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=αD+t’
t--一钢管的壁厚(mm);
α--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);
α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，α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:
α=l/R
式中α—中心角(弧度);
l—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l,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);
l—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:
Rmin≥L/2sin(kα/2)
最小弯曲半径参考值单位:m表1
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 1800 288 360 432 540
说明:
1.假定土体有足够的承载力。

2.假定顶力在允许范围内。

3.表中未考虑施工偏差对弯曲半径的影响。

式中
Rmin—最小弯曲半径(m);
α—中继环的允许转角,取α=1°;
k—系数,k=0.5;
L—中继环间距(m)。

如果中继环间距L=60m,则弯曲半径Rmin≥6875m。

5顶力计算公式
1)顶力的组成:
为了推动管道在土内顺利前进，千斤顶的顶力值P需要克服下列几种作用于管道上的外力，统称为顶进阻力，包括正面阻力P;和摩擦阻力F。

管道顶进过程中，如土质均匀，则摩擦系数是一常数，此时作用于管节上的外力如图3一1所示:
2曲线顶管施工顶进力的计算
1）直线顶进时的顶进力计算
在计算初始顶进力和单位管道长度上所受的摩阻力时,仍然采用直线顶进时的顶进力计算公式F = F0 + f L (1)
式中: F 为顶进力,kN ;
F0 为初始顶进力(迎面阻力) ,kN ;
F0 = ( Pw + Pe)π{B²c / 4}
式中: Pw 为掘进机舱内的压力,等于地下水压力加上20.0 kN/ m² ; Pe 为切削土的摩擦力。

Pe = 10.0 ×a ×N ;
式中: a = 01.5 (岩石除外) , N 为标准贯入指数。

当N 值> 50 时,取N 值= 50 ;当N 值= 0 时,取N 值= 1 。

f 为单位长度管道上的摩阻力,kN/ m;
f =(1/8 ·α·Bc∧0.5 ·N∧0.125·g·S )+ 0.1 W
式中: g 为重力加速度,取g = 9.8 m/ s² ;
α为考虑砾石含量的摩阻力系数,α= 0.6 + R g/ 100 ;
R g 为砾石体积分数, %;
B c 为顶进管道外径,m;
S 为顶进管道的外周长, S =π·B c ,m;
W 为单位长度管道的重量,kN/ m;
L 为顶进长度,m。

2）曲线顶进时的顶进力计算[2 ]
曲线顶进时,应分别计算其直线段和曲线段的顶进力,然后累加即得总的顶进力。

直线段的顶进力仍然按照上述公式来计算,而曲线段的顶进力则可按照下式进行计算[6O8 ] :
F n = K n F0 + F′( K∧( n + 1) - K)/(K - 1 ) (2)
式中: F n 为顶进力,kN ;
K 为曲线顶管的摩擦系数;
K = 1/ (cos α- k·sin α)
其中:α为每一根管节所对应的圆心角, k 为管道和土层之间的摩擦系数, k = tan φ/ 2 ;
n 为曲线段顶进施工所采用的管节数量;
F0 为开始曲线段顶进时的初始推力,kN ;
F′为作用于单根管节上的摩阻力,kN。

在曲线段的顶进力计算完毕后,如要接着计算随后的直线段顶进力,可按下式进行计算
F m = F n + f L (3)
式中: F m 为曲线段后的直线段顶进力,kN ;
L 为直线段的顶进长度,m。

6顶管的测量与控制
1)平面控制网的建立
工作井、接受井施工结束后，按工作井穿墙孔与接受井收孔的实际坐标测量放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到工作井测量平台上和井壁上。

在工作井四周建立测量控制网，并定期进行复核各控制点。

另外，用高精度水准仪将甲方所提供水准点引进工作井、接受井内，并在沉降区外设置水准后视点，以便校核井内水准点。

测量采用T2经纬仪将顶管轴线放入工作井内，井内安放仪器的测量点设置在预先设置的预埋铁件上。

穿墙孔的后视标记与仪器测点之间所造成的顶管后视线与顶管实际轴线的偏差应在0.2mm之内。

所引入井内的水准后视点的偏差小于0.5mm。

2)管道轴向测量
1、直线段顶进
①初期顶进应均匀出土控制好初始偏差，并及时调整后座千斤顶合力中心来控制初始偏差。

确保工具头初始状态稳定和轴线顺直。

通过前期顶进，结合地面沉降观测，调整好螺栓旋出土机出土速度，选择最佳掘进参数，确保地面沉降量控制在+10mm和—30mm之间。

②直线段施工管道轴向测量采用高精密激光经纬仪进行测量，测量平台设在顶管后座处。

测量光靶安装在掘进机尾部，测量时激光经纬仪直接测量机头尾部的测量光靶的位置，并根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。

2、曲线段顶进
①当顶管机头进入曲线段始曲点时，应进行曲线纠偏顶进。

利用工具头纠偏油缸读工具头顶进方向进行调整。

纠偏量的大小应使工具头自身弯曲度与曲线弯曲度相吻合(依靠头部特殊段及第一节混凝土管坐标来确定)。

顶入曲线段后，每次测量应以第一节混凝土管的偏差为标准，来确定工具头及特殊段的纠偏量，调整头部轨迹，并根据高程偏差情况来进行纠偏控制。

顶管施工中，若混凝土管运行轨迹符合设计要求，即进入曲线段后，每节混凝土管曲线侧应有符合曲线半径的数值正确的开缝。

此时应及时利用混凝土管预埋件，用钢板进行固定，以防止利用中继环顶进形成的曲线变形。

或因中继环有效行程缩短后，无法向前推进。

必要时，可将中继环顶力中心偏向内侧，以防止中继环折角过大而损坏。

如果曲线段混凝土管运行大于设计半径，混凝土管开缝过小，则应在管壁处设置千斤顶将开缝扩大至设计要求，并及时在缝内填塞木垫板，并用钢板固定，这样逐一调整，直到符合曲率要求再顶进。

②如果管道内不具备通视条件，管道轴线测量采用精密全站仪进行测量，测量采用支导坐标法。

在顶进轴线拐点处设置中间测站，用角钢焊接固定测量脚架。

测量时若千精密全站仪安装在工作井测量平台和中间测站脚架上，为减少对中误差，采用强制对中方式，反光棱镜安装在全站仪上和掘进机尾部，测量距离用正倒镜各一次，每次测距设置为6次测量的平均值，
角度观测两个测回，测量数据输入电脑与预先计算的理论坐标值比较得出偏差量。

3、管道水准测量
全站仪水准仪测量精度由于顶进距离长而略有降低，可使用连通管测量，连通管可采用中16mm以上的透明塑料管，另外每隔一段时间，应采用水准仪进行分站校核。

7曲线顶管施工方法
曲线顶管一般可分为如下两种主要施工方法:传统曲线顶管法;预调式曲线顶管法。

传统曲线顶管法又包括楔形套环及楔形垫块曲线顶进工法。

楔形套环及楔形垫块法主要适用于单纯的曲线顶管，即一次顶进长度中，只有同一种半径的曲线段。

其原理是将套环按设计的张口要求加工成楔形套环，或在管接头处使用楔形垫块使管接缝张开成V形。

楔块多采用硬质木料制成，以便能保持管节之间的开口度。

在曲线段施工时，先利用刃口(工具管)千斤顶在线路的最前端顶出曲线形状，然后在后续管节之间依次插入楔形块并逐节顶进，形成曲线段;进入直线段时，则先利用刃口千斤顶将线路修正成直线，后续管节依次撤去楔形块并逐节顶进闭合张口，形成直线段。

当前多数的曲线顶管均采用该法施工。

所谓预调式曲线顶管，就是在每一个管接口中都安装有间隙调整器，然后人为地调整管子的张角，使之符合设计曲线要求，再进行推进的一种新的推进工艺。

对上述两种曲线顶管进行比较可以发现:普通曲线顶管的管口的张角，是由于管子的侧向的分力所至。

如果土体太软，这个侧向分力过小，管口张不开，则无法进行曲线顶进;这时，只能在管子圆弧外侧进行土体加固，以提高土体的强度。

这样一来，不仅成本高，而且加固的范围不容易掌握。

尤其是在垂直曲线时更难把握。

然而，预调式曲线顶管就不会产生上述问题。

另外，传统的曲线顶管并非真正意义上的曲线顶管，而预调式曲线顶管才是真正意义上的曲线顶管，它与普通曲线顶管比较，具有以下优点:在形成曲线过程中，不需要采用土体加固等辅助措施;施工过程中，形成曲线的精度很高，可以调整到与设计要求相一致的曲率半径;可以方便地进行复杂曲线的顶管施工，具有较好的经济性;混凝土管不容易破损，推进距离比普通曲线顶管长;曲率半径比普通曲线可以更小，普通曲线顶管的最小半径Rmin=100Do，而预调式曲线顶管的最小半径Rmin=36DO(这里DO为顶进管道外径);适用的地质条件广，管节受力均匀，无应力集中等。

顶调式曲线顶管的每一个接口，都设有调整器及其他零件构成的可调接口。

在前后管中间套有一个特制的钢套环，钢套环与前管固定在一起，与后管则可以来回抽动，所以后管安装钢套环的台肩比较长。

前后管与钢套环之间都设有橡胶止水圈。

后管的端面安装有一个可拆卸的法兰圈。