控制背土的矩形顶管施工系统及长距离顶管工程施工方法与流程

本发明涉及顶管隧道施工，具体涉及一种控制背土的矩形顶管施工系统及长距离顶管工程施工方法。

背景技术：

1、随着城市建设的不断发展，对城市地下空间的建设需求与日俱增，而传统的地下管道和通道施工技术已经无法满足现代化建设的要求，因为这些施工技术需要大量开挖地表，带来的便是不可估量的环境破坏。在这种情况下，矩形顶管技术一跃成为了非开挖技术的代表之一。矩形顶管法采用特殊的施工技术，尽可能减少对地面的干扰和破坏，从而为城市的环境保护和地下管网合理规范化建设带来了极大的贡献。矩形顶管技术凭借其优点，在现代城市建设中得到了广泛应用和发展。

2、在实际矩形顶管施工顶进过程中，由于矩形顶管上表面几乎为水平，在顶管施工埋深较浅的情况下，上部土体的卸载拱作用相对不明显，卸载拱高度以内的土体在自重作用下坍塌覆于顶管上表面，使得顶管向前顶进过程中受这部分土体摩阻力的影响较为明显，土体在摩阻力反作用下会随顶管方向发生压缩变形或移动，即发生背土效应。

3、背土效应的产生使得地表出现了明显的隆沉现象，现有的技术措施是通过注浆降低管节与土体之间的摩擦力。但在一些长距离的顶管工程中，由于注浆不及时等原因，背土效应对地表的危害仍十分明显，因此有必要设计一种更加稳定、有效的顶管施工设备，以弱化背土效应。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的不足，本发明提出一种控制背土的矩形顶管施工系统及长距离顶管工程施工方法，弱化了较长顶程下的背土累积效应，进而减小背土效应对地表产生的隆沉危害。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明首先提供一种控制背土的矩形顶管施工系统，用于长距离顶管工程，该矩形顶管施工系统包括：常规管节，所述常规管节以若干节依次排布被顶进隧道中；特殊管节，所述特殊管节以间隔若干节所述常规管节增设至少一节被顶进隧道中，并且所述特殊管节包括：特殊管节本体，所述特殊管节本体无顶板，顶部敞口，并且其高度小于所述常规管节；加强顶板，所述加强顶板设置于所述特殊管节本体的顶部敞口处，两端支撑于所述特殊管节本体的两侧壁顶部并与所述特殊管节本体活动连接，并且能够被顶升进入隧道顶部超挖区；顶升千斤顶，所述顶升千斤顶设置于所述特殊管节本体的底板上，用于将所述加强顶板顶升进入隧道顶部超挖区；支撑千斤顶，两组所述支撑千斤顶在所述加强顶板被所述顶升千斤顶顶升进入隧道顶部超挖区后设置于所述特殊管节本体的两侧壁顶部与所述加强顶板底部之间，支撑所述加强顶板的两端。

4、在一个较佳实施例中，所述特殊管节还包括：可伸展钢板连接件，两组所述可伸展钢板连接件分别设置于所述特殊管节本体的两侧壁顶部与所述加强顶板底部之间，并分别与所述特殊管节本体和所述加强顶板连接固定，所述可伸展钢板连接件在初始状态下折叠，并且能够在所述加强顶板被顶升过程中随动展开。

5、在一个较佳实施例中，所述可伸展钢板连接件为∑型钢构件，由钢板制成，包括上翼缘、下翼缘和腹板，并且上翼缘、下翼缘与腹板之间可折叠和展开。

6、在一个较佳实施例中，所述∑型钢构件的长度方向尺寸与所述特殊管节本体的侧壁一致，宽度方向尺寸小于与所述特殊管节本体的侧壁，高度方向尺寸小于所述特殊管节本体与所述常规管节的高度差。

7、在一个较佳实施例中，所述∑型钢构件由高强钢板制成，其上表面喷涂由硼、铝和镁三种元素组成并具有超高硬度和极低摩擦系数的特殊润滑材料bam涂层。

8、在一个较佳实施例中，所述∑型钢构件的上部和下部均通过高强螺栓与所述特殊管节本体的侧壁连接固定。

9、在一个较佳实施例中，该矩形顶管施工系统还包括：注浆系统，所述注浆系统包括多个预设在所述加强顶板内的注浆孔，所述注浆孔贯通所述加强顶板前后，用于向隧道顶部超挖区注浆、补浆。

10、在一个较佳实施例中，该矩形顶管施工系统还包括：位置监测系统，所述位置监测系统包括设置于所述加强顶板下表面的水平仪，用于实时监测加强顶板的位置；和/或压力监测系统，所述压力监测系统包括设置于所述加强顶板后表面的一个或多个无线压力传感器，用于在顶进过程中实时监测加强顶板后方土体沉积量的变化。

11、在一个较佳实施例中，所述可伸展钢板完全伸展后的高度与隧道顶部超挖区高度相等。

12、在一个较佳实施例中，所述顶升千斤顶包括：千斤顶本体，所述千斤顶本体设置于所述特殊管节本体的底板上；底部法兰盘，所述底部法兰盘安装于所述千斤顶本体的顶撑端；多根大型顶柱，所述多根大型顶柱的下端安装于所述底部法兰盘上；顶部法兰盘，所述顶部法兰盘安装于所述多根大型顶柱的上端，并支撑所述加强顶板。

13、本发明还提供一种基于所述矩形顶管施工系统的长距离顶管工程施工方法，包括：s1：根据工程实际设定特殊管节的布置数量和间距；s2：按顶管工程的正常顶进流程将若干节常规管节顶进隧道中；s3：在特殊管节上安装水平仪和无线压力传感器，并将至少一节特殊管节顶进隧道中，可伸展钢板连接件处于初始折叠状态；s4：特殊管节完全顶进隧道预定位置处后，引入顶升千斤顶，将其固定在特殊管节底板上，并将四根大型顶柱借助顶部法兰盘支撑加强顶板，以位移控制顶升千斤顶的顶升，控制顶升距离为隧道顶部超挖区高度的95％至105％；s5：可伸展钢板连接件处于完全伸展状态，引入支撑千斤顶，将其固定在支撑通道，以应力控制支撑千斤顶的支撑，控制应力大小以加强顶板的重力及上覆土压力之和为基准；s6：顶升千斤顶卸力，实时监测水平仪变化并通过调整支撑千斤顶保持水平仪水平，拆除顶升千斤顶并吊出；s7：将注浆孔连接常规管节的注浆管，常规管节与特殊管节一同继续顶进，顶进过程中实时监测加强顶板后方的压力值，当压力值达到一个平稳的峰值后，对特殊管节与其后普通管节之间的隧道顶部超挖区进行及时注浆、补浆。

14、本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提出的矩形顶管施工系统及长距离顶管工程施工方法，对长距离矩形顶管工程进行多个短距离拆分，通过设定合理数量与间距的特殊管节，对管节与顶管机之间的土体损失区进行机械填充，实现对上覆土体的支护，弱化了较长顶程下的背土累积效应。并且，本发明还至少能够获得如下技术效果中的一个或多个：

15、通过设定合理数量与间距的特殊管节，将长距离矩形顶管进行了多个短距离拆分，两个相邻的特殊管节所形成的空间形成为闭合小单元，每个闭合小单元间仍会产生背土效应，但由于加强顶板的存在，背土效应不会进一步累积，从而减弱了对地表的影响。

16、加强顶板的上表面喷涂了bma涂层，能够起到很好的润滑效果。在顶管顶进时，加强顶板上表面与覆土间产生的摩擦极小，又由于bma的超强硬度，使得其在顶进过程中的磨损极小，因此全部顶程内都能起到很好的润滑和减磨效果，极大减小特殊管节的顶进对上覆土体的扰动，很好地适用长距离顶管工程施工。

17、加强顶板的顶升过程由位移控制，可根据工程的实际情况，调整位移量，使得加强顶板起到主动支护的作用，提高了其部分上覆土的强度。

18、加强顶板的后侧安装的一系列无线压力传感器，通过接收装置时刻接收其压力值数据，当压力值达到一个平稳的峰值后，对该特殊管节与其后普通管节隧道顶部超挖区进行及时注浆、补浆，能够及时补充超挖区浆液，保证管节与土体的润滑。

19、应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。