非开挖顶管结构设计

2010-05-28
三段两铰型水力挖土式顶管的顶管机内腔分 为前、中、后三个舱室。前舱为冲泥舱，舱前端 装有切削、挤压土的格栅。中舱为操作室，两者 之间用胸板隔开。后舱为控制室，设有各种测试 仪器和仪表。在千斤顶顶推下，格栅将土体切开， 再经高压水射流破碎、搅混成流态，由吸泥泵吸 出并送入水力运输管道排放至地面的贮泥水池， 如图6－12所示
1 1 Pu (h2 h1 h3 ) P m h2 2 2
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当顶进管道的敷设深度较 大时，顶管工作井的支护通常 采用如图所示的两段形式。在 两段支护的情况下，只有下面 的一段参与承受和传递来自承 压壁的作用力，因而仍可用上 述公式。至于h4，则可不必考 虑。下面一段完全参与起作用 的前提，是要用混凝土将下段 板桩与上段板桩之间的空隙填 充起来，以构成封闭的传力系 统。否则，需将h3缩短到上段
B
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（2）顶管工作井的深度
H1 h1 h2 h3 H 2 h1 h3 h4
顶进井
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接收井
H1
h2
h1
H1 h1 h2 h3 H 2 h1 h3 h4
h3
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6.2.3 顶进力的分析计算 顶管技术中的顶进力是在施工中推进整个管道系统 和相关机械设备向前运动的力，需要克服顶进中的各种 阻力，同时在顶进过程中还不断的受到各种外界因素的 影响。 影响因素： 施工设计和现场施工条件； 施工工艺因素；
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（5）后座墙的设计计算
在一般情况下，顶管工作井后座墙能承受的最大顶 力取决于所顶管道所能承受的最大顶力，在最大顶力确 定之后，即可据此进行后座墙的结构设计。 顶管工作井普遍采用沉井或钢板桩支护结构，对这 两种形式的工作井都应首先验算支护结构的强度。此外， 由于顶管工作井承压壁后靠土体的滑动会引起周围土体 的位移，影响周围环境并影响到顶管的正常施工，所以 在工作井设置前还必须验算顶管承压壁后靠土体的稳定 性，以确保顶管工作井的安全和稳定性。
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施工设计和现场施工条件对顶进力的影响：
a.顶进管道的尺寸、形状、自重和外表面的性质； b.施工管线的长度； c.土层类型及在施工中的变化情况； d.地下水位高度； e.土体稳定性； f.覆土厚度以及上部地层的容重； g.地表的荷载情况。
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施工工艺的影响：
a.施工中的超挖量；b.润滑措施；c.管接头出的 台阶或变形；d.曲线段顶进；e.管道的错位；f.中继 站的采用；g.管道的顶进速度；h.施工停顿的频度和 时间。 顶管顶力只有克服顶管管壁与土层之间的摩擦阻 力及前刃角切土时的阻力，才能把管道推进土体中。
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在实际工程中，在无绝对把握的情况下，F1及F2均不 予考虑。若不考虑F1及F2，一般采用下式进行沉井承压壁 后靠土体的稳定性验算：
FP Fa Pj Ks
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2）钢板桩支护工作井壁后土体稳定验算
（a）没有板 桩墙的协同作 用；
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(b)在板桩墙的协 同作用下(荷载曲 线类似于弹性曲 线)；
Pj 2F1 F2 FP Fa
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顶管最大计算顶力：
Pj 2F1 F2 FP Fa
1 pa HB1 2 F2 W F1 1 2c 2 2 2 2 Fa B[ H tan (45 ) 2cH tan(45 ) hH tan (45 )] 2 2 2 2 1 Fa B[ H 2 tan 2 (45 ) 2cH tan(45 ) hH tan 2 (45 )] 2 2 2 2
水平仪
顶管掘进机
Βιβλιοθήκη Baidu
电力电缆
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d.水库坝体涵管重建工程
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e.箱型断面通道
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f.顶管锚固
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6.2
顶管工程结构设计 设计包括：土层工程勘察、工作井开挖和支 护设计、顶管顶进、顶管荷载分析计算、盾构挖 掘和工程管理等设计。
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K
K
K
pa
pa
pa
pp
pp
pp
图6.7
(a)安全系数K＞1，表明足够稳定； (b)安全系数K=1，表明尚且稳定；(c)安全系数K＜1，表明不稳定
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K
K
K
pa
pa
pa
pp
pp
pp
图6.8 (a)安全系数S＞1，表明足够稳定； (b)安全系数S=1，表明尚且稳定；(c)安全系数S＜1，表明不稳定
6.2.1 土层工程地质勘察 工程地质勘查不仅是顶管工程设计不可缺少的 程序，也是知道设计和施工的重要技术资料。 勘查要点主要包括： 土层类别、埋深；各土层土体的物理、力学性 质；地下水位、压力；地下水和土的腐蚀性；
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土层冻结深度；地下管线；地下洞室；临近建筑 物基础；地面动荷载。 主要方法：钻探、井探；土工试验；调查、 工程物探等等。
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（2）后座墙的强度及影响因素
影响因素： 客观因素（管材种类、管径大小、顶距 长 短、覆土厚度、土的种类、地下水位、管节重量） 主观因素（顶进误差；中途停工；挖土方法）。
（3）后座墙的刚度要求 （4）后座墙的形式和类别
按结构：整体式和装配式 按使用材料：人工后座墙和天然后座墙 按土的性能利用：压缩式、拖拉式、重力式
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从图6.7、图6.8两图中可见，当A点在后靠土体被动土压力 线上或在其左侧(即承压壁后靠土体反力等于或小于承压壁上的 被动土压力)时，则后靠土体是稳定的， 由此推导得后靠土体的稳定条件为:
单段支护： 2P K p h3 K b(h1 2h2 h3 ) 两段支护： 2P K（ p h3 h4 ) K b(h1 2h2 h3 ) K p tan（45 ） 2
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泥水式顶管机是一种封闭式顶管机，顶管机装备有 机械式的切削工具，由切削臂和切削头组成，其下部还安 装有抽吸装置。在施工中，破碎下来的泥土形成混合浆液， 采用水力的方法，从破碎室经过传输管道输送到地表的分 离装置，分离装置将土和膨润土浆液进行分离，这样，作 为平衡介质的膨润土浆液可以重新被输送到破碎室，进行 循环利用。
工作井施工
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1）工作井的分类及顶进形式
a.工作井分类： 按使用性质：顶进、终点、中间工作井。 按设计深度：浅、普通、深工作井。 b.顶进形式： 按顶进方向：单向、双向、调头、多向顶进。 按管道排数：单排、双排、多排顶进。 2)工作井的设计原则 工作井选址原则
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6.2.2 顶管工作井设计 在顶管施工中，虽然不需要开挖地面，但必 须在顶进管道的两端开挖若干个工作井。 可分为：顶进工作井和接收工作井。
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供顶管机头安装用的 顶进工作井(顶进井)
供顶管机进坑和拆卸用 的接收工作井(接收井)
顶进井 接收井
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顶进井
接收井
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应根据下列条件选择顶管工作井的位置： 1）管道井室的位置； 2）可利用井壁土体作后座墙； 3）便于排水、出土和运输； 4）对地上和地下的建筑物、构筑物易于采取保护及 安全施工措施； 5）距电源和水源较近，交通便利； 6）单向顶进时宜设在下游一侧。 需要注意的问题： a.尽量减少工作井的数量； b.选址应避开房屋、地下管线、池塘、架空电线 等不利于施工的场所等等。
第六章 非开挖顶管设计 （设计）
主讲：孟杏微
6.1
概述
非开挖技术（Trenchless Technology）是指利用岩土钻掘技 术在地表不开挖的情况下，铺设、修复和更换地下管线。
接收坑 顶进坑
劈裂锥形物
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6.1
概述
顶管技术(Pipe Jacking )，也称为液压顶管 技术，不仅是一种具体的非开挖管道铺设方法，同 时还是以顶管施工原理为基础的一些非开挖铺管技 术的总称 .
顶管
管片
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非开挖顶管应用范围
a.穿越江河、湖泊、港 湾水体下的供水、输气、 输油管道工程。
b.穿越城市建筑群、繁 华街道地下的上下水、 煤气管道工程。
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c.穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程
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上述推导是基于 单向顶进的情况，若 是双向顶进，即后靠 板上留有通过管道的 孔口时，则平均压力 P应修改为: 同理后靠土体的 工作稳定条件为:
2P P 1 bh2 πD 2 4
单段支护： h2 2P K p h3 K ( ) h1 2h2 h3 bh 1 πD 2 2 4 两段支护： h2 2P K（ ) p h3 h4 ) K ( h1 2h2 h3 bh 1 πD 2 2 4
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1）沉井支护工作井壁后土体稳定验算
采用沉井结构作为顶 管工作井时，可按左图所 示的顶管顶进时的荷载计 算图，验算沉井结构的强 度和沉井承压壁后靠土体 的稳定性。沉井承压壁后 靠土体在顶管顶力超过其 承受能力后会产生滑动。 沉井承压壁后靠土体的极 限平衡条件为水平方向和 合力为零。
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3）顶管工作井设计 工作井实质上是方形或圆形的小基坑，支护常 采用钢筋混凝土沉井和钢板桩。 工作井在施工结束后，一部分将改为阀门井、 检查井。因此，在设计工作井时要兼顾一井多用的 原则。
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(1)矩形工作井底部尺寸设计计算
B D1 W1 L L1 L2 L3 L4 L5
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手掘式顶管机也即是非机械的开放式(或敞口式)顶管机，在施 工时，采用手工的方法来破碎工作面的土层，破碎辅助工具主 要有镐、锹以及冲击锤等。破碎下来的泥土或岩石可以通过传 送带、手推车或轨道式的运输矿车来输送
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挤压式顶管 由手掘式顶管经 过实践改造而制成的， 如遇“上软下硬”截 面土质，可在手掘式 顶管头上部焊接格栅 或挡板抵抗上部流砂， 以挖铲或风镐破碎下 部硬土和岩石，使手 掘式顶管变成为网格 式工具管；如遇淤泥 质土，可将工具头前 焊接喇叭口，使其成 为挤压式机头，减少 土体塌方造成施工事 故。
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6.3 顶管掘进方法、设备和管材
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6.3.1 顶管挖掘方法 国内常用的顶管机： 手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力 挖土式、多刀盘土压平衡式。
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最简单的手掘式顶管机只有顶进工具管，即只有一个钢质的 圆柱形外壳加上楔型的切削刃口、液压纠偏油缸、一个传压环以 及一个用来导正和密封第一节顶进管道的盾尾。
P K[N1 f1 (N1 N2 ) f 2 2q E f 3 RA]
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6.2.4
后座墙设计
后座墙是顶进管道时为千斤顶提供反作用力的 一种结构。在施工中，要求后座墙必须保持稳定， 一旦后座墙遭到破坏，顶进工程就要停顿。
（1）后座墙的功能及要求
功能：在顶进过程中自始至终地承担主顶工 作站顶管前进时的后座力。 要求：（1）充分的强度；（2）足够的刚度； （3）后座墙表面要平直；（4）材质要均匀； （5）结构简单、装拆方便。
(c)在板桩墙的 协同作用下(荷 载曲线近似于梯 形)
式中， Pm ----承压壁承受顶力
Pj 后的平均压力。
P m
Pj A
, 其中A bh2
由于板桩的协同作用，便出现了一条类似于板桩弹性 曲线的荷载曲线。因为板桩自身刚度较小，承压壁后面的 土压力一般假设为均匀分布，而板桩两端的土压力为零， 则总的土体抗力为梯形分布，由板桩静力平衡条件得：
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A顶管机 B顶进井 C皮带传送机 D顶管 E钢顶管凸轮 F泥浆车 G整洁的运行电池 H泥浆润滑 I轨道 J钢顶管环 K2～6个液压顶 L激光束 M注浆 N顶进井 O轨道段 P泥浆润滑混合器
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