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1、第三章 室外地下管道的特殊施工 第一节 室外地下管道不开槽施工 地下管道不开槽施工是指一切在地下敷设或修复旧管道，利用少开挖或不开挖技术的施工过程。采用这一方法不需要在地面全线开挖，而只要在管线的特定部位开始，采用暗挖的方法就可在地下敷设管道。地下管道不开槽施工主要用于穿越铁路、公路、河流、建筑物等，或管道埋深较大的场合。与开槽施工相比，管道不开槽施工的土方开挖和回填工作量减少很多；不必拆除地面障碍物；不会影响交通；跨越河流时，不必修建围堰或进行水下作业；消除了冬、雨期对开槽施工的影响；不会因管道埋深的增加而增加开挖土方量；管道不必设置基础和管座；可减少管道沿线的环境污染；施工费用比较低。,管
2、道不开槽施工方法有很多种，常用的有顶管法、盾构法、牵引法、夯管法等。顶管法按其顶进的方式有：人工挖土顶管（普通顶管）机械挖土顶管 水力机械顶管 挤压法顶管,顶管法按管道口径有：小口径顶管(d800mm)：不适宜进人操作 中口径顶管(800mmd1800mm)大口径顶管(d1800mm)：操作人员进出较方便,顶管法按单向一次顶进距离有：中短距离顶管(L300m)：不需要中继间 长距离顶管(300mL1000m)超长距离顶管(L1000m),顶管法按管材有：钢管顶管 钢筋混凝土管顶管 其它管材顶管（铸铁管、玻璃钢管、复合管）,一、顶管工艺与特点 先建工作坑,布置行程较长的千斤顶。将管道放在导轨上，
3、管道最前端安装工具管。顶进时，,进入管道的泥土被不断挖掘排出管外(人工、机械和水力冲刷挖掘等)。当千斤顶达到最大行程后缩回，放入顶铁，千斤顶继续顶进。当坑内管道几乎全部顶入土中后，缩回千斤顶，吊去全部顶铁，将下一节管段吊下坑，安装在已顶入管道的后面，接着继续顶进，如此循环施工，直至顶完全程。,一、顶管工艺与特点 顶管法的特点是顶管管道既起掘进空间的支护作用，又是构筑物的本身。二、适用范围 顶管适用土层很广，特别适用于黏性土、粉性土和砂土，也适用于卵石、碎石、风化残积土等非黏性土。但对于淤泥、沼泽地及岩石来说，要经过详细的分析。强度较高的岩石掘进困难，而淤泥一方面流动性太大，难以防止工作面的坍塌
4、，另一方面由于淤泥承载力太低，管道顶进过程中难以形成必需的导向力，管道容易偏差，管轴线容易失稳。,三、管材及附属工具 顶管所用管材常用的有钢管和钢筋混凝土管两种。顶管所用的附属工具是工具管，工具管是顶管的关键机具，一般应具有以下功能：掘进、防坍、出泥和导向等。工具管一般采用钢板焊制，它的种类很多，如图所示 的刃口工具管，主要用于 切削土层。,四、工作坑(一)位置的确定 工作坑(井)是顶管施工的工作场所，其位置可根据以下条件确定：1根据管线设计情况确定，如排水管线可选在检查井处 2单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水；3考虑地形和土质情况，有无可利用的原土后背等；4工作坑要与被穿越的建筑物有一
5、定的安全距离；5便于清运挖掘出来的泥土和有堆放管材、工具设备的场所；6距水源、电源较近；7不宜设置于工厂企业、里弄出口处及高压线下方。,(二)工作坑的顶进形式 1按顶进方向分(1)单向顶进 只朝一个方向顶进称单向顶进，工作坑利用率低。(2)对头顶进 在两个工作坑内，从两个相对方向向中间顶进，先顶一头再顶另一头，在地下对口相接。适用于顶进距离长或一端顶进出现过大误差时使用。但工作坑利用率最低，一般情况下不用。,(二)工作坑的顶进形式 1按顶进方向分的顶进形式(3)调头顶进 顶完一个方向管道以后调过头来利用顶入管道作后背再顶进相对一方向的管道。工作坑利用率高，适用于直线式长距离顶进。(4)多向顶进
6、 一般用于管道拐弯处，或支线接干线处。在一个工作坑内，向二至三个方向顶进，工作坑利用率较高。,单排顶进,(二)工作坑的顶进形式 2.按顶进排数分的顶进形式(1)单排顶进 在同一方向只顶一排管。这是一般管道的顶进形式。(2)双排顶进 在同一方向顶两排管。(3)多排顶进 在同一方向顶入管道多于两排者。,四、工作坑(三)工作坑的形成方法 一种方法是用机械或人工开挖，采用钢板桩或普通支撑，顶进后背支撑需要另外设置。另一种方法是利用沉井技术，将混凝土井壁下沉至设计高度，用混凝土封底，混凝土井壁既可以作为顶进后背支撑，又可以防止塌方。,(四)工作坑的尺寸 1工作坑的宽度 BD1十2b十2c B工作坑底的宽
7、度 D1顶进管节外径 b管道两侧的工作宽度 当 D1000毫米时，b1.2米 D1000毫米时，b1.6米 c支撑厚度，取0.2米,2工作坑深度H=h1+h2+h3H工作坑地面至坑底的深度h1地面至管道底部外缘的深度h2管道外缘底部至导轨底面的高度，取0.010.03mh3基础及其垫层的厚度 混凝土基础取0.250.35m,3工作坑的底部长度L=L1+L2+L3+L4+L5L工作坑的底部长度(m)L1工具管长度(m)。钢筋混凝土管不宜小于0.3m，钢管不宜小于0.6mL2管节长度(m)L3运土工作间长度，土斗车0.61.0m，手推车1.21.8mL4千斤顶长度(m)L5后背的厚度，取0.5m,
8、(五)工作坑的基础 1 土槽木枕基础适用于地基土承载力大又无地下水的地方。将工作坑底平整后，在坑底挖槽并埋枕木(1515mm)，枕木上安放导轨，并将导轨用道钉固定于枕木上。这种基础施工时操作简单，使用材料不多，方木可以重复使用，工程造价较低。,2卵石木枕基础适用于虽有地下水但渗透量不大，而地基土为细粒的粉砂土，为了防止安装导轨时扰动基土，可铺一层10厘米厚的卵石或级配砂石，以增加其承载能力，并能保持排水通畅。在枕木间填粗砂找平。这种基础具有形式简单、施工容易、便于排水、不扰动地基土等优点，较混凝土基础造价低，一般情况下可以代替混凝土基础。,3混凝土木枕基础适用于地下水水位高，同时地基土又差的地
9、方。在工作坑底部浇筑C10混凝土，厚为20cm，浇筑宽度较枕木长度大50cm。在混凝土内部埋1515mm方木作轨枕。这种基础能承受较大荷载，但竣工后枕木不易取出。,1 钢轨 2 道钉 3 方木1515mm,4通铺方木基础适用于无地下水，地基承载力小的地方。将工作坑底平整后，在坑底通铺方木，方木上安放导轨，并将导轨用道钉固定于方木上。,五、顶进系统 管道顶管中的顶进系统包括：导轨、顶铁、千斤顶(油泵)、后背及后座墙。(一)导轨 1.作用导轨的作用是支托未入土的管段和顶铁，起导向的作用。导轨用工字钢或方木做成，两导轨安装牢固、顺直、平行、等,高，其纵坡与管道设计坡度一致，标高可略高于设计高程。在使
10、用中经常检查校核导轨，防止产生位移。,(一)导轨2.种类(1)按材质分1)木导轨木导轨是将方木砍去一角来支承管体起导向作用。2)钢导轨轻轨 a=40 h=90 b=80mm重轨 a=60 h=128 b=110mm,(一)导轨2.种类(2)按管道在导轨上的运行方式分1)滑动导轨2)滚动导轨主要用于钢管，为防止钢管上的保护层摩损。,(一)导轨3.导轨轨距A0计算,(一)导轨3.导轨轨距A0计算轻轨 a=40mm h=90mm重轨 a=60mm h=128mm,五、顶进系统(二)顶铁 顶铁是为了弥补千斤顶行程不足而设置的。顶铁要传递顶力，所以顶铁两面要平整，厚度要均匀，受压强度要高，刚度要大，以确
11、保工作时不会失稳。顶铁是由各种型钢拼接制成，有矩形、U形、弧形和环形几种。,矩形顶铁,(二)顶铁弧形顶铁、U形顶铁弧形顶铁开口向上，由两块弧形钢板之间焊上筋板或钢管而成。一般用于钢筋混凝土管，内缘焊上钢板，便于行走和车辆进出。U形顶铁一般用于钢管顶管。,五、顶进系统(二)顶铁 环形顶铁是直接与管段接触的顶铁，它的作用是将顶力尽量均匀的传递到管段上。,五、顶进系统(三)千斤顶及油泵 千斤顶又称为油缸，是顶管系统的核心，目前大多采用油压千斤顶。其作用原理为电动机使油泵工作，把工作油加压到工作压力，由管路输送经分配器、控制阀送入千斤顶。千斤顶的顶力一般采用10004000kN，行程要长，一般应大于1
12、m，否则会增加吊放顶铁的次数，影响顶管施工效率。,(三)千斤顶及油泵 千斤顶应左右对称布置，顶力的合力位置应该和顶进抗力的位置在同一轴线上，避免产生顶进力偶，使管子顶进出现偏差。顶进抗力包括管壁与土壤的摩擦力和管前端的贯入阻力。根据施工经验，顶力的合力中心要低于管中心约R/4，R为管子的半径。,五、顶进系统(四)后背及后座墙 后背及后座墙是千斤顶的支撑结构，管子顶进过程中所受到的全部阻力，通过千斤顶传递给后背及后座墙。采用沉井施工的工作坑，可将沉井壁作为后座墙，而采用大开挖的方法施工的工作坑可利用坑壁原状土作为后座墙。为了使顶力均匀地传递给后座墙，常在千斤顶于后座墙之间设置钢板、方木等传力构件
13、，此传力构件称之为后背。,五、顶进系统(五)吊装设备 施工中常用的吊装设备有轮式起重机、起重桅杆和门式吊车。起重桅杆一般仅适用于管径较小、顶管规模不大的顶管施工。起重设备严禁超负荷 吊装。,六、顶管施工设计计算(一)顶力计算 1顶力计算公式Rf=K f(2PV+2PH+G)+PA Rf 顶力PV管顶上的垂直土压力PH管侧的侧土压力G管道自重f 管壁与土间的摩擦系数PA贯入阻力K安全系数，一般取1.2,1顶力计算公式管顶上的垂直土压力PV=KpH0D1LKp垂直土压力系数，见下图土的容重H0管顶覆土厚度D1管外径L顶进管段长度,1顶力计算公式管侧的侧土压力PH管侧的侧土压力土的容重H0管顶覆土厚
14、度D1管外径L顶进管段长度K a 主动土压力系数 土的内摩擦角,PH,挡土墙结构承受土压力有：静止土压力、主动土压力和被动土压力。,静止土压力：若刚性的挡土墙保持原位静止不动，墙背土层在未受任何干扰时，作用在墙上水平的压应力称为静止土压力。,土体,挡土墙,挡土墙结构承受土压力有：静止土压力、主动土压力和被动土压力。,主动土压力：若刚性挡土墙在填土压力作用下，背离填土一侧移动，这时作用在墙上的土压力将由静止压力逐渐减小，当墙后土体达到极限平衡，土体开始剪裂，并产生连续滑动面，使土体下滑。这时土压力减到最小值，称为主动土压力。,挡土墙移动方向,土体滑动面,挡土墙,被动土压力：若刚性挡土墙在外力作用
15、下，向填土一侧移动，这时作用在墙上的土压力将由静止压力逐渐增大，当墙后土体达到极限平衡，土体开始剪裂，出现连续滑动面，墙后土体向上挤出隆起，这时土压力增到最大值，称为被动土压力。三种土压力中，主动土压力最小；静止土压力其次；被动土压力最大，位移也最大。,挡土墙移动方向,土体滑动面,挡土墙,1顶力计算公式,1顶力计算公式,1顶力计算公式管道自重G管道自重管道单位长度的自重L顶进管段长度,1顶力计算公式贯入阻力PA=ARAA工具管管端面积RA单位面积贯入阻力，普通顶管法顶部及两侧允许超挖时为0，顶部及两侧不允许超挖时取500 kN/m2,2顶力计算例题 某工程顶进内径为1640mm的钢筋混凝土管(
16、管外径 D1 1910mm，管道单位长度的自重=19.6 kNm)，顶进长度为30m，管顶覆土深度为5m，土容重 16.67kNm3，土的内摩擦角 20(砂粘土)，摩擦系数 f 0.25，求最大顶力值。,解：(1)求管顶上的垂直土压力PVH0/D1=5/1.91=2.6，查图垂直土压力系数Kp=0.7,某工程顶进内径为1640mm的钢筋混凝土管(管外径 D1 1910mm，管道单位长度的自重=19.6 kNm)，顶进长度为30m，管顶覆土深度为5m，土容重 16.67kNm3，土的内摩擦角 20(砂粘土)，摩擦系数 f 0.25，求最大顶力值。解：(1)求管顶上的垂直土压力PVH0/D1=5/
17、1.91=2.6，查图Kp=0.7PV=KpH0D1L=0.716.671.91530=3343kN,某工程顶进内径为1640mm的钢筋混凝土管(管外径 D1 1910mm，管道单位长度的自重=19.6 kNm)，顶进长度为30m，管顶覆土深度为5m，土容重 16.67kNm3，土的内摩擦角 20(砂粘土)，摩擦系数 f 0.25，求最大顶力值。解：(1)求管顶上的垂直土压力PV H0/D1=5/1.91=2.6，查图Kp=0.7 PV=KpH0D1L=0.716.671.91530=3343kN(2)求管侧的侧土压力,某工程顶进内径为1640mm的钢筋混凝土管(管外径 D1 1910mm，管
18、道单位长度的自重=19.6 kNm)，顶进长度为30m，管顶覆土深度为5m，土容重 16.67kNm3，土的内摩擦角 20(砂粘土)，摩擦系数 f 0.25，求最大顶力值。解：(1)求管顶上的垂直土压力PV PV=KpH0D1L=3343kN(2)求管侧的侧土压力,(3)求管道自重 G=L=19.630=588kN(4)求贯入阻力PA=ARA=(1.912-1.642)/4500=376kN,某工程顶进内径为1640mm的钢筋混凝土管(管外径 D1 1910mm，管道单位长度的自重=19.6 kNm)，顶进长度为30m，管顶覆土深度为5m，土容重 16.67kNm3，土的内摩擦角 20(砂粘土
19、)，摩擦系数 f 0.25，求最大顶力值。解：(1)管顶上的垂直土压力PV=KpH0D1L=3343kN(2)管侧的侧土压力,(3)管道自重G=L=19.630=588kN(4)贯入阻力PA=ARA=(1.912-1.642)/4500=376kN(5)求最大顶力值Rf=K f(2PV+2PH+G)+PA=1.2 0.25(23343+22789+588)+376=4307kN=439吨,(二)后背的设计计算 当顶力通过后背传到土体后，土受压缩产生位移，同时产生被动土压力作用于后背上。此种被动土压力称土抗力。在考虑后背土的土抗力时，按下式计算后背土的承载能力 Rc=KrBH1(h+H1/2)K
20、p Rc后背土的承载能力 Kp被动土压力系数 Kr后背土抗力系数 B后背的宽度 H1后背的高度 h后背顶至地面的高度 土的容重,H1,(二)后背的设计计算后背土抗力系数Kr当工作坑较浅，不设钢板桩支撑时，Kr=0.85 当工作坑较深，设钢板桩支撑时，h后背顶至地面高度H1后背的高度,H1,H1,计算例题 某工程设置的后背，高度 H1 为3.5m，宽度B为4m，后背顶到地面的高度h为3m，设有板桩支撑。后背土为砂粘土，18.62 kNm3，内摩擦角 为30,问能否承受5880kN的顶力。,H1,某工程设置的后背，高度 H1 为3.5m，宽度B为4m，后背顶到地面的高度h为3m，设有板桩支撑。后背
21、土为砂粘土，18.62 kNm3，内摩擦角 为30,问能否承受5880kN的顶力。解：h/H1 3/3.5=0.86后背土抗力系数Kr=1+0.485 h/H1=1+0.4850.86=1.42被动土压力系数后背土的承载能力Rc=KrBH1(h+H1/2)Kp=1.4243.5(3+3.5/2)18.623=5275 kN 5880kN，不安全,H1,某工程设置的后背，高度 H1 为3.5m，宽度B为4m，后背顶到地面的高度h为3m，设有板桩支撑。后背土为砂粘土，18.62 kNm3，内摩擦角 为30,问能否承受5880kN的顶力。解：后背土抗力系数Kr=1+0.485 h/H1=1+0.48
22、50.86=1.42被动土压力系数后背土的承载能力Rc=KrBH1(h+H1/2)Kp=5275 kN 5880kN，安全确定后背尺寸为：高度为3.5m，宽度为4.5m,H1,七、管道顶进 1采用手掘式顶管时，将地下水位降至管底以下不小于05m处，并采取措施，防止其他水源进入顶管管道。2工具管开始顶进510m的范围内，允许偏差为：轴线位置3mm，高程0+3mm。当超过允许偏差时，采取措施纠正。,七、管道顶进 3采用手工掘进顶进时，应符合下列规定：(1)工具管接触或切入土层后，自上而下分层开挖。,(2)在允许超挖的稳定土层中正常顶进时，管下部135范围内不得超挖；管顶以上超挖量不得大于15mm；
23、管前超挖根据具体情况确定，并制定安全保护措施。,七、管道顶进 4顶管结束后，管节接口的内侧间隙按设计规定处理，设计无规定时，可采用弹性密封膏密封。其表面应抹平，不得凸入管内。,七、管道顶进 5顶进时测量工具管的中心和高程规定：(1)采用手工掘进时，工具管进入土层过程中，每顶进300mm，测量不应少于1次；管道进入土层后正常顶进时，每顶进1000mm，测量不应少于1次，纠偏时增加测量次数。(2)进入接收工作井前30m应增加测量，每顶进300mm，测量不应少于一次。(3)全段顶完后，应在每个管节接口处测量其轴线位置和高程；有错口时测出相对高差。(4)纠偏量较大、或频繁纠偏时应增加测量次数。,七、管
24、道顶进 6纠偏(1)采用小角度、顶进中逐渐纠偏。(2)纠偏方法有挖土校正法、木杠支撑法、千斤顶校正法等。挖土校正法：即在管子偏向一侧少挖土，而在另一侧多超挖些，强制管子在前进时向另一侧偏移。适用于偏差为1020mm时。,七、管道顶进 6纠偏 木杠支撑法：如管端下陷，可采用下图方法校正。适用于偏差大于20mm时。,七、管道顶进 6纠偏 千斤顶校正法：使用工具管时，可预先在工具管后面安装校正环，在环的上下左右各安设一个小千斤顶，当发现管端 有误差时，可开动 相应的小千斤顶进 行校正。,七、管道顶进 7顶进过程中，出现下列紧急情况时应采取措施进行处理：(1)工具管前方遇到障碍。(2)后背墙变形严重。
25、(3)顶铁发生扭曲现象。(4)接缝中漏泥浆。,八、长距离顶管技术关键措施 长距离顶管技术措施需要掌握中继间和泥浆套等措施。(一)中继间法 将需顶进的管线全长分成若干段，在相邻两段之间设置一个与所顶进管相同管径的工作管，其中布置顶进设备，此工作管节称中继间。,(一)中继间法 中继间以前的管段用中继间的顶进设备顶进。中继间千斤顶活塞收缩后，中继间与其前的管段之间出现一个千斤顶行程的空隙。再由工作坑顶进设备顶进中继间以后的管段，使中继间与前面的管段相接。,八、长距离顶管技术关键措施(二)泥浆套法 在顶进过程中，以高压泵向管外壁与土层之间注入触变泥浆，以减少阻力的措施。,八、长距离顶管技术关键措施(二
26、)泥浆套法 在顶进过程中，以高压泵向管外壁与土层之间注入触变泥浆，以减少阻力的措施。1触变泥浆的主要成分是膨润土(水:土=(45):1)，使用前应测定胶质价。(触变泥浆应具有稳定的胶质价，不致因重力作用而颗粒沉淀)2触变泥浆的配合比按管道周围土层的类别、膨润土的性质以及触变泥浆的技术指标确定。对于砂性土顶管，为防止泥浆扩散过快，应增加膨润土用量，掺加化学浆糊(CMC)和高分子胶凝剂。对于粗砂层顶管，还应增加粉煤灰、木屑等。,(二)泥浆套法 3顶管采用触变泥浆套法，一般在下管之前，应预先在管壁上留出注浆孔，储备足够的泥浆。4顶进施工完成以后，可根据需要将水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆压入管外壁与土层之间，将触变泥浆置换出来，以起到减少地面沉降的作用。,
