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顶管施工技术及应用研究
工 程 硕 士 学 位 论 文 顶 管 施 工 技 术 及 应 用 的 研 究
S T U D Y O N T H E T E C H N O L O G Y A N D A P P L I C A T I O N O F P I P E P U S H I N G 林 江 涛
哈 尔 滨 工 业 大 学 2 0 0 8 年 6 月
- 1-国 内 图 书 分 类 号 : V 5 2 6 国 际 图 书 分 类 号 : 6 2 97 8 工 程 硕 士 学 位 论 文
顶 管 施 工 技 术 及 应 用 的 研 究 硕 士 研 究 生 : 林 江 涛 导 师 : 韩 洪 军 教 授
副 导 师 : 朱 晓 飞 高 级 工 程 师 申 请 学 位 : 工 程 硕 士
学 科 、 专 业 : 建 筑 与 土 木 工 程 所 在 单 位 : 胜 利 油 田 胜 建 集 团 答 辩 日 期 : 2 0 0 8 年 6 月
授 予 学 位 单 位 : 哈 尔 滨 工 业 大 学C l a s s i f i e d I n d
e x : V 5 2 6
UDC : 6 2 97 8
D i s s e r t a t i o n f o r t h e M a s t e r D e g r e e i n E n g i n e e r i n g
S T U D Y O N T H E T E C H N O L O G Y A N D A P P L I C A T I O N O F P I P E P U S H I N G
C C C C a a a a n n n n d d d d i i i i d d d d a a a a t t t t e e e e : L i n J i a n g t a o
S S S S u u u u p p p p e e e e r r r r v v v v i i i i s s s s o o o o r r r r : P r o fH a n H o n g j u n
A A A A s s s s s s s s o o o o c c c cS S S S u u u u p p p p e e e e r r r r v v v v i i i i s s s s o o o o r r r r : Z h u x i a o f e i
A A c c a a d d e e m m i i c c D D e e g g r r e e e e A A p p p p l l i i e e d d f f o o r r
A A c c a a d d e e m m i i c c D D e e g g r r e e e e A A p p p p l l i i e e d d f f o o r r : M a s t e r o f E n g i n e e r i n g
S p e c i a l i t y
S S S p p p e e e c c c i i i a a a l l l i i i t t t y y y : A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g J u n e , 2 0 0 8
D D D D a a a a t t t t e e e e o o o o f f f f D D D D e e e e f f
f f e e e e n n n n c c c c e e e e :
D D D D e e e e g g g g r r r r e e e e e e e e - - - - C C C C o o o o n n n n f f f f e e e e r r r r r r r r i i i i n n n n g g g g - - - - I I I I n n n n s s s s t t t t i i i i t t t t u u u u t t t t i i i i o o o o n n n n : : : : H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘 摘 摘 摘 要 要 要 要
顶管 施 工 是 继 盾 构 施 工 之 后 而 发 展 起 来 的 一 种 地 下 管 道 施 工 方 法 。 近 十年
来 , 随 着 市 场 建 设 规 模 、 建 筑 密 度 不 断 加 大 , 在 繁 华 大 都 市 的 市 政 建 设 项 目
中, 顶 管 施 工 技 术 己 被 广 泛 应 用 。 该 施 工 工 艺 的 特 点 是 施 工 时 不 需 要 降 低 地下
水, 挖 掘 面 稳 定 , 不 易 塌 方 , 地 面 不 易 下 沉 , 不 影 响 交 通 , 保 护 了 地 面 建 筑物
及其 它 管 线 安 全 , 而 且 这 种 施 工 工 艺 顶 进 速 度 快 , 既 保 证 了 作 业 人 员 的 安 全,
也降低了劳动强度。
本文 介 绍 了 顶 管 施 工 的 历 史 和 现 状 、 分 类 和 特 点 ; 分 析 了 顶 管 法 顶 力 的组
成及 其 影 响 因 素 , 对 各 种 计 算 公 式 进 行 了 辨 析 , 并 对 顶 管 推 力 计 算 公 式 进 行了
改良 ; 对 顶 管 关 键 施 工 环 节 进 出 洞 口 的 措 施 、 洞 口 止 水 方 法 、 注 浆 减 阻 技 术、
减阻 材 料 及 工 艺 效 果 进 行 了 研 究 ; 分 析 了 直 线 、 曲 线 顶 管 管 道 失 稳 的 原 因 ,并
给出了防止管道失稳的控制措施。
论文 结 合 济 南 西 区 污 水 管 线 工 程 第 五 标 段 顶 管 工 程 的 应 用 , 总结 了 泥 水平
衡和 土 压 平 衡 机 械 顶 管 的 施 工 工 艺 过 程 。 泥水 平 衡 和 土 压 平 衡 机 械 顶 管 均 能满
足大 口 径 钢 筋 混 凝 土 管 施 工 的 需 求 , 是 机 械 顶 管 最 常 见 的 两 种 施 工 工 艺 。 泥水
平衡 机 械 顶 管 更 适 用 于 地 下 水 位 较 高 , 埋 深 较 深 、 塌 方 严 重 地 段 ; 土 压 平 衡机
械顶 管 适 用 于 地 下 水 位 低 、 砂 砾 地 质 。 论 文 详 细 介 绍 了 顶 管 施 工 的 现 场 布 置、
测量 要 求 、 顶 进 中 混 凝 土 管 的 方 向 控 制 、 工 作 井 的 施 工 、 基 座 导 轨 的 安 装 、泥
水系 统 的 安 装 、 进 出 洞 口 的 措 施 及 注 浆 减 阻 技 术 。 本 工 程 的 实 施 , 无 论 从 经济
效益 和 社 会 效 益 都 取 得 了 可 观 的 效 果 。 从 经 济 效 益 方 面 来 说 , 顶 管 施 工 比 采用
大埋 管 施 工 节 约 了 可 观 的 投 资 费 用 ; 从 社 会 效 益 来
说 , 济南 西 区 大 学 城 建 成以
来 , 大 学 城 1 1 所 大 学 被 内 涝 所 困 扰 , 污 水 四 溢 , 细 菌 繁 殖 , 严 重 影 响 着 大 学
生和 教 职工 家 庭 的 正 常 工 作 和 身 心 健 康 。 自 采 用 顶 管 法 施 工 后 , 校园 周 围 道路
排水 畅 通 , 再 无 内 涝 现 象 发 生 , 原 有 生 活 和 学习 环境 大 大 改 观 , 其 社 会 效 益及
环境 保 护 效 益 是 无 法 估 量 的 。 济南 西 区 污 水 管 线 工 程 顶 管 法 施 工 的 成 功 应 用,
为以后顶管工程的实施积累了一定的经验。
关 关 关 关 键 键 键 键 词 词 词 词 顶管施工技术;应用;研究 - I -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
A A A A b b b b s s s s t t t t r r r r ac ac ac ac t t t t P i pe - pus h i ng c ons t r u c t i on i s a not he r de ve l opi ng m e t hod of unde r g r ound pi pe
c ons t r uc t i on f ol l ow i ng s h i e d- dr i ve n t e c hnol ogyI n r e c e nt t e n ye a r s , w i t h t he
e xpa ns i on of m a r ke t s c a l e a nd bui l di ng de ns i t y , pi pe - pus h i ng ha s be e n a da pt e d
br oa dl y i n m e t r opol i t a n m uni c i pa l e ngi ne e r i ng. I n t hi s pa pe r , i t s hi s t o r y a nd s t a t us ,
s o r t s a nd t r a i t s a r e i nt r oduc e d s i m pl yT he ke
y t e c hnol ogi e s , s uc h a s ba l a nc e t h e or y
i n c ons t r u c t i on, m e a s ur e s of pa s s i ng i n a nd out c a ve r n, m e t hods of c a ve r n w a t e r
pr e ve nt i on, t e c hni que of r e duc i ng r e s i s t a nc e by i nf us i ng s l op a nd l ong di s t a nc e pi pe -
pus h i ng, a r e e m pha s i z e d.
T he pr obl e m s a nd s o l ut i ons i n s e l e c t i on of t e c hnol ogi c a l pr oc e dur e ,
t e c hnol ogi c a l pa r a m e t e r s a nd c ons t r uc t i ng m e t hods a r e di s c us s e d c om bi ni ng w i t h
pr a c t i c a l c ons t r uc t i on pr oj e c t sT he t e c hni que of r e duc i ng r e s i s t a nc e by i nf us i ng s l op
i n pi pe - pus h i ng pl a ys a n i m por t a nt r ol eT hr ough t h e a ppl i c a t i on of pi pe - pus h i ng c ons t r u c t i on i n t he f i f t h w a s t e w a t e r
pi pe of J i N a n w e s t e r n r e gi on , t he a r t i c l e s um s up c ons t r uc t t e c hni c a l pr o c e s s a bout
m e c ha ni c a l pi pe - pus h i ng c ons t r uc t i on of t ur b i d ba l a nc e a nd e a r t h c om pr e s s i ve
ba l a nc eT he y c a n m e e t t he r e qui r e m e nt of bi g c a l i be r r e i nf or c e d c onc r e t e
c ons t r uc t i on, a nd t he y a r e m os t f a m i l i a r c ons
t r u c t t e c hni c s f or m e c ha ni c a l pi pe -
pus h i ng. T ur bi d ba l a nc e m e c ha ni c a l pi pe - pus h i ng i s t he s a m e w i t h pl a c e w he r e
unde r g r ound w a t e r l e ve l i s hi gh, de e pne s s of c ove r i ng up i s de e p a nd s e r i ous c ol l a ps eT he a r t i c l e i nt r o duc e s s c e ne di s p os a l , m e t r i c a l r e qui r e , di r e c t i ona l c ont r ol f or put t i ng
i n c onc r e t e pi pe , c ons t r u c t i on f or w or ki ng w e l l , i ns t a l l a t i on f or ba s a l or bi t ,
i ns t a l l a t i on f or t ur b i d s y s t e m , m e a s ur e f or put t i ng i n c a ve r n a nd t e c hni que f or
i nj e c t i ng s e r um t o r e duc i ng r e s i s t a nc eF or e c onom i c a l be ne f i t , pi pe - pus h i ng
c ons t r uc t i on w i l l e c onom i z e m or e c ons i de r a bl e i nve s t i ng e xpe ns e s t ha n bi g bur yi ng
pi pe c ons t r u c t i on. F or s oc i e t a l be ne f i t , s i nc e c ol l e gi a l c i t y of J i N a n w e s t e r n r e gi on i s
f i ni s h i ng c ons t r uc t i on, e l e ve n c ol l e ge w e r e e xpos e d t o i nne r f l oodw a t e r a nd
i nc r e a s i ng ba c i l l us , w hi c h a f f e c t e d ba dl y na t ur a l w or ki ng a nd he a l t hi ne s s of
a c a de m i c i a n a nd e m pl oye eA f t e r a dopt i ng pi pe -
pus h i ng c ons t r u c t i on , c a m pus r oa d
dr a i n s f l ow i ng , a nd i t obt a i n s i ne s t i m a bl e s oc i e t a l a nd e nvi r onm e nt a l be ne f i tS uc c e s s of pi pe - pus h i ng c ons t r uc t i on ha d ve r y i m por t a nt t h e or e t i c a l va l ue a nd
i ndi c a t i on f unc t i on i n t h e de ve l opm e nt a nd pr a c t i c e s of pi pe - pus h i ng c ons t r uc t i on.
K K K K e e e e yw yw yw yw or or or or d d d d s s s s pi pe - pus h i ng c ons t r uc t i on; a ppl i c a t i on ; r e s e a r c h
- I I -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目 目 录 录 目 目 录 录 摘 要I
A b s t r a c t. I I 第 1 章 绪 论. 1 11 概 述1
12 顶 管 施 工 国 内 外 概 况2 13 顶 管 施 工 的 分 类. 3 14 顶 管 施 工 技 术 的 特 点5
15 国 内 外 直 线 与 曲 线 顶 管 技 术 的 研 究 现 状 5 16 目 前 存 在 的 问 题. 6 17 研 究 课 题 的 提 出. 7
18 课 题 研 究 主 要 内 容8
第 2 章 顶 管 的 推 力 理 论 的 研 究. 9
21 顶 管 法 顶 力 的 组 成 及 其 影 响 因 素 分 析 9 22 各 种 计 算 公 式 辨 析9
221 考 虑 土 拱 效 应 的 理 论 公 式 1 0 222 不 考 虑 土 拱 效 应 的 理 论 公 式1 2 223 各 种 计 算 公 式 辨 析 1 2
224 对 顶 管 推 力 计 算 公 式 的 改 进1 4 23 本 章 小 结 1 9
第 3 章 顶 管 关 键 施 工 环 节 研 究2 1 31 进 出 洞 口 的 措 施2 1 32 洞 口 止 水 方 法. 2 2 33 注 浆 减 阻 技 术 研 究 2 3
331 注 浆 工 艺 中 的 顶 力 的 确 定 2 3 332 减 阻 材 料 及 工 艺 效 果2 4 34 本 章 小 结 2 8
第 4 章 顶 管 管 道 的 失 稳 分 析 研 究2 9 41 直 线 顶 管 管 道 失 稳 分 析2 9
42 传 统 曲 线 顶 管 管 道 的 失 稳 分 析3 2 - I I I -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 421 管 道 环 向 土 压 力 计 算 方 法 3 3 422 首 节 管 道 的 受 力 分 析3 4
423 后 续 管 道 的 受 力 分 析3 6 43 防 止 管 道 失 稳 的 控 制 措 施. 3 7 44 本 章 小 结 3 8
第 5 章 顶 管 施 工 在 排 水 工 程 施 工 中 的 应 用3 9 51 工 程 概 况 3 9 511 工 程 简 介3 9
512 施 工 现 场 平 面 布 置 4 2 513 主 要 施 工 机 械 4 3 514 劳 动 力 进 场 安 排4 3 515 施 工 进 度 计 划 4 4 52 顶 管 施 工 测 量. 4 4 521 测 区 布 置4 4
522 施 工 测 量 中 的 精 度 要 求. 4 6 523 地 面 测 量 、 测 点 布 设4 6 524 顶 进 中 姿 态 测 量 、 监 控. 4 7 53 泥 水 平 衡 机 械 顶 管 4 7 531 工 艺 流 程 图. 4 7 532 工 作 井 施 工. 4 8 533 基 座 导 轨 安 装 5 1 534 整 体 就 位5 2 535 机 械 顶 管5 3
54 土 压 平 衡 机 械 顶 管 6 0
541 工 艺 流 程 图. 6 0 542 设 备 选 型6 1
543 顶 管 进 洞 的 止 浆 方 法6 1 544 顶 进 与 纠 偏. 6 2 545 触 变 泥 浆 减 阻 6 3 546 回 填 注 浆6 4 547 土 体 加 固6 4 548 地 面 沉 降 控 制 6 6
549 穿 越 现 有 管 线 及 道 路 的 监 控 措 施6 6 - I V -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 55 质 量 控 制 标 准. 6 7 56 工 程 投 资 分 析. 6 7 57 工 程 效 果 6 8 58 本 章 小 结 6 8 结 论6 9 参 考 文 献 7 0
攻 读 硕 士 学 位 期 间 发 表 的 学 术 论 文 7 3
哈 尔 滨 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 原 创 性 声 明.7 4 哈 尔 滨 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 使 用 授 权 书.7 4 哈 尔 滨 工 业 大 学 硕 士 学 位 涉 密 论 文 管 理7 4 致 谢7 5 个 人 简 历 7 6
- V -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
第 第 第 第 1 1 1 1 章 章 章 章 绪 绪 绪 绪 论 论 论 论 1. 1. 1 1 概 概 概 概 述 述 述 述 1. 1. 1 1
随 着 城 市 现 代 化 进 程 的 加 速 发 展 , 为 解 决 城 市 人 口 、 环 境 和 资 源 三 大 危
机,地下空间的开发利用显得尤为重要。1991 年在东京召开地下空间利用国际
学术会议上通过了 “ 东京宣言〞 ,提出了这样一个观点:21 世纪是人类地下空间
开发利用的世纪。
地 下 空 间 的 开 发 包 括 建 设 地 下 交 通 系 统 如 地 下 铁 道 、 地 下 道 路 系 统 、 地
下 停 车 场 , 地 下 公 用 设 施 系 统 如 地 下 供 水 系 统 、 污 水 管 道 、 地 下 供 电 和 通 信
电 缆 系 统 、 地 下 煤 气 管 道 , 地 下 防 灾 系 统 , 地 下 商 业 街 、 地 下 仓 库 、 地 下 车
库和地下生活区等。
作 为 一 个 发 展 中 国 家 , 进 入 21 世 纪 , 我 国 对 城 市 发 展 中 引 起 的 环 境 问 题
将 会 越 来 越 重 视 和 加 大 资 金 投 入 。 如 城 市 市 政 地 下 污 水 管 道 、 煤 气 管 道 的 施
工, 假设 采 用 明 挖 法 施 工 , 不 仅 影 响 城 市 交 通 , 还 会 对 相 邻 建 筑 物 、 地 下 管 网设
施以 及 周 围 的 环 境 产 生 很 大 的 影 响 。 作 为 地 下 空 间 结 构 施 工 法 中 的 一 种 , 顶管
法因 其 采 用 了 非 开 槽 的 暗 挖 法 施 工 , 对 地 下 建 筑 物 、 风 景 区 和 地 面 建 筑 设 施影
响小,那么在地下管道施工中的应用相当广泛。
在顶 管 敷 设 过 程 中 , 常 常 紧 邻 各 种 地 下 管 道 如 上 下 水 道 、 煤 气 管 道 、 电气
管道 等 , 必 然 会 对 其 产 生 一 定 的 影 响 , 故 有 必 要 对 顶 管 施 工 过 程 中 的 各 种 影响
因素 顶推力的大小,纠偏操作,注浆工艺等 进行研究。
近年 来 , 随 着 人 民 生 活 水 平 的 提 高 , 对 污 水 排 放 系 统 、 煤 气 管 道 等 的 要求
越来 越 高 。 当 顶 管 需 穿 越 闹 市 区 建 筑 群 时 , 为 了 减 少 对 环 境 的 影 响 和 越 过 障碍
物,管道有时呈曲线型。因此对曲线顶管施工方面的研究显得尤为必要。 顶管 施 工 是 继 盾 构 施 工 之 后 而 发 展 起 来 的 一 种 地 下 管 道 施 工 方 法 , 顶 管技
术作 为 一 种 地 下 管 道 施 工 己 有 一 百 多 年 历 史 , 它 不 需 要 开 挖 面 层 , 并 且 能 够穿
越公 路 、 铁 道 、 河 川 、 地 面 建 筑 物 、 地 下 构 筑 物 以 及
各 种 地 下 管 线 等 , 顶 管施
工可适用于排水、引水、给水、热力、电缆管道的铺设。
它最 早 始 于 美 国 的 北 太 平 洋 铁 路 铺 设 工 程 的 施 工 中 , 较 大 程 度 的 发 展 那么始
于 1955 年 。 随 着 液 压 技 术 的 发 展 , 广 泛 采 用 大 型 液 压 千 斤 顶 , 才 使 得 顶 管 技
术获得迅速的推广。
据 资 料 记 载 , 日 本 最 早 的 一 次 顶 管 施 工 是 在 1948 年 , 施 工 地 点 是 在 尼 崎
市 的 一 条 铁 路 下 面 。 现 在 , 这 条 铁 路 也 已 经 废 弃 了 。 当 时 顶 的 是 一 根 内 径 为
T 600m m 的 铸 铁 管 , 顶 距 只 有 6m , 主 顶 是 一 种 手 摇 液 压 千 斤 顶 。 用 现 在 的 眼
光 来 看 , 那 次 顶 管 的 确 是 非 常 原 始 的 。 直 到 1957 年 前 后 , 日 本 才 采 用 液 压 油
泵来驱动油缸作为主顶动力。
- 1-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
我 国 的 顶 管 施 工 最 早 始 于 何 时 , 已 无 资 料 记 载 , 据 了 解 是 始 于 1953 年 的
北 京 , 后 来 上 海 也 在 1956 年 开 始 顶 管 试 验 。 但 一 开 始 都 是 些 手 掘 式 顶 管 , 设
备 也 比 较 简 陋 。 在 1964 年 前 后 , 上 海 一 些 单 位 己 进 行
了 大 口 径 机 械 式 顶 管 的
各 种 试 验 。 当 时 , 口 径 在 2m 的 钢 筋 混 凝 土 管 的 一 次 推 进 距 离 可 达 120m , 同
时, 也 开 创 了 使 用 中 继 间 的 先 河 。 在 此 以 后 , 又 进 行 了 多 种 口 径 、 不 同 形 式的
机械 顶 管 的 试 验 , 其 中 土 压 式 居 多 。 由 于 当 时 的 顶 管 掘 进 机 的 设 计 还 停 留 在比
原始 的 阶 段 , 也 没 有 一 套 完 整 的 理 论 作 指 导 , 施 工 时 又 没 有 针 对 土 的 性 质 因地
制宜 , 所 以 , 当 时 的 顶 管 掘 进 机 还 不 够 完 善 。 土 压 式 当 初 分 上 部 出 土 和 下 部出
土两种,但都没有引入土压力这个概念。其中,也搞了一些水冲顶管的试验。 特 别 是 现 在 , 随 着 现 代 城 市 的 发 展 , 市 政 工 程 建 设 速 度 的 加 快 , 交 通 繁
忙, 建 筑 物 密 集 , 地 下 管 线 众 多 , 人 们 对 文 明 施 工 要 求 越 来 越 高 , 非 开 挖 技术
施工 具 有 工 期 短 , 对 环 境 影 响 小 , 对 城 市 交 通 和 居 民 出 行 影 响 小 , 免 除 新 建马
路开 肠 破 肚 等 等 优 点 , 排 水 工 程 任 务 越 来 越 重 , 为 减 少 排 水 工 程 与 交 通 之 间的
矛盾 , 尤 其 是 在 住 宅 区 施 工 时 , 采 用 明 开 槽 的 方 法 , 因 其 噪 声 , 振 动 , 交 通阻
断, 地 面 下 沉 影 响 建 筑 物 的 稳 定 , 促 使 我 们 对 管 道 施 工 提 出 新 的 要 求 , 顶 管施
工特别是平衡式顶管施工日益受到重视。 1. 2 顶 管 施 工 国 内 外 概 况
1. 1. 1. 2 2 2 顶 顶 顶 管 管 管 施 施 施 工 工 工 国 国 国 内 内 内 外 外 外 概 概 概 况 况 况
顶管 技 术 作 为 一 种 管 道 施 工 己 有 一 百 多 年 历 史 , 以 较 大 程 度 的 发 展 那么 始于
1955 年,随着液压技术的开展,广泛采用大型液压千斤顶,才是的顶管技术获
得迅 速 的 推 广 。 由 于 现 代 化 城 市 的 出 现 , 这 种 施 工 方 法 的 优 越 性 得 到 进 一 步的
表达。
国 外 : 八 十 年 代 中 期 在 排 水 施 工 中 , 采 用 顶 管 法 施 工 的 比 重 , 日 本 占
1 1% , 美 国 占 30% 。 从 年 完 成 顶 管 工 程 长 度 看 , 德 国 为 40 公 里 , 日 本 为 420
公里,八十年代末,到达 520 公里。国外,顶管覆土深达 80 米,一次顶进 600
米 , 班 进 尺 达 15 米 , 国 外 一 些 先 进 国 家 的 顶 管 施 工 法 , 从 立 案 开 始 就 用 计 算
机设 计 , 一 直 到 顶 管 施 工 , 全 部 实 现 计 算 机 与 显 示 屏
监 控 , 利 用 电 磁 波 系 统或
电波激光方式可靠地掌握土质状况和地下埋设物。
国 内 : 从 1953 年 开 始 采 用 顶 管 法 施 工 。 四 十 年 来 顶 管 技 术 在 我 国 发 展 很
快 。 最 大 管 径 可 达 3500 毫 米 。 并 采 用 水 力 切 土 , 自 动 纠 偏 等 新 工 艺 。 在 顶 管
施 工 技 术 方 面 , 上 海 的 发 展 速 度 在 我 国 处 于 领 先 , 研 究 此 项 技 术 始 于
1960 年 , 起 步 比 天 津 晚 , 八 十 年 代 后 期 发 展 迅 速 , 1985 年 上 海 市 政 工 程 局 从
日 本 引 进 直 径 800 毫 米 泥 水 平 衡 顶 管 设 备 , 1986 年 开 发 直 径 1200 毫 米 泥 水 平
衡 设 备 。 1991 年 , 直 径 2200 毫 米 土 压 平 衡 顶 管 机 通 过 鉴 定 。 顶 管 法 施 工 占 排
水 工 程 中 的 比 例 , 从 1983 年 的 3% 到 2007 年 上 升 到 33% 。 北 京 也 开 展 了 先 进
顶管机械的研究工作。 1984 年前后我国的北京、上海、南京等地先后开始引进
国外 先 进 的 机 械 式 顶 管 设 备 , 从 而 , 使 我 国 的 顶 管 技 术 上 了 一 个 新 台 阶 。 尤其
- 2-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
是 上 海 市 政 公 司 引 进 了 日 本 伊 势 机 公 司 的 d 8 00m m T e
l e m a l e 顶 管 掘 进 机 具 有
机 械 平 衡 土 压 力 和 泥 水 平 衡 地 下 水 压 力 的 双 重 平 衡 和 电 视 遥 控 功 能 以 后 , 随
之也 引 进 了 一 些 顶 管 理 论 、 施 工 技 术 和 管 理 经 验 。 随 后 , 诸 如 土 压 平 衡 理 论、
泥水平衡理论、管接口形式和制管新技术都慢慢地流行起来。
随着 顶 管 施 工 的 普 及 和 专 业 化 , 它 的 理 论 也 日 臻 完 善 。 即 使 最 简 单 的 手掘
式顶 管 施 工 , 也 需 要 从 理 论 上 来 论 证 其 挖 掘 面 是 否 稳 定 的 问 题 。 该 稳 定 包 括两
个方 面 的 内 容 : 第 一 是 工 具 管 前 方 挖 掘 面 上 的 土 体 是 否 稳 定 ; 第 二 是 工 具 管前
上方 的 覆 土 层 是 否 稳 定 。 如 果 发 现 有 不 稳 定 的 现 象 , 就 必 须 采 用 有 效 的 辅 助措
施使其保持稳定。
现在 长 距 离 大 口 径 的 顶 管 日 渐 增 多 , 为 了 克 服 长 距 离 大 口 径 顶 进 过 程 中所
出现 的 推 力 过 大 的 困 难 , 注 浆 减 摩 成 了 重 点 研 究 课 题 。 现 在 顶 管 的 减 摩 浆 有单
一的 也 有 由 多 种 材 料 配 制 而 成 的 。 它 们 的 减 摩 效 果 之 明 显 己 被 广 大 施 工 单 位所
认 识 。 在 粘 性 土 中 , 混 凝 土 管 顶 进 的 综 合 摩 阻 力 可
降 到 3kP a 0.3t f / m 2 钢 管 那么
可降到 1kP a 0.1t f / m 2 。
到目 前 为 止 , 顶 管 施 工 随 着 城 市 建 设 的 发 展 己 越 来 越 普 及 , 应 用 的 领 域也
越来 越 宽 。 我 们 知 道 , 顶 管 施 工 最 初 主 要 用 于 下 水 道 施 工 。 可 是 , 近 来 运 用到
自来 水 管 、 煤 气 管 、 动 力 电 缆 、 通 信 电 缆 和 发 电 厂 循 环 水 冷 却 系 统 等 许 多 管道
的施工中,并在顶管的根底上开展成一门非开挖施工技术。
1. 1. 1. 1. 3 3 3 3 顶 顶 顶 顶 管 管 管 管 施 施 施 施 工 工 工 工 的 的 的 的 分 分 分 分 类 类 类 类
第一 种 分 类 方 法 最 为 简 单 , 它 就 是 按 所 顶 管 口 径 之 大 小 来 分 的 , 可 分 为大
口径、中口径、小口径和微型顶管四种。
大 口 径 多 指 Φ 2000m m 以 上 的 顶 管 , 人 能 在 这 样 口 径 的 管 道 中 站 立 和 自 由
行走 。 大 口 径 的 顶 管 设 备 也 比 较 庞 大 , 管 子 自 重 也 较 大 , 顶 进 时 比 较 复 杂 。最
大口径可达Φ 5000m m ,比小型盾构还大。
中口 径 是 指 人 猫 着 腰 可 以 在 其 内 行 走 的 管 子 , 但 有 时 不 能 走 得 太 远 。 这种
管子口径为Φ 1200 m m ~Φ 1800m m 。在顶管中占大多数。
小口 径 是 指 人 只 能 在 管 内 爬 行 , 有 时 甚 至 于 爬 行 也 比 较 困 难 的 管 子 。 这种
管子口径在Φ 500m m ~Φ 1000m m 之间。
微型 顶 管 其 口 径 很 小 , 人 无 法 进 入 管 子 里 , 通 常 在 Φ 400m m 以下 , 最 小的
只 有 Φ 75m m 。 这 种 口 径 的 管 子 一 般 都 埋 得 较 浅 , 所 穿 越 的 土 层 有 时 也 很 复
杂, 已 成 为 顶 管 施 工 的 一 个 新 的 分 支 , 技 术 发 展 很 快 , 这 种 顶 管 在 形 式 上 也不
断创新。
第二 种 分 类 方 式 是 以 推 进 管 前 工 具 管 或 掘 进 机 的 作 业 形 式 来 分 。 推 进 管前
带 有一 个 钢 制 的 带 刃 口 的 管 子 , 具 有 挖 土 保 护 和 纠 偏 功 能 被 称 为 工 具 管 。 人在
工具 管 内 挖 土 , 这 种 顶 管 那么 被 称 为 手 掘 式 。 如 果 工 具 管 内 的 土 是 被 挤 进 来 再做
处理的就被称为挤压式。
- 3-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
以上 两 种 顶 管 方 式 在 工 具 管 内 都设有掘 进 机 械 , 如 果 在 推 进 管 前 的 钢 制壳
体内 有 机 械 的 那么 称 为 半 机 械 或 机 械 顶 管 , 在钢 制 壳 体 中 设 有 反 铲 之 类 的 机 械手
进行挖土的那么称为半机械式。
为了 稳 定 挖 掘 面 , 这 类 半 机 械 式 顶 管 往 往 需 要 采 用 降 水 、 注 浆 或 采 用 气压
等辅 助 施 工 手 段 。 我 们 在 机 械 顶 管 中 都 可 看 到 推 进 管 前 有 一 台 掘 进 机 , 按 掘进
机的 种 类 又 可 把 机 械 顶 管 分 成 泥 水 式 、 泥 浆 式 、 土 压 式 和 岩 石 掘 进 机 , 而 顶管
也被 区 分 为 泥 水 式 、 泥 浆 式 、 土 压 式 和 岩 石 式 顶 管 。 上 述 四 种 机 械 式 顶 管 中,
又以泥水式和土压式使用得最为普遍,掘进机的结构形式也最为多样。 第 三 种 分 类 方 法 是 以 推 进 管 的 管 材 来 分 类 的 , 可 分 为 钢 筋 混 凝 土 管 顶 管
和钢管顶管以及其他管材的顶管。
第四 种 分 类 方 法 是 按 顶 进 管 子 轨 迹 的 曲 直 来 分 的 , 可 分 为 直 线 顶 管 和 曲线
顶管。曲线顶管技术相当复杂,是顶管施工的难点之一。
第五 种 分 类 方 法 是 按 工 作 坑 和 接 收 坑 之 间 的 距 离 的 长 短 来 分 , 可 分 为 普通
顶 管 和 长 距 离 顶 管 , 而 长 距 离 顶 管 是 随 顶 管 技 术 不 断 发 展 而 发 展 的 。 过 去 把
100m 左 右 的 顶 管 就 称 为 长 距 离 顶 管 。 而 现 在 随 着 注 浆 减 阻 技 术 水 平 的 提 高 和
设 备 的 不 断 改 进 , 百 米 已 不 成 为 长 距 离 了 。 现 在 通 常 把 一 次 顶 进 300m 以 上 距
离的顶管才称为长距离顶管。
从技 术 层 面 上 来 说 , 顶 管 施 工 有 一 个 最 突 出 的 特 点 就 是 适 应 性 问 题 。 针对
不同 的 土 质 、 不 同 的 施 工 条 件 和 不 同 的 要 求 , 必 须 选 用 与 之 适 应 的 顶 管 施 工方
式, 这 样 才 能 达 到 事 半 功 倍 的 效 果 ; 反 之 那么 可 能 使 顶 管 施 工 出 现 问 题 , 严 重的
会使顶管施工失败,给工程造成巨大损失。
挤压 式 顶 管 只 适 用 于 软 粘 土 中 , 而 且 覆 土 深 度 要 求 比 较 深 。 通 常 条 件 下,
不用任何辅助施工措施。
手掘 式 只 适 用 于 能 自 立 的 土 中 , 如 果 在 含 水 量 较 大 的 砂 土 中 , 那么 需 要 采用
降水 等 辅 助 施 工 措 施 。 如 果 是 比 较 软 的 粘 土 那么 可 采 用 注 浆 以 改 善 土 质 , 或 者在
工具 管 前 加 网 格 , 以 稳 定 挖 掘 面 。 手 掘 式 的 最 大 特 点 是 在 地 下 障 碍 较 多 且 较大
的条件下,排除障碍的可能性最大、最好。
半 机 械 式 的 适 用 范 围 与 手 掘 式 差 不 多 , 如 果 采 用 局 部 气 压 的 辅 助 施 工 措
施,那么适用范围会较广些。
泥水 式 顶 管 适 用 的 范 围 更 广 一 些 , 而 且 在 许 多 条 件 下 不 需 要 采 用 辅 助 施工
措施。
土压 式 的 适 用 范 围 最 广 , 尤 其 是 加 泥 式 土 压 平 衡 顶 管 掘 进 机 的 适 用 范 围最
为广 泛 , 可 以 称 得 上 全 土 质 型 , 即 从 淤 泥 质 土 到 砂 砾 层 它 都 能 适 应 N 值从 0 ~
50 之间 , 含 水 量 在 20% ~ 150% 之间 的 土 它 都 能 适 应 。而 且 , 通 常 也 不 用 辅助
施工措施。
- 4-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
1. 1. 1. 1. 4 4 4 4 顶 顶 顶 顶 管 管 管 管 施 施 施 施 工 工 工 工 技 技 技 技 术 术 术 术 的 的 的 的 特 特 特 特 点 点 点 点
顶管 工 程 是 一 种 现 代 化 的 管 道 敷 设 施 工 方 法 , 具 有 很 广 阔 的 发 展 前 景 。它
的应 用 范 围 广 泛 , 且 目 前 已 形 成 了 较 为 成 熟 的 一 些 工 法 如 泥 水 加 压 平 衡 顶 管施
工法 和 土 压 平 衡 顶 管 施 工 法 。 前 者 适 用 于 各 种 粘 性 土 和 砂 性 土 的 土 层 中 直 径从
800 到 1200m m 的 各 种 口 径 管 道 ; 假设 能 解 决 泥 水 排 放 问 题 , 大 口 径 管 道 也 同 样
适用 。 后 者 适 用 于 饱 和 含 水 土 层 中 的 淤 泥 质 粘 土 、 粘 土 、 粉 砂 或 砂 性 土 , 管径
范围为 1650~2400m m 。
顶管 法 施 工 的 优 点 有 下 述 几 个 方 面 : 占 地 面 积 少 , 节 约 用 地 ; 施 工 面 移入
地 下 , 不 影 响 交 通 运 输 , 又 不 破 坏 现 有 地 下 管 线 以 及 建 筑 物 ; 穿 越 铁 路 、 公
路、 河 流 、 建 筑 物 等 障 碍 物 时 可 减 少 沿 线 地 上 的 工 作 量 , 可 节 约 资 金 和 时 间,
大幅 度 降 低 工 程 造 价 ; 施 工 无 噪 音 , 大 大 减 少 对 沿 线 用 地 水 土 环 境 的 污 染 。施
工速度快,减少土方填挖量;需要详细的工程地质和水文地质勘探资料。 顶 管 施 工 的 技 术 经 济 效 果 显 著 , 与 开 槽 法 相 比 , 可 大 量 减 少 土 方 的 挖 填
量。 开 槽 施 工 要 浇 注 混 凝 土 基 座 , 而 顶 管 施 工 是 利 用 管 底 下 边 的 天 然 地 基 ,可
节约 大 量 的 混 凝 土 材 料 。 其 次 , 由 于 顶 管 工 程 采 用 机 械 化 施 工 , 降 低 了 劳 动强
度 。 其 占 地 面 积 少 , 沿 线 无 需 支 撑 支 护 , 较 开 槽 法 相 比 , 大 大 降 低 了 工 程 造
价。基于顶管技术的特点,顶管法通常适用于以下环境情况: 1 适合于非岩性土层,在岩层和含水层中的施工难度大。
2 管道穿越铁路、公路、河流或建筑物时。 3 对于街道狭窄且两侧建筑物多时。
4 在车流和人流量大的闹市区街道施工,又不能断绝交通时。 5 现场条件复杂,与地面工程交叉作业,相互干扰,易发生危险时。 6 管道覆土较深,开槽土方量大,并需要支撑时。
1. 1. 5 5 国 国 内 内 外 外 直 直 线 线 与 与 曲 曲 线 线 顶 顶 管 管 技 技 术 术 的 的 研 研 究 究 现 现 状 状
1. 1. 5 5 国 国 内 内 外 外 直 直 线 线 与 与 曲 曲 线 线 顶 顶 管 管 技 技 术 术 的 的 研 研 究 究 现 现 状 状
从 90 年 代 后 期 开 始 , 曲 线 顶 管 开 始 得 到 应 用 , 并 且 随 着 先 进 顶 管 掘 进 机
的研 制 和 自 引 导 测 量 系 统 的 开 发 以 及 触 变 泥 浆 减 摩 技 术 的 完 善 , 曲 线 顶 管 的曲
率半径越来越小。
目 前 , 日 本 顶 管 的 管 径 一 般 在 0.7 ~ 4.5m 之 间 , 曲 线 顶 进 时 的 曲 率 半 径 为
70~130m
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