大断面矩形顶管施工技术

1、大断面矩形顶管施工技术一、矩形顶管简介矩形顶管法是借助顶推设备液压千斤顶将管节从工作坑始发井内穿 过土层一直推到接收坑到达井内，依靠顶管机刀盘不断地切削土屑，由螺旋 机将切削的土屑排出，并通过洞内水平运输至始发井口吊出。边顶进，边切削， 边排土，将管道逐段向前铺设的一种非开挖施工技术。1.2矩形顶管适用范围矩形顶管工艺适用范围如图 1.2-1所示。地铁出入口过街通道地下综合管廊穿越铁路、河流等图1.2-1矩形顶管适用范围示意图1.3矩形顶管施工优缺点1.3.1矩形顶管工优点1施工占地面积小、噪音低、无扬尘；2不开挖路面、不封闭交通、不改迁管线；3在同等截面下，矩形隧道比圆形隧道能更有效的利用地

2、下空间;(4)施工对周围土体扰动小，能有效控制地面和管线沉降;1.3.2 矩形顶管工缺点根据顶管机设计，顶管螺旋机出土最大粒径为250mm,施工中有可能会遇到顶管机无法排出的较大孤石。在遇到顶管机无法排出的孤石时需于地面确定孤 石位置进行临时交通疏解，开挖取出孤石。二、大断面矩形顶管机介绍顶管机根据矩形顶管设计尺寸及地层情况进行设计制造，主要由切削搅拌系统、驱动系统、纠偏及液压系统、出渣系统、顶推系统、测量显示系统、电气操 作系统等组成。2.1切削搅拌系统矩形顶管配置了 6个辐条式刀盘，刀盘开口率70%上，采用3前3后平行 轴式布置,相邻刀盘的切削区域相互交叉，开挖覆盖率能到达 93%95%考

3、虑要 通过加固区，在前盾切口环全圆布置切刀，对盲区进行主要切削。刀盘切削下来的土体充满整个土仓，并经过刀盘附带的搅拌棒充分搅拌均匀 后，由底部螺机出土孔进行出土。2.2驱动系统(1) 驱动形式：变频驱动；(2) 速度：01.16 rpm，无级变速；(3) 最大理论扭矩：1444kN m (单个刀盘) 驱动功率：30kwX6X6 (6组)2.3出渣系统螺旋输送机结构包括壳体、轴式叶片、驱动装置、尾部闸门几局部。螺旋输 送机安装在土压仓下部，其作用是排除渣土、碎石以及调控土压仓压力，实现土 压平衡。排出的渣土经过洞内水平运输至始发井口，吊运至集土坑。2.4纠偏系统纠偏系统主要作用就是在推进过程中，

4、 假设出现轴线偏离一定角度，那么使用纠 偏油缸进行纠偏，以纠正矩形盾构顶管的姿态，纠偏油缸属于主动铰接，纠偏油 缸的布置主要考虑结构上合理，满足上下、左右纠偏的效果。纠偏原那么：1勤纠、微纠和看趋势进行纠偏；2向上下，后左右2.5顶推系统顶推系统主要是为矩形顶管机及管节提供顶进动力，由顶铁、主顶油缸、液压泵站组成组合顶铁主顶J液压泵站组合图2.6渣土改进系统顶管机配置膨润土和泡沫两套改进系统， 可单独使用，也可同时使；六个刀 盘的每根辐条上均布置碴土改进孔， 掘进过程中，通过管路将碴土改进剂送至土 仓，改进土体。2.7触变泥浆减阻系统在壳体上和每节管片上均布置有触变泥浆注浆孔，壳体上注浆孔在一

5、定程度 上能起到调整盾体姿态的作用，管节上的注浆孔，主要用来减小摩阻力，同时也 能最大限度的解决背土问题。2.8导向测量系统在始发井处设置激光经纬仪，在矩形盾构顶管内设置导向靶。通过激光在导 向靶上的投射斑点的位置来判断矩形盾构顶管的当前姿态。2.9控制系统矩形顶管操作控制室设置在地面上，通过Profibus协议与远程I/O模块组建顶管的控制系统。同时，设备选用工业电脑作为图形终端通过以太网协议与PLC实现数据交流。三、大断面矩形顶管管节介绍3.1 管节设计矩形顶管管节一般采用矩形或类矩形上部微拱结构，管节设置吊装孔、 触变泥浆孔及浆液置换孔等，单节长度一般为1.5m，矩形管节之间纵向连接采用

6、承插式F型接头。深圳地铁11号线车公庙站地下通道共计4条顶管，总长329m设计结构形 式为矩形圆倒角钢筋混凝土管节，结构净空宽3.65m，高5.9m。1顶管采用C50预制钢筋砼管，结构外尺寸为 6900* 4650，壁厚500mm抗渗等级为P10。(2) 每节管节长度为1.5m,每节管节重量约38T,每节理论出土量48.5m3。(3) 顶管通道采用纵向穿锚索的方式加强纵向刚度，锚索孔在管节预制时 预留，管节间预留阴阳榫头以保证施工时锚索孔道在一条直线上。(4) 每片管节设8个DN120m吊装孔，10个DN25m钢管压浆孔(顶进时 减磨注浆)，18个DN60m预应力孔道。管节设计如图3.1-1

7、o廿谢面囲图3.1-1矩形顶管管节设计图3.2 管节防水(1) 、外侧防水体系：管节承口钢套环采用厚16m的钢板，长345mm管节插口混凝土结构外侧密 贴一道楔形橡胶圈，施工时插入承口钢套环内，在插入过程中，橡胶圈被压缩， 密贴钢套环，形成良好的防水体系(2) 、嵌缝防水体系：在管节两管节接口处设置嵌缝槽，迎土面采用聚氨酯密封胶填缝，背土面待 浆液置换完成后采用低膜量聚氨酯或聚硫密封胶嵌缝。3、浆液置换防水体系顶管顶进完成后，通过设置在管节中部的二次注浆孔， 对管节周边的触变泥 浆进行浆液置换，固结通道。管节防水设计见管节接口细部图3.2图3.2-1顶管管节接口细部构造图3.3 管节吊装管节设

8、计有吊装孔，吊装采用专用吊具进行，吊机、钢丝绳、卸扣、吊具、 吊点等均须经过验算满足施工吊装要求。四、大断面矩形顶管施工技术4.1施工工艺流程矩形顶管施工主要包含顶管始发准备工作、设备安装、始发施工、正常推进、正常推进地面作业地面监测 管节防水 拌浆土方外运井下施工止退安装、管节安装 轴线高程浏量减磨注浆出土7込机头靠近洞门按测量定位、接收架安装 收围护破除、明洞施工 施顶管到达工浆液置换固结管节嵌缝 竣工测量 设备退场 验收管机别离丿接收施工、收尾工作。详见顶管施工工艺流程图 4.1-1C准备工作C设C 始 satL拌浆系统测量定位安装洞门止水装置起重设备就位K “后座反力系统安装K后座顶进

9、“安装U型顶进设备进场机座导轨安装顶铁、机头靠境管节制作千斤顶安裝顶进、安装止退装置现场供电准备顶管机拼装管节安装J 端头加固 JJ机头调试丿顶管机整体调试J图4.1-1矩形顶管施工工艺流程图4.2顶管端头加固工作井结构施工完成后，组织进行端头加固施工，按照设计图纸要求进行顶 管端头区加固施工，以满足顶管始发端头止水、加固需求。端头加固一般采用搅 拌桩+旋喷桩进行，长度为顶管机长度+23节管节长度，约10m,以确保始发 平安。4.3顶管始发431顶管始发准备顶管始发前期准备工作包括：场地布置、水电管路布置、顶管机组装调试、 端头加固、后背加固施工等。4.3.2 顶管机组装矩形顶管机由于高度限制

10、，整机分为前后上下四局部运送至施工场地， 采用 履带吊进行现场拼装。顶管机组装根据组装方案进行，组装顺序如下：顶管机组装顺序：基座导轨后靠前下壳体前上壳体*后下壳体 后上壳体 螺旋机刀盘 油缸系统及顶铁iXiW雄评圻黛枫安谟 繭卜说休宜秋繭1?誥休安叢鞋片克体宅贊图433-1顶管机组装顺序图4.3.3 顶管机调试1、空载调试顶管机组装和连接完毕并确定无误后，即可进行空载调试。主要调试内容为: 配电系统、液压系统、润滑系统、冷却系统、注浆系统、以及各种仪表、传感器 的调试。2、负载调试空载调试顶管机各系统运转后即可进行负载调试。负载调试的主要目的是检 查各种管线及密封的负载能力；使顶管机的各个工

11、作系统和辅助系统到达满足正 常生产要求的工作状态。高压系统的测试：高压电缆、接头、高压开关柜及变压器的绝缘及功能调试。 低压供电系统的调试：照明系统含紧急照明 、动力系统、弱电供电系统。 刀盘驱动系统测试：正转、反转功能、最大速度、速度调节、制动、压力等 是否正常。油脂密封系统测试：系统工作是否正常并且将油脂注满主轴承，直至溢出， 测量压力是否到达要求， 控制局部功能是否正常， 油脂桶液位连锁功能是否正常。齿轮油循环系统测试：工作是否正常，液位报警功能等。 液压泵站测试：检查油箱油位传感器、油温传感器、液压油过滤、循环系统 以及各泵的工作压力是否正常。其他辅助液压系统测试：动作、压力、油温是否

12、正常。 顶推装置测试：推进速度、油缸压力、油缸行程的检测。 泡沫系统的测试：泡沫系统水泵、气路、泡沫发生器的功能，泡沫压力、流 量以及各泡沫注入点阀门启闭， 泡沫发生剂发泡性能和注入管路工作情况等的测 试。螺旋输送机系统测试：包括螺旋输送机转速、油压、伸缩动作、正反转和出 土闸门启闭等的测试。顶管机铰接功能的测试：各铰接油缸动作和铰接功能的测试。 整机联动控制是否正常，各个环节在控制室的控制情况是否正常。 顶管机故障显示测试：显示是否正确、急时。4.3.4 洞门破除顶管机组装机头距结构侧墙 2m施工前，在洞门位置搭设两排扣件式脚手 架，并搭建施工平台，外侧设置防护杆。脚手架搭设时，立杆纵向间距

13、1.2m，立杆横向间距1.0m，水平杆布距1.2m。施工时，工作平台铺设走道板，走道板要 求满铺。洞门破除采用人工风镐按“纵向分段，竖向分层原那么破除。第一阶段自上而下凿除表层100m混凝土，并割除表层钢筋，破除宽度不小 于洞门钢环尺寸。第二阶段自上而下分层凿除内层混凝土， 直到露出里层迎土层钢筋， 破除宽 度不小于洞门钢环尺寸，并及时清理破除后的砼块。第三阶段先将将迎土侧钢筋割除， 再自上而下凿除外保护层混凝土， 破除宽度不小于洞门钢环尺寸，并及时清理破除后的砼块和断钢筋。4.3.5 顶管始发1空推顶进顶管机组装完成后， 对全套顶进设备作一次系统调试， 应特别注意仿形刀在 穿越加固层时的切削

14、性能。 在确定顶进设备运转情况良好后， 把机头顶进洞圈内 距加固层10cm左右。考前须知：A 、始发基座轨道及延长轨道涂抹黄油，减小阻力；B 、对称、缓慢启动上下左右 4台千斤顶，确保初始受力均匀；C、刀盘顶推距离土体1020cm启动，防止破坏洞门防水装置；2加固区顶进由于正面为加固土， 为保护刀盘和仿形刀， 顶进速度应适当减慢， 使刀盘和 仿形刀能对水泥土进行对矩形断面彻底切削； 另外由于此段土体过硬， 螺旋机出 土时可加适量清水来软化和润滑土体。考前须知：A 、当顶管机壳体完全压住两道钢丝刷后，开始注入洞门油脂，保压不小于 2barB 、对向启动 6个刀盘，注入渣土改进浆液，确保土体浆液的

15、混合物逐步充 满整个土仓，启动千斤顶，顶推速度控制在 510mm/min ，正面土压力 0.06 0.1Mpa。C 、当顶部土压建立后，可逐步开启螺旋机，初始出土速度要求慢，待顶进 与出土到达平衡后， 出土性状具有良好的塑性、 流动性和止水性后， 方可逐步提 升出土速度。3刀盘出加固区刀盘进入原状土体后， 根据螺机出渣性状及时调整渣土改进浆液配比和注入 量，开始同步注入触变泥浆。顶进速度控制在1020mm/min，设置合理的正面土压力。4.3.6 止退装置与防后退技术由于土压平衡矩形顶管在顶进中前端阻力很大， 即便顶进了较长里程后， 在每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节就会一起

16、后退2030cm，机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体得不到稳定的支撑，易引 起机头前方的土体坍塌。因此，在前基座上安装一套止退装置， 将管节和机头稳 住，从而使地面沉降量明显减少，同时，管节与管节之间采用大螺杆纵向连接成 一个整体，防止接头松弛破坏防水。如下图。图436-1 止退装置图4.4顶管顶进施工4.4.1 正面土压力设定根据Ran ki ne 土压力理论进行计算：P=krzk :粘土的侧向系数(参考?基坑开挖手册?)r :土的容重z :覆土深度(1) 计算值作为土压力的最初设定值，在实际顶进后，通过顶进参数、地 面沉降监测，进行动态调整。(2) 精确统计出每节管节的出土量，实际出

17、土量控制在理论出土量的 98%, 以保证正面土体的相对稳定。(3) 在顶进时应对顶进速度作不断调整，找出顶进速度、正面土压力、出 土量的最正确匹配值，以保证顶管的顶进质量。4.4.2 顶进推力根据日本下水道协会的经验公式:P=SX q 叶(RX F+W( f )X L式中P顶力ts刃刀的外周长mqr顶进端的阻力t/m R土和管的摩擦力t/m2 f管的外周长mW管的单位重量t/m f管自重的摩擦系数l顶进长度m其中局部计算参数如下表表4.4-1顶推力参数表土质qr (t/m )R (t/m2 )f软弱土3100.4 1.00.2普通十5150.8 1.40.3硬质土10301.2 2.50.4由

18、于采用触变泥浆减阻，减阻率在60%左右，实际最大顶推力约为P1=0.4*P。4.4.3 顶进速度始发接收阶段不宜过快，一般控制在510mm/min左右，正常施工阶段可控制在1020mm/min左右。4.4.4 注浆系统1渣土改进渣土改进分为泡沫改进和膨润土改进，设备设计了膨润土浆液注入口，同时每个刀盘设计了单管单泵的泡沫改进系统。渣土主要使用膨润土进行改进，膨润土改进采用一级钠基膨润土，该膨润土 具有起浆快、造浆高、滤失低、润滑好等特点。根据现场试验渣土改进浆液配比质量比为膨润土：水=1: 4,注浆量为改进土体 30%50%,注浆压力0.2 0.4MPa,渣土改进效果如图444-1所示。图44

19、4-1渣土改进效果图2触变泥浆 顶管管节设置有注浆孔，压注触变泥浆填充管道的外周空隙以减少地层损 失控制地面沉降和减少顶进阻力。 采用泥浆搅拌机进行制浆。纯碱和CMC应预先化开CMC可以边搅拌边添 加，再参加膨润土搅拌20 min，泥浆要充分搅拌均匀。注浆泵采用专用泵，将 其固定在始发井口，拌浆机出料后先注入储浆桶，拌制后的浆液在储浆桶中需经 过一定时间不小于24小时膨化前方可通过专用泵送至井下。 触变泥浆浆液配制触变泥浆浆液应不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一 定的稠度。所用润滑浆液主要成分为膨润土、纯碱以及 CMC化学浆糊。图444-2 触变泥浆注浆减阻图 触变泥浆注入原

20、那么与注入量顶进时压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆的原那么。管节上的压浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压 浆量需根据施工时的具体情况而定顶进施工中，触变泥浆的用量主要取决于管道周围间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，泥浆的实际用量一般取理论值的23倍，在施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。445 施工轴线控制推进方向控制与调整采取以下两方面的手段和方式：(1) 推进自动导向系统和人工测量辅助进行土压平衡矩形顶管姿态监测。该系统配置了导向、自动定位、显示器等，能够全天候在土压平衡矩形顶管 主控室动态显

21、示土压平衡矩形顶管当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制土压平衡矩形顶管推进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。土压平衡矩形顶管采用激光制导的方法进行推进导向。该系统在设备内设置 激光靶，洞口始发井处设置激光全站仪。激光全站仪安装在工作井后背稳定的位 置，调整好激光束的位置和方向，使激光束与管道的中心线平行，并且符合设计 坡度，发射可见的激光束。图轴线控制示意图当顶进一段距离后，量测激光束打在土压平衡矩形顶管上目标靶上的偏移量 来测出施工中管道的高程及中心偏差。同时土压平衡矩形顶管司机也可以根据激 光投射在靶面上的光斑的位置，直接判断土压平衡矩形顶管的姿态。图445-2激光经纬仪

22、测量图随着土压平衡矩形顶管推进，必须通过人工测量来进行精确定位。 为保证推 进方向的准确可靠，拟每2环进行一次人工测量，以校核测量系统的测量数据并 复核土压平衡矩形顶管的位置、姿态，确保土压平衡矩形顶管推进方向的正确。4.4.6 顶管顶进纠偏1盾壳上设计有水平倾角传感器，实时监测滚转姿态，并设有预报警系 统。2刀盘每个刀盘的旋转速度及方向都可调，从而实现盾体滚转纠偏图446-1刀盘旋转纠偏图1铰接纠偏超大断面矩形顶管施工过程中，铰接纠偏是最直接、最有效的姿态控制方法 之一。铰接油缸位置的放置需考虑两方面的要求： 调向的灵敏性和盾体稳定的导 向作用。超大矩形顶管前盾的长度较短，使铰接力能够有效的

23、传递到刀盘便于转向。尾盾设计较长，并通过拉杆与后 34环管节相连接，防止出现过度纠偏纠偏角度为:图446-2铰接纠偏纠偏图正常掘进时，铰接油缸处于全部收回，以防顶管姿态发生偏差。当顶管姿态 发生偏差时，将发生偏差侧的铰接油缸进行伸长， 以调整顶管姿态。同时将相应 侧的用于与顶管机和管片连接的拉杆松动，以利于顶管姿态的调整。铰接伸长的 距离根据地层情况、姿态偏差的大小、拟合掘进线路等综合进行确定。(2) 双螺旋机出土纠偏为保证土仓各点压力的连续性和均匀性，顶管机设计为双螺旋机出土。正常掘进过程中，要保持双螺旋机出土的一致，防止土仓左、右侧或上、下侧压力出现不平衡，造成顶管隧道轴线偏差。当顶管出现

24、姿态偏差，可以通过调整双螺旋机的转速，控制双螺旋机出土量，控制土仓左、右侧或上、下侧压力差, 进行姿态调整。图446-3 双螺旋机出渣图(3) 注浆纠偏当顶管机发生中线偏差或滚转时，铰接纠偏能力缺乏时，可借助于盾体及管 节上预留的触变泥浆孔及纠偏泥浆注入系统，在需要的位置向地层注入纠偏泥 浆，见图6.39，调整顶管周围的地层压力，依靠地层压力的偏差和地层的微量 压缩性进行纠偏。图446-4 打泥纠偏图4.5顶管接收4.5.1 围护结构破除当顶管机进入接收区段后，立即组织进行接收洞门探水作业，破除围护结构。 洞门探水、围护结构破除方式同始发工作井。4.5.2 浆液置换顶进施工完成后，为减少土体后

25、期沉降，加强隧道整体防水性能，须加注水 泥浆对触变泥浆进行置换，固结隧道。选用1:1的水泥浆液，通过注浆孔置换管道外壁浆液，根据不同的水土压力确定注浆压力。4.5.3 预应力张拉为降低顶管通道运营过程中由于纵向变形导致接头漏水的风险， 对顶管通道 采用纵向穿锚索的方式加强纵向刚度。 锚索孔在管节预制时预留，管节间预留阴 阳榫头以保证施工时锚索孔道在一条直线上。 待顶管管节安装完成后，进行穿筋 张拉，张拉完成后预应力管道进行灌浆，封锚。4.6重难点分析4.6.1顶管施工始发、到达原因分析：顶管的始发与到达是顶管施工中最易出现问题的环节，常会因为顶管施工始 发、到达过程中定位不准确、方向控制不好，

26、或者端头加固的质量问题，导致始发、到达时出现坍塌、突泥、涌水，严重影响施工平安。施工措施：1严格按照设计要求的长度及宽度对端头进行加固，做好过程控制；加 固施工过程中严格按照相关要求， 从材料进场、 设备、 施工工艺等几个角度严格 控制施工质量，确保加固质量。2端头地层加固完成后，对加固区域进行垂直取芯，检查其加固的完整 性、强度。3在洞门凿除前，对要凿除的洞门范围内边角及中心位置分别进行水平 和倾斜探孔， 探孔数量根据现场灵活布置， 孔深以不打穿加固体为好， 一旦发现 存在问题进行二次补充加固，确保加固体的整体、连续，无加固盲区，始发到达 不流砂、不涌泥。4做好洞口防水密封，顶管始发，预先安

27、装洞门圈预埋钢环，始发时采 用 1 道帘布橡胶板道作为洞门密封， 并在延长洞门上预留注浆口， 防止在始发过 程中及整个推进过程中管节长时间摩擦洞门密封导致密封被破坏，确保工程安 全。5顶管到达时，由于顶管掌子面反力破坏、减小、丧失，触变泥浆流失， 同始发一样， 检查完洞门加固质量后， 在洞门钢环内焊接 1 道钢丝刷，外侧安装 帘布橡胶板和折页压板，到达加固体后、掌子面前，低推力，低转速，尽可能的 多出土，晚破坏掌子面；掌子面破坏后要快速的推出，以防止漏泥漏水。6控制好顶管姿态，在保证出碴量正常的前提下，尽量快速完成顶管的始 发与到达。 同时，充分考虑到由于对端头地层进行了加固处理， 地层性质所发生 改变，推进时要密切关注顶管姿态突变情况，勤测量、勤纠偏，并在顶进最后 3 环管节时，在顶管机后注入高稠度泥浆，防止到达时漏浆。7在始发到达前