1、7 頂管法施工Pipe Jacking Method Construction 第1頁，共47頁。 7.1 概述 頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展起來的一種土層地下工程施工方法，主要用于地下進(jìn)水管、排水管、煤氣管、電訊電纜管的施工。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，是一種非開挖的敷設(shè)地下管道的施工方法。 地下管線的非開挖施工法主要內(nèi)容包括：地下管線的鋪設(shè)、更換和修復(fù)。第2頁，共47頁。第3頁，共47頁。 先在工作坑內(nèi)設(shè)置支座和安裝液壓千斤頂，借助主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作坑內(nèi)穿過土層一直推到接收坑內(nèi)吊起，與此同時(shí)，

2、緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后面，將預(yù)制的管段頂入地層。 邊頂進(jìn)， 邊開挖地層， 邊將管段接長的管道埋設(shè)方法。 7.1.1 頂管施工的基本原理 第4頁，共47頁。1-預(yù)制的混凝土管；2-運(yùn)輸車；3-扶梯；4-主頂油泵；5-行車；6-安全護(hù)欄；7-潤滑注漿系統(tǒng)； 8-操縱房；9-配電系統(tǒng)；10-操縱系統(tǒng)；11-后座；12-測量系統(tǒng)；13-主頂油缸；14-導(dǎo)軌；15-弧形頂鐵；16-環(huán)形頂鐵；17-已頂入的混凝土管；18-運(yùn)土車；19-機(jī)頭 第5頁，共47頁。頂管施工技術(shù)最早始于1896年美國的北太平洋鐵路鋪設(shè)工程的施工中。1948年日本第一次采用頂管施工方法，在尼崎市的鐵路下頂進(jìn)了一根內(nèi)徑600mm的鑄鐵

3、管，頂距只在6米。 歐洲發(fā)達(dá)國家最早開發(fā)應(yīng)用頂管法，1950年前后，英、德、日等國家相繼采用。 我國較早的頂管施工約在上世紀(jì)50年代，初期主要是手掘式頂管，設(shè)備也較簡陋。我國頂管技術(shù)真正較大的發(fā)展是從上世紀(jì)80年代中期開始。1988年上海研制成功我國第一臺(tái)土壓平衡掘進(jìn)機(jī)。 7.1.2 頂管施工技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展第6頁，共47頁。 隨著時(shí)間的推移，頂管技術(shù)也與時(shí)俱進(jìn)地得到迅速發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下方面：一次連續(xù)頂進(jìn)的距離：越來越長頂管直徑：向大小直徑兩個(gè)方向發(fā)展管材：鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼頂管挖掘技術(shù)：機(jī)械化程度越來越高頂管線路的曲直度：曲線形狀越來越復(fù)雜，曲率半徑越來越小。第7頁，共47頁。按

4、所頂進(jìn)的管子口徑大小分：大口徑、中口徑、小口徑和微型頂管四種。2m;1.21.8m;5001000mm;400mm，最小的只有75mm。按一次頂進(jìn)的長度分：普通距離頂管和長距離頂管。尚無明確規(guī)定。按頂管機(jī)的類型分：手掘式人工頂管、擠壓頂管、水射流頂管和機(jī)械頂管（泥水式、泥漿式、土壓式、巖石式 ）。按管材分：鋼筋混凝土頂管、鋼管頂管、以及其他管材的頂管。按頂進(jìn)管子軌跡的曲直分：直線頂管和曲線頂管。 7.1.4 頂管施工的分類第8頁，共47頁。手掘式頂管施工是在特定的土質(zhì)條件下和采用一定的輔助施工措施后具有施工操作簡便、設(shè)備少、施工成本低、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，所以至今仍被許多施工單位采用。手掘式頂管

5、機(jī)也即是非機(jī)械的開放式(或敞口式)頂管機(jī)，適用于能自穩(wěn)的土體中。在頂管的前端裝有工具管，施工時(shí)，采用手工的方法來破碎工作面的土層，破碎輔助工具主要有鎬、鍬以及沖擊錘等。如果在含水量較大的砂土中，需采用降水等輔助措施。7.2 頂管機(jī)及其選型7.2.1 手掘式頂管機(jī)第9頁，共47頁。手掘式頂管機(jī)主要由切土刃角、糾偏裝置、承插口等組成。所用的工具管有一段式和兩段式。第10頁，共47頁。一段式手掘式工具管前段殼體糾偏油缸后段殼體兩段式手掘式工具管第11頁，共47頁。 泥水平衡頂管機(jī)是指采用機(jī)械切削泥土、利用壓力來平衡地下水壓力和土壓力、采用水力輸送棄土的泥水式頂管機(jī)，是當(dāng)今生產(chǎn)的比較先進(jìn)的一種頂管機(jī)。

6、泥水平衡式頂管機(jī)按平衡對象分有兩種，一種是泥水僅起平衡地下水的作用，土壓力則由機(jī)械方式來平衡；另一種是同時(shí)具有平衡地下水壓力和土壓力的作用。7.2.2 泥水平衡式頂管機(jī)第12頁，共47頁。泥水平衡工具管正面設(shè)刀盤，并在其后設(shè)密封艙，在密封艙內(nèi)注入穩(wěn)定正面土體的泥漿，刀盤切下的泥土，沉在密封艙下部的泥水中而被水力運(yùn)輸管道運(yùn)至地面泥水處理裝置。泥水平衡式工具管主要由大刀盤裝置、糾偏裝置、泥水裝置、進(jìn)排泥裝置等組成。在前、后殼體之間有糾偏千斤頂，在掘進(jìn)機(jī)上下部安裝進(jìn)、排泥管。泥水平衡式頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有多種，如刀盤可伸縮的頂管機(jī)、具有破碎功能的頂管機(jī)、氣壓式頂管機(jī)等。泥水平衡式頂管機(jī)結(jié)構(gòu)及施工 第1

7、3頁，共47頁。刀盤可伸縮式泥水平衡頂管機(jī) 第14頁，共47頁。 泥水平衡頂管施工的完整系統(tǒng)由頂管機(jī)、進(jìn)排泥系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)、主頂系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等組成。第15頁，共47頁。泥水平衡式頂管施工的優(yōu)點(diǎn)：適用的土質(zhì)范圍較廣，尤其適用于施工難度極大的粉砂質(zhì)土層中；可保持挖掘面的穩(wěn)定，對周圍土層的影響小，地面變形?。惠^適宜于長距離頂管施工；工作井內(nèi)作業(yè)環(huán)境好且安全；可連續(xù)出土，施工進(jìn)度快。缺點(diǎn)：施工場地大，設(shè)備費(fèi)用高，需在地面設(shè)置泥水處理、輸送裝置；機(jī)械設(shè)備復(fù)雜，且各系統(tǒng)間相互連鎖，一旦某一系統(tǒng)故障，必須全面停止施工。第16頁，共47頁。土壓平衡頂管機(jī)由土壓平衡盾構(gòu)機(jī)移植而來，其平

8、衡原理與盾構(gòu)相同。與泥水頂管施工相比，最大的特點(diǎn)是排出的土或泥漿一般不需再進(jìn)行二次處理，具有刀盤切削土體、開挖面土壓平衡、對土體擾動(dòng)小、地面和建筑的沉降較小等特點(diǎn)。土壓平衡頂管機(jī)按泥土倉中所充的泥土類型分，有泥土式、泥漿式和混合式三種；按刀盤形式分，有帶面板刀盤式和無面板刀盤式；按有無加泥功能分，有普通式和加泥式；從刀盤的機(jī)械傳動(dòng)方式分，有中心傳動(dòng)式、中間傳動(dòng)式和周邊傳動(dòng)式；按刀盤的多少分，有單刀盤式和多刀盤式。7.2.3 土壓平衡式頂管機(jī)第17頁，共47頁。（1）單刀盤式（DK型）頂管機(jī)單刀盤式土壓平衡頂管機(jī)具有廣泛的適應(yīng)性、高度的可靠性和先進(jìn)的技術(shù)性。它又稱為泥土加壓式頂管機(jī)，國內(nèi)稱為輻條

9、式刀盤頂管機(jī)或者加泥式頂管機(jī)。它由刀盤及驅(qū)動(dòng)裝置、前殼體、糾偏油缸組、刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)、螺旋輸送機(jī)、操縱臺(tái)、后殼體等組成。沒有刀盤面板，刀盤后面設(shè)有許多根攪拌棒。適用于1.23.0m口徑的混凝土管施工，在軟土、硬土中都可采用，并且可與盾構(gòu)機(jī)通用，可在覆土厚度為0.8倍管道外徑的淺埋土層中施工。第18頁，共47頁。 單刀盤式頂管機(jī) 第19頁，共47頁。小刀盤螺旋出土機(jī)糾偏千斤頂多刀盤式土壓平衡頂管機(jī) 隔倉板把前殼體分為左右兩倉，左倉為泥土倉，右倉為動(dòng)力倉。隔倉板的水平軸線左右和垂直軸線的上部各安裝有一只隔膜式土壓力表。在隔倉板的中心開有一人孔，通常用蓋板把它蓋住。在蓋板的中心安裝有一向右伸展的測量用

10、光靶。由于該光靶是從中心引出的，所以即使掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)以后，只需把光靶作上下移動(dòng)，使光靶的水平線和測量儀器的水平線平行就可以進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，而且不會(huì)因掘進(jìn)機(jī)偏轉(zhuǎn)而會(huì)產(chǎn)生測量誤差。（2）多刀盤式（DT型）頂管機(jī)第20頁，共47頁。（1）黏性或沙性土層，無地下水時(shí)，宜用手掘式或機(jī)械挖掘式（2）軟土無障礙物，上覆土厚時(shí)，宜用擠壓式或網(wǎng)格式頂管法。（3）黏性土要控制地面宜用土壓平衡頂管法（4）粉砂土控制地面宜用泥水平衡頂管法（5）頂進(jìn)長度較短，管徑小的金屬管，宜用擠密土層頂管法。7.2.4 頂管機(jī)選擇第21頁，共47頁。工作井（工作坑或基坑），按其作用分為頂進(jìn)井（始發(fā)井）和接收井兩種。頂進(jìn)井是安放

11、所有頂進(jìn)設(shè)備的場所，也是頂管掘進(jìn)機(jī)的始發(fā)場所，是承受主頂油缸推力的反作用力的構(gòu)筑物，供工具管出洞、下管節(jié)、挖掘土砂的運(yùn)出、材料設(shè)備的吊裝、操縱人員的上下等使用。在頂進(jìn)井內(nèi)，布置主頂千斤頂、頂鐵、基坑導(dǎo)軌、洞口止水圈以及照明裝置和井內(nèi)排水設(shè)備等。在頂進(jìn)井的地面上，布置行車或其他類型的起吊運(yùn)輸設(shè)備。接收井是接收頂管機(jī)或工具管的場所，與工作井相比，接收井布置比較簡單。7.3 工作井及其布置第22頁，共47頁。井內(nèi)布置內(nèi)容主要包括前止水墻、后座墻、基礎(chǔ)底板及排水井等。后座要有足夠的抗壓強(qiáng)度，能承受得了主頂千斤頂?shù)淖畲箜斄ΑＧ爸顾畨ι习惭b有洞口止水圈，以防止地下水土及頂管用潤滑泥漿的流失。在頂管工作井內(nèi)

12、，還布置有工具管、環(huán)形頂鐵、弧形頂鐵、基坑導(dǎo)軌、主頂千斤頂及千斤頂架、后靠背。其中主頂千斤頂及千斤頂架的布置尤為重要，主頂千斤頂?shù)暮狭Φ淖饔命c(diǎn)對于初始頂進(jìn)的影響比較大。 第23頁，共47頁。123456789圖7-11 頂進(jìn)工作井內(nèi)布置圖1-管節(jié)；2-洞口止水系統(tǒng)；3-環(huán)形頂鐵；4-弧形頂鐵；5-頂進(jìn)導(dǎo)軌；6-主頂油缸；7-主頂油缸架；8-測量系統(tǒng)；9-后靠背；10-后座墻；11-井壁第24頁，共47頁。（1）管節(jié)一般為鋼筋混凝土管節(jié)或鋼管節(jié)。（2）后座墻構(gòu)造因工作坑的構(gòu)筑方式不同而不同。在沉井工作坑中，后座墻一般就是工作井的后方井壁。在鋼板樁工作坑中，須在坑內(nèi)的后方與鋼板樁之間撓筑一座與工作

13、坑寬度相等的、厚度為0.51.0m的、其下部最好能插入到工作井底板以下0.51.0m的鋼筋混凝土墻，目的是使推力的反力能比較均勻地作用到土體中去。后座墻的平面一定要與頂進(jìn)軸線垂直。（3）后靠背是靠主頂千斤頂尾部的厚鐵板或鋼結(jié)構(gòu)件，稱之為鋼后靠，其厚度在300mm左右。鋼后靠的作用是盡量把主頂千斤頂?shù)姆戳Ψ稚㈤_來，防止將混凝土后座壓壞。第25頁，共47頁。（4）洞口止水圈是安裝在進(jìn)出洞洞口，具有制止（減少）地下水和泥砂流出的功能。（5）頂進(jìn)導(dǎo)軌由兩根平行的軌道所組成，其作用是導(dǎo)向，引導(dǎo)管節(jié)按設(shè)計(jì)的軸線頂入土中，同時(shí)使頂鐵能在導(dǎo)軌面上滑動(dòng)。在鋼管頂進(jìn)過程中，導(dǎo)軌也是鋼管焊接的基準(zhǔn)裝置。（6）主頂裝

14、置由主頂油缸、主頂油泵、操縱臺(tái)及油管等四部分構(gòu)成。在管徑比較大的情況下，主頂油缸的合力中心應(yīng)比管節(jié)中心低5的管內(nèi)徑左右。第26頁，共47頁。（7）若主頂千斤頂?shù)男谐滩荒芤淮螌⒐芄?jié)頂?shù)轿粫r(shí)，必須在千斤頂縮回后在中間加墊塊或幾塊頂鐵。頂鐵有環(huán)形頂鐵和弧形或馬蹄形頂鐵之分。環(huán)形頂鐵的內(nèi)外徑與混凝土管的內(nèi)外徑相同，主要作用是傳力；弧形和馬蹄形頂鐵的作用有兩個(gè)，一是用于調(diào)節(jié)油缸行程與管節(jié)長度的不一致，二是把傳力。第27頁，共47頁。 （a）環(huán)形頂鐵 （b）U形頂鐵 （c）馬蹄形頂鐵頂鐵的斷面形狀第28頁，共47頁。 長距離管道的主要困難是，設(shè)置在頂進(jìn)坑內(nèi)的主推力有限，不足以克服管道長距離頂進(jìn)時(shí)遇到的總阻

15、力。需要采取相關(guān)的措施。目前在發(fā)展長距離頂管技術(shù)的過程中，減摩和設(shè)置中繼環(huán)兩項(xiàng)措施已得到較多研究，并已成為成熟的技術(shù)。7.5 長距離頂管第29頁，共47頁。為了適應(yīng)長距離頂進(jìn)管道的需要，研制了中繼環(huán)（又稱中繼間、中間站）。即在管道頂進(jìn)的中途設(shè)置輔助千斤頂，靠輔助千斤頂提供的動(dòng)力繼續(xù)頂進(jìn)管段，延長頂管的頂進(jìn)長度，滿足敷設(shè)長距離管道的需要。采用中繼環(huán)時(shí)，管道沿全長分成若干段，在段與段之間設(shè)置中繼環(huán)。中繼環(huán)是一個(gè)由鋼材制成的圓環(huán)，內(nèi)壁上設(shè)置有一定數(shù)量的短行程千斤頂，產(chǎn)生的推頂力可用于推進(jìn)中繼環(huán)前方的管道。增設(shè)中繼環(huán)（間）第30頁，共47頁。中繼環(huán)示意圖 第31頁，共47頁。（1）中繼環(huán)推進(jìn)過程被推進(jìn)

16、的只是該中繼環(huán)和前面一個(gè)中繼環(huán)之間的管段。在頂進(jìn)作業(yè)中，主千斤頂在每個(gè)循環(huán)中都最后推進(jìn)。借助中繼環(huán)的逐級接力過程，可將頂管的頂推距離延長，以適應(yīng)長距離頂管施工的需要。第32頁，共47頁。圖7-15 中繼環(huán)結(jié)構(gòu)形式1-中繼管殼體；2-木墊環(huán)；3-均壓鋼環(huán)；4-中繼環(huán)油缸；5-油缸固定裝置；6-均壓鋼環(huán)；7-止水圈；8-特殊管（2）中繼環(huán)的結(jié)構(gòu)形式 第33頁，共47頁。 （3）中繼環(huán)的布置中繼間的布置要滿足頂力的要求，同時(shí)使其操作方便、合理，提高頂進(jìn)速度。第34頁，共47頁。微型頂管一般指口徑在400mm以下的頂管施工。微型頂管施工設(shè)備主要由切削系統(tǒng)、激光導(dǎo)向系統(tǒng)、出碴系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組

17、成，根據(jù)激光導(dǎo)向系統(tǒng)測量偏斜數(shù)據(jù)，可操縱液壓糾偏系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)鋪管方向的目的。微型頂管的一次頂進(jìn)長度大多在5060m，也有的達(dá)到百米及以上。微型頂管的類型很多，按其工作原理和取土方式分有壓入式、螺旋鉆式、泥水式、土壓式、空心鉆式等，其中壓入式和螺旋鉆式應(yīng)用較多。 7.6 微型頂管第35頁，共47頁。壓入式微型頂管是指將前方土體向管道周圍土體徑向擠壓，在不出土或少出土的情況下頂進(jìn)管道的頂管工藝。一般用于直徑較小的管道施工。壓入方式按動(dòng)力分有沖擊式、旋壓式和靜壓式，按設(shè)備分氣動(dòng)矛法、夯管法和頂入法。 7.6.1 壓入式微型頂管第36頁，共47頁。氣動(dòng)矛法夯管法第37頁，共47頁。管外頂入法 管

18、內(nèi)頂入法第38頁，共47頁。7.6.2 螺旋鉆式微型頂管 螺旋式頂管是利用螺旋鉆進(jìn)行施工的一種方法。施工時(shí)，先準(zhǔn)備頂進(jìn)坑，將螺旋鉆機(jī)水平安裝在坑內(nèi)，再利用螺旋桿傳輸鉆壓和扭矩，推進(jìn)機(jī)頭前進(jìn)。同時(shí)，利用鉆機(jī)的頂進(jìn)油缸向前頂進(jìn)管節(jié)，機(jī)頭掘削下來的土通過螺旋鉆桿從管中輸送到坑內(nèi)。這種方法的頂進(jìn)距離較短，且只能在直線段使用，一般頂距在60m以內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是施工時(shí)無震動(dòng)，噪音小，重量輕、操作方便、施工人員少，基坑小。管長2m時(shí)，3.6m長、1.5m寬的頂進(jìn)坑即可。 螺旋鉆式施工方法有多種方式，主要分一程式和兩程式兩類。 第39頁，共47頁。（c）兩程式之二（b）兩程式之一 （a）一程式鋪設(shè)管導(dǎo)向管管節(jié)下放

19、螺旋桿回收第40頁，共47頁。鋼筋混凝土管節(jié)的接口有平口、企口和承口三種類型。管節(jié)類型不同，止水方式也不同。（1）平口管接口及止水平口管用“T”形鋼套環(huán)接口，把兩只管子連接在一起，在混凝土管和鋼套環(huán)中間安裝有2根齒形橡膠圈止水。7.8 管節(jié)接縫的防水7.8.1 鋼筋混凝土管節(jié)接縫的防水第41頁，共47頁。（2）企口接口及防水企口管用企口式接口，用1根“q”形橡膠圈止水。止水圈右邊腔內(nèi)有硅油，在兩管節(jié)對接連接過程中，充有硅油的一腔會(huì)翻轉(zhuǎn)到橡膠體的上方及左邊，增強(qiáng)了止水效果。 （a）企口形管及其接口 （b）“q”形橡膠止水圈第42頁，共47頁。（3）承口接口及防水承口管用“F”形套環(huán)接口，接口處用1根齒形橡膠圈止水。F形接口管是最為常用的一種管節(jié)。它把“T”形鋼套環(huán)的前面一半埋入混凝土管中就變成了“F”形接口。為防止鋼套環(huán)與混凝土結(jié)合面滲漏，在該處設(shè)了一個(gè)遇水膨脹的橡膠止水圈。第43頁，共47頁。鋼管是用一定厚度的鋼板先卷成圓筒，再焊成竹節(jié)，鋼管兩管節(jié)之間采用焊接連接，其整體性好，不易產(chǎn)生滲漏水。為保證焊接牢靠，將管節(jié)端口按一定角度坡口后再焊接。常用的接口形式有兩種：單邊V型坡口；K型坡口。單邊V型坡口適用于人員無