地质条件，地下水位，顶管的管径，埋深，附近地上或地下建筑物、构筑物和各种设施，附近管线的埋设，地下阻碍物情况等。其次，从技术的角度考虑：对于口径小的顶管，因人无法进入管内施工，通常都采用泥水顶进；对于地下水位高、变化大及土质较松软的地段，宜采用掘进法施工；对于地下杂物、石子较多即障碍物较多的情况，应选用具有除障功能的机械式掘进机或采用手掘式顶管等等一系列情况。概述5.4.1管道顶进顶管顶进方式选择原则如下：最后，还应考虑安全因素，一般所选顶管方式要能处理未预见到的情况(如石块等)，避免出现顶不进退不出的局面。施工工艺的选择在整个顶管阶段是尤为重要的，在顶管施工前宜按以上方法确定施工工艺的合理组合。概述5.4.1管道顶进顶管隧道开挖面稳定性理论研究较少，主要参考盾构隧道开挖面稳定性来进行。开挖面稳定性研究的过程主要为：先构造典型的开挖面失稳破坏模式，然后通过极限分析法或极限平衡法等方法建立能量或者力学平衡方程，求解得到开挖面极限支护力。（1）顶管隧道开挖面稳定性研究5.4.1管道顶进由于极限分析法的模型和求解过程较为复杂，难以推广应用，而极限平衡法具有模型简单、计算简便和推导过程简单等优势，因此被广泛应用于盾构隧道极限支护力计算中。楔形体模型是目前开挖面稳定性研究的主流方向，不同类型的研究成果提高了楔形体模型在不同地层条件中的适用性。根据实际施工地址情况选择适当的楔形体模型，是开挖面稳定的重要保证条件。（1）顶管隧道开挖面稳定性研究5.4.1管道顶进顶管顶进力是工作井结构设计、管道结构设计和顶管机选型的决定性参数之一，其准确性直接关系到顶管工程的成本和安全。当顶进力较大时，将使得管道和工作井设计过于保守，增加了不必要的工程造价。当采用偏小的顶进力时，则可能出现由于顶力不足造成顶进无法进行。（2）顶管顶进力计算研究5.4.1管道顶进顶管顶进力由刀盘迎面土体的阻力和管土侧摩阻力两部分组成，当顶管机的相关参数（类型、顶管的直径、地层以及埋深）一定时，迎面阻力可认为是一个定值，而管土侧摩阻力随着顶进距离的增加而增大，管土侧摩阻力主要取决于管土接触压力和摩擦系数。因此，国内外学者集中于从管土接触压力和管土摩擦系数等角度开展顶进力理论研究。（2）顶管顶进力计算研究5.4.1管道顶进目前在我国内《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-97）中，顶进力的计算公式如下：𝑃=𝑓×𝛾×𝐷1[2𝐻+(2𝐻+𝐷1)𝑡𝑎𝑛2(45–𝜙/2)+𝜔/𝛾𝐷1]×𝐿+𝑃0P—计算的总顶进力；𝑓—顶进时管道表面与其周围土层之间得到摩擦系数；𝛾—管道所处土层的重力密度𝑘𝑁/𝑚3；𝐷1—管道外径，m；（2）顶管顶进力计算研究5.4.1管道顶进目前在我国内《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-97）中，顶进力的计算公式如下：𝑃=𝑓×𝛾×𝐷1[2𝐻+(2𝐻+𝐷1)𝑡𝑎𝑛2(45–𝜙/2)+𝜔/𝛾𝐷1]×𝐿+𝑃0𝐻—管道顶部以上覆盖土层厚度，m；𝜙—管道所处土层的内摩擦角，°；𝜔—管道单位长度的自重，𝑘𝑁/𝑚；𝐿—管道的计算顶进长度，m；𝑃0—顶进时工具管的迎面阻力，𝑘𝑁（2）顶管顶进力计算研究5.4.2顶管出洞技术顶管出洞是指在工作井安放就位的掘进机和第一节管从井中破封门进入土中的阶段。完成好这一阶段的关键是做好以下几个方面的工作：管线放线、导轨铺设、洞口止水和穿墙等几个方面的工作。概述5.4.2顶管出洞技术顶管管线放线是保证顶管轴线正确的关键。放线准确就能保证工具管按设计要求顺利进洞，满足施工质量要求；反之，就可能造成顶管轴线偏差，影响工程进度和工程质量，同时也会造成顶进时设备损坏，使顶管停顿。（1）管线放线5.4.2顶管出洞技术基坑导轨是安装在工作井内为管子出洞提供一个基准的设备。导轨铺没应注意管线轴线、导轨标高和导轨支撑稳定性几个方面问题。轴线重合。要依据管线轴线测量结果，铺设时，将管线轴线线与导轨中线重合。管线标高。导轨的铺设高程要根据设计要求，先算出管道底的标高，根据它从而得到导轨铺设标高，最好将导轨铺设成管道要求的坡度，从而减少后续校正的工作。另外，导轨与工作坑底应用混凝土浇筑成，不宜采用枕木。导轨支撑。顶管顶进时，会产生很大的摩擦力，如对导轨支撑不稳将造成管道偏差，一般在导轨和工作坑中采用型钢支撑，同时用电焊将其焊牢。（2）导轨铺设5.4.2顶管出洞技术顶管工程中，进出洞口是一项很重要的工作。施工中应充分考虑它的安全、可靠性。尤其是从工作坑中的出洞开始顶管，如采出洞安全可靠又顺利，可以说顶管施工已成功了一般。为使进出洞工作顺利开展，可采取对洞口土体进行加固措施。如果土质不是很软或比较软，则可采用门式加固法，即对所顶管道外径的两侧和顶部的一定宽度和长度范围内的土体进行加固。加固方法有高压旋喷桩技术、搅拌桩技术、注浆技术和冻结技术。（3）洞口加固5.4.2顶管出洞技术另外，洞口的封门也可根据土质条件及掘进机或工具管的形式来选定。在使手掘式的工具管掘进机中，洞口可用低标号混凝土砌筑一堵砖封门。在出洞时可用工具管直接将砖封门挤到，以保证进出洞口工作顺利。还有一种方法是做一扇特制的钢制的钢封门使工具管或掘进机安全地出洞。（3）洞口加固5.4.2顶管出洞技术顶管过程中，无论是管子从工作坑出洞还是在接收坑进洞，管子和洞口间都必须留有一定的间隙，此间隙如果不被封住，地下水和泥砂将会通过此间隙流到坑中，轻者会影响工作坑的作业，严重会造成洞口上部地表的坍塌，殃及同建筑物或地下管线的安全。因此，顶管过程中洞口止水是一个不容忽视的环节，必须认真、仔细地做好此项工作。（4）洞口止水5.4.3顶管施工线形控制技术用坐标法，根据设计给出的工作井坐标，以及接收井中心的坐标，直线顶管部分采用导线法，将控制点定在工作井上。顶管顶进时，在机头中心设置一个光靶，根据光靶反映的读数，即可知道目前机头的方位；对于曲线顶管部分，根据工作井、接收井坐标、圆心坐标以及曲线半径，使用全站仪测出机头光靶坐标，即可知道机头偏差情况。（1）测量的方法5.4.3顶管施工线形控制技术顶进的测量与方向的控制，主要是采用全站仪，辅以激光经纬仪和水准仪测量。由于顶进距离长，如观察困难，可以采用自动跟踪仪测量。然后通过油缸进行纠编，遵循先纠上下后纠左右的原则。（2）测量设备5.4.3顶管施工线形控制技术a.制定严格的放样复核制度，并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度，确保测量万无一失。b.布设在工作井后方的仪座必须避免顶进时移位和变形，必须定时复测并及时调整。c.顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度应保持在10′-20′，不得大于1°，并设置偏差警戒线。（3）测量与方向控制要点5.4.3顶管施工线形控制技术d.初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，因此，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。e.开始顶进前必须制定坡度计划，对每米、每节管的位置、标高需事先计算，确保顶进时正确，以最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。（3）测量与方向控制要点5.4.3顶管施工线形控制技术顶管工程的测量工作是整个顶管工程质量的关键，它的实施好坏将直接影响到管线线形的平顺，甚至影响到顶管的顺利贯通，因此需精心实施，确保无误。顶管施工测量包括高程测量和左右偏差测量两部分。高程测量较简单，左右偏差测量较复杂，在直线顶管中，我们可以在后座设一激光经纬仪，在满足通视的条件下，直接看机头内标靶就可知道左右偏差，而曲线顶管却做不到，因为管线线形是弧形的，后座内激光经纬仪不能一下看到底。（4）曲线顶管的测量5.4.3顶管施工线形控制技术因此需在管道内布置移动测站。在通过管道内的移动测站测量出机头内光靶的实际坐标后，计算出光靶中心与该段曲线的圆心距离（实际半径），与曲线设计半径相比较，若大于设计曲线半径的，说明机头向外侧偏出，若小于设计曲线半径的，说明机头向内侧偏出。在曲线段变为直线段后，根据实际测量出的光靶坐标，使用点到直线的距离计算公式，算出实际偏差距离。（4）曲线顶管的测量5.4.3顶管施工线形控制技术曲线顶管的管缝控制尤其重要，因为如果管缝张不开，就形不成曲线；张开过大，将造成顶管偏差或超标，特别是软土中顶管，在管缝形成后，如果纠偏控制得不好，其趋势会越来越大，虽然可以通过纠偏千斤顶纠偏，但这种偏差并不是一下子能纠回来的，这样顶管的线形往往会形成蛇形，而且最大偏差点超过规范允许范围，并且管缝张开过大，在地下水丰富的地方，会给工程带来危险。应当把管外最大开口间隙控制在20mm以内，避免管接口张缝过大造成渗漏。在顶管时，由专人负责量机头与第一节混凝土管左右两边的管缝，并做好记录，每次纠偏前后均需实测，发现超出规定时停止顶管，研究对策后才能继续顶进。（5）曲线顶管管缝控制5.4.4顶进纠偏应急与预防措施（1）利用顶管机倾斜仪和测量数据提供的机头折角、倾斜仪基数和走动趋势、前后尺读数比较、机尾处地面沉降量等数据进行分析。对0.5°以上的大动作纠偏须尽量避免并慎重讨论，不得已时也应争取在非重要地段进行并加强观测。纠偏动作后如无折角变动应立即停顶，会同电工、机修工检查电路和液压管路，尽早排除故障，严防轴线超差。纠偏应在下管后尽早进行，注意观察倾斜仪读数的纠后趋势及光点滞后变化，同时通知地面和地下压浆人员加大同步压浆量。应急与预防措施5.4.4顶进纠偏应急与预防措施（2）顶进过程中的纠偏可采取调整纠偏千斤顶的方法，进行纠组操作，若管道左则千斤顶采用左伸右缩方法，反之亦然，如同时有高程和方向偏差，则应先纠正偏差大的一面。（3）发生较大偏差应分析发展趋势，采用分次逐步纠正，勤调微纠，若偏差超过质量标准，应通知停止顶进，研究有效措施，方可继续顶进。（4）对顶进中经常发生顶管机头的旋转，影响出土、测量等，必须采取措施。防止偏转扩大，其方法有：改变切削刀盘的转动方向；在管内的相反方面增加压重块，直到正常。应急与预防措施5.4.5顶管施工障碍物处理技术目前常用障碍物处理技术分为两大类避让技术和清除技术。避让技术是通过改变顶管轨迹(包括采用曲线顶管技术)从而达到避让障碍物的目的，主要处理不可清除类障碍物；清除技术分为地面处理技术及地下处理技术两种，可处理所有障碍物。常见的地面处理技术包括竖井开挖技术以及钻孔清除技术；地下处理技术主要包括慢速磨顶技术、开舱清除技术、套管技术、顶管回退技术、顶进对接清除技术以及钻爆清除技术概述5.4.5顶管施工障碍物处理技术竖井开挖是直接通过开挖的方式取出障碍物覆土埋深、地下水位是影响竖井开挖施工工艺的关键因素，对于覆土较浅的情况，一般通过人工或挖掘机直接开挖；若埋藏较深时，采用先开挖导井后扩挖的方法。竖井开挖技术应用最早、技术成熟﹑难度较低，可处理各种类型、尺寸的障碍物，尤其是处理不可清除类障碍物(如地下重要管线)。由于是直接开挖，因此要求障碍物埋深有限，且只适用于地质条件良好、方便开挖的地层。对于埋深较深的障碍物，开挖技术处理周期较长。（1）竖井开挖技术5.4.5顶管施工障碍物处理技术钻孔清除技术是依靠钻探技术，从地面钻至障碍物所在位置，再对其进行相关处理。根据处理障碍物方式的不同，钻孔清除法可分为回转钻进清障法、冲击清障法。采用钻孔清除技术的不足是对环境影响较大，有噪声。此外，与竖井开挖技术不同，钻孔清除法只能对障碍物进行直接清除或切割后取出，完整取出障碍物较难，不宜用不可清除类障碍物的处理。当埋深较大，地层条件较好时，优先使用冲击清障法；如遇坚硬地层则宜采用回转钻井清障技术（2）钻孔清除技术5.4.5顶管施工障碍物处理技术慢速磨顶法的基本原理就是降低顶进速度，借助自身刀盘或其他辅助机构，不断对障碍物进行磨损破碎以达到去除目的。在慢速磨顶时，为增强清障效果，通常采用以下措施:增加后背顶力，提高刀盘切削压力；加大泥浆密度，提高携渣能力，及时清理堵塞的管道；采用高分子聚合物膨润土触变泥浆，提升泥浆性能，减少顶管周边摩阻力；注人高压水，辅助破碎障碍物；增加碎石机构或对刀盘进行相关改造，使其满足破除特定障碍物的要求，采用此措施会额外增加一定成本。（3）慢速磨顶技术5.4.5顶管施工障碍物处理技术开舱清除技术的主要原理是在开挖面稳定条件下开舱进行人工、机械或爆破处理。地质条件良好、开挖面稳定时，经过专业人士检查确定后，可直接打开清障孔进行障碍物清除。开挖面不稳定时，最常用的方法是通过气压平衡：气压平衡顶进中，利用气压舱所加压力和水土压力值相等，起到平衡作用；泥水平衡或土压平衡顶进中，则需在顶管机内增加气压舱。（4）开舱清除技术5.4.5顶管施工障碍物处理技术套管技术的原理是将管径不同的钢套管或顶管机顶入遇障顶管机外围或内部，然后进行障碍物处理。在遇障顶管机外顶入套管为外套管；在机内顶入较小直径顶管为内套管技术。外套管技术根据顶管机遇障时距工作井的距离分为正向套管法和反向套管法。套管技术较为成熟，施工风险低，成本适中。外套管技术由于对障碍物位置要求严格，当所遇障碍物距始发井及接收井都较远时，采用此方法成本过高，故不推荐使用。内套管技术工艺流程复杂、成本较大、对地面沉降有一定影响，该方法主要针对原顶管四周遇障抱死的特殊状况，且要保障内套顶管的尺寸仍然满足原管道实际使用要求，否则不宜采用内套管技术。（5）套管技术5.4.5顶管施工障碍物处理技术常用回退方法主要是通过顶进油缸反向拉拔管节，而管节本身需与顶管机头焊接或螺纹方式连接成为整体，逐渐拉出顶管。顶管回退技术能处理可清除类及不可清除类障碍物，但施工操作复杂，且对地表沉降影响较大，故如今已很少使用。（6）顶管回退技术5.4.5顶管施工障碍物处理技术顶进对接清除技术就是根据顶管对接技术原理，从接收井顶入一个特制顶管，割除原顶管机内动力元件与仓板，破除障碍物后并清运后与第二次顶进的焊接处理，将顶管头作为特殊管，从而达到全线贯通的目的。顶进对接清除技术施工精度要求极高、难度大、成本高。相比套管法，顶进对接技术处理障碍物更为灵活，不拘泥障碍物所处位置；相比开舱清除技术，该方法更为安全可靠。此外，采用对接清除技术后，两个顶管机头最终会作为特殊管焊接后埋存于地层中，故在满足破除障碍物的前提下，尽量降低从接收井顶入机头的价格。（7）顶进对接清除技术5.4.5顶管施工障碍物处理技术钻爆清