5.2 頂管技術(shù)的基本原理及組成

第五章頂管施工技術(shù)大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部宋永發(fā)課程內(nèi)容contents頂管技術(shù)的基本原理及組成國內(nèi)外頂管技術(shù)的發(fā)展5.15.2頂管施工的分類及特點5.3超大斷面矩形頂管施工技術(shù)頂管工程關(guān)鍵技術(shù)分析5.45.55.2頂管技術(shù)的基本原理及組成5.2.1頂管技術(shù)基本原理頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵道、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管法的工作原理是借助主頂油缸及中繼間的頂推力，把工具管或掘進機從始發(fā)工作井內(nèi)穿過土層一直推到接收井內(nèi)吊起。與此同時，也就把緊隨工具管或掘進機后的管道埋設(shè)在工作井與接收井之間，以期實現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道。基本原理5.2.1頂管技術(shù)基本原理由于頂管施工無須進行地面開挖，不會阻礙交通，也不會產(chǎn)生過大的噪聲和振動，對周圍環(huán)境影響很小。頂管法施工在對土層的適應(yīng)、周邊環(huán)境的保護、周圍設(shè)施的無干擾破壞、施工安全、施工質(zhì)量以及施工經(jīng)濟效益等方面具有很大的優(yōu)勢。基本原理頂管技術(shù)最初主要用于下水道施工，隨著城市建設(shè)的發(fā)展、新技術(shù)和設(shè)備的不斷開發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，目前已應(yīng)用于城市給排水、電力道、綜合管廊等地下管線及公路、鐵路、過街通道、地鐵等交通隧道施工中。5.2.1頂管技術(shù)基本原理頂管施工大致可分為以下幾個階段：始發(fā)工作井和接收井的構(gòu)筑、頂管設(shè)備的安裝及頂管機就位、頂管始發(fā)、管節(jié)拼接、后續(xù)管節(jié)頂進、工作井接受頂管和管節(jié)全線貫通。通常在含水量豐富的地區(qū)，頂管施工前須先對洞口周圍土層進行排水降水處理，或?qū)Χ纯诟浇翆舆M行加固處理，防止頂管出洞時因土體擾動影響而產(chǎn)生大量的水土流失。接著在將始發(fā)井壁面頂管機出洞口預(yù)留位置上的混凝土鑿除后，頂管機頂入鑿開的洞口，與此同時，通過頂管機機頭刀盤的切削作用去除出洞口井壁上殘留的混凝土和土體等，此后頂管的頂進過程正式開始?；驹?.2.1頂管技術(shù)基本原理頂管機頭頂進過后，即完成第三階段。隨后管節(jié)下放，下放前需對管節(jié)進行檢驗，以保證其完整性避免后期因管節(jié)破損等產(chǎn)生不必要的土體損失。隨后在各管節(jié)的頂進過程中需進行軸線測量，根據(jù)測量結(jié)果及時進行管節(jié)糾偏，控制頂進方向。在頂管機到達接收井前，應(yīng)根據(jù)具體施工情況及周邊環(huán)境，對管周土層作出相應(yīng)的處理，確保其穩(wěn)定性，盡量減小頂管施工對周邊環(huán)境的影響。之后鑿開接收井避免頂管機出洞口封門處的混凝土，將工具管頂進接收井，頂管頂進過程結(jié)束。在頂管機到達接收井之后，將其吊起，并封閉進洞口處管道與井壁間的縫隙，再依次拆除中繼間，隨后封閉出洞口處管道與井壁間的縫隙。基本原理5.2.2頂管施工技術(shù)組成工作井是安置并操作頂進設(shè)備的場地，同時也是掘進機出發(fā)并開始頂進的場地。千斤頂、后靠背、鐵環(huán)等物就放置在工作井中。接收井是一段頂進的終端，并最后接收掘進機。一些時候在很多段連續(xù)頂管的特殊情況下，工作井可以當(dāng)接收井用，但接收井不能當(dāng)工作井用，這是因為一般工作井比接收井大許多，頂管設(shè)備無法在接收井中安放。管子從工作井出發(fā)一節(jié)一節(jié)連接到接收井，直到掘進機在接收井中被吊起，整個過程才會結(jié)束。工作井和接收井的種類很多，鋼板樁、沉井、地下連續(xù)墻以及SMW工法等多種施工方法都適用。（1）工作井和接收井5.2.2頂管施工技術(shù)組成安放在井口處的洞口止水圈能有效控制地下水和流沙進入到井中，故常被用到施工安全措施中。開悶板前，在工具頭后端焊上卡馬，其前端套上止水板及壓止水板的法蘭盤，悶板吊出后，工具頭開始頂進。當(dāng)工具頭外的止水環(huán)與墻孔法蘭靠近時，用螺栓連接固定后再割去卡馬。當(dāng)頂至能拼接設(shè)備段時，再向前頂進一段距離。當(dāng)泥漿環(huán)到達臨時止水處時，將F40油浸棉紗盤根6環(huán)壓入臨時止水外套管內(nèi)，隨著管道頂進，用軋?zhí)m將其壓緊后與穿墻孔法蘭固定，直至完成穿墻后安裝止水。（2）洞口止水圈5.2.2頂管施工技術(shù)組成頂管掘進機是安放在最前端的機械，頂管工程的成功由它起了很大的決定作用。當(dāng)用手掘式施工，掘進機被一個工具管所代替。掘進機的形式多樣，無論何種形式，頂管工程中方向是否正確、取土合格等都受由它的功能影響。（3）頂管掘進機5.2.2頂管施工技術(shù)組成頂進裝置是由四個系統(tǒng)工具組成，有油管、操縱臺、油泵及油缸。油管是傳送壓力的管道，操作臺控制著油缸的回縮和推進，按操作方式可分為手動和電動兩種，其中電動通過電液閥或電磁閥實現(xiàn)，油缸是頂力的發(fā)生地，一般圍著管壁對稱布置，它的壓力是通過油泵傳來的，油泵與油缸之間用油管連接。常使用的壓力一般在32Mpa-42Mpa之間。（4）主頂裝置5.2.2頂管施工技術(shù)組成頂鐵的形式多種多樣，有環(huán)形、弧形、矩形和U形。可以根據(jù)管道大小制成需要大小的環(huán)形頂鐵，它的主要作用就是將頂力均勻分布在管道周圍，弧形頂鐵一有般用于手掘式。土壓式頂進管道中，為方便取土后往外運輸，開口是向上的的口子往下的頂鐵只用在泥水式頂進管道中，它是立在基坑軌道上的。（5）頂鐵頂鐵的安裝和使用應(yīng)符合下列規(guī)定：安裝后的頂鐵軸線應(yīng)與管道軸線平行、對稱，頂鐵與導(dǎo)軌和頂鐵之間的接觸面不得有油污；更換頂鐵時，先使用長度大的頂鐵；頂鐵拼裝后鎖定；頂鐵與管口之間加設(shè)緩沖襯墊，當(dāng)頂力接近管節(jié)材料的允許抗壓強度時，管端增加U形或環(huán)形頂鐵。5.2.2頂管施工技術(shù)組成軌道坡度以設(shè)計為準，利用軌道底預(yù)留空間進行調(diào)節(jié)。在安裝時，將其運至預(yù)定安裝位置，并與底板預(yù)埋件焊接，將連接部分焊縫磨平，以減小摩擦，便于頂管機在導(dǎo)軌上滑行?；突A(chǔ)進行連接時，必須進行精確的測量，以保證頂管機在基座上組裝后，頂管機中心軸線能和頂管設(shè)計軸線重合。如果出現(xiàn)偏差，將會損壞止水密封圈，削弱防水效果，甚至地下水大量涌入，造成重大事故。在安裝時，通過基座的左右移動可使其左右微調(diào)，通過在基座底部加減薄鋼片可使其上下微調(diào)。（6）始發(fā)軌道5.2.2頂管施工技術(shù)組成調(diào)整完成后，將底板中的焊渣等打掃干凈，然后再一次檢查焊接部位是否達到技術(shù)要求，基座與地面之間是否緊密，測量導(dǎo)軌是否平直，與頂管機軸線是否重合。當(dāng)一切達到技術(shù)要求后，基座的安裝工作完成。導(dǎo)軌是在基坑基礎(chǔ)上安裝的軌道，采用裝配式。管節(jié)在頂進前先安放在導(dǎo)軌上。在頂進管道入土前，導(dǎo)軌承擔(dān)導(dǎo)向功能，以保證管節(jié)按設(shè)計高程和方向前進。（6）始發(fā)軌道導(dǎo)軌選用鋼質(zhì)材料制作。導(dǎo)軌采用復(fù)合型導(dǎo)軌。在每一根導(dǎo)軌上都有兩個工作面：水平工作面是供頂鐵在其上滑動，傾斜的工作面則是與管子接觸。這樣一來，復(fù)合型導(dǎo)軌的壽命要比普通型大大提高。為了測量及導(dǎo)軌安放的方便，導(dǎo)軌的水平工作面仍然與鋼筋混凝土管內(nèi)的管底標(biāo)高同處一個水平面上。5.2.2頂管施工技術(shù)組成后座墻相當(dāng)于擋墻的作用，是將頂力的反作用力傳到后面土體而保證土體不發(fā)生破壞的墻體。它的結(jié)構(gòu)形式因頂管工作坑的不同而選用不同的方式，一般在沉井工作坑或地下連續(xù)墻工作坑中直接就利用工作坑的一個面作為墻體。（7）后座墻5.2.2頂管施工技術(shù)組成但在鋼板樁工作坑中，需要在鋼板與工作坑中的土體間澆筑形成一堵混凝土墻，厚度可根據(jù)工作頂力、墻體寬高等來確定，一般選為0.5-1.0m。這樣做的目的就是將反作用力能均勻較好的傳到土體中，一般頂管施工中千斤頂?shù)淖饔妹娣e較小，如直接將作用力作用到后座墻體上，可能造成局部的損壞，因而在后背墻體和千斤頂之間還要置入一層200-300mm的鋼板，通過它極大作用面積，從而將作用力均勻傳到后座墻上，這塊鋼板簡稱后靠背。（7）后座墻5.2.2頂管施工技術(shù)組成輸土是頂管工程中的一個重要環(huán)節(jié)，對于選用的頂管機形式不同輸土區(qū)別較大。手掘式頂管施工中，一般才用人力陶土配合卷揚機等來出土；泥水式頂管施工中，一般有泥漿泵配合管道等輸送；土壓式頂管施工中，有土砂泵配合螺旋桿、電瓶車等來輸送出土。（8）輸土裝置5.2.2頂管施工技術(shù)組成頂管施工，起吊下管設(shè)備是必須的。一般門式行車是使用最廣的，它的優(yōu)點是工作穩(wěn)定、操作容易、噸位不同的形成可以對應(yīng)不同級別的管子等，缺點是移動不便，拆轉(zhuǎn)費用高。另外有可自由行走的履帶式和汽車式，這兩種起重機占地范圍小，轉(zhuǎn)移起來靈活方便，但應(yīng)注意放置位置要別太靠近工作坑以免引起其他危害。（9）起管下吊5.2.2頂管施工技術(shù)組成頂管施工中，管道前進會產(chǎn)生與設(shè)計不統(tǒng)一的偏差問題，這種偏差有左右、高低之分。一般情況，當(dāng)頂進距離較短，我們可以使用水準儀和經(jīng)緯儀進行測量。它們一般放置在工作坑的后部，分別可以測出左右和高低偏差。當(dāng)在長距離頂管施工和機械頂管施工中，肉眼分辨難，我們可以激光經(jīng)緯儀來一次性判斷其左右和高低偏差，其原理是通過直射在頂管機上的光點來判斷。（10）測量設(shè)備5.2.2頂管施工技術(shù)組成當(dāng)頂管施工頂進距離長時，注漿減阻是其中的一項重要工藝，也是工程能否成功的關(guān)鍵性因素。它主要有二個工作環(huán)節(jié)：拌漿、注漿。拌漿就是將注漿材料與水兌和形成漿體材料。注漿是其中的主要工作，先將漿體材料放入注漿泵，再同注漿泵功能輸送到各個管道，由管道再通到各個注漿孔。（11）注漿系統(tǒng)這其中控制壓力和漿體含量主要是依靠注漿泵，管道由粗到細到孔，使?jié){體材料最后進入土體與管道之間的空隙。注漿孔的布置：一般應(yīng)靠近管道邊緣即管道雄頭，這樣布置能使?jié){液先進入管道外壁與下一節(jié)管道的套環(huán)間再流入管道與土之間，之后漿體材料才不易流失，泥漿套形成容易，效果顯著。5.2.2頂管施工技術(shù)組成中繼站的出現(xiàn)，讓頂管施工的頂進距離有了大的發(fā)展，現(xiàn)在也成了長距離頂進中的必要設(shè)備，可以說沒有這項技術(shù)，超長距離頂管就成了空談。一般長距離頂管施工中，存有多個中繼站，每個站內(nèi)在管道四周布置許多小千斤頂，這些千斤頂將前面的頂進一定的長度，此時千斤頂處于伸的狀態(tài)，后一個中繼站將兩個站間的管道頂進相同的距離，這樣前面站內(nèi)千斤頂回縮，如此往下繼續(xù)直至最后由主頂千斤頂頂進