安装在工作坑(井)内的顶推设备统称为顶进系统,其中主要设备是主油缸,其作用是造成强大的顶力将管道沿着设计轴线顶出工作坑(井)。

图12.20　钢管中继环构造图

1—密封圈；2—钢护套管；3—后段环形梁；4—中继油缸；5—前段环形梁

1.定位

(1)主油缸的合力中心。数台主油缸组成顶管主站。主油缸布置原则是左右对称,可以是2台,4台,6台,8台。无论采用几台油缸,其合力中心是依据顶推的需要决定的。在穿墙阶段,与主油缸顶力抗衡的是工具管的正面阻力,如果主站的合力中心偏上,管道穿墙后可能偏下。反之,合力中心偏下,管道可能偏上。

管道穿墙时,工具管入土较浅,土的支承面较小,支承面的应力就较大,工具管容易下沉。入土深度增加后支承面应力很快就减少,工具管不再下沉。为了防止穿墙初期工具管下沉,顶力的合力中心也应偏下。

一方面覆土较薄时,合力中心需要下移,另一方面,穿墙时为防止管道下偏,合力中心也需要下移。所以,顶力合力中心一般要求低于管中心,约R/5～R/4。

(2)坑(井)底标高。钢筋混凝土管顶进设备布置如图12.21所示。

图12.21　钢筋混凝土顶管顶进系统

1—顶铁；2—油缸架；3—油缸；4—环形顶铁；5—后背；6—导轨；7—穿墙止水；8—管道；9—工具管

管轴线离底板的高度：

式中　H——管轴线离底板的高度；

D——管道的外径；

H1——管底离底板的高度,钢管取H1=800～900mm,钢筋混凝土管取H1=400～450mm。

2.顶进设备

管轴线离底板的高度确定以后,主油缸的合力中心高度也相应确定。顶进设备安装时均应以此为依据。顶进设备包括：导轨、主油缸、顶铁、后背及后座。

(1)导轨。导轨安装在前方,接近穿墙管。它的作用是支托未入土的管段和顶铁,起导向的作用。

钢筋混凝土管导轨如图12.22所示,支托轨道有面支承、线支承两种。管道较大时,宜采用面支承。

图12.22　钢筋混凝土管顶管导轨(单位：mm)

导轨应牢固地固定在底板上,底板上应有预埋板与导轨连接。导轨对管道的支承角一般选用60°。导轨安装应顺直、平行,等高或略高于该处管道的设计高程,其纵坡应与管道的设计一致。

(2)主油缸。主油缸是顶进系统的核心,安装时,应根据已确定的合力中心位置,左右对称布置。主油缸轴线应与管轴线平行,与后背(或后座)垂直。油缸着力点无间隙。主油缸一般应安放在支架上,主油缸的支架如图12.23所示。对自重较轻的主油缸可以不用支架。

图12.23　油缸支架

(a)框架支架；(b)U形支架

图12.24　长行程油缸顶管

主油缸的顶力一般采用1000kN、2000kN、3000kN和4000kN,行程要长,一般应大于1m,否则影响顶管施工效率。长行程油缸是发展方向,行程长可以减少吊放顶铁的次数,提高施工效率,如行程长度超过下井管段的长度,则可以取消顶铁,施工效率更高,如图12.24所示。钢筋混凝土管段一般长度为2.0m或2.5m。所以采用行程3.0m的主油缸就可以取消顶铁。

长行程油缸一般是双行程等推力油缸,如图12.25、图12.26所示。油缸行程分两节,而且每节顶力不减。第一节工作时,顶力由大活塞产生。第一节顶到位后,第二节活塞杆继续向前伸出。第二节的顶力由第二节活塞杆的液压面加第二节活塞杆内的小活塞面共同产生。该油缸的工作原理也可以理解为由两只双作用油缸组成,其中第二只油缸是第二活塞杆,这是一只倒装的油缸。

图12.25　双行程等推力油缸(单位：mm)(www.daowen.com)

(3)顶铁。顶铁是为了弥补油缸行程不足而设置的。顶铁要传递顶力,所以顶铁两面要平整,厚度要均匀,受压强度要高,刚度要大,以确保工作时不会失稳。顶铁厚度要小于主油缸的行程。顶铁厚度可按下式计算：

式中　t——顶铁厚度,mm；

l——主油缸行程,mm；

l1——回弹量,一般取100mm；

l2——吊具间隙,一般取100mm。

例如,油缸行程是1.2m,顶铁厚度是900mm。

顶铁形状有两种：弧形顶铁和U形顶铁,如图12.27所示。弧形顶铁的开口是向上的,它是由两块弧形的钢板之间焊上筋板或无缝钢管而成的。弧形顶铁一般用于钢筋混凝土顶管。弧形的内圆与钢筋混凝土管的内径相等,内缘焊上钢板,便于行走和车辆进出。

图12.26　双行程等推力油缸工作原理图

图12.27　顶铁(单位：mm)

(a)U形；(b)弧形

U形顶铁的开口也是向上的,结构与弧形顶铁相同,仅仅外形不相同,一般用于钢管顶铁。这种顶铁便于人员行走。但车辆进出不便,适用于管道排泥。

另一种顶铁是环形顶铁,外形成闭合状,是直接与管段接触的顶铁。它的作用是将顶力尽量均匀地传递到管段上(图12.28)。图12.28(a)是用于钢管顶管的环形顶铁,环面的中心与钢管管壁接触,图12.28(b)是用于钢筋混凝土顶管的环形顶铁,因为F形接头的钢护套管是朝后的,因此必须要用此环形顶铁,安装时将部分环形顶铁插入钢护套管,使钢护套管不承受顶力。

图12.28　环形顶铁

(a)钢管用；(b)钢筋混凝土管用

(4)后背及后座。后背是指将主油缸的顶力传递到土体上的承重结构,如图12.29所示。例如钢板桩围成的基坑,承受不了主站的后座反力,因此需要另浇筑钢筋混凝土的后背,或者吊放一块钢后背。但是如果基坑是沉井,则井墙就是很大的后背,不需要再添后背。这时为了使作用于井墙上的油缸反力扩散,保护井墙不受损伤,在井墙前才加上后座。