CN103938703A - 一种顶管施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶管施工方法，包括以下步骤：依据开挖线位置向下挖掘工作井和接收井；工作井上设活动式工作平台；在工作井底部铺设碎石，碎石内埋设枋木，枋木上水平安装顶管导轨，并沿顶管导轨方向安装顶管顶进设备；通过顶管顶进设备将首节混凝土管道顶进坑道，将首节混凝土管道完全顶进坑道；重复边挖掘坑道边顶进管道，将所有混凝土管道顶进；将所有混凝土管道通过混凝土承插管结构连接并顶紧，混凝土管道顶紧后进行管道注浆。本发明设计的这种顶管施工方法，不仅便于设备的稳定安装，且施工方便、安全，材料和废土运输方便，顶管顶进精度高，能够适用于多种地域的顶管施工。

Description

一种顶管施工方法

技术领域

本发明涉及管道排水领域，属于建筑领域，更具体的说是涉及一种顶管施工方法。

背景技术

顶管施工方法即非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于顶进设备推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。

现如今顶管施工方法日趋成熟，但是在实际施工时，由于地域的差异，较多地方在实施顶管施工时都较为麻烦，设备安装后稳定性差，而且在顶管时易出现设备移位和顶管偏差的问题，顶管之间还极易损坏，给施工带来了诸多不便。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种顶管施工方法，解决了以往的施工方法适应性差、管道顶进时误差较大的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种顶管施工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据设计管道中心线，在选定的施工位置放出开挖线位置，依据开挖线位置向下挖掘工作井和接收井；其中，所述工作井采用方形沉井结构，方形沉井结构净空尺寸为长L×宽B，净深度为3m～9m，且所述工作井四周侧墙浇注钢筋混凝土，工作井井底铺设混凝土封底并浇注钢筋混凝土底板。

步骤二、工作井上设活动式工作平台，活动式工作平台上设起重架，起重架装电动卷扬机，所述活动式工作平台和起重架上架设工作棚。

步骤三、在工作井底部铺设碎石，碎石内埋设枋木，枋木上水平安装顶管导轨，并沿顶管导轨方向安装顶管顶进设备，顶管顶进设备设置有千斤顶，所述工作井侧墙上设置用于支撑千斤顶的后背墙。

步骤四、将首节混凝土管道放置在顶管导轨上，并通过顶管顶进设备顶进，在位于首节混凝土管道前端的工作井侧墙上挖掘一个深30～50厘米、断面形状与首节混凝土管道相同的坑道，通过顶管顶进设备将首节混凝土管道顶进坑道，如此重复挖掘和顶进，将首节混凝土管道完全顶进坑道。

步骤五、首节混凝土管道顶进后再在顶管导轨上放置下一节混凝土管道，并重复边挖掘坑道边顶进管道，将所有混凝土管道顶进。

步骤六、将所有混凝土管道通过混凝土承插管结构连接并顶紧，混凝土承插管结构的插口和承口之间设置O型橡胶圈，顶紧后任意相邻两个混凝土管道的管口内侧留10～20mm的空隙且两管间的孔隙为10～15mm。

步骤七、混凝土管道顶紧后通过混凝土管道预留的压浆孔进行管道压浆。

其中，所述步骤一中的净空尺寸计算公式为：

长    L＝L1＋L2＋L3＋L4＋L5  

式中 L──工作井长(m)；

   L1──混凝土管道顶进后，尾端压在顶管导轨上的最小长度，一般留0.5米；  

   L2──每节混凝土管道长度(m)；

    L3──出土工作间隙，一般为1.0～1.5m；

   L4──千斤顶长度(m)；

L5──后背墙所占工作坑厚度(m)；

宽   B=D+(2.4～3.2)

式中 B──工作坑宽度(m)； 

   D──被顶进混凝土管道外径(m)；

进一步地，所述工作井底部设置有集水坑。

进一步地，所述步骤三中的顶管导轨采用3.5米长双排30#槽钢，双排30#槽钢之间的间距按下式计算：

 

式中 A-两导轨上部内侧净距（m）；

         D-混凝土管道外径（m）；

         h-导轨高度（m）；

         e-混凝土管道外底距基础面的距离（一般为0.01～0.025 m），实际操作过程中根据e值的高度变化进行调整。

另外，所述步骤三中后背墙采用级配砂砾夯实或者采用现浇混凝土制成，所述千斤顶的着力中心高度不小于后背墙高度的1/3，且后背墙平面垂直于设计管道中心线，后背墙宽度上土壤的总被动土压力的计算公式为：

    

式中  r—土壤的容重（吨/立方米）；

      h—天然土壁后背的高度（米）；

     φ—土壤的内摩擦角（度）；

         C —土壤的粘聚力（吨/平方米）；

         W —后背墙的宽度（米）。

进一步地，所述步骤四中挖掘坑道时，设计管道顶部最大超挖量为1.5cm，设计管道底部135°范围内不超挖。

进一步地，所述步骤四和步骤五中，混凝土管道在顶进时按时进行顶进方向测量，首节混凝土管道顶进时，每顶进20—50cm/次；正常顶进时，每顶进1m/次；如测量后方向偏差大于10mm，即进行顶管纠偏校正。

最后，它还包括设置在工作井内对设计管道送风的送风装置，送风装置的风量不少于25升/秒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的这种顶管施工方法，不仅便于设备的稳定安装，且施工方便、安全，材料和废土运输方便，顶管顶进精度高，能够适用于多种地域的顶管施工。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明的施工示意图。

图3为本发明的工作井剖面图。

图4为本发明的工作井平面图。

图5为本发明的工作井侧视图。

图6为本发明的混凝土管道接口图。

图7为本发明超挖示意图。

图中的标号为：1、混凝土管道；2、压浆孔；3、顶管导轨；4、钢筋混凝土底板；5、后背墙；6、后垫铁；7、集水坑； 8、O型橡胶圈；9、超挖间隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1-7所示的一种顶管施工方法，其特征在于,包括以下步骤：

 步骤一、根据设计管道中心线，在选定的施工位置放出开挖线位置，依据开挖线位置向下挖掘工作井和接收井；其中，所述工作井采用方形沉井结构，方形沉井结构净空尺寸为长L×宽B，净深度为3m～9m，且所述工作井四周侧墙浇注钢筋混凝土，工作井井底铺设混凝土封底并浇注钢筋混凝土底板4。

步骤二、工作井上设活动式工作平台，活动式工作平台上设起重架，起重架装电动卷扬机，所述活动式工作平台和起重架上架设工作棚。

步骤三、在工作井底部铺设碎石，碎石内埋设枋木，枋木上水平安装顶管导轨3，并沿顶管导轨3方向安装顶管顶进设备，顶管顶进设备设置有千斤顶，所述工作井侧墙上设置用于支撑千斤顶的后背墙5。

步骤四、将首节混凝土管道放置在顶管导轨上，并通过顶管顶进设备顶进，在位于首节混凝土管道前端的工作井侧墙上挖掘一个深30～50厘米、断面形状与首节混凝土管道相同的坑道，通过顶管顶进设备将首节混凝土管道顶进坑道，如此重复挖掘和顶进，将首节混凝土管道完全顶进坑道。

步骤五、首节混凝土管道顶进后再在顶管导轨3上放置下一节混凝土管道，并重复边挖掘坑道边顶进管道，将所有混凝土管道顶进。

步骤六、将所有混凝土管道通过混凝土承插管结构连接并顶紧，混凝土承插管结构的插口和承口之间设置O型橡胶圈8，顶紧后任意相邻两个混凝土管道的管口内侧留10～20mm的空隙且两管间的孔隙为10～15mm。

步骤七、混凝土管道1顶紧后通过混凝土管道1预留的压浆孔2进行管道压浆。

本实施例工作井周围安装护栏，护栏高度1.2米，封闭围挡，防止地面沙石等物体跌落至工作井内伤人及防止雨水、地表水渗入工作井，工作井配供工作人员上下的梯子；步骤一中工作井侧墙分层浇注钢筋混凝土侧墙，钢筋搭接长度为35d—40d，钢筋砼护壁厚50cm，井底铺设160cm厚C20水下混凝土封底，并浇注40cm厚C25钢筋混凝土底板4；顶管顶进设备包括千斤顶支架、后垫铁6、千斤顶及顶铁，后垫铁6与后背墙5贴紧，顶铁位于顶管导轨3上端并与千斤顶前端连接，此为现如今常见的设备。

本实施例在设置千斤顶时，通过顶管过程中管道受到的阻力来进行选择，管道受到的阻力包括管道切土迎面阻力、管壁摩擦阻力，其中：

管道切土迎面阻力：

F1＝π/4×D²×P 

P＝Ko×γ×Ho

  式中 F1—管道切土迎面阻力；

D—管外径最大管径；

       P—控制土压力；

Ko—静止土压力系数，一般取0.55；

       Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值；

      γ—土的湿重量，取1.9t/m³；

管壁摩擦阻力：

F2＝πD×f×L

 式中  F2一管壁摩擦阻力；

f一管外表面平均（根据顶进距离平均淤泥土）综合摩阻力；

  D—管外径取最长顶段管径；

  L—顶距，取最大顶段长度值；

则，管道受到的阻力为F= F1+ F2，考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，顶管设备取1.5倍能力储备，则千斤顶产生推力应大于F×1.5，同时，为保证顶进精度，防止顶偏，千斤顶的数量应为大于2的偶数个且均匀分布，同时千斤顶的着力点作用在混凝土管道垂直直径的1/4～1/5处为宜。

在实施时，管道顶进时采用“先挖后顶，随挖随顶”的原则，即：顶进前，在管前端的工作井侧墙开挖一个深约30-50 厘米、断面形状与所顶混凝土管道1相似的坑道，然后用千斤顶将管道顶入，经多次开挖及顶进的循环，将混凝土管道1顶进设计管道，当一节管道顶进后，再连接下一节管道继续顶进，从而能快速、精确的将所有管道顶进。由于挖土和运土都在管道内进行，为便于管道内操作和安放施工设备，管道直径一般不小于800mm。

本实施例通过对顶管各步骤进行严格设计和计算，提高了施工进度，缩短了工期，同时各部分装备安装稳定，可长久使用，在顶管时采用先挖后顶，随挖随顶的方式，有效的提高了顶管的顶进效率和精度，减少了顶管跑偏的概率，管道之间通过承插口结构并加设O型橡胶圈8不仅实现了管道之间的快速连接，同时减少了管与管之间的作用力，保护了管道，且实现了很好的密封性，最后的管道注浆还可防止管道顶进施工时超挖后地面出现沉降现象。

作为优选地，所述步骤一中的净空尺寸计算公式为：

长    L＝L1＋L2＋L3＋L4＋L5  

式中 L──工作井长(m)；

   L1──混凝土管道顶进后，尾端压在顶管导轨上的最小长度，一般留0.5米；  

   L2──每节混凝土管道长度(m)；

    L3──出土工作间隙，一般为1.0～1.5m；

   L4──千斤顶长度(m)；

L5──后背墙所占工作坑厚度(m)；

宽   B=D+(2.4～3.2)

式中 B──工作坑宽度(m)； 

   D──被顶进混凝土管道外径(m)；

通过上述公式可知，工作井的大小主要取决于混凝土管道1的尺寸及顶进设备中千斤顶的尺寸，因此，可根据具体的实施情况选择合适尺寸的工作井，以不影响材料搬运和设备安装为宜。

作为优选地，所述工作井底部设置有集水坑7。工作井内一般设置1-2个集水坑，集水坑7平面尺寸取50cm×50cm，深50cm，用砖砌筑，水泥砂浆抹面，以便收集地下水和雨水，用潜水泵将水排出地面。

作为优选地，所述步骤三中的顶管导轨3采用3.5米长双排30#槽钢，双排30#槽钢之间的间距按下式计算：

A=2√(D-h-e)(h-e) 

式中    A-两导轨上部内侧净距（m）；

         D-混凝土管道外径（m）；

         h-导轨高度（m）；

         e-混凝土管道外底距基础面的距离（一般为0.01～0.025 m），实际操作过程中根据e值的高度变化进行调整。

顶管导轨3安装需牢固可靠，以保证混凝土管道1的顶进过程不会产生位移，枋木安装高程应低于混凝土管道1外底高程1～2.5cm。

作为优选地，所述步骤三中后背墙5采用级配砂砾夯实或者采用现浇混凝土制成，所述千斤顶的着力中心高度不小于后背墙5高度的1/3，且后背墙5平面垂直于设计管道中心线，后背墙5宽度上土壤的总被动土压力的计算公式为：

    

式中  r—土壤的容重（吨/立方米）；

      h—天然土壁后背的高度（米）；

     φ—土壤的内摩擦角（度）；

         C —土壤的粘聚力（吨/平方米）；

         W —后背墙的宽度（米）。

从上式中可知，工作井后背墙5能承受的最大顶力为p，因此，为保证后背墙5单位宽度上受力不大于土壤的总被动土压力，则实际千斤顶顶力应小于p。为使后背墙5受力均匀，可采用40mm钢板敷垫在后背墙5与后垫铁6之间。

作为优选地，所述步骤四中挖掘坑道时，设计管道顶部最大超挖量为1.5cm，设计管道底部135°范围内不超挖。超挖量是指挖掘坑道时超出管道直径外的挖掘量，在坑道挖掘时或多或少会存在超挖的现象，但是，为了提高管道顶进精度，防止管道移位，同时保证管道内土层强度，因此在挖掘坑道时，设计管道内的最大超挖量应控制在超挖间隙9内，同时设计管道底部不超挖，这样即可满足管道顶进的需求和安全要求，同时还可更好的稳固顶管，保证顶管顶进精度，通过申请人实践和研究表明，设计管道顶部最大超挖量不应超过1.5cm，即超挖间隙9最大不超过1.5cm，且设计管道底部135°范围内不超挖，这样即可在最大化的满足施工要求的情况下加快挖掘进度，同时保证顶管精度。

作为优选地，所述步骤四和步骤五中，混凝土管道在顶进时按时进行顶进方向测量，首节混凝土管道顶进时，每顶进20—50cm/次；正常顶进时，每顶进1m/次；如测量后方向偏差大于10mm，即进行顶管纠偏校正。在顶进时由于设计管道内部、设备及人为影响，管道可能会在顶进时出现顶进偏移，因此，为保证顶进精度，需按时进行顶管测量，保证顶管顶进角度精确。顶管测量测量采用经纬仪和光学水准仪，并利用中心线测量方法测量：

中心线测量方法为：首先在地面用经纬仪确定顶管方向桩，顶管方向桩位于工作井边，共设置两个，然后在两顶管方向桩上挂小线，小线上分别吊2个垂球到工作坑底部，在工作坑中用激光水准仪照准两垂球，读顶管管道前端的中心尺刻度，若与中心尺的中心刻度相重合，说明其方向准确，否则其差值即为偏差值。

当顶进时顶管管道偏差有10mm时即应进行顶管纠偏校正，纠偏校正应缓缓进行，使顶管管道逐渐复位，以免损坏顶管。

作为优选地，它还包括设置在工作井内对设计管道送风的送风装置，送风装置的风量不少于25升/秒。由于工作人员需要在设计管道内部进行作业，为防止工作人员在管道内部缺氧，所以设置送风装置对设计管道内部送风，避免发生事故，同时送风装置还可将设计管道内部的有害气体排出，提高作业安全性。

如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种顶管施工方法，其特征在于,包括以下步骤：

    步骤一、根据设计管道中心线，在选定的施工位置放出开挖线位置，依据开挖线位置向下挖掘工作井和接收井；其中，所述工作井采用方形沉井结构，方形沉井结构净空尺寸为长L×宽B，净深度为3m～9m，且所述工作井四周侧墙浇注钢筋混凝土，工作井井底铺设混凝土封底并浇注钢筋混凝土底板；

步骤二、工作井上设活动式工作平台，活动式工作平台上设起重架，起重架装电动卷扬机，所述活动式工作平台和起重架上架设工作棚；

步骤三、在工作井底部铺设碎石，碎石内埋设枋木，枋木上水平安装顶管导轨，并沿顶管导轨方向安装顶管顶进设备，顶管顶进设备设置有千斤顶，所述工作井侧墙上设置用于支撑千斤顶的后背墙；

步骤四、将首节混凝土管道放置在顶管导轨上，并通过顶管顶进设备顶进，在位于首节混凝土管道前端的工作井侧墙上挖掘一个深30～50厘米、断面形状与首节混凝土管道相同的坑道，通过顶管顶进设备将首节混凝土管道顶进坑道，如此重复挖掘和顶进，将首节混凝土管道完全顶进坑道；

步骤五、首节混凝土管道顶进后再在顶管导轨上放置下一节混凝土管道，并重复边挖掘坑道边顶进管道，将所有混凝土管道顶进；

步骤六、将所有混凝土管道通过混凝土承插管结构连接并顶紧，混凝土承插管结构的插口和承口之间设置O型橡胶圈，顶紧后任意相邻两个混凝土管道的管口内侧留10～20mm的空隙且两管间的孔隙为10～15mm；

步骤七、混凝土管道顶紧后通过混凝土管道预留的压浆孔进行管道注浆。

2.根据权利要求1所述的一种顶管施工方法，其特征在于,所述步骤一中的净空尺寸计算公式为：

长    L＝L1＋L2＋L3＋L4＋L5  

式中 L──工作井长(m)；

   L1──混凝土管道顶进后，尾端压在顶管导轨上的最小长度，一般留0.5米；  

   L2──每节混凝土管道长度(m)；

    L3──出土工作间隙，一般为1.0～1.5m；

   L4──千斤顶长度(m)；

L5──后背墙所占工作坑厚度(m)；

宽   B=D+(2.4～3.2)

式中 B──工作坑宽度(m)； 

   D──被顶进混凝土管道外径(m)。

3.根据权利要求1或2所述的一种顶管施工方法，其特征在于,所述工作井底部设置有集水坑。

4.根据权利要求1所述的一种顶管施工方法，其特征在于,所述步骤三中的顶管导轨采用3.5米长双排30#槽钢，双排30#槽钢之间的间距按下式计算：

式中 A-两导轨上部内侧净距（m）；

         D-混凝土管道外径（m）；

         h-导轨高度（m）；

         e-混凝土管道外底距基础面的距离（一般为0.01～0.025 m），实际操作过程中根据e值的高度变化进行调整。

5.根据权利要求1或4所述的一种顶管施工方法，其特征在于,所述步骤三中后背墙采用级配砂砾夯实或者采用现浇混凝土制成，所述千斤顶的着力中心高度不小于后背墙高度的1/3，且后背墙平面垂直于设计管道中心线，后背墙宽度上土壤的总被动土压力的计算公式为：

   

式中  r—土壤的容重（吨/立方米）；

      h—天然土壁后背的高度（米）；

     φ—土壤的内摩擦角（度）；

          C —土壤的粘聚力（吨/平方米）；

          W —后背墙的宽度（米）。

6.根据权利要求1所述的一种顶管施工方法，其特征在于,所述步骤四中挖掘坑道时，设计管道顶部最大超挖量为1.5cm，设计管道底部135°范围内不超挖。

7.根据权利要求1所述的一种顶管施工方法，其特征在于,所述步骤四和步骤五中，混凝土管道在顶进时按时进行顶进方向测量，首节混凝土管道顶进时，每顶进20—50cm/次；正常顶进时，每顶进1m/次；如测量后方向偏差大于10mm，即进行顶管纠偏校正。

8.根据权利要求1所述的一种顶管施工方法，其特征在于,它还包括设置在工作井内对设计管道送风的送风装置，送风装置的风量不少于25升/秒。