[发明专利]一种利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法

说明书

本发明涉及顶管隧道工程技术领域，公开了一种利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法；其包括如下步骤：S1，采集计算管节接触压力所需的工程参数；S2，根据工程参数计算浮力指数Ω，浮力指数Ω为顶管隧洞超挖间隙内的地下水对管节的最大浮力与管节自重之比；S3，根据所得的浮力指数Ω对顶管工程进行分类，计算超挖间隙内地下水的最佳水位高度H；S4，顶进作业，利用顶进机开挖顶管隧洞并顶进管节；管节顶进过程中，管节与管节之间、管节与顶进机头之间和管节与顶管隧洞洞口保持密封连接；控制管节外超挖间隙内的水位，使超挖间隙内的水位等于或接近最佳水位高度H。其能够减小管节顶进的阻力，从而提高顶管施工极限顶进距离。

技术领域

本发明涉及顶管隧道工程技术领域，具体涉及一种利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法。

背景技术

顶管法是一项非开挖掘进式管道铺设施工技术，具有开挖扰动小、掘进速度快、安全风险小等优点，被广泛用于地下输水管道、天然气石油管道、通讯电缆等各种管道的建设。

顶进阻力是影响顶进设备选型、管节结构设计、中继间布置和极限顶进长度的关键因素，摩擦阻力是长距离顶管工程中顶进阻力的主要组成部分。在实际工程中通常会采取超挖等措施，以减小顶管顶进过程中管道外壁与周围岩土体的摩擦阻力。顶管法在土质地层顶管施工中应用广泛，施工技术较为成熟。

近年来，随着顶管施工技术的快速发展，顶管法的应用范围从原来的粘土、砂土等土质地层拓展到了各类岩石地层中。岩石地层隧洞采用顶管法开挖后洞壁比较稳定，管外超挖间隙是稳定的环状空腔。在富水岩质地层中，由于环保要求，地下水不允许随意外排，均需在始发端封环经处理后外排，地下水会在超挖间隙中蓄积，其对管道的浮力不可忽视；现有顶管法施工技术中，对岩质地层地下水浮力影响下的管节与围岩接触及受力情况研究不足，地下水对管道的浮力未得到充分利用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法；其能够利用地下水的浮力使管节与围岩间的摩擦力减小，减小管节顶进的阻力，从而提高顶管施工极限顶进距离，减少中继间数量，加快顶管施工进度。

为达上述目的，本发明的利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法包括如下步骤：

S1，采集计算管节接触压力所需的工程参数，所述工程参数包括管节内半径r₀、管节外半径r₁、管节重度γ_c和超挖间隙内地下水的水体重度γ_w；

S2，根据所述工程参数计算浮力指数Ω，所述浮力指数Ω为顶管隧洞超挖间隙内的地下水对管节的最大浮力与管节自重之比；

S3，根据所得的浮力指数Ω对顶管工程进行分类，根据顶管工程的分类结果和所述工程参数，计算超挖间隙内地下水的最佳水位高度H；

S4，顶进作业，利用顶进机开挖顶管隧洞并顶进管节；管节顶进过程中，管节与管节之间、管节与顶进机头之间和管节与顶管隧洞洞口保持密封连接；控制管节外超挖间隙内的水位，使超挖间隙内的水位等于或接近所述最佳水位高度H。

进一步的，所述最佳水位高度H为超挖间隙内的水体对管节产生浮力，并使管节与顶管隧洞下部围岩的接触压力达到最小时的水体水位高度。

进一步的，所述浮力指数Ω的计算公式为：

其中，K＝r₁/r₀。

进一步的，所述浮力指数Ω满足0Ω≤1的顶管工程分类为第一类顶管工程，对应所述最佳水位高度H为地下水刚好没过管节顶部；

所述浮力指数Ω满足Ω1的顶管工程分类为第二类顶管工程，对应所述最佳水位高度H为根据管节-围岩接触压力公式：