14.05.06泥水平衡顶管技术.doc

泥水平衡顶管技术在大口径供水管道铺设中的应用朱庆根 1 王志刚 2渊1.浙江宝阳市政工程有限公司 2.绍兴飞宇基础工程有限公司 312000冤摘要：泥水平衡顶管掘进技术是一种先进的替代开糟挖埋式铺管的技术，目前广泛应用于排水、引水、 给水、电讯、燃气、电力等管道的铺设，本文通过对无锡市自来水总公司敷设贯通锡澄水厂、中桥水厂、雪浪水 厂和锡东水厂的清水通道的大口径钢管顶进施工工艺的介绍，证明了泥水平衡顶管技术的在各类管道铺设 中适用性。关键词：泥水平衡、大口径、供水管随着我国经济建设迅速发展，城市化水平不断提高，建设资源节约型、环境友好型城市的要求也 迫在眉睫。为了避免以往“开槽式”挖掘施工所造成道路交通阻塞，事故频发，人民出行不便，同时为了减少对环境产生污染；非开挖施工技术已作为优先 考虑的施工措施；在顶管施工中，我们把用水力切削泥土以及虽然采用机械切削泥土而采用水力输 送弃土，同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水式顶管施工。泥水平衡理论就是以含有一定量粘土的且具有 一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力的一种顶管施工理论，按照该理论，泥浆水在挖掘面 上能形成泥膜，以防止地下水的渗透，然后再加上一定的压力就可以平衡地下水压力，同时也可以平 衡土压力。非开挖技术的应用适应了这种要求，泥水平衡顶管技术就是被广泛使用的一种非开挖技术，泥水平衡顶管可适用于排水、引水、给水、电讯、 燃气、电力等管道的铺设。1 工程概况为提高无锡市自来水应急状态下南北连网的 输水和蓄水能力，确保城市供水安全，无锡市自来 水总公司修建安全供水高速通道工程，敷设贯通锡 澄水厂、中桥水厂、雪浪水厂和锡东水厂的清水通道。作为安全供水高速通道配套工程，本工程管线 沿运河西路延伸段，该段给水管采用泥水平衡顶管法施工，管道沿运河西路，顶管全长 286 米，管材采用 D2448 钢管，顶管底标高为 -7.0m，地 面标高为3.6m，管道埋深 8.2m。使用中继间 1 套。 根据该项目大口径、管道焊接刚接口、长距离的特点，我们提出了采用泥水平衡顶管技术，结合 该地段地质土层具有复杂多变的实际状况，运用日 本伊势机 TCC 机型施工的方案。本工程使用的主要设备是：日本技术 TCC 型泥水平衡、偏压型顶管机。该设备有新设计的四大功 能：（1）顶管机顶进、破碎处理一体化，无需任何辅 助工艺；（2）在机内旁通装置标准化，大大缩短安装时间和防止泥水管道的阻塞；（3） 新一代的激光反射型方向诱导装置（RSG） 能使操作简单而精确；（4）适合土质范围广、顶管距离 300 米以上。泥水平衡式顶管施工最大的优点是：（1）适用的土质范围比较广，如在地下水压力 很高，以及变化范围很大的条件下，它都适用。（2）可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小。因此，采用此方法顶管引起的地面沉降较小。（3）与其他类型的顶管比较，泥水顶管施工时 的总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突 出，所以特别适用于长距离顶管。（4）工作坑内的作业环境较好，作业比较安全， 由于它采用泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险的作业。（5）泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。2沉井施工方案及工艺2.1 测量设计交桩：测量之前应有设计单位组织设计交 桩，一般来说，在工作井和接收井附近应各交二个控制桩并给出所有控制桩的坐标，控制桩之间的距 离应保持在 150m 以上。工作井和接收井之间一般情况下都不能通视，因此两处应各设置二个控制桩，避免设置新点时仪器操作所引起的误差，控制 桩距离 要求在 150m 以 上是为了保证测量时的 精 度，减少因仪器操作和人为因素引起的误差。测量放线：（1） 顶管工程的测量工作是整个顶 管工程的关键，它的实施好坏将直接影响到管线的平顺，甚至影响施工进度。因此需要精心实施，确保无误。（2）顶管工程的测量包括高程测量和轴线（左 右）偏差测量两部分。（3）高程测量较简单，在地面上把永久性水准 引测到井边，通过垂直吊钢尺引测到井下，设临时 水准点，再在管道内架设水准仪测至机头内标靶， 即可知道机头高程偏差。此水准还可以从机头测出来，闭合差按二级水准控制。（4）轴线（左右）偏差测量可在后座设一激光经纬仪，在满足通视的条件下，直接观察到机头光靶就可知道轴线（左右）偏差。2.2 基坑制作及下沉顶管工作井沉井套用上海市政设计研究院设 计的 51013m 沉井图纸。（1）施工工艺流程沉井制作深层搅拌桩施工深井降水沉 井下沉高压旋喷桩加固后背及止水帷幕钢管顶进坑内接点（2）施工方案经监理工程师认可的基坑开挖边线确定后，即可进行挖土工序的施工。井体外侧留置 0.5 米以上以作立模空间和排水明沟。沉井基坑底开挖至地坪 标高以下 23.5m（视具体开挖土质而定）。挖土采用单斗挖掘机，并与人工配合操作。因绿化迁移面积 有限，现场无法堆放土方，开挖土方全部外运（招投标工程量清单中为余土外运）。现场基坑底面的浮泥清除干净并保持平整和 干燥，在底部四周设置排水沟与集水井相通，集水井内汇集的雨水及地下水及时用水泵抽除，防止积水而影响刃脚垫层的施工。（3）刃脚垫层施工 刃脚垫层采用砂垫层和混凝土垫层共同受力。1)砂垫层厚度的确定：砂垫层厚度 H 可采用公式 N/B+r 砂 H计 算出工作井和接收井的砂垫层厚度。砂垫层采用加水分层夯实的办法施工，夯实工具为平板式振捣器2)砼垫层厚度的确定砼垫层厚度可按公式 h=(G0/R-b)/2 计算砼垫层 厚度。混凝土垫层表面应用水平仪进行校平，使之表面保持在同一水平面上。（4）立井筒内模和支架1尧遮板 2尧尾板 3尧环梁 4尧肋板 图 1 刃角端部示意图刃脚踏脚部分的内模采用砖砌结构，宽度与刃脚同宽。井身内模支架采用空心钢管支撑，钢管支 架保证架设稳固，如有必要，采用对撑支架，增加内 模的稳定性。（5）钢筋绑扎 钢筋的表面应洁净，使用前将表面油渍、鳞锈等清理干净；钢筋平直，无局部弯折，成盘的钢筋均 调直；钢筋接头互相错开，并严格按照国家标准混凝土结构工程施工及验收规范 中的有关规定执行。为了保证保护层的厚度，在钢筋与模板之间设 置同强度标号的水泥砂浆垫块，垫块应与钢筋扎紧并互相错开，钢筋规格和用量严格按照沉井施工图执行。钢筋绑扎完成后，应上报监理工程师进行隐 蔽验收。隐蔽验收合格后，方可进行立模。（6）立外模和支架 钢筋绑扎验收后，进行架立外模和支架施工，井壁内外模用串心螺丝固定，串心螺丝采用 14 圆钢，中间设置止水片，两端设置铁片控制井壁厚 度尺寸，圆钢两端头上铰成螺纹，用定制钢螺帽固 定，拆模时拆去钢螺帽，割去外露部分，再用同标号 防水砂浆二度抹平，确保不渗水。外模支架必须稳、牢、强，保证在浇捣砼时，模板不变形，不跑模。沉井施工用模板将采用 1.80.9m10mm 的多层专用木 模板，使用时内壁用废机油涂层，确保砼表面光滑。（7）浇捣混凝土 模板和支架工序完成后，必须经监理工程师进行验收。验收合格后，方可进行混凝土的浇捣。为缩 短施工周期和保证工程质量，采用泵送商品砼，泵 送砼可将输送管的软管直接放入浇捣段，距离浇捣 面 1 米左右，保证砼不离析。砼浇捣前严格检查各种预留孔、预留管和预埋件的位置和几何尺寸，防止漏放和错放。 砼振捣采用插入式振捣器振捣，振捣棒插入时离开钢筋，防止砼振捣不匀和振捣过密而产生的砼 离析现象的发生。砼在捣振时注意和随时检查模板 受力和钢筋受力的情况，防止模板因砼振捣的原因 而跑模。在砼浇捣过程中，还应做好砼试块工作，保证质保资料的完成。由于本工程中的沉井深度均在 15 米，因此，在沉井时，混凝土将采用分 3 次立模、浇筑，分 2 下沉。（8）养护及拆模 砼浇捣完成后及时养护，养护方法可采用自然养护城河塑料膜覆盖法，在养护过程中，对砼表面 需浇水湿润，不能用水泵喷射而破坏砼，养护时确保砼表面不发白，至少养护七天以上。养护期内，不得在砼表面加压、冲击及污染。 在拆模时，注意时间和顺序。拆模时间控制在砼浇捣后的 3-4 天内进行，过早或过晚的拆模对砼的养护都是不利的，拆模顺序一般是先上后下，小 心谨慎，以免对砼表面造成破坏，对分段浇捣砼部位，保留最后一排模板，利于向上接模。（9）封砌预留孔 严格按照设计图纸的要求，设置和封砌各种预留孔，并保证在沉井下沉过程中，预留孔内不渗水。（10）降水由于本工程管底设计标高均在 -7.0 米。根据地 质报告，沉井下部均处于粉质粘土夹粉土层中。在沉井下沉前，设置 300 口径的深井降水井 8 只，深度根据流砂层厚度确定在 1822m 之间。（11）挖除垫层土下沉 沉井下沉需待混凝土强度达到设计要求和深层搅拌桩施工完成后，方可开始挖土下沉，上层采 用人机配合挖土，下沉时，先凿除刃脚下的混凝土 垫层及砖砌内模。挖土工具采用长臂挖机挖土。沉井挖土顺序应中间稍低于四周，四周均匀挖土，使均匀下沉，防止 沉井倾斜。沉井内的挖土高差控制在 1 米以内，禁 止深锅底挖土，防止沉井突沉造成沉井倾斜的危 险。发现问题及时纠偏，由于挖土不均引起井筒轴 线倾斜时用挖土方法校正。在下沉较慢的一侧多挖土、增加荷载或用高压水枪冲击刃脚等方法纠偏。若沉井下沉有困难时要另外想办法，不准大量挖 深，造成突沉。沉井挖土三班制连续作业，中途不停顿，确保沉井连续、安全地下沉就位。当刃脚距离设计标高在 1.5 米时，沉井下沉速度要改为逐渐放缓， 挖土高差控制在 50cm 内，当沉井接近标高时，预先 做好止沉措施。止沉措施可采用在刃脚四周间隔挖 出设计标高的槽，填入方木，并注意抛高系数，禁止超沉和超挖。因设计变更，局部沉井将达到 18m,长臂挖机无法挖土下沉,将采用下部人工挖土,汽车吊吊土的方法进行下沉(详细施工方案另行审批)。（12）沉井抗浮计算 若地下水对沉井的浮力大于井壁及封底砼重量与井壁与土的摩擦力之和，可以采取在井壁上加 载的方法抗浮，根据地勘资料中对地下水的描述，可以查到稳定水位高度，对于地下水对沉井的浮力 计算公式为Fghs1其中 籽水的密度，取 103 Kg/m3 h水面至井底高度； s1井底面积； F水对沉井的浮力；沉井下沉系数计算如下：K=Q/L(H-2.5) 其中：K沉井下沉系数 Q井壁自重； H井壁高度； L井壁外周长； f土壤的摩擦系数；第一次下沉系数（包括第一、二节沉井）：K= 14522（5-2.5）250.11.15 沉井根据沉井井壁设计分节制作，高度根据设计总高平均分配，浇筑程序是第一、二节沉井砼和隔墙砼浇好后，待其达到设计强度 70%后，即进行下沉到设计的底标高，然后进行封底、浇注平台、浇 筑第三层沉井砼。（13）沉降观察 沉井在下沉过程中，必须随时测定沉井标高，确保均匀下沉，并做好沉井下沉记录。沉井下沉至设计标高（包括抛高）后，先清除表面浮泥等杂物， 超挖的土方必须用碎石夹砂填实，不用土填，井内保持没有积水，并确保井点的正常工作，不能发生停泵现象，同时加强对水位的观测，保证降水要求， 地下水位必须距离垫层 50cm 以下。当沉井在 8 小时内的累积下沉量不大于 10mm 时，方可浇捣底板。（14）垫层施工 施工时确保井底内无积水、无流砂、无翻浆等现象。即可在其上进行素砼垫层施工，素砼垫层砼标号为 C20。在垫层施工完成后，保证表面平整，无 地下水上冒现象。（15）浇筑混凝土底板 素砼垫层完成并养护到位后, 按设计要求进行底板钢筋的绑扎和砼的浇筑。底板钢筋砼浇捣完成 后及时养护，确保其表面不露白，并防止阳光及温差的剧烈变化，以免底板出现收缩裂缝，影响沉井 的施工质量和使用功能。3 顶管施工方案图 2 水平衡顶管施工方案及工艺流程3.1 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。3.2 顶力计算推力的理论计算：（以管径 2400mm，以本标 段最大长度 286 米为例计算）：F=F1+f2其中：F总推力； Fl 一迎面阻力；F2顶进阻力。 F1/4D2PD管外径 2.460m；P控制土压力 PKo酌Ho工作坑内总顶力控制在 1000 吨以内，对工作坑及后靠背均能满足顶进要求。但是，由于管道标高在-7.0m，该层土质均为粉质粘土夹粉土层，底下水较 丰富，顶管施工时。当顶力较大时，有可能对沉井后 靠背土体产生影响，使沉井整体发生位移。另外，由于该土层呈流塑状态，进出龙门洞口较大。当顶进开始和进洞开凿龙门洞时，有可能产生局部塌方。针 对上述原因，将对沉井工作坑后靠背采用高压旋喷桩加固土体和龙门洞处设置高压旋喷桩止水帷幕。3.4 设备安装轴线确定后先安放后靠背，后靠背后部距离井 壁 100200mm，调整后靠背前后以及左右方向，尽量保证后靠背的中心于轴线相重合，调整方法见图 3。式中：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，取最大值 9.4m；土的湿重量，取 1.9t/m3； P0.55*1.9*9.49.823t/m2；F1=3.14/4*2.4602*9.82346.66t；F2DfL式中：f 一管外表面平均（根据顶进距离平均粉 质黏土夹粉土）综合摩阻力，取 0.8t/m2；D管外径 2.460m； L顶距 =286m；F23.142.460.82861767.34t。 因此，总推力 F=46.66+1767.341814t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，必须采取减阻和中继间分 级顶进才能确保长距离顶进完成。首先，全线采用膨润土减阻。利用高浓度的膨润土浆液通过注浆孔注入管外壁，形成浆套以最大 限 度 地 减 少 订 力 ， 其 减 阻 效 果 一 般 可 降 低 顶 力20-30%。其次，由于沉井的最大设计顶力在 1200T 左右, 通过膨润土减阻仍无法满足最终顶力要求。因此，在顶进长度超过 200 米以上时，将采用中继间进行 分级顶进。本段顶管将采用 1000T 级的中继间 1套。3.3 后靠背的设置和处理根据沉井设计图要求，后靠背尺寸为 3m*3m,图 3 后靠背导轨及后顶的安装引轴线至井底前后两侧 A、B 两点，分中后靠 背，在后靠背上作一分中点 C，开始放置后靠背时尽 量使 C 点在 AB 的延长线上，此值可肉眼鉴定，误差不应大于 10cm，在后靠背边缘定出任意等高两点 D、D，测量 AD 和 A D，的距离，只需保证 AD 的距 离约等于 A D，的距离既可，误差不应大于 3cm，导 轨左右方向确定后既固定下面两侧各一点，后使用 线坠调整前后方向既可，最后根据实际情况填塞 C15-C30 的混凝土至井壁到后靠背的间隙，后方顶 的安装在后靠背的安装完毕后进行，抄平后顶后只 要保证所以千斤顶后平面贴实后靠背既可固定。导轨安装完毕后需在预留洞口内安装副导轨， 副导轨的轴线以及高程均要与主导轨保持一至，此 副导轨用于防止机头进洞后低头。增高装置可根据 机头重量以及增高量选择枕木，钢支架或砼垫层。洞口止水装置的安装，应保证除止水圈外最小直径大于进洞物最大直径的 8cm，防止受到进洞物的剪 切而失去止水效果，位置确定后可用水泥砂浆封堵 与井壁形成的间隙，防止从间隙处漏水、漏浆。3.5 泥水系统的安装泥浆池应尽量靠近工作井边，可采用并联法， 见图 4。注浆系统应尽量使用螺杆泵以减少脉动现象，图 4 泥水系统的安装浆液应保证搅拌均匀，系统应配置减压系统，在泵出品处 1 米外以及机头注浆处各安装一只隔膜式 压力表。3.6 顶进过程中的方向控制由于 TTC 机头本身所具有的方向诱导装置，纠 偏操作就变的简单易行了，操作员只要通过纠偏动作，始终保证激光点在二号光耙的中心既可。 测量与方向控制要点a.有严格的放样复核制度，并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度，坚持三级复 测：施工组测量员项目管理部监理工程师，确保测量万无一失。b.布设在工作井后方的仪座必须避免顶进时移 位和变形，必须定时复测并及时调整。c.顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度应保 持在 1020不得大于 0.5。并设置偏差警戒线。d.初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，因 此，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断 调整油缸编组和机头纠偏。e.开始顶进前必须制定坡度计划，对每一米、每节管的位置、标高需事先计算，确保顶进时正确，以 最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。3.7 顶管动力配套序号设备名称数量总功率(kw 辕 h)1刀盘电机1752送泥泵1153纠偏油泵电机154排水泵2153.8 注浆减阻长距离顶管施工中，顶力控制的关键是最大限 度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效的方法是进行注浆。注浆使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低了顶进时的摩阻力，我们在注浆时做到以下几点。a.选择优质的触变泥浆材料，对膨润土取样测 试。主要指标为造浆率、失水量和动塑比。浆液配 比：水 70%：膨润土 25%：增稠剂 5%。b.在管子上预埋压浆孔，压浆孔的设置要有利于浆套的形成。c.膨润土的贮藏及