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【摘要】本文着重阐述了土压平衡顶管法的施工原理、设计参数的确定、施工程序、质量控制与检验及注意事项、前景展望等。介绍了顶管法施工在西安三环雨、污水管道施工中的应用。
【关键词】顶管法地下管道应用西安三环
[ Abstract ] this paper focuses on the earth pressure balance pipe jacking construction method, the determination of design parameters, construction procedure, quality control and inspection and the matters needing attention, prospects. Introduces the application of pipe jacking construction method in Xi'an Sanhuan rain, sewage in the pipeline construction.
[ keyword ] Application of underground pipe jacking method Xi'an Sanhuan
1 引言
近年来，在全球气候变化背景下，中国极端天气事件多发重发，暴雨发生频次和影响范围呈现增加趋势，近10年间有7年的暴雨日数超过多年平均同期。日渐频繁的城市内涝灾害、强大的舆论压力，迫使各地加速推进此前进展缓慢的老城区城市排水系统升级改造、和新城区排水系统工程的标准和规模。近年来，不少建设单位采用顶管法施工对老道进行升级改造，同时新城由于设计标段的提高，管径加大、埋深增加，加之征地红线有限，很多单位也开始用顶管进行施工。下面简要介绍一下顶管法的原理和设计、施工要点以及有关的工程实例。
当图1——[B]中土压平衡顶管机接通刀盘驱动电动机的电源后，顶管机的刀盘就开始转动，设在每根刀排前面的刀片则开始切削土砂，同时设在刀排后的搅拌棒对泥土仓内的土砂进行搅拌。
在顶进过程中，检测设顶管机顶部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为A，顶管机泥土仓内的压力为B；检测设顶管机底部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为C，顶管机泥土仓内的压力为D，那么要达到土压平衡的必要条件是必须使A=B，C=D，如图1——[A]所示。
顶管机在顶进过程中，其土仓中始终有一个压力，我们称之谓控制土压为P。当控制土压力P小于顶管机所处土层的地下水压力Pw与主动土压力PA之和时，土就涌向顶管机土仓，结果就会造成地面沉降。其原因往往是由于推进速度过慢，螺旋输送机的实际排土量大于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。
[A] [B]
图1土压平衡顶管的工作原
反之，如果当控制土压力P大于顶机所处土层的地下水压力Pw与被动土压力PP之和时，结果就会造成地面隆起。其原因往往是由于推进速度过快，螺旋输送机的实际排土量大大小于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。螺旋输送机的正常排土量应该为顶管机推进过程的中理论排土量的９５％～１００％。
所谓土压平衡顶管，实际上就是把顶管机土仓内的土压力控制在顶管机所处土层的主动土压力与被动土压力之间，也即：
PA＜P＜PP
式中： PA－主动土压力（KPa）；
P－控制土压力(KPa)；
Pp－被动土压力(KPa)。
这样，在整个顶管施工过程中，顶管机土仓内的压力与顶管机所处土层中的土压力终是处于一种平衡的状态，这就是土压平衡顶管机的基本工作原理。
由于主动土压力和被土压力之间的压力值范围较广，同时又由于土压力的变化是一个非常复杂的过程，并且，在计算主动土压力和被动土压力时会因为选取的各种参数不准确就很容易造成误差。所以必须在主动土压力和被土压力之间的这个较大范围中取处于中间的那一段，以减少土压力值的波动所带来的影响。因此，常用的控制土压力的取值方法是在顶管机所处土层的静止土压力的基础上，规定一个上限和下限，具体的计算公式为：
P＝k0•P0
式中：K0－静土压系数；
P0－静止土压力（KPa）
上述静止土压力系数K0在砂性土中可取0.25～0.33 之间，在粘上中可取0.33～0.7之间。而静止土压力则为：
P0＝γ •h
γ－土的容量（KN／m3）
h－覆土深度（m）。
主动土压力PA为：
PA＝γh ·tg2(450－φ／2)-2C·tg(450－φ/2)
式中：φ－土的摩擦角（度）；
C－土的内聚力（KPa）。
被动土压力PP为：
Pp=γh· tg2(450＋φ/2)＋2C·tg(450＋φ/2)
[A][B]
图2 工作坑的洞口处理
洞口的左边是用槽钢插入做成的钢封门，槽钢的顶端在工作坑沉到位以后离地面以下最多不得超过1米，且要易于拔起。洞口的中间填的是粘土，洞口的右边是砖墙，工作坑的内壁上安装有洞口止水圈。
工作坑布置除了上述的洞口止水圈安装以外，还包括基坑导轨、后靠板、主顶油缸架等的安装，配电箱和电缆的布置，激光径纬仪的安装和校正。在工作坑布置的同时，地面上起重设备等也应进行。在工作坑布置中还必须加设安全护栏，工作坑布置图如图3所示。
图3 工作坑布置图
1－待用管、2－顶管机、3－混凝土管、4－洞口止水圈、5－基坑导轨、 6－顶铁、
7－主顶油缸、 8－主顶油泵、 9－激光径纬仪、10－后靠板。
工作坑的布置中要注意以下几个问题：1、基坑导轨一定要安装牢固，不能有松动，一定要水平，否则会使顶失败。2、后靠板安放要垂直，与井壁之间的空隙要用沙石填实。3、主顶油缸与后靠板要垂直，其合力点最好比管中心低50～100mm。
【关键词】顶管法地下管道应用西安三环
[ Abstract ] this paper focuses on the earth pressure balance pipe jacking construction method, the determination of design parameters, construction procedure, quality control and inspection and the matters needing attention, prospects. Introduces the application of pipe jacking construction method in Xi'an Sanhuan rain, sewage in the pipeline construction.
[ keyword ] Application of underground pipe jacking method Xi'an Sanhuan
1 引言
近年来，在全球气候变化背景下，中国极端天气事件多发重发，暴雨发生频次和影响范围呈现增加趋势，近10年间有7年的暴雨日数超过多年平均同期。日渐频繁的城市内涝灾害、强大的舆论压力，迫使各地加速推进此前进展缓慢的老城区城市排水系统升级改造、和新城区排水系统工程的标准和规模。近年来，不少建设单位采用顶管法施工对老道进行升级改造，同时新城由于设计标段的提高，管径加大、埋深增加，加之征地红线有限，很多单位也开始用顶管进行施工。下面简要介绍一下顶管法的原理和设计、施工要点以及有关的工程实例。
2 顶管法施工原理
顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。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。本文主要论述土压平衡理论顶管法施工。3 顶管法施工设计
土压平衡顶管施工是七十年怎么发表展起来的一种最新的顶管施工工艺，它的工作原理可参见图1。当图1——[B]中土压平衡顶管机接通刀盘驱动电动机的电源后，顶管机的刀盘就开始转动，设在每根刀排前面的刀片则开始切削土砂，同时设在刀排后的搅拌棒对泥土仓内的土砂进行搅拌。
在顶进过程中，检测设顶管机顶部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为A，顶管机泥土仓内的压力为B；检测设顶管机底部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为C，顶管机泥土仓内的压力为D，那么要达到土压平衡的必要条件是必须使A=B，C=D，如图1——[A]所示。
顶管机在顶进过程中，其土仓中始终有一个压力，我们称之谓控制土压为P。当控制土压力P小于顶管机所处土层的地下水压力Pw与主动土压力PA之和时，土就涌向顶管机土仓，结果就会造成地面沉降。其原因往往是由于推进速度过慢，螺旋输送机的实际排土量大于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。
[A] [B]
图1土压平衡顶管的工作原
源于：论文发表网www.udooo.com
理反之，如果当控制土压力P大于顶机所处土层的地下水压力Pw与被动土压力PP之和时，结果就会造成地面隆起。其原因往往是由于推进速度过快，螺旋输送机的实际排土量大大小于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。螺旋输送机的正常排土量应该为顶管机推进过程的中理论排土量的９５％～１００％。
所谓土压平衡顶管，实际上就是把顶管机土仓内的土压力控制在顶管机所处土层的主动土压力与被动土压力之间，也即：
PA＜P＜PP
式中： PA－主动土压力（KPa）；
P－控制土压力(KPa)；
Pp－被动土压力(KPa)。
这样，在整个顶管施工过程中，顶管机土仓内的压力与顶管机所处土层中的土压力终是处于一种平衡的状态，这就是土压平衡顶管机的基本工作原理。
由于主动土压力和被土压力之间的压力值范围较广，同时又由于土压力的变化是一个非常复杂的过程，并且，在计算主动土压力和被动土压力时会因为选取的各种参数不准确就很容易造成误差。所以必须在主动土压力和被土压力之间的这个较大范围中取处于中间的那一段，以减少土压力值的波动所带来的影响。因此，常用的控制土压力的取值方法是在顶管机所处土层的静止土压力的基础上，规定一个上限和下限，具体的计算公式为：
P＝k0•P0
式中：K0－静土压系数；
P0－静止土压力（KPa）
上述静止土压力系数K0在砂性土中可取0.25～0.33 之间，在粘上中可取0.33～0.7之间。而静止土压力则为：
P0＝γ •h
γ－土的容量（KN／m3）
h－覆土深度（m）。
主动土压力PA为：
PA＝γh ·tg2(450－φ／2)-2C·tg(450－φ/2)
式中：φ－土的摩擦角（度）；
C－土的内聚力（KPa）。
被动土压力PP为：
Pp=γh· tg2(450＋φ/2)＋2C·tg(450＋φ/2)
4 顶管法施工要点
4.1工作坑的布置
工作坑的洞口应按图2所示的方法处理。图2——[A]是工作坑的剖面图，[B]是从洞口水平中心线剖开的俯视图。[A][B]
图2 工作坑的洞口处理
洞口的左边是用槽钢插入做成的钢封门，槽钢的顶端在工作坑沉到位以后离地面以下最多不得超过1米，且要易于拔起。洞口的中间填的是粘土，洞口的右边是砖墙，工作坑的内壁上安装有洞口止水圈。
工作坑布置除了上述的洞口止水圈安装以外，还包括基坑导轨、后靠板、主顶油缸架等的安装，配电箱和电缆的布置，激光径纬仪的安装和校正。在工作坑布置的同时，地面上起重设备等也应进行。在工作坑布置中还必须加设安全护栏，工作坑布置图如图3所示。
图3 工作坑布置图
1－待用管、2－顶管机、3－混凝土管、4－洞口止水圈、5－基坑导轨、 6－顶铁、
7－主顶油缸、 8－主顶油泵、 9－激光径纬仪、10－后靠板。
工作坑的布置中要注意以下几个问题：1、基坑导轨一定要安装牢固，不能有松动，一定要水平，否则会使顶失败。2、后靠板安放要垂直，与井壁之间的空隙要用沙石填实。3、主顶油缸与后靠板要垂直，其合力点最好比管中心低50～100mm。