顶管法施工Pipe Jacking Method Construction 城市地下工程施工技术主讲人：饶平平概概 述述B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.顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种土层地下工程施 工方法，主要用于地下进水管、排水管、煤气管、电讯电缆 管的施工。它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、 河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是一 种非开挖的敷设地下管道的施工方法。主要用于： 穿越江河、湖泊、港湾水体下的供水、输气、输油管道工程；穿越城市建筑群、繁华街道地下的上下水、煤气管道工程；穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程；水库坝体涵管重建工程等顶管施工的优点管内挖掘 顶部出土挖掘端面 井内出土南沙DN1300泥水平衡顶管施工激光经纬仪10顶管机简介*分类 按所顶进的管子口径大小分：大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指2m以上的顶管，人可以在其中直立行走。中口径顶管的管径多为1.21.8m，人在其中需弯腰行走，大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为5001000mm，人只能在其中爬行，有时甚至爬行都比较困难。微型顶管的直径通常在400mm以下，最小的只有75mm。 按一次顶进的长度（指顶进工作坑和接收工作坑之间的距离）分：普通距离顶管和长距离顶管。顶进距离长短的划分目前尚无明确规定，过去多指100m左右的顶管。目前，千米以上的顶管已屡见不鲜，可把500m以上的顶管称为长距离顶管。 按平衡原理理论分：顶管机可分为泥水平衡式项管机、土压平衡式顶管机、多功能顶管机等 按管材分：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。 按顶进管子轨迹的曲直分：直线顶管和曲线顶管。 *11泥水平衡式顶管机是在加入添加剂、膨润土、粘土以及发泡剂等使切削土塑 性液化的同时，将切削刀盘切削下来的土砂用搅拌机搅拌成泥水状，使其充 满开挖面与管道隔墙之间的全部开挖面，使开挖面稳定。多功能顶管机集机械、液压、激光、电控(含PLC)、测量技术为一体，是既 可在含有较大砾石、卵石等的软土中施工，又可在岩石或复杂地质条件中进 行自动化非开挖地下管道施工的先进设备。土压平衡顶管机的基本工作原理是先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前 进，同时刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机并被 挤压，形成一定的土压；再通过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。控 制螺旋输送机的出土量或顶管机前进速度，来控制密封土仓内的土压力值， 使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，从而保证开 挖面的稳定，防止地面的沉降或隆起。顶管机简介分类平衡原理n 顶管施工技术最早始于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。 欧洲发达国家最早开发应用顶管法，1950年前后，英、德、日等国家相继采用。 顶管机发展概况国外发展概况*1213 目前国内顶管机规模较大、技术力量雄厚的生产企业主要有上海管道 工程股份有限公司、北京市市政工程研究院、中铁一局市政环保工程总公 司等，这几家公司的产品基本上都具有自动控制、机电液一体化、激光定 位导航以及自动纠偏等功能。另有其他一些在技术力量、产品质量、生产 规模等方面均有不足的生产厂家，其产品主要靠低价占有市场。顶管机发展概况* 国内顶管机经历了技术引进、研发、发展等几个时期，从最初的手 掘式项管机、气压平衡式顶管机到目前的水压、土压平衡式项管机，不 断吸收国外先进技术进行改进，到目前已经拥有一批具有自主知识产权 的自主品牌，并在一些技术领域如纠偏、测量等方面取得了一定的成绩 ，达到或接近国际先进水平。国内发展概况 我国较早的顶管施工约在上世纪50年代，初期主要是手掘式顶管， 设备也较简陋。我国顶管技术真正较大的发展是从上世纪80年代中期开 始。1988年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机。盾构法和顶管法的主要异同点： 相同点：（1）二者都属于暗挖法施工大口径（900）地下工 程的主要施工方法。（2）二者都要开挖工作基坑（工作井和接收井）。（3）二者工作面的开挖方法，出、进洞施工技术基本相 似。（4）二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边 环境保护等问题，都要进行注压浆。不同点：（1）盾构法的衬砌为管片，且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装，拼装好后一般不会再移动；顶管法的衬砌为管节，且每环管节 是一次预制成功的，由顶进装置依次顶进，直至第一节管节到达 接收井位置。（2）盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿，而顶管法施工的主顶进装置布置在工作井内，如果顶力不足要加设中继 间。（3）盾构机内有拼装管片的拼装机，而顶管机内没有。（4）盾构法主要用于大断面城市地下隧道、水工隧道、公路隧道的施工；顶管法主要适用于断面稍小一些的城市地下管线的铺设。 顶管法的工程地质勘察n勘察要点：n土层类别、埋深n各土层土体的物理、力学性质n地下水位、压力n地下水和土的腐蚀性n土层冻结深度n地下管线n地下洞室n临近建筑物基础n地面动载顶管工程设计n工作井设置，顶管顶力估 算以及承压壁后靠结构及 土体的稳定问题。n9.2.1 顶管工作井设置n1）供顶管机头安装用的顶 进工作井（称顶进井）；n2）供顶管工具管进坑和拆 卸用的接收工作井（称接 收井）。（a）双向顶进；（b）单向顶进工作井 n实质上是方形或圆形的小基坑，其支护类型 同普通基坑，其平面尺寸较小，支护经常采 用钢筋混凝土沉井和钢板桩。n管径1.8m或顶管埋深5.5m时普遍采用钢 筋混凝土沉井作为顶进工作井。n沉井作为工作井时，一般采用双向顶进；n采用钢板桩支护工作井时，一般采用单向顶 进。 顶管法的关键技术n1）方向控制：与设计轴线一致，对顶力的影 响，保证中继环正常工作 ；n2）顶力大小及方向：管尾顶进方式，顶进距 离必然受到限制 ，一般采用中继环接力；n 3）工具管开挖面正面土体的稳定性；n4）承压壁后靠结构及土体的稳定性发展趋势n中继环接力顶推装置、触变泥浆减阻顶 进技术，自动测斜纠偏技术、泥水平衡 技术、土压平衡技术、气压保护技术和 曲线顶管技术 。顶管顶力估算n克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻 力： nN1管顶以上的荷载；nN2全部管道自重；nE顶管两侧的土压力；nR土对钢刃脚正面的单位面积阻力 nk系数，一般采用1.2。顶管承压壁后靠土体的稳定验 算n沉井支护工作井承压 壁后靠土体的稳定验 算n在市政工程建设中，长距离管道的敷设是其重要的工 作内容。随着顶管技术应用的推广，研究敷设长距离 管道工艺技术已成为引人注目的课题。n长距离管道的主要困难是，设置在顶进坑内的主千斤 顶的推顶力有限，不足以克服管道长距离顶进时遇到 的总阻力。希望增加顶管单程顶进的长度时，需要采 取相关的措施，如增加主千斤顶的顶力、减少管道周 边与地层的摩擦力、中途设置辅助千斤顶（中继环） 、减小顶管承受的正面阻力等。目前在发展长距离顶 管技术的过程中，减摩和设置中继环两项措施已得到 较多研究，并已成为成熟的技术。长距离顶管长距离顶管n为了适应长距离顶进管道的需要，研制了中继 环（又称中继间、中间站）。即在管道顶进的 中途设置辅助千斤顶，靠辅助千斤顶提供的动 力继续顶进管段，延长顶管的顶进长度，满足 敷设长距离管道的需要。n采用中继环时，管道沿全长分成若干段，在段 与段之间设置中继环。中继环是一个由钢材制 成的圆环，内壁上设置有一定数量的短行程千 斤顶，产生的推顶力可用于推进中继环前方的 管道。增设中继环（间）中继环示意图 n（1）中继环推进过程n设置中继环以后，顶管顶进时，每次都应先启用最前 面的中继环，将其前方的管道连同工具管一起向前顶 进，后面的中继环和主千斤顶保持不动，直至达到该中继环的一个顶程为止，接着后面的中继环开始推顶 作业，将两个中继环之间的管道向前推进。与此同时 ，前面的一个中继环的千斤顶排放油压，活塞杆缩进 套筒。可见，这时被推进的只是该中继环和前面一个 中继环之间的管段。在顶进作业中，主千斤顶在每个 循环中都最后推进。借助中继环的逐级接力过程，可 将顶管的顶推距离延长，以适应长距离顶管施工的需 要。n（2）中继环的结构形式 n它主要由前特殊管、后特殊管和壳体油缸、均压环等组成。在前 特殊管的尾部有一个与T形套环相类似的密封圈和接口。中继环 壳体的前端与T型套环的一半相似，利用它把中继环壳体与混凝土管连接起来。中继环的后特殊管外侧则设有两环止水密封圈， 使壳体虽在其上来回运动而不会产生渗漏。中继环油缸被固定在 壳体上，油缸均匀布置在壳体内。油缸两头装有均压钢环，钢环 与混凝土管之间有衬垫环。衬垫环多用20mm厚的木板做成。中继油缸为单作用油缸，只有当后一只中继环向前推进时，前一只 中继环的油缸才能缩回。管子顶通后，把中继环油缸拆卸下来， 管子可直接合拢。n中继间的布置要满足顶力的要求，同时使其操作方便 、合理，提高顶进速度。中继环在安放时，第一只中 继环应放在比较前面一些。因为掘进机在推进过程中 推力的变化会因土质条件的变化而有较大的变化。所 以，当总推力达到中继环总推力4060时，就应安 放第一只中继环，以后，每当达到中继环总推力的70 80时，安放一只中继环。而当主顶油缸达到中 继环总推力的90时，就必须启用中继环。n （3）中继环的布置中继环自动控制n从工具管向工作井依次按1#、2# 编号。n工作时，首次启动1#，n中继环顶推行程达到允许行程后停止1# 中继环，启动2#中继环工作，直到最后 启动工作井千斤顶。管道及其接口n顶管所用管道按其材质分钢筋混凝土管 和钢管两类，钢管接口一般采用承插、 法兰、螺纹或焊接。 n排水管道采用的预制钢筋混凝土管道 ；n煤气管道一般采用铸铁管和钢管 ；n上水管道普遍采用的钢筋混凝土管及钢 管 ；二、工作坑工作坑平面呈矩形，一般 沿管道方向较长，深度较深， 坑壁支撑，一般采用钢板桩； 若竣工后坑位无需覆土，可采 用钢筋混凝土沉箱，箱壁应预 留位置正确、大小合适的管孔 ，竣工后沉井可改建成检查井 。坑的前后壁在管道顶进时 受力巨大，均应加固。工作坑构造和设施顶管机操作台后靠背、千斤顶支架、导轨千斤顶螺旋出土机顶管配套设备接收井平面一般也呈矩形 ，沿管道方向较长，其长度应 满足顶管机头可被取出的条件 。再管道转折处设置的接收井 ，其平面为圆形，内径也应满 足机头被取出的条件。接收井的深度也比较深， 所以井壁支撑，一般也采用钢 板桩。若竣工后坑位无需覆土，可采用 钢筋混凝土沉箱，箱壁应预留位 置正确、大小合适的管孔，竣工 后沉井可改建成检查井。管节顶进与接口1、 挖土挖掘方法人工挖土水力冲土挤压切土机械切土人工挖土法人工挖土：人工挖，小车运。前端 挖掉一段后，方可顶管 。 要求：土质较好，管道的 管径不应小于1000mm。在施工中，通过水射流将位于工作面上的土层破碎，并将其冲刷进入破碎室，最后以泥水混合物的方式排至地表。水冲式顶管配套设备送水、排泥泵泥浆沉淀池挤压式挤压切土：凭借机头的挤压口，将机头顶入土中，一段土体被挤进顶管机头，然后用钢丝绳沿挤压口内缘切断土体，落在出土车或运土机上，运至工作坑。机械切土法机械切土： 机头设有刀盘而 进行机械切土， 边切土边顶进， 切削下来的土， 用输送机运至 工作坑。管节顶进方向控制在顶管过程中，必须经常观测顶进的管节位置 是否符合设计。管节接口顶管用的钢筋混凝土管节的管口形式是凸口 式，其接口的处理分两个阶段进行。在一节管子顶进以后，另一节管子下到工作坑里 时，将两节管子