5.4頂管工程關鍵技術分析

第五章頂管施工技術大連理工大學建設工程學部宋永發(fā)課程內(nèi)容contents頂管技術的基本原理及組成國內(nèi)外頂管技術的發(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頂管工程關鍵技術分析5.45.55.4頂管工程關鍵技術分析5.4.1管道頂進頂管頂進方式選擇原則如下：首先，詳細了解工程概況，地質條件，地下水位，頂管的管徑，埋深，附近地上或地下建筑物、構筑物和各種設施，附近管線的埋設，地下阻礙物情況等。其次，從技術的角度考慮：對于口徑小的頂管，因人無法進入管內(nèi)施工，通常都采用泥水頂進；對于地下水位高、變化大及土質較松軟的地段，宜采用掘進法施工；對于地下雜物、石子較多即障礙物較多的情況，應選用具有除障功能的機械式掘進機或采用手掘式頂管等等一系列情況。概述5.4.1管道頂進頂管頂進方式選擇原則如下：最后，還應考慮安全因素，一般所選頂管方式要能處理未預見到的情況(如石塊等)，避免出現(xiàn)頂不進退不出的局面。施工工藝的選擇在整個頂管階段是尤為重要的，在頂管施工前宜按以上方法確定施工工藝的合理組合。概述5.4.1管道頂進頂管隧道開挖面穩(wěn)定性理論研究較少，主要參考盾構隧道開挖面穩(wěn)定性來進行。開挖面穩(wěn)定性研究的過程主要為：先構造典型的開挖面失穩(wěn)破壞模式，然后通過極限分析法或極限平衡法等方法建立能量或者力學平衡方程，求解得到開挖面極限支護力。（1）頂管隧道開挖面穩(wěn)定性研究5.4.1管道頂進由于極限分析法的模型和求解過程較為復雜，難以推廣應用，而極限平衡法具有模型簡單、計算簡便和推導過程簡單等優(yōu)勢，因此被廣泛應用于盾構隧道極限支護力計算中。楔形體模型是目前開挖面穩(wěn)定性研究的主流方向，不同類型的研究成果提高了楔形體模型在不同地層條件中的適用性。根據(jù)實際施工地址情況選擇適當?shù)男ㄐ误w模型，是開挖面穩(wěn)定的重要保證條件。（1）頂管隧道開挖面穩(wěn)定性研究5.4.1管道頂進頂管頂進力是工作井結構設計、管道結構設計和頂管機選型的決定性參數(shù)之一，其準確性直接關系到頂管工程的成本和安全。當頂進力較大時，將使得管道和工作井設計過于保守，增加了不必要的工程造價。當采用偏小的頂進力時，則可能出現(xiàn)由于頂力不足造成頂進無法進行。（2）頂管頂進力計算研究5.4.1管道頂進頂管頂進力由刀盤迎面土體的阻力和管土側摩阻力兩部分組成，當頂管機的相關參數(shù)（類型、頂管的直徑、地層以及埋深）一定時，迎面阻力可認為是一個定值，而管土側摩阻力隨著頂進距離的增加而增大，管土側摩阻力主要取決于管土接觸壓力和摩擦系數(shù)。因此，國內(nèi)外學者集中于從管土接觸壓力和管土摩擦系數(shù)等角度開展頂進力理論研究。（2）頂管頂進力計算研究5.4.1管道頂進目前在我國內(nèi)《給排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-97）中，頂進力的計算公式如下：??=??×??×??1[2??+(2??+??1)??????2(45–??/2)+??/????1]×??+??0P—計算的總頂進力；??—頂進時管道表面與其周圍土層之間得到摩擦系數(shù)；??—管道所處土層的重力密度????/??3；??1—管道外徑，m；（2）頂管頂進力計算研究5.4.1管道頂進目前在我國內(nèi)《給排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-97）中，頂進力的計算公式如下：??=??×??×??1[2??+(2??+??1)??????2(45–??/2)+??/????1]×??+??0??—管道頂部以上覆蓋土層厚度，m；??—管道所處土層的內(nèi)摩擦角，°；??—管道單位長度的自重，????/??；??—管道的計算頂進長度，m；??0—頂進時工具管的迎面阻力，????（2）頂管頂進力計算研究5.4.2頂管出洞技術頂管出洞是指在工作井安放就位的掘進機和第一節(jié)管從井中破封門進入土中的階段。完成好這一階段的關鍵是做好以下幾個方面的工作：管線放線、導軌鋪設、洞口止水和穿墻等幾個方面的工作。概述5.4.2頂管出洞技術頂管管線放線是保證頂管軸線正確的關鍵。放線準確就能保證工具管按設計要求順利進洞，滿足施工質量要求；反之，就可能造成頂管軸線偏差，影響工程進度和工程質量，同時也會造成頂進時設備損壞，使頂管停頓。（1）管線放線5.4.2頂管出洞技術基坑導軌是安裝在工作井內(nèi)為管子出洞提供一個基準的設備。導軌鋪沒應注意管線軸線、導軌標高和導軌支撐穩(wěn)定性幾個方面問題。軸線重合。要依據(jù)管線軸線測量結果，鋪設時，將管線軸線線與導軌中線重合。管線標高。導軌的鋪設高程要根據(jù)設計要求，先算出管道底的標高，根據(jù)它從而得到導軌鋪設標高，最好將導軌鋪設成管道要求的坡度，從而減少后續(xù)校正的工作。另外，導軌與工作坑底應用混凝土澆筑成，不宜采用枕木。導軌支撐。頂管頂進時，會產(chǎn)生很大的摩擦力，如對導軌支撐不穩(wěn)將造成管道偏差，一般在導軌和工作坑中采用型鋼支撐，同時用電焊將其焊牢。（2）導軌鋪設5.4.2頂管出洞技術頂管工程中，進出洞口是一項很重要的工作。施工中應充分考慮它的安全、可靠性。尤其是從工作坑中的出洞開始頂管，如采出洞安全可靠又順利，可以說頂管施工已成功了一般。為使進出洞工作順利開展，可采取對洞口土體進行加固措施。如果土質不是很軟或比較軟，則可采用門式加固法，即對所頂管道外徑的兩側和頂部的一定寬度和長度范圍內(nèi)的土體進行加固。加固方法有高壓旋噴樁技術、攪拌樁技術、注漿技術和凍結技術。（3）洞口加固5.4.2頂管出洞技術另外，洞口的封門也可根據(jù)土質條件及掘進機或工具管的形式來選定。在使手掘式的工具管掘進機中，洞口可用低標號混凝土砌筑一堵磚封門。在出洞時可用工具管直接將磚封門擠到，以保證進出洞口工作順利。還有一種方法是做一扇特制的鋼制的鋼封門使工具管或掘進機安全地出洞。（3）洞口加固5.4.2頂管出洞技術頂管過程中，無論是管子從工作坑出洞還是在接收坑進洞，管子和洞口間都必須留有一定的間隙，此間隙如果不被封住，地下水和泥砂將會通過此間隙流到坑中，輕者會影響工作坑的作業(yè)，嚴重會造成洞口上部地表的坍塌，殃及同建筑物或地下管線的安全。因此，頂管過程中洞口止水是一個不容忽視的環(huán)節(jié)，必須認真、仔細地做好此項工作。（4）洞口止水5.4.3頂管施工線形控制技術用坐標法，根據(jù)設計給出的工作井坐標，以及接收井中心的坐標，直線頂管部分采用導線法，將控制點定在工作井上。頂管頂進時，在機頭中心設置一個光靶，根據(jù)光靶反映的讀數(shù)，即可知道目前機頭的方位；對于曲線頂管部分，根據(jù)工作井、接收井坐標、圓心坐標以及曲線半徑，使用全站儀測出機頭光靶坐標，即可知道機頭偏差情況。（1）測量的方法5.4.3頂管施工線形控制技術頂進的測量與方向的控制，主要是采用全站儀，輔以激光經(jīng)緯儀和水準儀測量。由于頂進距離長，如觀察困難，可以采用自動跟蹤儀測量。然后通過油缸進行糾編，遵循先糾上下后糾左右的原則。（2）測量設備5.4.3頂管施工線形控制技術a.制定嚴格的放樣復核制度，并做好原始記錄。頂進前必須遵守嚴格的放樣復測制度，確保測量萬無一失。b.布設在工作井后方的儀座必須避免頂進時移位和變形，必須定時復測并及時調(diào)整。c.頂進糾偏必須勤測量、多微調(diào)，糾偏角度應保持在10′-20′，不得大于1°，并設置偏差警戒線。（3）測量與方向控制要點5.4.3頂管施工線形控制技術d.初始推進階段，方向主要是主頂油缸控制，因此，一方面要減慢主頂推進速度，另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機頭糾偏。e.開始頂進前必須制定坡度計劃，對每米、每節(jié)管的位置、標高需事先計算，確保頂進時正確，以最終符合設計坡度要求和質量標準為原則。（3）測量與方向控制要點5.4.3頂管施工線形控制技術頂管工程的測量工作是整個頂管工程質量的關鍵，它的實施好壞將直接影響到管線線形的平順，甚至影響到頂管的順利貫通，因此需精心實施，確保無誤。頂管施工測量包括高程測量和左右偏差測量兩部分。高程測量較簡單，左右偏差測量較復雜，在直線頂管中，我們可以在后座設一激光經(jīng)緯儀，在滿足通視的條件下，直接看機頭內(nèi)標靶就可知道左右偏差，而曲線頂管卻做不到，因為管線線形是弧形的，后座內(nèi)激光經(jīng)緯儀不能一下看到底。（4）曲線頂管的測量5.4.3頂管施工線形控制技術因此需在管道內(nèi)布置移動測站。在通過管道內(nèi)的移動測站測量出機頭內(nèi)光靶的實際坐標后，計算出光靶中心與該段曲線的圓心距離（實際半徑），與曲線設計半徑相比較，若大于設計曲線半徑的，說明機頭向外側偏出，若小于設計曲線半徑的，說明機頭向內(nèi)側偏出。在曲線段變?yōu)橹本€段后，根據(jù)實際測量出的光靶坐標，使用點到直線的距離計算公式，算出實際偏差距離。（4）曲線頂管的測量5.4.3頂管施工線形控制技術曲線頂管的管縫控制尤其重要，因為如果管縫張不開，就形不成曲線；張開過大，將造成頂管偏差或超標，特別是軟土中頂管，在管縫形成后，如果糾偏控制得不好，其趨勢會越來越大，雖然可以通過糾偏千斤頂糾偏，但這種偏差并不是一下子能糾回來的，這樣頂管的線形往往會形成蛇形，而且最大偏差點超過規(guī)范允許范圍，并且管縫張開過大，在地下水豐富的地方，會給工程帶來危險。應當把管外最大開口間隙控制在20mm以內(nèi)，避免管接口張縫過大造成滲漏。在頂管時，由專人負責量機頭與第一節(jié)混凝土管左右兩邊的管縫，并做好記錄，每次糾偏前后均需實測，發(fā)現(xiàn)超出規(guī)定時停止頂管，研究對策后才能繼續(xù)頂進。（5）曲線頂管管縫控制5.4.4頂進糾偏應急與預防措施（1）利用頂管機傾斜儀和測量數(shù)據(jù)提供的機頭折角、傾斜儀基數(shù)和走動趨勢、前后尺讀數(shù)比較、機尾處地面沉降量等數(shù)據(jù)進行分析。對0.5°以上的大動作糾偏須盡量避免并慎重討論，不得已時也應爭取在非重要地段進行并加強觀測。糾偏動作后如無折角變動應立即停頂，會同電工、機修工檢查電路和液壓管路，盡早排除故障，嚴防軸線超差。糾偏應在下管后盡早進行，注意觀察傾斜儀讀數(shù)的糾后趨勢及光點滯后變化，同時通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量。應急與預防措施5.4.4頂進糾偏應急與預防措施（2）頂進過程中的糾偏可采取調(diào)整糾偏千斤頂?shù)姆椒?，進行糾組操作，若管道左則千斤頂采用左伸右縮方法，反之亦然，如同時有高程和方向偏差，則應先糾正偏差大的一面。（3）發(fā)生較大偏差應分析發(fā)展趨勢，采用分次逐步糾正，勤調(diào)微糾，若偏差超過質量標準，應通知停止頂進，研究有效措施，方可繼續(xù)頂進。（4）對頂進中經(jīng)常發(fā)生頂管機頭的旋轉，影響出土、測量等，必須采取措施。防止偏轉擴大，其方法有：改變切削刀盤的轉動方向；在管內(nèi)的相反方面增加壓重塊，直到正常。應急與預防措施5.4.5頂管施工障礙物處理技術目前常用障礙物處理技術分為兩大類避讓技術和清除技術。避讓技術是通過改變頂管軌跡(包括采用曲線頂管技術)從而達到避讓障礙物的目的，主要處理不可清除類障礙物；清除技術分為地面處理技術及地下處理技術兩種，可處理所有障礙物。常見的地面處理技術包括豎井開挖技術以及鉆孔清除技術；地下處理技術主要包括慢速磨頂技術、開艙清除技術、套管技術、頂管回退技術、頂進對接清除技術以及鉆爆清除技術概述5.4.5頂管施工障礙物處理技術豎井開挖是直接通過開挖的方式取出障礙物覆土埋深、地下水位是影響豎井開挖施工工藝的關鍵因素，對于覆土較淺的情況，一般通過人工或挖掘機直接開挖；若埋藏較深時，采用先開挖導井后擴挖的方法。豎井開挖技術應用最早、技術成熟﹑難度較低，可處理各種類型、尺寸的障礙物，尤其是處理不可清除類障礙物(如地下重要管線)。由于是直接開挖，因此要求障礙物埋深有限，且只適用于地質條件良好、方便開挖的地層。對于埋深較深的障礙物，開挖技術處理周期較長。（1）豎井開挖技術5.4.5頂管施工障礙物處理技術鉆孔清除技術是依靠鉆探技術，從地面鉆至障礙物所在位置，再對其進行相關處理。根據(jù)處理障礙物方式的不同，鉆孔清除法可分為回轉鉆進清障法、沖擊清障法。采用鉆孔清除技術的不足是對環(huán)境影響較大，有噪聲。此外，與豎井開挖技術不同，鉆孔清除法只能對障礙物進行直接清除或切割后取出，完整取出障礙物較難，不宜用不可清除類障礙物的處理。當埋深較大，地層條件較好時，優(yōu)先使用沖擊清障法；如遇堅硬地層則宜采用回轉鉆井清障技術（2）鉆孔清除技術5.4.5頂管施工障礙物處理技術慢速磨頂法的基本原理就是降低頂進速度，借助自身刀盤或其他輔助機構，不斷對障礙物進行磨損破碎以達到去除目的。在慢速磨頂時，為增強清障效果，通常采用以下措施:增加后背頂力，提高刀盤切削壓力；加大泥漿密度，提高攜渣能力，及時清理堵塞的管道；采用高分子聚合物膨潤土觸變泥漿，提升泥漿性能，減少頂管周邊摩阻力；注人高壓水，輔助破碎障礙物；增加碎石機構或對刀盤進行相關改造，使其滿足破除特定障礙物的要求，采用此措施會額外增加一定成本。（3）慢速磨頂技術5.4.5頂管施工障礙物處理技術開艙清除技術的主要原理是在開挖面穩(wěn)定條件下開艙進行人工、機械或爆破處理。地質條件良好、開挖面穩(wěn)定時，經(jīng)過專業(yè)人士檢查確定后，可直接打開清障孔進行障礙物清除。開挖面不穩(wěn)定時，最常用的方法是通過氣壓平衡：氣壓平衡頂進中，利用氣壓艙所加壓力和水土壓力值相等，起到平衡作用；泥水平衡或土壓平衡頂進中，則需在頂管機內(nèi)增加氣壓艙。（4）開艙清除技術5.4.5頂管施工障礙物處理技術套管技術的原理是將管徑不同的鋼套管或頂管機頂入遇障頂管機外圍或內(nèi)部，然后進行障礙物處理。在遇障頂管機外頂入套管為外套管；在機內(nèi)頂入較小直徑頂管為內(nèi)套管技術。外套管技術根據(jù)頂管機遇障時距工作井的距離分為正向套管法和反向套管法。套管技術較為成熟，施工風險低，成本適中。外套管技術由于對障礙物位置要求嚴格，當所遇障礙物距始發(fā)井及接收井都較遠時，采用此方法成本過高，故不推薦使用。內(nèi)套管技術工藝流程復雜、成本較大、對地面沉降有一定影響，該方法主要針對原頂管四周遇障抱死的特殊狀況，且要保障內(nèi)套頂管的尺寸仍然滿足原管道實際使用要求，否則不宜采用內(nèi)套管技術。（5）套管技術5.4.5頂管施工障礙物處理技術常用回退方法主要是通過頂進油缸反向拉拔管節(jié)，而管節(jié)本身需與頂管機頭焊接或螺紋方式連接成為整體，逐漸拉出頂管。頂管回退技術能處理可清除類及不可清除類障礙物，但施工操作復雜，且對地表沉降影響較大，故如今已很少使用。（6）頂管回退技術5.4.5頂管施工障礙物處理技術頂進對接清除技術就是根據(jù)頂管對接技術原理，從接收井頂入一個特制頂管，割除原頂管機內(nèi)動力元件與倉板，破除障礙物后并清運后與第二次頂進的焊接處理，將頂管頭作為特殊管，從而達到全線貫通的目的。頂進對接清除技術施工精度要求極高、難度大、成本高。相比套管法，頂進對接技術處理障礙物更為靈活，不拘泥障礙物所處位置；相比開艙清除技術，該方法更為安全可靠。此外，采用對接清除技術后，兩個頂管機頭最終會作為特殊管焊接后埋存于地層中，故在滿足破除障礙物的前提下，盡量降低從接收井頂入機頭的價格。（7）頂進對接清除技術5.4.5頂管施工障礙物處理技術鉆爆清