1.本发明涉及顶管施工技术领域，尤其涉及一种人工顶管顶进系统及方法。
背景技术：2.顶管法作为一种不开槽施工方法，其最大的优越性在于采用不开槽的暗挖方式，这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下构筑物和管线复杂的城市管道施工来说具有无可比拟的优点，得到越来越广泛地应用。
3.但是作为一种地下开挖方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，甚至会引起过大的地面沉降；且要使建成后的管道沿设计路线延伸，就必须保证顶管掘进过程中位置、角度等准确性。
4.在顶管法广泛应用的今天，顶管施工控制技术的发展使得当我们在长距离、大管径以及一些复杂的地质结构的高难度顶管施工能够顺利开展。在顶管施工过程中会进行土体开挖等引起地层损失的操作，土体出现地层损失后会发生土体位移，从而产生地面沉降。当地面沉降过大时，顶管施工将对施工区域周围建筑物(结构)和邻近地下管线构成危害。因此才在顶管施工过程中需采取相应的措施对施工中产生的地面沉降进行控制。在软土层中掘进时，由于土体自稳性差，大直径管道自重大，在顶进过程中管道极易偏离设计的顶进方向，如不采取有效措施控制管道的顶进姿态可能会造成管道偏差较大，无法纠偏，导致工程失败。
5.公开号为cn109707383a的专利提供了一种顶管施工方法，所述方法包括：进行顶管施工测量包括利用激光测试仪检测顶管机的机头的顶进位置以及角度，根据检测到的结果与预期的效果进行比对，并通过控制器控制顶管机的机头的前进方向以及位置；在顶进工作结束后进行泥浆置换，在钢管的外壁的土体上开设注装孔，在注装孔上安装第三注浆管路，第三注浆管路用于通入水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆以置换钢管外壁处的触变泥浆，以提高钢管处土体的结构强度以防止地面沉降；泥浆置换结束后，拆除第三注浆管路，并将注装孔进行注装封堵，并在注装孔的外侧设置密封板以进行密封。
6.针对顶进过程中管道极易发生的顶进方向偏离的问题，现有技术大多在管道口设置有姿态调整装置，在每次顶进前先进行姿态调整，调整完毕后姿态调整装置和管道被一同顶进。但是，这种技术方案只能确保管道在顶进起始时的姿态，无法确保管道在顶进过程中不偏离设计方向，换言之，在顶进过程中管道的姿态不可控。同时现有技术在采用触变泥浆控制地面沉降时，大多根据经验进行触变泥浆的制备和使用，缺乏合理的指导方案，未能将触变泥浆的的功效发挥至最优。
7.综上所述，本发明提供一种人工顶管顶进系统及方法以解决现有技术存在之不足。
8.本发明对人工顶管过程的姿态进行预控制，首先通过第一伸缩装置调整工具管的姿态，然后通过第二伸缩装置将中间管和工具管顶进，以开辟出用于混凝土管道顶进的通道，然后第二伸缩装置和第三伸缩装置配合完成管道顶进，并且混凝土管道的顶进时在中
间管内部进行的，避免了与土体的接触，因此不会偏离顶进方向。
9.本发明首先采集施工现场的顶管施工的深度、地质情况和环境条件等数据建立采用触变泥浆抑制地面沉降的施工模型并进行仿真，然后对仿真结果进行分析得出用于施工参考的触变泥浆参数。得出施工参考用的触变泥浆参数后，本发明进行试验段顶进，在进行试验段顶进的过程中，本发明通过改变注浆压力、浆液配比等触变泥浆参数进行试验段顶进，并采集各触变泥浆参数对应的地面沉降数据，然后根据采集到的地面沉降数据筛选出地面沉降抑制效果最佳的触变泥浆参数，用于正式的顶管施工。
10.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
技术实现要素：11.针对现有技术之不足，本发明提供了一种人工顶管顶进方法。所述方法包括：
12.通过顶管组件调节混混凝土管道的顶进姿态；
13.从所述混凝土管道内部向所述混凝土管道外注入触变泥浆以填补所述混凝土管道与土体间的空隙；
14.基于现场地层结构数据建立顶管施工模型，并对所述顶管施工模型进行仿真，至少得出地面沉降与顶进距离间和/或触变泥浆相关的变化规律；
15.基于所述顶管施工模型的仿真结果，设置至少两种不同的触变泥浆参数使顶管组件进行试验段顶进，并在所述顶管组件进行所述试验段顶进的情况下，通过地面沉降监测，得出至少两种不同的所述触变泥浆参数中引起地面沉降最小的所述触变泥浆参数；其中，所述触变泥浆参数至少包括所述触变泥浆的注浆压力和浆液配比。
16.优选地，所述方法还可以包括：
17.建立贴合现场物理参数的顶管施工模型，得出地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考，其中，所述顶管施工模型预设有模拟通过注浆减阻的方式抑制地层沉降的注浆体单元；
18.基于所述顶管施工模型提供的参考数据，顶管组件进行试验段顶进筛选出触变泥浆参数，所述触变泥浆参数至少包括触变泥浆注浆量、注浆压力和浆液配比；
19.基于筛选出的所述触变泥浆参数所述顶管组件进行后续顶管顶进施工。
20.本发明通过试验段顶进充分掌握地层情况，并通过对试验段顶进参数的试验和分析，同时加强地面监测，得出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数，为后续顶进提供有效的依据。所述触变泥浆参数包含：挖土方式、触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比以及姿态控制等技术参数和措施。
21.优选地，所述地面沉降监测通过如下方式进行，即，在所述试验段设置至少两个监测断面，每个所述监测断面设置有至少两个监测点。所述监测点在顶进前采集初始值并在顶进期间在间隔预设时间的情况下对监测断面进行一次监测数据采集。
22.优选地，所述顶管组件至少包括工具管和中间管。所述工具管与所述中间管通过至少两个第一伸缩装置连接；至少两个第一伸缩装置通过设置不同长度改变所述工具管与
所述中间管夹角以实现顶进姿态预控调节。
23.所述顶管组件还包括尾管。所述尾管通过第二伸缩装置连接所述中间管。在所述第一伸缩装置完成顶进姿态预控调节的情况下，所述第二伸缩装置通过伸长带动所述工具管与所述中间管顶进，从而开辟出用于述混凝土管道顶进的空间。
24.根据一种优选实施方式，所述顶管组件包括工具管、中间管和尾管。所述工具管与所述中间管之间设置有通过设置不同长度改变所述工具管与所述中间管夹角以实现顶进姿态预控调节的至少两个第一伸缩装置。所述第一伸缩装置能够与所述中间管与所述尾管间设置的第二伸缩装置配合接力，以实现所述工具管与所述中间管的顶进。
25.优选地，所述工具管和所述中间管之间设置的第一伸缩装置可以是液压铰接装置，并且环向均匀设置有4处。优选地，所述中间管与所述尾管间设置的第二伸缩装置可以是液压千斤顶装置。优选地，所述液压千斤顶装置环向均匀设置有4组8个。所述顶管组件利用前端液压铰接装置和尾端液压千斤顶装置，可实现顶进姿态的预控调节和配合接力顶进。所述顶管组件施工便捷、工效高，配合管道拉紧方式，在顶管顶进过程中可将轴线控制在规范允许值以内。
26.根据一种优选实施方式，所述顶管施工模型通过改变材料赋值的方式进行多步仿真模拟。所述仿真模拟步骤包括：
27.进行初始应力场平衡，得到未开挖状态的应力场；
28.模拟土体开挖，其中，开挖与顶进交替进行，并且设置泥浆等代层以模拟注浆的减阻作用，泥浆等代层内外面施加均布力代替注浆压力。
29.根据一种优选实施方式，所述人工顶管顶进方法还包括挖掘顶管竖井，所述顶管竖井至少包括作为顶管起点的始发井，其中，所述始发井在顶管掘进中心线上设置有监控量测管道顶进姿态的第一测量装置。
30.根据一种优选实施方式，所述工具管设置有监控量测管道顶进姿态的第二测量装置，在所述顶管组件单次顶进距离达到预设值的情况下，所述第二测量装置和所述第一测量装置进行一次测量，所述顶管组件基于所述第二测量装置和所述第一测量装置的所述测量结果判断是否调节顶进姿态。
31.根据一种优选实施方式，所述人工顶管顶进方法还包括在顶管组件进行试验段顶进的情况下对试验段的地表沉降进行监测，其中，所述试验段设置有至少两个监测断面，每个所述监测断面设置有至少两个监测点，所述监测点在顶进前采集初始值并在顶进期间在间隔预设时间的情况下对监测断面进行一次监测数据采集。
32.根据一种优选实施方式，所述人工顶管顶进方法还包括在顶管顶进洞的情况下，对至少前两节混凝土管道进行拉紧联系，使之形成一个整体，以预防前端混凝土管道在顶进过程中相互之间出现错位，从而降低后续顶进期间产生的轴线偏差。
33.根据一种优选实施方式，用于人工顶管的混凝土管道设置有从所述混凝土管道内部向所述混凝土管道外注入触变泥浆以填补所述混凝土管道与土体间空隙形成泥浆套的注浆孔。优选地，在顶管顶进洞的情况下，至少两节靠近所述顶管组件的所述混凝土管道利用所述注浆孔进行拉紧联系，使之形成一个整体，以预防前端所述混凝土管道在顶进过程中相互之间出现错位。
34.优选地，所述尾管不连接所述第二伸缩装置的一侧连接所述混凝土管道。所述混
凝土管道不与所述尾管连接的一端设置有保护板。所述保护板与第三伸缩装置的一端连接。所述第三伸缩装置的另一端于设置在始发井上的支撑壁连接。在进行所述混凝土管道顶进的情况下，所述第三伸缩装置伸长，所述第二伸缩装置收缩，从而实现对所述混凝土管道的接力顶进。
35.本发明还提供一种人工顶管顶进系统。所述人工顶管顶进系统至少包括数据分析模块、数据采集模块和顶管施工模块。所述分析模块，建立贴合现场物理参数的顶管施工模型，得出地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。所述顶管施工模型预设有模拟通过注浆减阻的方式抑制地层沉降的注浆体单元。所述施工模块，基于所述顶管施工模型提供的参考数据，利用顶管组件进行试验段顶进。所述数据采集模块，在所述施工模块进行试验段顶进的情况下，采集触变泥浆参数和与之对应的地面沉降数据和顶进姿态数据，并筛选出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数。所述触变泥浆参数至少包括触变泥浆注浆量、注浆压力和浆液配比。
36.优选地，所述分析模块，建立贴合现场物理参数的顶管施工模型，并对所述顶管施工模型进行仿真，至少得出地面沉降与顶进距离间和/或触变泥浆相关的变化规律。所述施工模块，通过顶管组件调节混混凝土管道的顶进姿态，并从所述混凝土管道内部向所述混凝土管道外注入触变泥浆以填补所述混凝土管道与土体间的空隙。所述施工模块还基于所述顶管施工模型的仿真结果，设置至少两种不同的触变泥浆参数使顶管组件进行试验段顶进。所述数据采集模块，在所述施工模块进行试验段顶进的情况下，采集地面沉降数据，并将所述地面沉降数据发送至所述分析模块。响应于所述地面沉降数据之收到，所述分析模块从至少两种不同的所述触变泥浆参数中筛选出引起地面沉降最小的所述触变泥浆参数。所述触变泥浆参数至少包括所述触变泥浆的注浆压力和浆液配比。
37.本发明解决了浅覆土软弱地层大直径人工顶管施工姿态调整、地面沉降和地下障碍物清除等问题。本发明使用的顶管姿态调整装置在顶管顶进过程中可随顶随纠偏将轴线控制在规范允许值以内，保证了管线轴线精度以及施工质量，同时地面沉降预控制技术减小了施工的风险，提高了施工效率，缩短了施工工期，确保了施工的安全和顺利完成。
附图说明
38.图1是本发明提供的一种优选实施方式的人工顶管顶进方法的简化流程图；
39.图2是本发明提供的一种优选实施方式的顶管组件的简化示意图。
40.附图标记列表
41.110：工具管；120：中间管；130：尾管；140：第一伸缩装置；150：第二伸缩装置；160：第三伸缩装置；161：支撑壁；162：保护板；200：混凝土管道。
具体实施方式
42.下面结合附图1和附图2进行详细说明。
43.本发明通过试验段顶进充分掌握地层情况，并通过对试验段顶进参数的试验和分析，同时加强地面监测，得出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数，为后续顶进提供有效的依据。所述触变泥浆参数包含：触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比以及注浆管道铺设等技术参数和措施。
44.本发明可以预控制顶管地面下沉、调整顶管姿、态清理障碍，保证人工顶管施工安全、质量，同时能够节约成本和工期。
45.实施例1
46.本发明提供了一种人工顶管顶进方法。参见图1，优选地，方法包括：
47.s100：建立贴合现场物理参数的顶管施工模型，得出地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。顶管施工模型预设有模拟通过注浆减阻的方式抑制地层沉降的注浆体单元。
48.s200：挖掘顶管竖井，其中，顶管竖井包括始发井和接收井。顶管顶进方向由始发井指向接收井。
49.s300：基于顶管施工模型提供的参考数据，顶管组件从始发井开始进行试验段顶进。在试验段顶进过程中，施工人员通过顶管组件测试不同的触变泥浆参数并采集不同触变泥浆参数下的掘进效果，从而筛选出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数。触变泥浆参数至少包括触变泥浆注浆量、注浆压力和浆液配比。
50.s400：基于筛选出的触变泥浆参数，施工人员通过顶管组件进行后续顶管顶进施工。
51.参见图2，优选地，顶管组件包括工具管110、中间管120和尾管130。工具管110与中间管120之间设置有通过设置不同长度改变工具管110与中间管120夹角以实现顶进姿态预控调节的至少两个第一伸缩装置140。第一伸缩装置140能够与中间管120与尾管130间设置的第二伸缩装置150配合接力，以实现工具管110与中间管120的顶进。
52.优选地，工具管110和中间管120之间设置的第一伸缩装置140可以是液压铰接装置，并且环向均匀设置有4处。优选地，中间管120与尾管130间设置的第二伸缩装置150可以是液压千斤顶装置。优选地，液压千斤顶装置环向均匀设置有4组8个。顶管组件利用前端液压铰接装置和尾端液压千斤顶装置，可实现顶进姿态的预控调管和配合接力顶进。顶管组件施工便捷、工效高，配合管道拉紧方式，在顶管顶进过程中可将轴线控制在规范允许值以内。
53.参见图2，优选地，尾管130不连接第二伸缩装置150的一侧连接混凝土管道200。优选地，混凝土管道200不与尾管130连接的一端设置有保护板162。保护板162与第三伸缩装置160的一端连接。第三伸缩装置160的另一端于设置在始发井上的支撑壁161连接。
54.优选地，4个第一伸缩装置140通过设置不同长度改变工具管110与中间管120夹角以实现顶进姿态预控调节。优选地，在工具管110完成顶进姿态调节的情况下，第二伸缩装置150伸长，从而开辟出进行顶管的通道。优选地，在第二伸缩装置150完成伸长后，第三伸缩装置160进行伸长同时第二伸缩装置150收缩，第二伸缩装置150和第三伸缩装置160配合完成混凝土管道200的顶进。
55.优选地，本发明在建立顶管施工模型前对施工现场相关的物理参数进行采集。优选地，施工现场相关的物理参数包括拟建管线施工场地范围内地面建筑情况，地面沉降抑制方式，地下埋设管线现况，拟建管线覆土地层组成，施工用管道参数，施工用设备参数等等。
56.优选地，本发明对应的施工现场的地面可以是存在导行路、居民楼、立交桥等建筑。优选地，在施工现场的地面可以是存在导行路的情况下，本发明在建立顶管施工模型
时，引入交通荷载参量。
57.优选地，本实施例所处土层组成包括杂填土层、粉土素填土层、粉质粘土层、细砂-粉砂层、粉土层、细砂层为主。优选地，本实施例顶管管道覆土埋深2.9m～3.06m，掘进断面涉及土层包括杂填土层、粉土素填土层、粉质粘土层、粉土层、细砂-粉砂层。
58.优选地，本实施例采用的顶管管道可以是混凝土管道200。优选地，混凝土管道200外径3550mm，内径3000mm。优选地，混凝土管道200壁厚275mm，单节管长2500mm，管节重量约17.7t。
59.优选地，在建立顶管施工模型前，施工人员贴合现场物理参数对地面沉降机理分析。优选地，顶管过程中引发地面沉降的主要原因包括：开挖面土体初始应力改变引起的地层损失，管道与周围土层之间存在环形空隙引起的地层损失，纠偏操作引起的土体超挖产生地层损失和顶管顶进时产生的拖带效应带走部分土体导致地层损失。
60.优选地，开挖面土体初始应力改变引起的地层损失：顶管施工中很难保证正面土体的原始应力状态不改变，在顶进过程中正面土体由于应力释放而向开挖面方向移动会引起地层损失，从而导致地表下沉，尤其是浅覆土大直径人工顶管。
61.优选地，管道与周围土层之间存在环形空隙引起的地层损失：为减小在顶进过程中的摩擦阻力，后续管节的直径比工具管110的直径小2～5cm。因此，工具管110顶进后管道外围与土体之间存在环形间隙，如果不能及时充分地以触变泥浆充填，周围土体由于应力释放而向环形空隙移动，导致地层损失。
62.优选地，纠偏操作引起的土体超挖：纠偏时工具管110轴线偏离设计轴线需要纠正顶进方向，工具管110纠偏时对土体一侧产生挤压作用，而另一侧由于应力释放而形成空隙，导致土体的位移，产生地层损失。
63.优选地，顶管顶进时因工具管110上方粘土及浆液与土层的摩阻力而对外围土体产生拖带效应，由此牵带走部分土体从而形成空隙，导致地层损失。
64.优选地，针对顶管过程中因地层损失引发的地面沉降，本实施例通过混凝土管道200上设置的注浆孔从所述混凝土管道200内部向所述混凝土管道200外注入触变泥浆形成泥浆套的方式填补所述混凝土管道200与土体间的空隙，从而抑制顶管过程中因地层损失引发的地面沉降。
65.优选地，本实施例通过利用midas-gts nx有限元软件，建立贴合现场的顶管施工模型，分别在正常顶进阶段和下穿道路顶进阶段研究顶管施工相关参数对地面沉降的影响规律，从而为现场顶管顶进过程中地面沉降提供预警值，也为正式下穿道路顶进阶段地面沉降控制提供有效的数据参考。
66.优选地，顶管施工模型按以下方式配置参数。
67.优选地，模型依据现场实际工况及考虑软件计算时的边界效应影响，确定最终的几何尺寸为100m
×
60m
×
40m，即长度取顶管顶进的贯通距离100m，宽度以顶管轴线为中心向两边各取30m，土层深度取40m，顶管管顶覆土深度取平均深度3m。
68.优选地，工具管110外径3640mm，钢筋混凝土管外径3550mm，内径3000mm。
69.优选地，横断面为圆形；管节外侧的泥浆套用厚度为50mm的等代层代替。
70.优选地，顶管施工模型采用mohr-coulomb弹塑性模型模拟土体。优选地，管节采用的是预制钢筋混凝土材料，在土压力及其他荷载的作用，其受力变形主要处于弹性阶段，故
其本构模型采用线弹性本构模型。
71.优选地，计算中考虑注浆材料填充，将隧道周围土层与浆液的混合体等代为一种弱化土层即等代层来模拟地层损失。同时考虑注浆压力，注浆压力的选取一般以覆土压力为依据，本项目覆土压力值为：p0＝γh＝18.5
×
1.5+17.5
×
1.5＝54kpa＝0.054mpa，故模型计算中注浆压力取值分别选取0mpa(无注浆压力)、0.05mpa(1倍覆土压力)、0.1mpa(2倍覆土压力)、0.15mpa(3倍覆土压力)、0.2mpa(4倍覆土压力)、0.25mpa(5倍覆土压力)，研究不同注浆压力作用下地表沉降的规律。
72.优选地，针对顶管施工的过程，通过改变材料赋值的方法进行多步仿真模拟。在模拟计算开始之前，先在模型里预设管内土体开挖单元、管节单元及注浆体单元，其中工具管/中间管与周围土体单元相连接，通过midas-gts nx的单元析取功能实现，按照二维板单元进行模拟。
73.优选地，仿真模拟步骤包括：
74.步骤1：初始应力场平衡，得到未开挖状态的应力场。
75.步骤2：顶管过路段地面设置均布交通荷载，正常情况下道路汽车荷载为汽-20级，施工区域限制交通，汽-20级的重车不允许通过。故地面交通荷载为(顶管下穿路面为沥青lumina，双向四车道，单车道3.5m)：p汽＝g汽/s＝1.428
×
104pa式中g汽指汽车自重，按照前排车轮7吨，后排车轮13吨分配；s指汽车荷载作用的刚性路面板面积(长为4m，宽为3.5m)。
76.计算中荷载取最不利值考虑，即管体正上方承受汽-20级的行车均布荷载，考虑到汽车的冲击影响最终的交通荷载为：p＝1.3p汽＝1.856
×
104pa。
77.步骤3：采用midas-gts的网格钝化及激活功能模拟土体开挖，开挖一步顶进一步，考虑到本工程人工开挖工艺特点，采用工具管切土顶进方式，开挖面靠土体自稳性保持平衡，故模型中开挖面处未设置支护压力。开挖时钝化要开挖的土体单元，激活工具管壳单元，顶进时激活顶管管节单元、注浆等代层单元及注浆压力，每次掘进2.5m，重复上述步骤，直至顶管贯通(顶距为100m)。
78.优选地，模拟结束后对模拟结果进行分析，得出非过路段顶进阶段及下穿道路顶进阶段地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。
79.优选地，本实施例通过对模拟结果进行分析，得出如下结论：
80.(1)顶管施工时，道路行车荷载对土层的位移有很大的影响，尤其是土层的竖向位移。
81.(2)顶进期间管节两侧土体在顶管的挤压下发生膨胀变形，最大水平位移为29.9mm，且位移变形以管轴为中心呈对称分布，过路段与非过路段土层水平位移变化基本一致。
82.(3)顶管由于顶进施工对土层的扰动，在整个横断面上管体正上方的土体竖向位移最大，整体呈放射状向上扩展，且距离地面越近，地表沉降越小，另外在地面行车荷载的作用下，地面沉降明显，。可见，顶管施工时，地面行车荷载对土层水平方向的位移影响不大，但加剧了土层的竖向位移，对地面沉降量的控制有不利的影响。
83.(4)顶管施工时注浆压力是地表变形控制的关键影响因素，注浆压力增大有利于减小地表沉降量，但注浆压力过大，会导致横向地表距离顶管轴线较远处两侧土体出现隆
起，且容易造成地表冒浆，根据上覆土垂直压力值、土体孔隙率、现场注浆经验以及数值计算，建议设置为0.1mpa，即2倍上覆土压力为宜。
84.(5)顶管施工时水平方向上地面的沉降基本呈正态分布规律，管顶正上方地面沉降最大，向两侧位移逐渐减小，顶管顶进对土体的横向扰动范围约为-10m～10m，即沉降槽范围为-2.8d～2.8d。
85.(6)选择行车量小时进行过路顶进，同时在沉降槽内铺设钢板，控制大型车辆通行，匀速顶进，必要时采取超前注浆加固。
86.优选地，在完成顶管施工模型的模拟分析后，施工人员开始进行试验段顶进，以通过试验段顶进充分掌握地层情况。施工人员在进行试验段顶进的同时加强地面监测，对试验段的触变泥浆参数进行试验和分析，从而得出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数。优选地，触变泥浆参数包含：触变泥浆注浆量、注浆压力、浆液配比以及注浆管道铺设等技术参数和措施。优选地，试验段顶进得出的引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数可以为后续顶进提供有效的依据。
87.优选地，在开始进行试验段顶进前，施工人员先挖掘顶管竖井。优选地，顶管竖井包括始发井和接收井。优选地，始发井作为顶管起点。优选地，顶管顶进方向由始发井指向接收井。
88.优选地，基于顶管施工模型提供的参考数据，顶管组件从始发井开始进行试验段顶进。在试验段顶进过程中，施工人员通过顶管组件测试不同的触变泥浆参数并采集不同触变泥浆参数下的掘进效果，从而筛选出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数。触变泥浆参数至少包括触变泥浆注浆量、注浆压力和浆液配比。
89.优选地，由于本工程顶进范围上方存在导行路，为保证顶进施工安全及道路行车安全，特选择30m作为试验段。优选地，试验段的地层主要分布着杂渣土层、粉土素填土层、粉质粘土层、粉土层和细砂-粉砂层。优选地，掘进断面范围内无地下水。
90.优选地，在试验段顶进过程中，需要进行实验和调整的参数包含：顶进挖土方式、触变泥浆配比、触变泥浆注入量、注浆压力、二次补浆等。优选地，在试验段顶进过程中的主控项目包含：工具管110管尾密封性、管道接口漏浆处理措施、姿态控制、地表及轴线监测。
91.优选地，试验段顶进参数控制包括顶进挖土控制、触变泥浆控制和注/补浆控制。
92.优选地，顶进挖土控制具体为：初始顶进挖土每次不超过30cm，掌子面与工具管110夹角为45
°
。优选地，在进行顶进挖土时始终保持工具管110管帽先切入土体10cm，严禁超挖，随时纠偏。
93.优选地，触变泥浆控制具体为：泥浆优选颗粒细、胶质价高的膨润土，膨润土80～100kg/m3；水600～1000kg/m3；碱(na2co3)1～2kg/m3。优选地，泥浆比重控制在1.05～1.07。优选地，泥浆注入量：每米管道与土体的空隙需注浆体积v空＝0.508m3。优选地，根据研究资料及经验，实际施工中泥浆套厚度为建筑空隙的6～7倍，即270mm，渗入土体的厚度为270mm-45mm＝225mm，经计算v渗＝1.048m3，总计入住量为v总＝1.556m3。
94.优选地，注/补浆控制具体为：注浆压力依据数值模拟计算结果控制在0.1mpa左右，随时观察注浆压力及流量。优选地，顶进15m后，每隔1根管安装一套注浆管路，并设置三通阀门，视需要及时进行二次补浆。
95.优选地，在试验段顶进时的主要控制项目包括触变泥浆密封性控制和顶进姿态控
制。
96.优选地，触变泥浆密封性控制的相应措施为：在工具管110管尾内设置两道环形钢密封刷，密封刷中间涂抹油脂，在管道顶进过程中，如有发现渗漏及时补充油脂。并且在顶进过程中做好触变泥浆注浆的及时跟进和补浆，确保管道外侧空隙的触变泥浆在顶进过程中一直处于饱和状态，对管道接口渗漏处采用油麻进行封堵。
97.优选地，顶进姿态控制的相应措施为：采取主动控制与被动控制相结合的方式进行，高度重视主动控制，积极实施被动控制。优选地，管道在顶进过程中，应遵循“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的原则，采用小角度、顶进中逐渐纠偏。
98.优选地，人工顶管顶进方法还包括在顶管组件进行试验段顶进的情况下对试验段的地表沉降进行监测。试验段设置有至少两个监测断面，每个监测断面设置有至少两个监测点，监测点在顶进前采集初始值并在顶进期间在间隔预设时间的情况下对监测断面进行一次监测数据采集。
99.优选地，测量监测地表沉降的具体方式包括：地表沉降点布置在管道两侧向上45
°
影响线范围内，从中线点向两侧间距分别为1m、2m、3m、5m。每个监测断面9个点，沿顶进方向每隔5m布置一个监测断面。顶进前采集初始值，且顶进期间每间隔3h对监测断面进行一次监测数据采集。
100.优选地，人工顶管顶进方法还包括在顶管组件进行顶进的情况下对顶管组件的顶进姿态进行监测。优选地，在始发井位于顶管掘进中心线的位置处设置有监控量测管道顶进姿态的第一测量装置。优选地，工具管110设置有监控量测管道顶进姿态的第二测量装置。在顶管组件单次顶进距离达到预设值的情况下，第二测量装置和第一测量装置进行一次测量。顶管组件基于第二测量装置和第一测量装置的测量结果判断是否调节顶进姿态。
101.优选地，监测顶管组件顶进姿态的具体方式包括：初始顶进后500mm，顶进测量开始，每顶进300mm做一次中心、高程记录。优选地，第一测量装置可以是激光经纬仪。优选地，激光经纬仪安装于始发井内壁处的顶管掘进中心线上。优选地，由于本实施例管道前方为工具管110，无法设置固定的的激光接收靶，故只能设置移动式激光接收装置。优选地，本实施例施工时采用简易激光接收装置。优选地，简易激光接收装置包括一把水平尺、一把钢尺。优选地，每次观测时，钢尺水平放置在顶进管道内(利用水平尺找平)，水平尺垂直放置在钢尺上且有刻度的边线应与激光束对齐、吻合。
102.优选地，施工人员通过试验段顶进得出：顶管顶进过程中地表沉降变化规律与数值模拟分析规律基本吻合，且各监测断面最大沉降值为管道中线位置，沉降范围基本吻合。试验段高程偏差为-16mm～+6mm满足施工规范要求(规范-50mm～+40mm)。试验段水平偏差为2mm～16mm满足施工规范要求(规范50mm)。优选地，顶管姿态预控制装置及措施的实际应用结果表明，姿态调整控制措施确保了顶进轴线的偏差在允许规定值以内。优选地，根据监测数据显示，触变泥浆注浆压力控制在0.1mpa左右，地表沉降控制效果较好。现场实际每延米注浆量1.23m3，理论注浆量为1.556m3。优选地，当注浆压力达到0.1mpa时，实际注浆量为理论计算量的80％，地表沉降控制效果良好，能够达到良好的减阻效果。
103.优选地，在顶管顶进入洞后，将前4节钢筋混凝土管材通过槽钢进行拉紧联系，槽钢与管道注浆孔通过高强螺栓进行固定牢固，使其形成一个整体，预防前端混凝土管节因顶进过程中，相互之间出现一定程度的错位，加剧工具管110姿态调整的困难。优选地，姿态
调整控制措施确保了顶进轴线的偏差在规定值以内。
104.优选地，在工具管110与中间节之间设置液压铰接装置，环向均匀设置4处，中间管120与尾管130之间设置4组8个液压千斤顶。可对姿态进行动态调整。
105.优选地，顶进过程中将前段4节钢筋混凝土管材通过槽钢进行拉紧联系，槽钢通过注浆孔间隔固定，环向均匀设置5道。优选地，姿态调整装置，最大调整角度为2
°
，调整量约58mm，同时接力顶进的方式能够及时有效地实现姿态预控。优选地，对前端4节混凝土管，采用槽钢间隔进行拉紧联系，使其形成整体，提前采取预控制措施，减小姿态出现较大偏差。优选地，顶管顶进时，地面沉降规律为：沿顶管顶进方向，随着顶距的增大，地面沉降位移逐渐增大并趋于稳定；在水平方向上，管顶正上方位移沉降最大，且沉降槽范围为-11m～11m；优选地，顶管施工时，行车荷载对地面沉降有不利的影响，非过路段地面沉降稳定值约为8mm，过路段地面沉降稳定值约为18mm；优选地，注浆减阻可有效的抑制地层沉降。
106.优选地，顶管覆土浅时，触变泥浆压入地层时的压力必须稳定、精确，以防触变泥浆击穿地层。从现场实际注浆量来看，当注浆压力在0.1mpa左右(两倍覆土压力)，注浆连续饱满，实际注浆量达到理论计算量的80％，现场地表沉降控制效果良好，且能够达到良好的减阻效果。
107.优选地，地面沉降量(公路)规范要求≤20mm；试验段地表累计沉降量为5mm～10mm略大于数值模拟分析地表累计沉降量的7mm；过路段地表累计沉降量为15mm～18mm，与值模拟分析地表累计沉降量的17mm基本一致。
108.本实施例可调节顶进姿态，施工操作便捷、调整量相对较大，对顶管姿态偏差大的情况，可以有效的进行纠正。顶管管材拉紧装置能够保证将顶进土层中的前端管材紧密的拉紧形成整体，避免管节之间错位，防止后续顶进期间造成较大轴线偏差。
109.本实施例利用midas-gts nx有限元软件，建立贴合现场工况下的顶管施工模型，得出非过路段顶进阶段及下穿道路顶进阶段地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。
110.本实施例通过试验段顶进得出最佳的触变泥浆参数(包括触变泥浆注浆量、注浆压力及浆液配比等)，同时对管尾密封刷、工具管与中间管连接处设置的橡胶密封环及姿态控制装置进行现场实践检验。
111.本实施例通过优化以往沉降控制方法的实施效果，最大限度地减小顶进施工对地层及地面环境的影响。本实施例利用数值模拟得出的地面沉降曲线对全过程顶管顶进进行实时对照，及时调控，地表最终累计沉降量控制在7mm～17mm之间，符合规范要求。本实施例通过试验段分析，得出触变泥浆比重为1.05～1.07，注浆压力控制在0.1mpampa左右时顶进效果最佳，同时触变泥浆注入率控制在理论注浆量的80％，即能保证同样的减摩效果且经济合理。本实施例在工具管110与混凝土管之间设置2道环形钢密封刷，密封刷中间填充油脂，保证管口的密封性，同时优化触变泥浆配比，及时进行补浆，管外泥浆始终达到饱和状态可有效减小地面沉降。
112.优选地，在实施例的顶管断面范围内存在位置相交、斜交的废弃φ800mmpe管和φ600mm的污水管，阻碍工具管110切土顶进。障碍物清除需有一定的安全作业空间，同时清障期间需防止上部土体塌落，保证作业人员安全。
113.实施例2
114.本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。
115.本实施例提供一种人工顶管顶进系统。所述人工顶管顶进系统至少包括数据分析模块、数据采集模块和顶管施工模块。所述分析模块，建立贴合现场物理参数的顶管施工模型，得出地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。所述顶管施工模型预设有模拟通过注浆减阻的方式抑制地层沉降的注浆体单元。所述施工模块，通过顶管组件调节混混凝土管道200的顶进姿态，并从所述混凝土管道200内部向所述混凝土管道200外注入触变泥浆以填补所述混凝土管道200与土体间的空隙。所述施工模块还基于所述顶管施工模型提供的参考数据，利用顶管组件进行试验段顶进。所述数据采集模块，在所述施工模块进行试验段顶进的情况下，采集触变泥浆参数和与之对应的地面沉降数据和顶进姿态数据，并将采集到的触变泥浆参数和与之对应的地面沉降数据和顶进姿态数据发送至数据分析模块。数据分析模块筛选出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数。所述触变泥浆参数至少包括触变泥浆的注浆量、注浆压力和浆液配比。
116.优选地，数据采集模块在建立顶管施工模型前对施工现场相关的物理参数进行采集。优选地，施工现场相关的物理参数包括拟建管线施工场地范围内地面建筑情况，地面沉降抑制方式，地下埋设管线现况，拟建管线覆土地层组成，施工用管道参数，施工用设备参数等等。
117.优选地，数据采集模块将采集到的施工现场相关的物理参数发送至数据分析模块。优选地，数据采集模块基于施工现场相关物理参数利用midas-gts nx有限元软件，建立贴合现场工况下的顶管施工模型，并对顶管施工模型进行仿真模拟。
118.优选地，仿真模拟步骤包括：
119.步骤1：初始应力场平衡，得到未开挖状态的应力场。
120.步骤2：顶管过路段地面设置均布交通荷载，正常情况下道路汽车荷载为汽-20级，施工区域限制交通，汽-20级的重车不允许通过。故地面交通荷载为(顶管下穿路面为沥青lumina，双向四车道，单车道3.5m)：p汽＝g汽/s＝1.428
×
104pa式中g汽指汽车自重，按照前排车轮7吨，后排车轮13吨分配；s指汽车荷载作用的刚性路面板面积(长为4m，宽为3.5m)。
121.计算中荷载取最不利值考虑，即管体正上方承受汽-20级的行车均布荷载，考虑到汽车的冲击影响最终的交通荷载为：p＝1.3p汽＝1.856
×
104pa。
122.步骤3：采用midas-gts的网格钝化及激活功能模拟土体开挖，开挖一步顶进一步，考虑到本工程人工开挖工艺特点，采用工具管切土顶进方式，开挖面靠土体自稳性保持平衡，故模型中开挖面处未设置支护压力。开挖时钝化要开挖的土体单元，激活工具管壳单元，顶进时激活顶管管节单元、注浆等代层单元及注浆压力，每次掘进2.5m，重复上述步骤，直至顶管贯通(顶距为100m)。
123.优选地，模拟结束后对模拟结果进行分析，得出非过路段顶进阶段及下穿道路顶进阶段地面沉降的规律，为顶管施工提供有效的数据参考。
124.施工模块包括顶管组件。优选地，顶管组件包括工具管110、中间管120和尾管130。工具管110与中间管120之间设置有通过设置不同长度改变工具管110与中间管120夹角以实现顶进姿态预控调节的至少两个第一伸缩装置140。第一伸缩装置140能够与中间管120与尾管130间设置的第二伸缩装置150配合接力，以实现工具管110与中间管120的顶进。
125.优选地，工具管110和中间管120之间设置的第一伸缩装置140可以是液压铰接装置，并且环向均匀设置有4处。优选地，中间管120与尾管130间设置的第二伸缩装置150可以是液压千斤顶装置。优选地，液压千斤顶装置环向均匀设置有4组8个。顶管组件利用前端液压铰接装置和尾端液压千斤顶装置，可实现顶进姿态的预控调管和配合接力顶进。顶管组件施工便捷、工效高，配合管道拉紧方式，在顶管顶进过程中可将轴线控制在规范允许值以内。
126.优选地，尾管130不连接第二伸缩装置150的一侧连接混凝土管道200。优选地，混凝土管道200不与尾管130连接的一端设置有保护板162。保护板162与第三伸缩装置160的一端连接。第三伸缩装置160的另一端于设置在始发井上的支撑壁161连接。
127.优选地，4个第一伸缩装置140通过设置不同长度改变工具管110与中间管120夹角以实现顶进姿态预控调节。优选地，在工具管110完成顶进姿态调节的情况下，第二伸缩装置150伸长，从而开辟出进行顶管的通道。优选地，在第二伸缩装置150完成伸长后，第三伸缩装置160进行伸长同时第二伸缩装置150收缩，第二伸缩装置150和第三伸缩装置160配合完成混凝土管道200的顶进。
128.优选地，施工模块基于所述顶管施工模型提供的参考数据进行试验段顶进。优选地，所述数据采集模块，在所述施工模块进行试验段顶进的情况下，采集触变泥浆参数和与之对应的地面沉降数据和顶进姿态数据，并筛选出引起地面沉降最小的顶管触变泥浆参数。
129.优选地，所述数据采集模块在施工模块进行试验段顶进过程中得出最佳触变泥浆参数(包括触变泥浆注浆量、注浆压力及浆液配比等)，同时对新型管尾密封刷及姿态控制装置进行现场实践检验。
130.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。
技术特征：1.一种人工顶管顶进方法，其特征在于，所述人工顶管顶进方法至少包括：调整工具管(110)的朝向；使中间管(120)和所述工具管(110)沿所述工具管(110)的朝向顶进；对混凝土管道(200)进行顶进，其中，所述混凝土管道(200)在所述中间管(120)内部进行顶进，从而确保所述混凝土管道(200)的顶进方向不变。2.根据权利要求1所述的人工顶管顶进方法，其特征在于，所述人工顶管顶进方法还包括：将前端的所述混凝土管道(200)拉紧联系，防止所述混凝土管道(200)在顶进过程中出现错位。3.根据权利要求1或2所述的人工顶管顶进方法，其特征在于，所述人工顶管顶进方法还包括：在顶进过程中，向所述混凝土管道(200)外壁注入触变泥浆外注入触变泥浆形成泥浆套以填补所述混凝土管道(200)与土体间的空隙。4.根据权利要求1～3任一项所述的人工顶管顶进方法，其特征在于，所述人工顶管顶进方法还包括：在正式顶进前根据顶管施工的深度、地质情况和环境条件建立施工模型仿真计算出使地面沉降最小的触变泥浆参数，其中，所述触变泥浆参数至少包括所述触变泥浆的注浆压力和浆液配比。5.根据权利要求1～4任一项所述的人工顶管顶进方法，其特征在于，基于仿真计算出的所述触变泥浆参数设置至少两种不同的所述触变泥浆参数进行试验段顶进；在试验段顶进的过程中，采集地面沉降数据，并根据采集到的所述地面沉降数据筛选出地面沉降抑制效果最佳的所述触变泥浆参数。6.根据权利要求1～5任一项所述的人工顶管顶进方法，其特征在于，所述地面沉降数据之采集是通过如下方式实现的，即，在试验段对应之地表划分出若干数据监测断面；所述数据监测断面上设置两个以上的监测点，所述监测点按照在顶管施工的情况下间隔预设时间对监测断面进行一次监测数据采集的方式设置。7.根据权利要求1～6任一项所述的人工顶管顶进方法，其特征在于，所述施工模型通过改变材料赋值的方式进行多步仿真；所述仿真步骤包括：进行初始应力场平衡，得到未开挖状态的应力场；模拟土体开挖，其中，开挖与顶进交替进行，并且设置泥浆等代层以模拟注浆的减阻作用，泥浆等代层内外面施加均布力代替注浆压力。8.根据权利要求1～7任一项所述的人工顶管顶进方法，其特征在于，在所述工具管(110)的朝向调整中，采用多个第一伸缩装置(140)协同调整的模式；在所述工具管(110)与所述中间管(120)间设置多个第一伸缩装置(140)，通过设置不同第一伸缩装置(140)的长度，控制所述工具管(110)与所述中间管(120)的夹角。9.一种人工顶管顶进系统，其特征在于，所述人工顶管顶进系统至少包括顶管施工模块，所述顶管施工模块至少包括：工具管(110)，中间管(120)，第一伸缩装置(140)，第二伸缩装置(150)和第三伸缩装置(160)；所述第一伸缩装置(140)用于调整工具管(110)的朝向；所述工具管(110)顶进，通过第二伸缩装置(150)使中间管(120)和所述工具管(110)沿所述工具管(110)的朝向顶进；混凝土管道(200)顶进，通过第三伸缩装置(160)对混凝土管道(200)进行顶进，其中，
所述混凝土管道(200)在所述中间管(120)内部进行顶进，从而确保所述混凝土管道(200)的顶进方向不变。10.根统据权利要求9所述的人工顶管顶进系统，其特征在于，所述人工顶管顶进系统还包括数据分析模块和数据采集模块；所述数据分析模块，建立贴合现场物理参数的顶管施工模型，并对所述顶管施工模型进行仿真，至少得出地面沉降与顶进距离间和/或触变泥浆相关的变化规律，其中，所述顶管施工模型预设有模拟通过注浆减阻的方式抑制地层沉降的注浆体单元；所述顶管施工模块，通过顶管组件调节混混凝土管道(200)的顶进姿态；并从所述混凝土管道(200)内部向所述混凝土管道(200)外注入触变泥浆以填补所述混凝土管道(200)与土体间的空隙；基于所述顶管施工模型的仿真结果，设置至少两种不同的触变泥浆参数使顶管组件进行试验段顶进；所述数据采集模块，在所述施工模块进行试验段顶进的情况下，采集地面沉降数据，并将所述地面沉降数据发送至所述分析模块；响应于所述地面沉降数据之收到，所述数据分析模块从至少两种不同的所述触变泥浆参数中筛选出引起地面沉降最小的所述触变泥浆参数，其中，所述触变泥浆参数至少包括所述触变泥浆的注浆压力和浆液配比。
技术总结本发明涉及一种人工顶管顶进系统及方法。顶进系统先通过第一伸缩装置调整工具管的朝向；再通过第二伸缩装置使中间管和工具管沿工具管的朝向顶进；最后通过第三伸缩装置对混凝土管道进行顶进，其中，混凝土管道在中间管内部进行顶进，确保混凝土管道的顶进方向不变。顶进系统通过向所述混凝土管道外壁注入触变泥浆形成泥浆套的方式抑制地面沉降。本发明采集施工现场的顶管施工的相关数据建立数学模型得出触变泥浆参数的参考值，然后基于触变泥浆参数的参考值设置多组触变泥浆参数进行试验段顶进，并采集各触变泥浆参数对应的地面沉降数据，然后根据地面沉降数据筛选出地面沉降抑制效果最佳的触变泥浆参数，用于正式的顶管施工。施工。施工。
技术研发人员：施笋 杨富强 庄晶晶 施彤 张超 张文旭 彭杉 王晓烨 付艳龙 李柏阳 任友超
受保护的技术使用者：北京住总集团有限责任公司
技术研发日：2022.06.21
技术公布日：2022/11/1
