[交通运输]论文终稿.doc
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1、摘 要摘要地下管线是城市基础设施的重要组成部分,它包括给水、排水、燃气、热力、电信、电力、工业管道等几大类,就象人体内的“神经”和“血管”,日夜担负着传递信息和输送能量的工作,是城市赖以生存和发展的物质基础,是城市高效率高质量运转的保证,被誉为城市的“生命线”。随着全球经济的持续发展、人口的迅速增长以及城市化进程的不断加快,地下管线的需求正变得越来越大,而由于人们环保意识的增强和对生活质量的关注,在地下管线工程建设中传统的开挖埋设方法正带来日益严重的问题,在这种情况下,非开挖技术(TT-Trencldess Technology)悄然兴起并得到飞速发展。顶管、水平定向钻技术更是广泛的应用到工程
2、中。目前我国经济正飞速发展,随着我国工程建设的快速发展,当前顶管、水平定向钻技术在我国有很广泛的应用,在很多工程建设方面取得了显著的成效。但是,顶管、水平定向钻施工时会对土体产生影响,使其承载力下降,会造成局部坍塌、沉降过大引发路堤变形、路面裂缝、冒浆等问题。因此,本次毕业设计中,针对以上问题,对顶管、水平定向钻技术的施工原理与工艺,对地面造成的土体扰动、地层损失及工程影响进行了分析。结合工程实例,根据施工工艺及对工程的影响,研究与地层损失及地层隆沉相关的施工参数设计;并提出一些监测控制方法及质量控制标准。关键词:顶管、水平定向钻技术、施工工艺、 地层损失、地层隆沉、参数设计、监测控制ABST
3、RACTUnderground pipelines is an important part of urban infrastructures, which includes pipelines for water supply, drainage, gas, heat, telecommunications, electricity and industrial piping, just as the bodys nerve and vessel, charged with the work of passing information and distributing energy day
4、 and night. Underground pipelines, known as the citys lifeline, are the material base for citys survival and development and guarantee for citys high quality and efficient operation, With the continued development of the global economy, rapid population growth and accelerated urban-based process, th
5、e demand for underground pipeline is becoming larger. Due to the fact that people are becoming more environmental consciousness and care more about life quality, using traditional methods in the underground pipeline project construction is facing serious problems. Under this circumstance, trenchless
6、 technology (TT-Trencldess Technology) has rise and develop rapidly. Pipe jacking, horizontal directional drilling technology has been widely applied to the projects.Chinas economy is developing rapidly as well as the construction works, pipe jacking, horizontal directional drilling technology can b
7、e applied to a wide range of projects in China. In many construction projects, trenchless technology has made remarkable achievements. However, pipe jacking, horizontal directional drilling construction will have impact on the soil, so soils bearing capacity declined, which will result in local coll
8、apse and excessive subsidence, the latter will lead to embankment deformation, pavement cracks, take pulp and other problems.Therefore, in this graduation thesis, I have analyzed the following problems: principles and techniques of pipe jacking and horizontal directional drilling technology, their i
9、nfluence on the ground caused by soil disturbance, soil loss and the project itself. According to some cases and the construction processs impact on the project, do some study on formation damage and Long Shen-related parameters design; and come up with some monitoring and control methods and qualit
10、y control standards.Keywords: pipe, horizontal directional drilling technology, construction technology, ground loss, formation, parameter design, monitoring and controlIII目 录目 录摘要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 概述11.2 非开挖技术工程应用21.3 顶管穿越技术与其应用31.3.1 顶管技术施工原理与工艺31.3.2 顶管主要施工工法51.4 水平定向钻技术及其现状61.4.1 定向钻技术
11、的诞生及施工过程61.4.2 水平定向钻技术的发展及现状81.4.3 水平定向钻技术的主要优势及应用91.5 本文主要内容9第二章 顶管穿越技术工程影响分析112.1 概述112.2 非开挖顶管施工中地层移动规律112.3 顶管施工地层损失分析122.3.1地层损失的原因122.3.2 地层损失计算分析142.3.3 对比分析162.4 施工影响分析172.4.1 工程背景172.4.2地面沉降计算182.4.3地表变形影响因素分析202.5 本章小结22第三章 水平定向钻穿越技术工程影响分析243.1概述243.2 水平定向钻关键技术243.2.1 主要施工工艺243.2.2 泥浆作用机理与
12、分析273.3 施工影响分析283.3.1 孔壁失稳机理分析与判别283.3.2水平定向钻施工中地表隆起和劈裂冒浆计算分析303.4穿越高速公路工程应用分析323.4.1工程背景323.4.2隆沉与劈裂破坏判别计算分析333.5 本章小结34第四章 非开挖技术施工参数设计与质量控制354.1概述354.2非开挖技术施工参数设计354.2.1顶管技术施工参数设计354.2.2定向钻技术施工参数设计404.3 非开挖技术的质量控制标准444.3.1顶管技术质量控制标准444.3.2定向钻技术质量控制标准474.4非开挖技术监测与风险防范494.4.1顶管穿越技术质量监测494.4.2 水平定向钻质
13、量控制与风险防范514.5 本章小结52第五章 结论54致 谢55参考文献56东南大学本科毕业设计第一章 绪论1.1 概述在现代城市建设中,随着经济的发展和世界人口的日益增长,地面资源及可开发的空间越来越少,城市地上空间的拥挤程度大大增加,进而产生诸如交通拥挤、环境质量差等诸多城市问题,地面空间的利用逐渐趋于饱和。随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强,开挖路面进行各类地下管线施工导致的社会问题,交通问题和环境污染问题已越来越受人民的关注;合理利用和开发地下空间成为解决城市问题的一条重要途径。非开挖技术(TTTrenchless Technology)以岩石钻凿隧道掘进物探等领域为背景,在现代机
14、械工程、自动控制、测控技术、断裂力学、光学等基础理论及相关技术支撑下,以主要面向地下管线建设而逐步形成的一门多学科交叉的综合技术。它涵盖近百种工艺方法,主要分为现场勘测、新建管线旧管修复或替换三大类,作为一种对环境友好的施工方法,具有综合成本最优等优势。现代非开挖施工技术是二十世纪七十年代末首先在西方发达国家推广使用的,以美国和德国发展最快,1986年,国际非开挖技术协会(ISTT-Internationa Society for Trenchless Technology)在伦敦成立,到目前为止有26个国家和地区加入了该协会,我国于1998年加入该协会成为第二十个成员国(CSTT-China
15、 Societyfor Trenchless Technology)。近年来,部分国家非开挖地下管线施工量普遍占到地下管线施工总量的10%,在大城市更高,如德国柏林市为40%,非开挖技术的应用己成为地下管线工程的一个新技术增长点。我国非开挖技术及相关设备的研究和开发起步较晚,1996年和1998年在北京召开了两次国际非开挖华南理工大学工学硕士学位论文技术研讨会,国家科委亦将“非开挖技术”列为重点推广项目,2000年国务院颁布的城市道路管理条例规定:新建路五年内不允许开挖,修复路3年内不允许开挖。可以预见,随着国家的重视,各界人士的关注和企业的参与,我国巨大的非开挖潜在市场将迅速地被挖掘出来。然
16、而,截止目前我国采用非开挖施工技术的比例还比较低,其主要原因是有关管理、设计、施工以及投资部门对这项新技术及其优越性了解不够,片面地理解施工成本,而不考虑综合成本、社会效益和环境影响等因素。近年来,随着我国基础设施和基础工业的迅速发展,石油、煤气、电力、电讯、自来水、污水等各种地下管线的需要在较长时间内都有较大的增长。这为我国非开挖技术的发展提供了有利的条件,市场潜力巨大。我国已经拥有一个相当庞大的地下管网系统,每年还有大量的新增网管。而地下管线的寿命是有限的,这也就意味着,随着现有地下管线的老化和损坏,同时又有大量的地下管线每年需要更换和修复。为了避开现有的密集管网系统,大城市管线埋深有加大
17、的趋势,开挖施工的成本随埋深的加大而提高,而非开挖施工的优越性更为显著。这些都对非开挖技术的推广应用产生极大的推动作用。1.2 非开挖技术工程应用随着工程实践的广泛应用,非开挖技术已得到长足的发展,目前工程中比较常用的非开挖穿越技术主要有以下几种。1)顶管法顶管法是使用最早的一种施工方法。最初,顶管施工法主要用于跨越孔施工时顶进钢套管,随着技术的改进也用于无套管的情况下顶进永久性公用管道,主要是重力管道。顶进施工时,首先选择工作坑的位置,开挖工作坑;然后按照管线的位置和坡度,在工作坑底部修筑基础,在基础上设置导轨,并将管节安放在导轨上;顶进前,在管端开挖导孔,再用千斤顶将管节顶入。2)导向钻进
18、(Guided Boring)铺管法采用方向可控和以水射流破土为主的钻进技术,使用地表放置的钻机,按设计轨迹钻一个导孔,然后在扩孔和回拉的同时铺入管线。采用带斜面的钻头,通过对其回转状态的控制,进行钻孔方向的调控。该方法适用于在松软地层中进行较小型的管线铺设。常见铺管直径在350mm以内,铺管长度在300m以内,铺管深度在15m以内。3)水平定向钻进(Horizontal Directional Drilling)铺管法方法施工原理同导向钻进铺管法,与其不同之处是采用螺杆马达和弯接头来进行定向钻进,通过弯接头的转与不转来实现造斜和保直钻进。该方法主要用于中、大型河流或较大规模障碍的管线穿越。最
19、大铺管直径可达1.2m,铺管长度可达1.5km,深度可达60m,且适用于各种类型地层。4)顶杆(Rod Pushing)铺管法采用该方法施工时,接在小直径钻杆前端的钻头在顶推力作用下挤开土层成孔;待钻头在另一端的工作坑中出露后,换接扩孔器扩孔,然后拉入工作管线。该方法简单易行、占地少、施工成本低,但只适合于在土层中铺设小直径和短距离的水平管线,一般用来铺设直径200mm以下、一次铺管长度20m以内的各种管线。表1-1 典型土层条件下适应的非开挖施工方法土层条件顶管水平钻进微型隧道螺旋钻进定向钻进导向钻进顶推钻进气动矛法夯管极软到软粘土层?中硬到硬粘土层坚硬的粘土层高度风化页岩?松散砂层?中到致
20、密的砂层(地下水位以上)?中到致密的砂层(地下水位以下)?含卵砾石的地层(50-100mm)?含卵砾石的地层(100-150mm)?风化的岩层坚硬的土层?微风化和未风化岩层?注: 表示为适用;?表示为改进后适用;表示为不适用。除以上介绍的常用技术之外,非开挖技术还包括冲击矛铺管法、夯管铺管法、水平螺旋钻铺管法、微型隧道铺管法等施工方法,每种施工方法都有各自的适用范围和局限性,所适用的管径、管材、施工长度、岩土条件等各有所不同,见表1-1。由表可见,非开挖技术中顶管技术和水平定向钻技术应用较为广泛。因此,本文主要针对顶管技术和水平定向钻技术的应用和影响,尤其是其在穿越公路工程中的应用进行分析研究
21、。1.3 顶管穿越技术与其应用顶管技术作为一种不开槽施工方法,自1896年美国北太平洋铁路公司铺设穿越铁路路线的铸铁管道以来,随着顶管机性能的改进,顶管法设计和施工技术理论也在不断完善;由于其技术优势突出在世界范围得到广泛的应用,其施工技术施工工艺也得到了很大的发展。1.3.1 顶管技术施工原理与工艺顶管施工是利用主顶油缸和管道间的中继环的推力,把工具管从始发工作井内推入土层并顶到接收井内吊起,而随工具管推进的预制管节则埋设在两工作井之间。所谓顶管施工工艺是指从机械设备开始进入场地到顶进全部结束的整个过程,管道顶进施工可分为以下四个阶段:工作井和接收井的制作;工具管出洞;后续管道顶进;工具管入
22、洞。 1) 工作坑和接收坑的制作工作井和接收井的形式多样,一般有钢板桩、沉井、地下连续墙以及SMW法等多种形式,根据顶进型式可将工作井与接收井制成圆形与矩形。始发工作井用以安装顶进设备和承受主千斤顶的反作用力,工具管和后续管节被吊入始发工作井并从这里向接收工作井顶进。接收工作井则用以接收工具管并由此吊出,有些接收井也作下次顶进时的工作井。一般工作井要比接收井坚固得多,表面尺寸也较大。 图1-1 顶管工作井与顶管出洞2) 工具管出洞在顶管施工过程中,工具管的出洞具有较大的难度和不确定性,应根据实际情况采取相应的措施。由于工具管外径设计时小于洞口直径,地下水与泥浆就会由此空隙流入工作井内,因而会引
23、起洞口上部土体的塌陷,影响周围建筑的安全。在地下水含量丰富的地区,工具管出洞前应先对周围地层的地下水作降水处理,或对出洞口附近的土体进行加固处理,防止出洞时土体的大量流失。为了确保工具管安全出洞,尽量避免泥水流失而造成地面塌陷,可在洞口附近一定范围内采用高压旋喷、注浆、冻结、深井降水等加固施工措施。而后在工作井壁面出洞口的预留位置上凿除封门处的混凝土或砖墙,将工具管机头顶入凿出的洞口,同时机头前端刀盘转动切削井壁上剩余的混凝土及土体,顶进过程开始。 图1-2 加设后续管与顶管入洞3) 后续管道顶进工具管机头顶入后,钢筋混凝土管节随后陆续放入,同时进行定向测量,根据测量结果随时对顶进机头进行纠偏
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