市政工程教学课件：顶管技术.ppt

1、 一级建造师一级建造师 市政（陈明市政（陈明+曹明铭曹明铭+肖国祥肖国祥+申玉辰）课件申玉辰）课件 建筑（王树京建筑（王树京+李佳升李佳升+李立军李立军+王英）课件王英）课件 机电（董美英机电（董美英+唐琼唐琼+魏匡魏匡+李学斌）课件李学斌）课件 法规（陈印法规（陈印+王竹梅王竹梅+武劲松武劲松+蔡恒）课件蔡恒）课件 经济（梅世强经济（梅世强+达江达江+刘戈刘戈+关涛关涛+徐蓉）课件徐蓉）课件 管理（朱俊文管理（朱俊文+成丽芹成丽芹+丰景春）课件丰景春）课件 关注微信公众号关注微信公众号 课件免费下载课件免费下载 1.早期的顶管施工技术早期的顶管施工技术 根据中东地区出土的文物证实，古罗马时代

2、已开始根据中东地区出土的文物证实，古罗马时代已开始 了最早应用顶管施工技术的萌芽。当时的古罗马利用杠杆了最早应用顶管施工技术的萌芽。当时的古罗马利用杠杆 原理，将一根木制管道从土层侧面顶进从而开辟出一条供原理，将一根木制管道从土层侧面顶进从而开辟出一条供 水渠道，以汲取水资源，这就是在不开挖地面条件下进行水渠道，以汲取水资源，这就是在不开挖地面条件下进行 的地下顶管施工雏形。的地下顶管施工雏形。 据可查文字记录，美国北太平洋铁路公司在据可查文字记录，美国北太平洋铁路公司在1896 1900年间完成了早期的顶管施工作业。年间完成了早期的顶管施工作业。 早期为顶管技术的推广应用作出杰出贡献的是美国

3、的早期为顶管技术的推广应用作出杰出贡献的是美国的 Augustus Grinffin 工程师，他于工程师，他于19061918年期间年期间 在从事灌溉研究工作时，发明了在铁路下面采用铸铁管的顶在从事灌溉研究工作时，发明了在铁路下面采用铸铁管的顶 管施工技术。随后，许多铁路公司都将这项技术确定为铁路管施工技术。随后，许多铁路公司都将这项技术确定为铁路 下顶进铸铁管道的标准方法。下顶进铸铁管道的标准方法。 2.走向成熟的顶管施工技术走向成熟的顶管施工技术 成熟的顶管施工技术是在盾构法问世以后的盾构成熟的顶管施工技术是在盾构法问世以后的盾构 机械应用时开始的。盾构机械及配套施工技术的迅速发展，机械应

4、用时开始的。盾构机械及配套施工技术的迅速发展， 促进顶管施工技术不断成熟和迅速发展。促进顶管施工技术不断成熟和迅速发展。 20世纪世纪20年代初期，波纹钢管取代铸铁管投入顶年代初期，波纹钢管取代铸铁管投入顶 管施工。管施工。 20世纪世纪20年代后期，混凝土管道开始用于顶管施年代后期，混凝土管道开始用于顶管施 工工程。工工程。 20世纪世纪30年代，美国被太平洋铁路公司对顶管使用年代，美国被太平洋铁路公司对顶管使用 的混凝土管道进行规范化。但直到的混凝土管道进行规范化。但直到20世纪世纪60年代之前，美年代之前，美 国的顶管施工方法发展速度一直相对较慢。国的顶管施工方法发展速度一直相对较慢。

5、然而与此同时，欧洲（主要是英国、德国）和日本，然而与此同时，欧洲（主要是英国、德国）和日本， 顶管技术得到了较快的发展。顶管技术得到了较快的发展。 v进入进入20世纪世纪6070年代，顶管施工技术从主顶设备年代，顶管施工技术从主顶设备 到配套技术都进行了较大改进，奠定了现代顶管施工到配套技术都进行了较大改进，奠定了现代顶管施工 技术的基础。其中，最主要的技术进步表现在以下三技术的基础。其中，最主要的技术进步表现在以下三 个方面：个方面： v（1）研制成功带有一组各自独立的千斤顶并能控）研制成功带有一组各自独立的千斤顶并能控 制顶进方向的掘进机，可方便不同地层条件下的顶进制顶进方向的掘进机，可方

6、便不同地层条件下的顶进 施工。施工。 v（2）研制成功专门用于顶管施工的代橡胶密封环）研制成功专门用于顶管施工的代橡胶密封环 的系列混凝土管，可供不同直接的顶管工程使用。的系列混凝土管，可供不同直接的顶管工程使用。 v（3）研制成功中继间构造以供长距离顶管使用，）研制成功中继间构造以供长距离顶管使用， 并完善其中继接力技术。并完善其中继接力技术。 3.顶管技术在中国的发展进程顶管技术在中国的发展进程 最早的顶管始于最早的顶管始于1953年的北京，当时在京包铁路的路基下年的北京，当时在京包铁路的路基下 进行的钢筋混凝土管道的顶管穿越私活工。进行的钢筋混凝土管道的顶管穿越私活工。1956年，上海年

7、，上海 首次在黄浦江堤下进行钢管顶管施工，也很成功。最初都是首次在黄浦江堤下进行钢管顶管施工，也很成功。最初都是 采用手掘式顶管。采用手掘式顶管。 1964年前后，在建设部和上海市的支持下，上海一些单位年前后，在建设部和上海市的支持下，上海一些单位 开展了大口径机械式顶管的各种试验。开展了大口径机械式顶管的各种试验。 1967年前后，上海市政工程研究所和上海市政工程公司共年前后，上海市政工程研究所和上海市政工程公司共 同研制成功了小口径遥控土压式顶管掘进机。同研制成功了小口径遥控土压式顶管掘进机。 1978年，上海基础工程公司开发研制了三段双铰年，上海基础工程公司开发研制了三段双铰 型工具管，

8、即顶管机头，解决了百米顶管施工技术难题。型工具管，即顶管机头，解决了百米顶管施工技术难题。 1984年前后，北京、上海和南京等地先后引进了年前后，北京、上海和南京等地先后引进了 国外的机械式顶管设备。同时也引进了一些顶管技术理论国外的机械式顶管设备。同时也引进了一些顶管技术理论 及施工管理经验，使我国的顶管技术开始跃上一个新台阶。及施工管理经验，使我国的顶管技术开始跃上一个新台阶。 诸如土压平衡理论、泥水平衡理论、顶管接口型式及制管诸如土压平衡理论、泥水平衡理论、顶管接口型式及制管 新技术等资料的引入新技术等资料的引入 近近20年来，我国的顶管技术水平有了长足的发展，年来，我国的顶管技术水平有

9、了长足的发展， 并在大直径、长距离顶管技术方面处于领先地位。并在大直径、长距离顶管技术方面处于领先地位。 上海黄浦江上游引水工程(1987) DN3500,单向顶进1743m 上海青草沙水源地严桥支线(2007) 两根DN3600,平行同时顶进 顶管施工技术的发展历史 顶管施工工法工艺选择及实施顶管施工工法工艺选择及实施 顶管工程中应注意的问题 开放式顶管：当工作面土层的物理力学性质良好且土层处于 稳定状态时，操作时不会出现塌方现象，能直接挖土，且工 作面开敞。 1.机械式顶管机 适用于岩层，硬土层和整体稳定性较好的土层，工作 效率比较高 2.挤压式顶管机 适用于淤泥质土，流塑性土质，而且要求

10、覆土深度比较深 3.人工挖掘顶管机 适用于地基强度较高的土层，也有在软土中应用的， 前提采用注浆改善土质，或在工具管前加网格，以稳定挖掘 面，最大特点是适应地下障碍物较多且较大的条件，可排除 障碍的可能性最大最好 基本原理: 优点: 适用于各种不同的土质情况,扰动较小,地层损失小,产 生的地表面变形小,同时顶进时总顶力较小. 缺点: 弃土的运输和存放均较困难,如采用泥浆运输,用水量 较大,成本较高.作业所需场地大,设备复杂成本较高,如遇上 顶管的超浅埋土层,或遇上渗透系数特别大的砾砂,卵石层,施 工作业往往受阻. 掘进机械 1.具有浮动切削刀盘的泥水平衡顶管掘进机 当刀盘前土压力过小时,他就前

11、伸,当刀盘前土压力 过大时,就往后退,前伸时,应加快推进速度,后退时应减慢推 进速度,这样就可以使刀盘前的土压力控制在设定范围内. 用机械来平衡土压力 2.具有破碎功能的泥水平衡顶管进机 适用口径从600到2400,口径越小,能破碎的砾石 的粒径也越小,通长600的能破碎粒径为100mm的砾 石,2400的能破碎500mm的砾石. 有的机头破碎粒径可达顶管口径的40%50% 3.气压式泥水平衡顶管掘进机 适用于大直径顶管工程 通过调节供给的压缩空气的压力大小,实施调节 泥水 舱内压力的高低.可精确到0.1KPa. 特点:平衡比较彻底,施工后地面沉降极小. 4.浓泥水平衡顶管掘进机 比普通泥水式

12、掘进机适用的泥水相对密度要高很多, 接近泥浆,为使浓泥水的流动性更好,需在浓泥水中加入许多 添加剂( 仍归属在泥水式顶管范畴,浓泥水的相对密度接近泥 浆,其流动性比泥浆要好得多). 特别适用于卵石层地质(渗透性特别大的卵石层).不 需对卵石进行破碎,可排出卵石的粒径可达管径的1/3. 与其他泥水式顶管比较,采用浓泥水式顶管的推力要 低很多,尤其在沙砾土中表现更加明显,非常适用于长距离顶 管和曲线顶管. 工艺原理: 根据土压平衡的基本原理,利用顶管机的刀盘切削和支 承机内土压舱的正面土体,抵抗开挖面的水,土压力以达到稳 定的目的.以顶管机的顶速即切削量为常量,螺旋输送机转速 即排土量为变量进行控

13、制土压舱内的水,土压力与切削面的水, 土压力保持平衡 分类:泥土式,泥浆式,混合式 泥浆式:指排出含水量相当大的弃土(可能是地下水 丰富,也可能是人为的加入添加剂造成的) 优点: 适用的土质范围广,从软黏土到砂砾土都能适用,是一 种全土质的顶管掘进机,能保持挖掘面稳定,地面变形极小,施 工时的覆土可很浅,是其他形式的顶管机无法做到的(覆土太 浅时,手掘式顶管地面易塌陷,泥水式和气压式顶管则易冒顶 和跑气).弃土运输处理方便,作业环境好. 缺点: 在砂砾层和粘粒含量少的砂层中施工时,必须采用添 加剂改良土体. 掘进机 多刀盘土压平衡顶管掘进机 DK式土压平衡顶管掘进机 中心螺旋式顶管掘进机 切削

14、密封土压式掘进机 与泥水平衡式的最大区别在于:气压平衡式顶管机通过一个 隔板将破碎室分隔为两个区域,后面是压力室,以压力墙为界, 在其上部可以形成一个压气区,平衡压力就是通过这一压气 区作用于气水不平衡的工作面上. 全气压式 挖掘面上和管道内所有工作人员都在气压条件下工作, 整个顶管管道内都充满一定压力的压缩空气. 全气压顶管的工具管大多为手掘式,挖土的多用人工,工具 管构造较简单.施工效率很低,仅为普通手掘式顶管的 30%50% 有钢制的气压舱也有混凝土管制的气压舱 局部气压式 压缩空气仅仅作用在挖掘面上,相对于全气压施工而 言.操作人员在常压下工作. 气压施工的特殊要求 1.对土质的要求

15、渗透系数大于1X10-2cm/s的砂砾层中,因透气性大,且地下水多,漏气 很厉害,不宜采用 2.对环境的要求 设备多,占地较大,空压机噪音很大,不宜在居民密集区材采用 3.对作业人员的要求 必须是进过训练的专业人员,身强力壮. 优点: 平衡压力的调节和排泥系统的排量是截然分开的,互不干扰,可更 准确的调节平衡压力,特别是非均匀地层中施工. 缺点: 造成的地面沉降较大,因为气压在疏干地下水过程中,会造成土体 的压密沉降,另外顶进过程中又会对土体产生扰动沉降. 全气压式设备复杂,要求可靠性高,劳动强度大,对作业人员身体健 康有特殊要求,除了为排除机械故障和为清除顶进中的障碍外很少采用全 气压式 顶

16、管施工技术的发展历史 顶管施工工法工艺选择及实施 顶管工程中应注意的问题顶管工程中应注意的问题 穿墙止水构造（如图）穿墙止水构造（如图） 主要由挡环、盘根、轧兰组成。主要由挡环、盘根、轧兰组成。 轧兰将盘根压紧后起止水挡土作用。为避免地下水和掘轧兰将盘根压紧后起止水挡土作用。为避免地下水和掘 土大量涌入工作井，应在穿墙管内事先填埋经夯实的黄土大量涌入工作井，应在穿墙管内事先填埋经夯实的黄 粘土。粘土。 （2）洞口止水方法）洞口止水方法 不同构造的工作井，洞口止水的方式不同。不同构造的工作井，洞口止水的方式不同。 a.钢板桩围成的工作井中，应在管道顶进前方的井内浇筑钢板桩围成的工作井中，应在管道

17、顶进前方的井内浇筑 一道前止水墙。墙体可由较高强度等级的素混凝土筑成。一道前止水墙。墙体可由较高强度等级的素混凝土筑成。 b.方形钢筋混凝土井，不必设前止水墙方形钢筋混凝土井，不必设前止水墙 C.圆形钢筋混凝土井圆形钢筋混凝土井,需浇筑一睹弓形的前止水墙需浇筑一睹弓形的前止水墙.将洞口止将洞口止 水圈安装在平面上水圈安装在平面上,而不安装在圆弧面上而不安装在圆弧面上. d.覆土很厚或穿越江河的工作井中覆土很厚或穿越江河的工作井中,洞口止水圈需做成两道洞口止水圈需做成两道, 一道是充气的一道是充气的,一道是普通的止水圈一道是普通的止水圈.在长距离顶管或覆土在长距离顶管或覆土 较厚的顶管中必须做较

18、厚的顶管中必须做. (3)进出洞口措施进出洞口措施 门式加固法门式加固法:对管道两侧和顶部一定宽度和长度范围对管道两侧和顶部一定宽度和长度范围 内的土体进行加固内的土体进行加固,以提高这部分土体强度以提高这部分土体强度,从而使工具管或从而使工具管或 掘进机在出洞或进洞中不发生坍塌现象掘进机在出洞或进洞中不发生坍塌现象.加固的方式有加固的方式有:高压高压 旋喷桩旋喷桩,深层搅拌桩深层搅拌桩,压密注浆压密注浆,冻结技术冻结技术. 钢封门钢封门 顶力计算(迎面阻力,侧阻力) 超长顶管(中继间的设置,通风问题) 曲线顶管 顶管施工对土体的扰动 顶管施工监测和环保控制措施 顶管穿越河流,道路 了解地下已有管线,障碍物情况. 地质情况 管道接口问题