曲线顶管技术综述

曲线顶管技术综述

1 曲线顶管技术概述

在顶管的设计与施工过程中,由于地质条件的差异性、地面建筑物的环境保护要求以及原有地下构筑物的拥挤等原因,往往迫使工程的路线定为曲线。在此情况下,采用顶管或盾构机械

设施使管节的中心线按照设计的弧线前进的施工技术,即称为曲线顶管技术。曲顶技术在日

本和欧美国家早已开始使用,并有了一些成功经验。日本的曲顶技术开始于1965 年熊本市直径1 200 mm 下水管道的施工,随后又得到不断研究和发展,到20 世纪80 年代,应用已较广泛,代表了该领域当今世界的最先进水平。从国内外曲顶技术的发展现状来看,目前曲顶的管

径以中、大口径为主,曲线类型有平面的、有垂直向的,还有S 形的,基本上能按工程的要求而变换。同时,顶进长度向长距离方向发展,比如:在上海合流污水一期工程中德国Zueberlin 公

司曾将直径 2 500 mm 的钢筋混凝土管曲线一次顶进约 1 500 m 。

2 分类

1.1 顶管施工的分类常见的顶管施工的分类是以顶进管前工具管或顶管掘进机的作业形式来分为手掘式顶管、挤压式顶管、半机械式或机械式顶管。

1.2 顶管施工技术分类目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。

1) 气压平衡顶管施工就是以一定压力的压缩空气来平衡地下水压力、疏干地下水，从而保持挖掘面稳定的一种顶管施工方法。

2) 泥水平衡顶管施工就是采用泥水平衡顶管机进行施工，并利用顶管机泥水仓内的泥水压力来平衡顶管机所处土层中的土压力和地下水压力，同时利用排出的泥水来输送弃土的一种顶管施工工艺。3) 土压平衡顶管工法是利用土压平衡式顶管掘进机进行地下钢筋混凝土管道或其他管道的顶进施工工艺。

3 顶管类型

顶管用管材按照材料可分为:钢筋硅管、钢管、铸铁管和其它塑料管、复合管等等。

1) 钢筋混凝土管:

目前，由于钢筋混凝土管有耐腐蚀性、经济等特点，成为长距离曲线顶管的首选管材。钢筋混凝土管按它的生产工艺可分为离心管、立式震捣管和悬馄管三大类。在钢筋混凝土管中，还有采用玻璃纤维进行加强的管道和用钢板进行加强的管道如钢筒混凝土管。

2) 钢管:

钢管作为顶管材料是仅次于钢筋混凝土之后的使用较为普遍的管材。顶管用钢管可分为大口径与小口径两类，在大口径中用的钢管多采用一定厚度的钢板，先卷成圆筒，然后再焊接成形，最后再做圆。在以上冷作加工过程完了之后，还需根据不同的要求涂上防腐材料。顶管所用钢管的壁厚

与其埋设深度以及推进长度有关。如果埋设浅些，管子的壁厚可以取得薄一点。如果埋设得比较深，管道所受到的土压力等比较大，容易产生变形，钢管的壁厚应取得厚一些，以确保钢管有足够的刚度。壁厚的确定可采用下述公式

t= a D+t'

t-- 一钢管的壁厚(mm);

a --一经验系数，0.01 一0.02 之间;

D--一钢管的内径(mm); t' --一腐蚀余量(mm);

a是经验系数，这与管道埋深和管径有一定关系，当管径很小时，a则以钢管能承受的顶推力控制。钢管由于是焊接而成，不适合曲线顶管，同时受到壁厚控制，在长距离中易失稳，也不宜采用。另外钢管的外防腐在顶管过程中造成一定麻烦。最后是昂贵的费用制约了钢管在工程中的大量使用。

3) 铸铁管塑料管

顶管历史上最早的记录使用的管材就是铸铁管。在一般情况下，其管口形式不适合用作顶管。当有特殊要求时可在铸铁管外包裹上一层混凝土可用作顶管。塑料管直接用作顶管的比较少，即使有也仅仅是用一种硬塑料的PVC管，其管径比较小，而且推进距离也比较短，

接头则采用塑料焊枪进行热焊。现在，大多数塑料管是套在钢管内，有的与钢管形成双重复合管，有的则把钢管拔出来再在其空隙的周边注上混凝土，使其变成塑料管外包裹着一层混凝土的复合管。目前也有一种玻璃纤维加强热固塑料管(HOBAS管，它是热固性树脂包裹的复合结构管材。在沈阳崇山路污水截流干管工程中用过D2100和D1500玻璃钢夹砂管顶管。

这些管道大多有特殊要求，是普通钢管和混凝土管无法替代的。

4 曲率半径

管道的弯曲半径的大小与土质、管径、顶力有关。土体承载力高,弯曲半径可以小一点;反之, 承载力低,弯曲半径要大一点。管道口径大,弯曲半径要大一点;反之,管道口径小,弯曲半径可以小一点。管段较长,弯曲半径要大一点;反之,管段较短,弯曲半径可以小一点。施工顶力较大, 弯曲半径要大一点;反之,顶力较小,弯曲半径可以小一点。

1)混凝土管最小弯曲半径分析最小弯曲半径时忽略土体承载力和施工顶力影响,仅就管道口径大小、管段长度、木垫片的厚度三者与最小弯曲半径的关系进行分析。曲线顶管的轴线,从宏观上看是曲线,实际上是折

线,是多边形的一部份，多边形的边就是管段长度。从图 1可知多边形的边、角、半径有如下

关系：

a =I/R

式中 a —中心角(弧度)； I —边长；

R —多边形外切圆半径。

曲线顶管中把管段的长度看成是多边形的边 ，管段对应的中心角就是多边形的中心角 ，管轴线

就是多边形的外切圆。

假设管道内径为d,壁厚为t,管段长度为I,木垫片厚度为b,并 假设管道壁厚是内径的 1/10,木垫片允许最大压缩率是 50%。 即 t=d/10 S=b?50%

从图1可知，管段间的转角与管段对应的中心角相等。 则曲线 的最小弯曲半径可按下式计算

：

Rmin=l(d+2t)/ (b-s )或 Rmin=12ld/5b 式中 Rmin —最小弯曲半径(m); I —管段的长度(m); d —管道内径(m); t —管道壁厚(m); b —木垫片厚度(m);

s —木垫片最小压缩高度(m)。

由上式确定的不同管径混凝土管的最小弯曲半径见表 1。弯 曲半径太小，会使管段上应力过于集中，使管道混凝土裂缝。 这是要力求避免的。

2)钢管顶管的最小弯曲半径

无中继环的钢管不能用于曲线顶管。 钢管曲线顶管的最小

弯曲半径的大小主要取决于中继环布置的间距和中继环的 允许转角。目前钢管顶管沿用的老式中继环允许转角很小 ，

因此不宜用于曲线顶管。组合密封中继环研究成功后，允许中 继环有较大的转角，因此可用于曲线顶管。已知中继环的允许 转角和间距，钢管管道的最小弯曲半径可按下式计算 ：

公称管径 (mm) 木垫片厚0.03 木垫片厚0.02

管段长2.0 管段长2.5 管段长2.0 管段长2.5 800 128 160 192 240 1000 160 200 240 300 1200 190 260 288 360 1400 224 280 336 420 1600

256 320 384 480 Rmin > 2Sin(k 2) / 最小弯曲半径参考值 单位:m 表1

图I 曲线顶管示意图