southwestjIaotongunIversIty《地下空間利用》課程第

八

章地下管線微型隧道西南交通大學Southwest

JiaotongUniversity內(nèi)

容

提

要123概述地下管線工程勘察與探測微型隧道施工設(shè)備及工法微型隧道的受力分析與設(shè)計4概

述1開槽施工頂管施工（一）非開挖技術(shù)非開挖技術(shù)是一種對環(huán)境無公害的地下管線施工技術(shù)，指利用巖土鉆掘手段在地表不挖溝的情況下，鋪設(shè)、修復(fù)和更換地下管線。非開挖技術(shù)被廣泛應(yīng)用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流，以及在鬧市區(qū)、古跡保護區(qū)、農(nóng)田和環(huán)境保護區(qū)等不允許或不能開挖條件下進行煤氣、電力、供排水、電訊、有線電視線路、天然氣管道等的鋪設(shè)、更換和修復(fù)。（一）非開挖技術(shù)據(jù)統(tǒng)計，全世界每年有100萬km的地下管線需要新建，總投資超過300億美元；而發(fā)達國家現(xiàn)有各類地下管線總長約2000萬km，為更新、修復(fù)這些地下管線，每年還需投資300億～350億美元。我國每年需鋪設(shè)的管線長度包括上水管5000km、下水管3000km、電訊管線26000km，此外還有30000km的管道急需更新和修復(fù)。（一）非開挖技術(shù)我國現(xiàn)代頂管和微型隧道技術(shù)起步較晚，設(shè)備主要依靠進口，技術(shù)水平和國外仍然有很大的差距。但同時該技術(shù)在我國又有巨大的市場需求，在中國管道建設(shè)即將大發(fā)展的21世紀，該技術(shù)將具有十分廣闊的應(yīng)用前景。（二）頂管技術(shù)和微型隧道1.

頂管技術(shù)頂管技術(shù)（Pipe

Jacking）表述的不但是一種具體的非開挖管道鋪設(shè)方法，同時還是以頂管施工原理為基礎(chǔ)的一些非開挖鋪管技術(shù)的總稱。（二）頂管技術(shù)和微型隧道1.

頂管技術(shù)在施工中，通過位于第一節(jié)管道的可控頂管機（或盾構(gòu)機），可以實現(xiàn)直線或曲線頂進。巖石的破碎方法可以在工作面上通過手工、機械或者水力的方法進行分步破碎來實現(xiàn)，也可以通過機械全斷面破碎來實現(xiàn)。輔以高壓水來破碎前方障礙（二）頂管技術(shù)和微型隧道1.

頂管技術(shù)頂管技術(shù)是指首先采用頂管掘進機成孔，然后將人可進入的尺寸大小的管道從頂進工作坑頂入，以形成連續(xù)襯砌的管道非開挖鋪設(shè)技術(shù)。對于人能進入的管道直徑的定義，不同國家之間稍有不同，但900mm是一個普遍接受的最小值。（二）頂管技術(shù)和微型隧道1.

頂管技術(shù)頂進管道具有兩個作用，一是支撐開挖空間，二是作為管線構(gòu)筑物。管道可以事先在工廠預(yù)制，也可以在施工現(xiàn)場的野外工廠生產(chǎn)；較大直徑的管道必須在施工現(xiàn)場進行制造。（二）頂管技術(shù)和微型隧道2.

微型隧道微型隧道（Micro-tunnelling）是小直徑的頂管施工方法。微型隧道所適用的管道內(nèi)直徑小于900mm，這一管道直徑通常被認為無法保障人在里面安全工作。但是，這一直徑上限并不是絕對的，日本人認為800mm的管道內(nèi)徑就已經(jīng)足夠人在里面工作了，而歐洲人則把這一上限提高到1000mm，特別是在長距離頂管施工中。（二）頂管技術(shù)和微型隧道2.

微型隧道無論其精確的管道直徑是多大，微型隧道的施工精度要求都比較高，通常采用地表遙控的方法來施工事先確定了方位和水平高度的管道，施工中工作面的掘進、泥沙的排運和掘進機的導(dǎo)向等全部采用遠程控制。導(dǎo)向油缸和激光導(dǎo)向系統(tǒng)（二）頂管技術(shù)和微型隧道頂管技術(shù)和微型隧道的主要區(qū)別是管道直徑的大小，而不是是否采用了遠程控制系統(tǒng)。在研究用于新管道鋪設(shè)遠程控制微型隧道掘進機的同時，人們還開發(fā)了用于舊的污水管道在線更換的微型隧道掘進機，使得舊管道的破碎、挖掘和更換鋪設(shè)在同一施工過程中一次完成。3.

非開挖施工與開槽施工的成本對比采用傳統(tǒng)的開槽法鋪設(shè)管道時，若管道埋深超過1.5～2.0m，由于需要對地層進行支護和（或）要對地層進行降水處理，同時，需要更多的人力作業(yè)，機械設(shè)備的生產(chǎn)效率受到限制。所以，施工成本則開始大幅度增加；甚至對于埋深較淺的鋪管作業(yè)，如果管道直徑超過DN

300mm，其施工成本也會明顯增加。3.

非開挖施工與開槽施工的成本對比工程的附加費用通常由很多因素引起，但主要因素如下：（1）人工開挖作業(yè)量所占比例較大；（2）需要對其他地下設(shè)施進行保護；（3）需要對開挖的地面進行臨時或永久恢復(fù)；（4）工作空間受到限制；（5）需要考慮車輛和行人的通行。3.

非開挖施工與開槽施工的成本對比采用頂管法在道路下面鋪設(shè)管道時，各部分施工費用的比例關(guān)系如圖所示微型隧道工法傳統(tǒng)開挖工法傳統(tǒng)法中的像開槽和道路復(fù)原這樣的臨時性工作則占用了大量的工程費用。頂管和微型隧道技術(shù)在管道埋深越大時越具有競爭力。在德國，7~8m的鋪管深度是分界點；英國采用頂管和微型隧道工法鋪設(shè)管道的深度一般也在7~8.5m。在繁華地段，由于開挖法的成本過高，從綜合方面考慮，應(yīng)采用非開挖施工方案。經(jīng)濟埋深如果下述因素中有任何兩個因素占主導(dǎo)，則應(yīng)考慮采用頂管或者微型隧道技術(shù)。根據(jù)約克郡水務(wù)公司的經(jīng)驗，如果施工深度大于等于4m，特別是管道的直徑也大于等于DN

500mm的同時，微型隧道和頂管技術(shù)特別具有競爭力。（1）管道埋深大于或等于4m；（2）在交通流量較大的繁忙道路下面施工；（3）上部或臨近有地下管線時；（4）不穩(wěn)定的地層條件；（5）在地下水位下施工；（6）地層移動具有危害性時；（7）在環(huán)境敏感地區(qū)施工；（8）在社會敏感地方（如花園或公園等）；（9）在工業(yè)和商業(yè)區(qū)域。2城市地下管線工程勘察與探測（二）城市地下管線工程勘察的基本要求非開挖施工時需要勘察與探測解決的巖土工程問題：（1）軟弱地基與堅硬地基交界部位，判明差異沉降導(dǎo)致的管線損壞可能性；（2）查明施工地段的巖土分布狀態(tài)、水文地質(zhì)條件；（3）當埋管較深，需深挖輔助坑槽時，應(yīng)對坑槽邊坡及鄰近建筑物的穩(wěn)定性進行分析評價（4）地下水對工程有影響時，選擇適宜排水方法，對可能產(chǎn)生的流沙、潛蝕、管涌等問題落實防治措施；（5）強震區(qū)進行地震效應(yīng)分析；（6）判明環(huán)境水和土對管材的腐蝕性，必要時采取措施；（7）查明地下埋設(shè)物的類型、埋深、位置，以免施工時損壞。（二）城市地下管線工程勘察的基本要求

勘探孔的布置要求

勘探孔的深度要求

取樣和測試要求3微型隧道施工設(shè)備及工法微型隧道施工過程中，從頂進工作坑開始，在頂進工作站（特殊情況下也可以采用中繼站）的作用下，將要鋪設(shè)的管道通過目標井頂出；與此同時，采用一個非進人式、遠程控制的微型隧道掘進機對工作面進行擠密或者全斷面破碎。（一）概

述微型隧道掘進機微型隧道的施工過程一般有兩種：?

單步施工法（一程式）：將生產(chǎn)管道跟在切削頭的后面直接頂進，整個鋪管工程一次性完成。?

雙步施工法（二程式）：先頂進一個特制的臨時鋼管道，在臨時管道施工完成后，再頂進永久性的生產(chǎn)管道來替換臨時管道，并將臨時管道從接收坑中進行回收。此法優(yōu)點是可以作用較大的頂進荷載，減少對管道的損壞，同時還可以獲得較大的頂進長度。（一）概

述根據(jù)施工中成孔的方法和泥土的排出方法不同，可以將微型隧道工法分為以下幾種類型：（1）先導(dǎo)式微型隧道工法；（2）螺旋排土式微型隧道工法；（3）水力排土式微型隧道工法；（4）氣力排土式微型隧道工法；（5）其他機械排土式微型隧道工法；（6）土層擠密式微型隧道工法。（一）概

述先導(dǎo)式微型隧道工法也稱為先導(dǎo)孔（鉆進）施工法。在施工過程中，管線的鋪設(shè)基本上是通過兩個（或者最多三個）步驟來完成。第一步是先導(dǎo)孔鉆進，可以采用土層擠密式鉆進方法或排土式鉆進方法；第二步是擴孔鉆進，這一過程也可以采用土層擠密式鉆進方法或排土式鉆進方法來完成，施工中不需要進行導(dǎo)向。（一）概

述擴孔施工（一）概

述螺旋排土式微型隧道工法也稱為頂推鉆進法或頂推鉆進頂管施工法。其特點是：一般應(yīng)用于軟地層（特殊情況下也可用于堅硬地層），施工管線通過單步或者雙步施工法頂入地層。同時，通過切削刀盤來破碎工作面并通過螺旋輸送裝置將破碎下來的泥土連續(xù)地排至地表。（一）概

述螺旋式出土（一）概

述水力排土式微型隧道工法也稱為盾構(gòu)式頂管施工法。這種施工方法的特征是：管道通過單步或者雙步作業(yè)法進行頂進，同時通過切削刀盤對機械或液壓平衡的工作面進行全斷面破碎，并將破碎下來的泥土通過水力的方法，連續(xù)地從位于刀盤和導(dǎo)向頭后面的破碎室或泥漿室中排至地表（在其他文獻中也稱為濕式排土、沖洗式排土或者泥漿式排土）；切削刀盤和導(dǎo)向油缸的動力裝置直接安裝于掘進機中。（一）概

述氣力排土式微型隧道工法的特點是：管道可以進行單步或者雙步施工法頂進；在管道頂進的同時，利用切削刀盤對機械和土壓平衡的工作面進行全面破碎，并通過沖洗介質(zhì)——空氣——連續(xù)地將破碎下來的泥土排出。從結(jié)構(gòu)和工作原理來看，該工法和水力排土式微型隧道工法的唯一區(qū)別是將沖洗介質(zhì)換成了空氣。其排土系統(tǒng)可以分為兩種類型：抽吸式和壓入式。（一）概

述所謂的“其他機械排土式微型隧道工法”，其特點是：在頂進管道的同時，通過切削刀盤將工作面破碎；并采用上述機械方法之外的其他方法，將泥土連續(xù)或非連續(xù)地排至地表。例如，瑞典的Lundby工法即是這類施工方法的代表。該工法的基本原理是：頂進管道的前端是敞開的（沒有碎巖工具的敞口式掘進機），為了減小摩擦阻力，將進入工具管的泥土定期地通過一個鏟土裝置輸送至始發(fā)井，然后利用一個特殊的槽式機械抓斗排出地表。（一）概

述土層擠密式微型隧道工法的特點是：管道采用單步施工法；在頂進管道時，通過擠密頭和導(dǎo)向頭將土層擠密至周圍的孔壁，不需要輸土系統(tǒng)。（二）螺旋排土式微型隧道工法3、微型隧道施工中障礙物的排除方法從施工技術(shù)方面來看，障礙物可以分為如下兩類：不可排除的障礙物和可以排除的障礙物。在非開挖施工中，不可排除的障礙物被視為不可逾越的障礙，只有通過改變原定的施工方案將其繞過。這類障礙物一般為鋪設(shè)于地下的各類供應(yīng)管道、排污管道、地下建筑物以及建筑物的基礎(chǔ)等對于可排除的障礙物，可以理解為地層的不均質(zhì)性，其表現(xiàn)形式主要有地層中沉積的卵礫石、孤石、漂石、樹根、樹樁或者遺留在地層中的建筑物的殘墻斷壁等。在遇到不可預(yù)見的障礙物時，為了排除障礙物則必須中斷施工；情況嚴重時還必須拆換原有的施工設(shè)備，甚至導(dǎo)致已完成的施工孔段報廢。（二）螺旋排土式微型隧道工法3、微型隧道施工中障礙物的排除方法通?？梢酝ㄟ^下述方法來判斷施工中遇到了障礙物：①施工中頂進力突然上升；②刀盤回轉(zhuǎn)有被阻斷現(xiàn)象并伴隨有掘進機轉(zhuǎn)動偏斜；③施工效率下降；④可以通過聲響來判斷（如果在刀盤和導(dǎo)向頭中安裝了麥克風）。（二）螺旋排土式微型隧道工法3、微型隧道施工中障礙物的排除方法在任何情況下，如果通過所采用的施工方法無法將所遇到的障礙物破碎，則必須通過下述方法來進行排除：（1）從外部進入排除障礙物，即從地表進入。（2）從內(nèi)部進入排除障礙物，即從掘進機的破碎室進入。對于非進人式的非開挖管線施工技術(shù)，其障礙物的排除方法只能是首先進行開挖，然后從地表進入將障礙物排除（見圖8.13）。圖8.13

開挖地表排除障礙物（二）螺旋排土式微型隧道工法3、微型隧道施工中障礙物的排除方法這里還存在著這樣一種可能性，即在障礙物的前方施工一個比較深的鉆孔或者輔助工作坑，當掘進機向前推進時，恰好可以將障礙物推入其中（見圖8.14）。圖8.14

障礙物的鉆孔排除祛4微型隧道的受力分析與設(shè)計（一）頂進管道的受力分析1、垂直作用于管道軸線方向上的荷載（一）頂進管道的受力分析在特定的施工和使用條件下，究竟哪些荷載是主要的，要根據(jù)具體的施工條件來確定。在這些荷載中，有一些是比較容易確定的，比如管道的重量、管道中所要運送的流體的重量；另外，輸水和輸氣管道內(nèi)部所受的額外壓力（正壓或者負壓）也可以根據(jù)經(jīng)驗很方便地計算出來。（二）頂進力的分析計算微型隧道和頂管技術(shù)中的頂進力（Jacking

Loads）是在施工中推進整個管道系統(tǒng)和相關(guān)機械設(shè)備向前運動的力，需要克服頂進中的各種阻力（摩阻力、工具管前端的迎面阻力或稱為貫入阻力等），如圖所示，同時在頂進過程中還不斷受到各種外界因素（糾偏、后背的位移等）的影