长距离泥水平衡顶管施工工法.pdf

1 长距离泥水平衡顶管施工工法 长距离泥水平衡顶管施工工法 (编号：szjxgf28-2008) 完成单位：深圳市市政工程总公司 主要完成人：李劲松、刘正雄、高俊合、黄锐文、陈德贵 1前言前言 现代化城市的发展离不开市政管道的建设，越来越多的深埋设管道、过路管道、穿越建筑物的 管道、旧城市政改造工程采用顶管施工技术，以减少拆迁的工程量，减少施工对交通的影响，减少 施工对周围居民、行人的影响。 顶管工程施工一般是将整个顶管工程分成若干段进行，在最佳施工条件下，普通顶管法的一次 顶进长度为 100 米左右。但是在城市干管施工中，或管线需要穿越大型建筑群或河道时，普通顶管 法的一次顶进长度就不足以顶完全程。因此，需要完善长距离顶管技术。 长距离泥水平衡顶管施工工法就是利用泥水平衡原理通过设置中继站、采取泥浆触变减阻等措 施达到一次顶管顶进长度在 200m 以上。 2工法特点工法特点 2.0.12.0.1 泥水平衡顶管包括：泥水加压平衡式掘进机由主机、纠偏系统、进排泥系统、主顶系统 和压浆系统组成。 如下图所示： 2.0.2 2.0.2 长距离顶管管道与摩阻力随管道的长度成正比，顶进长度增加，必须加大顶力。当顶进 长度达到一定距离时，顶力加大会使管体或后背损坏。长距离泥水平衡式顶管工艺就是通过润滑剂 减阻和中继接力技术，减少顶进过程阻力，中继接力顶力，从而达到一次完成长距离顶管的技术。 其特点有： 2 1 采取全封闭式顶进，可有效的保持挖掘面的稳定，对管道周围的土体扰动小，能很好的控制 地面沉降； 2 与其它类型顶管相比，泥水平衡顶管施工的总推力较小，适宜较长距离顶管； 3 工作井内的作业环境好，顶管自动控制，管内不用人员作业，安全性高； 4 由于采用泥水管道输送弃土，不存在吊土，搬运土方等容易发生危险的作业； 5 由于泥水输送弃土的作业连续进行，故其施工速度快，能有效保证工期。 6 污染小，噪音小，环保。采用泥水管道输送弃土，并经泥水处理系统处理后再进行弃土，环 境污染小。 7 节约工时，提高工效。 8 施工工艺简单,标准化、程序化，便于施工控制和管理。 9 顶进长度一次可达 200m 以上。 10 泥水加压平衡工具管与其他工具管相比，具有平衡效果好，结构紧凑，技术先进，由于出土 方式是用水力机械化连续出土，所以顶进速度快，对土质的适应性强。无论是粘性土还是砂性土， 均能收到良好的效果。 3适用范围适用范围 3.0.13.0.1 与普通泥水平衡式工法相同，适用于： 1各种土壤条件：能适用于地下水压力高、非坚硬的的地层条件，如砂质土、粘土等；不适合 强风化岩、花岗岩的土层。 。 2管径：dn600dn3000。 3适用管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管等常用顶管管材。 4工作原理工作原理 4.0.1 4.0.1 泥浆形成机理 泥水平衡式顶管机中，刀盘与主轴之间有一个偏心距 e，而中心刀、刀排、切削刀头与主轴是 同心的。所以，假设刀头切削下来的强风化砂岩的颗粒较大，不会直接进入泥水仓，大颗粒的石块 在破碎腔内被破碎成，比隔栅孔小的颗粒，才能通过隔栅进入泥水仓。这样，使排泥管不会被堵塞。 利用水枪，将土层的强度降低，含水量增大，以利用旋转刀盘上的刀片将土层切割成为泥浆。 4.0.2 4.0.2 泥水平衡工作原理 泥水平衡顶管机施工以泥水平衡原理为基本，通过改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度来控 制排土量，使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内，从而达到开挖面的稳定。 4.0.3 4.0.3 触变泥浆减阻原理 通过在管壁外压注触变泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力。 4.0.4 4.0.4 中继间接力顶进原理 中继间接力顶进，也就是在管道中间设置中继环，分段克服摩擦阻力，从而解决顶力不足的问 题。 中继间的千斤顶组在高压油路的作用下，以其后管道为后座支承点，将其前段管道向前推进， 采用这种方法，将管道分段逐次推进，从而实现长距离顶管。 。 4.0.5 4.0.5 长距离制导 通过激光导向，计算机指导纠偏施工，确保顶进线路与高程准确。 5 工艺流程与操作要点工艺流程与操作要点 5.1 长距离泥水平衡式顶管工艺流程： 5.1.15.1.1 泥水平衡式顶管一般工艺流程： 3 施工准备 工作（接收）井施工 顶力计算 管材设计、制造 全套设备调试 顶管机出洞 穿墙初始顶进 正常顶进 一个管段顶进结束 吊出机头、转至下一个管段 井内外设备安装 注浆减阻 泥浆制备 重复、直至整个工程完工 4 5.1.25.1.2 长距离泥水平衡顶管工艺流程如下图所示： 5.2 施工方案编制 泥水平衡顶管施工前应编制详细的施工组织设计，其中施工方案应包括如下内容： 5.2.15.2.1 施工依据、内容、范围 5.2.25.2.2 顶管设备的选择： 重点是顶管机头选型及各类设备的规格、型号及数量 5.2.35.2.3 施工工艺： 重点是顶进方法的选用和顶管段单元长度的确定，中继段的划分与减阻措施，方向控制方案。 5.2.45.2.4 施工工艺参数的计算：顶力计算、后背设计和洞口的封门设计，中继接力计算。 5.2.55.2.5 垂直运输和水平运输布置； 重点是下管、挖土、运土或泥水排除的方法 5.2.6 5.2.6 工作井的设计和施工方法 5.2.75.2.7 设备安装调试的技术措施 5.2.85.2.8 施工过程控制的技术措施：包括减阻措施，控制地面隆起、沉降的措施，注浆加固措施 5.2.9 5.2.9 质量安全的技术措施 5.2.105.2.10 应对突发事件的预案 5.3 平面布置 5.3.15.3.1 在工作井范围内实行全封闭隔离施工并布置以下必要的设施，地面指挥监测中心、办公 施工测量 主顶站施工 设备安装调试 顶管机头顶入土层 吊放第一节管与机头连接 顶进施工 吊入新管与洞口管连接 吊放中继站 机头进入接收井 顶进结束 按设计要求进行管接口处理 吊出机头 全线测量 全线 测量 出 土 管节在工作井两侧伸出长度500mm 注入触变泥浆 减阻 管道顶进前检查： 1、设备全部试运转； 2、设备在轨道坡度高程； 3、洞口密封情况； 4、制定开封堵措施。 5 室、仓库、配电间、冷作间等。布局要合理，环境整洁、卫生，并有专职人员进行管理。 5.3.25.3.2 现场布置采用 8t 汽吊，设备进场时，采用 16t 汽车吊车。 5.3.35.3.3 管道顶进时，起吊设备采用龙门行车，行车导轨与顶管中心线应平行铺设，并与管中心 左右对称。 5.3.45.3.4 井内布置 工作井井内布置主要是后靠背、导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯等。 5.4 工作井（接收井）制作 工作井可采用沉井法施工，如遇地下水较丰富，在沉井施工前可设置双排搅拌桩止水帷幕。 5.4.15.4.1 工作井尺寸计算 工作井宽：w=d+（2.43.2）m d：被顶进管子外径（m） 工作井长：l=l1+l2+l3+l4+l5 l1：管子顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，混凝土管一般取 0.3m l2：每节管子的长度（m） l3：出土工作间隙，根据出土工具确定，一般为 1.01.5m l4：千斤顶长度 l5：后背所占工作井厚度 5.4.25.4.2 沉井下沉力计算 )1 (* fwfs pgtkg= 式中 g1：需加荷载 ks：1.15 tf: 沉井井壁外侧的总磨擦阻力 pfw:地下水浮托力 5.4.35.4.3 工作井（接收井）施工方法 工作井（接收井）采取两次浇筑成型的方式制作，即刃脚混凝土浇震憾这到一定强度后，再浇 筑上部混凝土井壁，每次浇筑均须连续施工，不留施工缝。 1做好钢模板设计计算，确保沉井筒体大体积混凝土施工安全。 2脚手架搭设、钢筋笼制作安装、模板安装均应符合规范要求，特别应注意对拉螺栓定位准确 与沉井平面位置准确。 3沉井下沉必须保持垂直，可根据地质状况采取不排水挖土下沉、钻吸排土法下沉和带水下沉 等方法。 4沉井排土地下沉中，应加强观测，如下沉困难，及时采取措施。 5.5 洞口密封止水 5.5.15.5.1 安装洞门止水装置 出洞前，为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井，首先在管子顶进前方的 坑内， 浇注一道前止水墙， 墙体可由级配较高的素混凝土构成， 其宽度为 2.05.0m， 厚度约为 0.3 0.5m，高度约为 1.54.5m。然后再在前止水墙的预留孔内安装橡胶止水圈。洞口止水圈的构造是 由混凝土前止水墙、预埋螺栓、钢压环及橡胶圈组成。 在顶进施工过程中又可防止减摩泥浆从此处流失，保证泥浆套的完整，以达到减少顶进阻力的 效果。 5.5.25.5.2 顶管出洞 本工程顶管机出洞洞口外侧主要为砂质土、粘土，在封门拔除过程中土体易因其流塑性而发生 坍方事故。应确保顶管快速、顺利出洞，防止洞口外侧土体涌入井内。 6 5.6 后靠墙 在工作坑内，后坐墙是承受和传递全部顶力的基础，必须具有足够的强度和刚度，并有足够的 安全度。后靠墙内配14120 双向钢筋,砼标号为 c25,待砼强度达到设计强度的 75%方可顶进。 后背墙的受力分析 潮湿程度 类别 0sr0.5 （稍湿） 0.5sr0.8 （很湿） 0.8sr1 （饱和） 种植土 40 3035 25 淤泥 35 20 15 亚砂土、亚粘土、粘土 4045. 30350 2025 反力 r 应为总推力 f 的 1.21.6 倍，以确保安全。 r=ab(h 2k p/2+2chkp+hhkp) 式中：r-总推力之反力（kn） -系数（取 1.5） b-后座墙的宽度（m） -土的容重（kn/m 3）19kn/m3 h-后座墙的高度（m） kp-被动土压系数为 tg 2（450+/2） （=400） c-土的内聚力（取 200kpa） h-地面到后座墙顶部土体的高度（m） 5.7 顶力估算 顶力计算是顶管的关键，依据我司研究的如计算式计算： f=f1 十 f2 (5.7) 式中 f-总顶力 fl-迎面阻力 f2-顶进摩阻力 5.7.15.7.1 迎面阻力计算 f1p/4d 2 (5.7.1-1) pko*ho (5.7.1-2) ko-静止土压力系数，一般取 0.55 ho-地面至掘进机中心的厚度 -土的湿重量，取 1.9t/m 3 7 d-管外径 5.7.25.7.2 泥水压力核算 ppwp (5.7.2-1) 式中： p-表示泥水舱管道基准面泥浆压力； pw-表示相对于管道基准面地下水压力； p-表示泥水舱建立高于地下水压力，一般设为 20kpa pw=wh (5.7.2-2) h-地下水位相对管底基准面水头高度 粘土层中，由于基渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，在较短时间内，都不会产生不 良状况，这时在顶进过程中应考虑以土压力作为基础。在较硬的粘土中，土层相对稳定，这时，即 使采用清水而不用泥水，也不会造成挖掘面失稳现象。然而，在较软的粘土中，泥水压力大于其主 动土压力，从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。但实际上，即使在静止土压力范围内，顶进停止 时间过长，也会使挖掘面失稳，从而导致地面下陷。这时应适当提高泥水压力。 5.7.35.7.3 顶进摩阻力计算 f2dfl (5.7.3) 式中：d管外径； f 一管外表面平均综合摩阻力，一般为 512kpa，采用触变泥浆减阻时可以取为 8kpa。 l顶距。 5.8 中继站设置估算 中继站设置由总顶力决定，满足以下一个条件时应设置中继站： 1 在总顶力大于主顶液压装置时； 2 在总顶力管子允许的轴向力时； 3 在总顶力大于以及沉井后座最大土抗力时。 根据经验，在顶管管径 d1000mm 时，应着重考虑管子的允许轴向力；而在 d1000mm 时，则 应着重考虑后座最大土抗力。 5.8.15.8.1 设定控制顶力 f 控 根据主顶液压装置，中继间的最大推力，管子允许的轴向力以及沉井后座最大土抗力以后，可 以确定控制顶力 f 控。 5.8.25.8.2 中继站分段确定 按公式 66，管道周边摩阻力 f2=dlf 根据经验，在 1 号中继环以前，可取 f=1.2t/m 2，在 1 号中继环以后，取 f=0.6t/m2 ，2 号中继 环以后，取 f=0.4t/m 2 11中继环前长度 l1（f 控f1）/(df) 5.8.2-1 2其余各段分段长度为： lnf 控/(df) 5.8.2-2 5.8.35.8.3 中继站的调整 在实际施工过程，应根据顶进施工所获得的数据计算管节外壁和周围土体的摩阻力。并根据计 算结果，结合以往的施工经验，对中继间的位置作了适当调整，以尽量减少中继间的投入，并能确 保顶进的顺利进行。 5.9 触变泥浆减阻 泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆，是由膨润土、cmc(粉末化学浆糊)、纯碱和水按一定比例配方组 8 成。不同的土质，应采用不同的配方，才能满足不同的需要。 触变泥浆配比，根据不同土质和某些特定的需要通过试验确定。触变泥浆可按如下标准设置： 5.9.1 5.9.1 浆液配比 减阻泥浆采用触变泥浆，该浆液性能稳定，且有良好的触变性，又有一定的稠度（浆液配比见 下表） 。 膨润土 水 纯碱 cms 100 600 3.5 1.5 膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间，听取供应商的建议但都必须按照规范进行，使用 前必须先进行试验。一般性能见下表： 膨润土 纯碱 掺加药剂 漏斗粘度 视粘度cp 失水量ml终应力比重 稳定性 14 5 cms l19”221 12.6 80 1.048 00.001 1对砂性土，含水量高，渗透性强时，采用浆液的粘度要高，失水量要小，并对土层要起一定 支承作用。顶管出洞后管节周围能迅速形成泥浆环套。 2对粘性土，采用的浆液相对要小些。 5.9.2 5.9.2 注浆管设置 注浆主管采用50mm 钢管， 从泥浆站直通机头， 主管沿线每间隔 9m， 设一个三通连接注浆支管， 每条支管采用25mm 橡胶管，沿顶管横断面弧形布置，支管上设 34 个三通，连接管壁上预留的 注浆孔。顶管过程中，应专人控制、交替打开注浆孔阀门，不断地向管外壁注浆。机头尾端要紧随 管道顶进同步压浆，后方各注浆点位必须跟踪补浆。 5.9.3 5.9.3 注浆控制： 1储浆池内的触变泥浆由地面上的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆总管，并到达连通各压 浆孔的软管内，通过控制压浆孔球阀来控制压浆。 2注浆压力控制在 0.51.0mpa 之间。 3注浆量可视具体顶进过程中摩阻力变化而采取勤注调整。 4在地面压浆泵的出口处，装置压力表，便于观察和调节、控制压浆的压力。 5.9.4 5.9.4 泥浆接力站设置 在顶进距离长， 一次压浆无法到位， 需要接力输送。 为此在管道内设置泥浆接力站， 每隔200300m 设一站，解决了顶进时同步跟踪压浆和沿线补压浆的难点。 5.9.5 5.9.5 泥浆调整 顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围的空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆 的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的 45 倍，但 在施工中还要根据土质情况、顶进状况、地面沉降的要求等做适当的调整。 5.9.6 5.9.6 注浆流程图 5.10 正常顶进 正常顶进工艺流程见下图。 膨润土 注浆池 注浆泵 注浆 9 5.11 关键技术 5.11.15.11.1 测量及轴线控制 1机头配有主顶速度检测仪、顶管机本体倾斜仪等可对顶进速度、机头旋转、水平倾角自动进 行测量，随时进行方向纠偏 2在顶进过程中，经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情 况下，每顶进 1 节混凝土管节测量 1 次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时 还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。 3随着顶进距离的不断增长，轴线偏差测量需接站观测，从而产生接站误差。 4指示轴线在顶进工程中，必须利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致 顶管工种： 顶管机机械工兼测量 工 泥浆工 电工 电焊工 起重工 杂工 整体式顶进构架调节顶块 泥水处理系统处理砂土、装车、外运 顶进前准备所有机械设备交班检查 顶管机刀盘转动、开进出渣浆泵 顶进、调整进出渣浆泵流量到达平衡 拆开各管路、管吊装、各管路安 装焊接 1个行程顶 进结束 测量顶管机的偏位、作好记录、纠偏 1节管 顶进 1个顶进循环结束、重复顶进1个行程 顶管管内管道： a电缆管 b触变泥浆管 c进泥浆管 d出泥浆管 e信号线 f油管 压触变减 阻浆 泥浆制 作 10 性。 5为了较好地解决测量用时问题，要尽可能减少测量接站数。 5.11.25.11.2 纠偏技术 工具管出洞后的轴线方向与姿态的正确与否，对以后管节的顶进将起关键的作用。实现管节按 顶进设计轴线顶进，做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制是关键，要认真对待，及时调节工具 管纠偏千斤顶和中继间千斤顶，使其能持续控制在轴线范围内。要严格按实际情况和操作规程进行， 勤出报表、勤纠偏，每次纠偏角度不得大于 0.22。即严格控制工具管大幅度纠偏造成顶进困难、 管节剪切破裂。 5.11.35.11.3 顶管顶进与地层形变控制技术 1顶管引起地层形变的主要因素有： 1）工具管开挖面引起的地层损失， 2）工具管纠偏引起的地层损失 3）工具管后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面损失，管道在顶进中与地层摩擦而引起 的地层扰动 4）管道接缝及中继间渗漏而引起的地层损失。 2在顶管施工中可采取如下措施： 1）及时调整土压平衡值 根据不同土质、覆土深度和地面沉降的情况，配合测量报表的分析，及时调整土压平衡值，同 时要求坡度保持相对的平稳，控制纠偏量，减少对土体的扰动。 2）调整注浆压力和注浆量 根据顶进速度，控制出土量和地层变形的信息数据，及时调整注浆压力和注浆量，从而将轴线 和地层变形控制在最佳的状态。 5.11.45.11.4 顶管出洞阶段技术措施 1顶管机姿态的复核测量 工具管进入接收井前需进行贯通测量复核，复核时应测量顶管机所处方位，用以确认顶管状态、 评估工具管出洞时姿态，拟定工具管进洞的施工轴线，使工具管在此阶段的旌工中始终按预定的方 案实施，以良好的姿态进洞，使其正确无误地进入接收井内。 当工具管逐渐靠近洞口时，必须控制好顶进时的土压力，在工具管切口距接收井 11.5m 时， 停止顶管顶进。并尽可能降低切口正面的土压力。 2顶管机出洞 在接收井封门被破坏后工具管应迅速、连续顶进管节，尽快缩短工具管进洞时间。工具管整体 进洞后应尽快把工具管和混凝土管节分离，并把管节和接收井的接头按设计要求进行处理，减少水 土流失。 5.11.55.11.5 顶进过程中的应急措施 1地质发生很大的变化，突然间变硬或变软。 这可以通过刀盘的转矩来判断， 如果突然变硬了， 则向土仓内加入水或泥浆，掘进机上设有加泥孔，其目的就是用来加泥的。如果太软，可把第一至 第三节管子及工具头都联成了一个整体，以增加它们的刚性，从而可避免机头突然沉陷。 2在顶管施工过程中，如果出现异常的偏差或纠偏失效，必须在允许偏差标准以内就停下来， 分析原因，找出对策再继续顶进，切不可盲目行动。操作人员必须严格遵守这样一条规定：无论何 种情况，超过允许偏差一律停下来，并且如实汇报情况，以便分析原因，找准对策。 6材料与设备材料与设备 6.1 材料 膨润土、cmc、纯碱、水等应符合国家现行标准。 6.2 顶管用管道 11 依据计算的顶力进行管道厚度、接头等设计，并委托经验丰富、信誉好、质量佳的厂家生产管 材。 6.2.16.2.1 顶管管材要求 1必须对运进现场管子进行严格质量检验，不合格的管子严禁用于顶管施工。 2顶管用混凝土管宜采用钢承口的接口形式，管材质量应符合下列要求： 1）混凝土管节表面光洁、平整、无砂眼和气泡；接口尺寸符合规定； 2）钢套环尺寸符合设计规定，接口无疵点，焊接接缝平整，肋部与钢板平面垂直，且应按设计 规定进行防腐处理。 3）密封橡胶圈安装前保持清洁，无油污； 4）混凝土管接口处加衬垫，防止管口受力不均而被顶坏。 3顶管用钢管时应符合下列规定： 1）应根据设计要求进行钢管防腐绝缘，检验合格后，对绝缘防腐层采取保护措施。 2）顶进钢管接口焊接后，接口处应补作防腐绝缘层及钢丝网水泥保护层，抹钢丝网水泥时，宜 加速凝剂。 3）采用钢丝网水泥保护层时，应焊制钢丝网水泥的保护肋板，顶进设备与管口接触部位应设特 制护口边圈保护管壁。 6.3 机具设备 序号 设备名称 设备型号 单位 数量 用途 1 泥水平衡顶管机 （梭型机头） dt-800 系 套 1 顶管 2 汽车吊 16t 台 1 顶管机吊进、出井 3 汽车员 8t 台 1 现场布置 4 龙门行车 30t 套 1 运输管道 5 注浆泵 bw250 台 1 触变泥浆注浆 6.4 劳动力组织 施工人员包括推进三个班轮转，每天保证顶管设备的正常运转，做到均衡施工。 顶进施工班人员表 顶进施工班人员表 序号 工种名称 所需人数 备注 1 中央控制室 机修工 1 2 管节拼装 土建工 2 3 润滑泥浆拌制 普工 2 4 机械维修 机修工 1 5 测量 测量工 1 6 电器维修 电工 1 7 吊车司机 吊车工 1 8 井口吊运 起重工 1 9 维修 机修工 1 12 10 维修 电焊工 1 11 维修 电工 1 7质量控制质量控制 7.0.1 7.0.1 长距离泥水平衡顶管施工质量应满足给排水管道施工及验收规范要求。 1接口必须密实、平顺、不脱落，密封材料完好、均匀。 2管内不得有泥土、石子、砂浆、砖块等杂物。 3管处壁与土体间的空隙，应填充处理完毕。 4有严密性要求的管道应经闭水试验合格。 5顶管允许偏差如表 4 所示 6地面隆沉值在设计允许范围内。 7具体指标如下表所示： 泥水平衡顶管允许偏差 泥水平衡顶管允许偏差 检验频率 序号 项目 允许偏差 （mm） 范围频率 检验方法 l100m 30 1 中线 位移 l100m 50 经纬仪检测 d1500+30，-40 l100m d1500+40，-50 d1500+30，-40 2 管底 高程 l100m d1500+40，-50 水准仪检测 3 相临管错口 钢筋混凝土管 20 每 节 管 1 钢尺检查 8安全措施安全措施 8.0.1 8