[QC]大口径顶管大曲率施工方法的创新 [详细]

1、创新型QC课题大口径顶管大曲率施工方法的创新编写人：沈鹏飞发布人：徐俊浙江交工集团股份有限公司地下工程分公司半山电厂崇贤（半山电厂侧）入半山变220千伏线路电缆隧道工程项目QC小组二一七年十一月目录一、工程概况2二、小组简介2三、选择课题3四、设定目标4五、提出各种方案并确定最佳方案。5六、 制订对策10七、 按对策实施11八、效果确认17九、巩固措施和标准化17十、总结和下一步打算18大口径顶管大曲率施工方法的创新浙江交工集团股份有限公司半山电缆隧道工程QC小组一、工程概况半山电厂崇贤（半山电厂侧）入半山变220千伏线路电缆隧道工程位于杭州市拱墅区，起始于半山变220kv出线间隔，至半山燃煤

2、电厂止。线路全长657.169米，其中613.069米为内径DN3.5米圆形顶管，K0+621.918K0+657.169段为明挖矩形内净空2.2*2.6米隧道，全线共设置4座工作井。本项目顶管工程分三个区段，均穿越粉质土层，2#-1#工井区段长193.58米，最小平曲线半径597.626米，2#-3#工井区段为直线，长160.965米；3#-4#工井区段长229.61米，最小平曲线半径1000米。其中2#-1#工井区段相邻管节转角为0.24，接近顶管技术规程规定的转角上限，再叠加上大管径的因素，曲线段管节外侧的最大张口量达到了17.32mm，施工难度大，利用顶管机内的纠偏千斤顶施工曲线段无法

3、达到设计要求。2#-1#工井区段斜穿电厂热水河约100米，覆土深度5.1米，小于规程要求1.5倍顶管外径，大曲率顶进扰动原状土，沉降过大容易击穿河床，河水灌入顶管，极易造成重大安全事故。二、小组简介表1QC小组简介表小组名称半山电厂崇贤（半山电厂侧）入半山变22小组编QC2017-6-50千伏线路电缆隧道工程项目QC小组号课题名称大口径顶管大曲率施工方法的创新课题编ZJJGQC2017-6-5号课题类型创新型小组人数10组长陈建军成立时间2017年6月25日注册日期2017年6月30日活动时间2017年7月2017年11月活动频次2次/月，出勤率98%制表人：沈鹏飞制表时间：2017年7月30

4、日表2小组成员简介表序号姓名性年文化程组内职职称（工种）小组分工TQC教育时别龄度务间1陈建军男35本科组长高级工程师方案策划802沈鹏飞男33本科副组长工程师方案策划803辛国强男41本科副组长工程师方案实施804徐俊男28本科成员工程师施工605刘唐华男30本科成员工程师施工606潘晓男30本科成员工程师施工607吴正柏男24本科成员助理工程师机 料608谢宇翔男23本科成员助理工程师监 控409汪业青男28硕士成员工程师试 验50110朱德帝男25本科成员助理工程师安全50制表人：沈鹏飞制表时间：2017年7月30日三、选择课题1、本工程顶管管节外径4140mm，内径3500mm，是目前

5、浙江省管径最大的顶管。2#-1#工井区段的曲线段曲率半径为597.626米，相邻管节转角为0.24，接近顶管技术规程规定的转角上限，再叠加上大管径的因素，施工难度极大，利用顶管机内的纠偏千斤顶施工曲线段无法达到设计要求。2、2#-1#工井区段斜穿电厂热水河约100米，覆土深度5.1米，小于规程要求1.5倍顶管外径，大曲率顶进扰动原状土，沉降过大容易击穿河床，河水灌入顶管，极易造成重大安全事故。3、大口径顶管大曲率施工在我公司尚属首次，无现成技术资料及施工经验可查，必须研发整套工艺方法，满足项目产施工质量、安全及进度要求。4、顶管法作为非开挖技术，在城市综合管廊、地下通道等工程建设中获得了越来越

6、多的应用。随着技术的成熟，现实需求的提高，我国顶管工程的管径设计普遍越来越大，线路也越来越复杂，大口径大曲率顶管施工是每一个地下工程施工人员都很难回避的课题，亟待通过实践去摸索出先进的创新方法，去解决新的问题，提高现有施工水平。综上所述，我们选定“大口径顶管大曲率施工方法的创新”作为本小组活动课题。四、设定目标1、确定目标创新一种大曲率顶管施工方法，能够顺利完成目标 设计最小平曲线半径597.626米的顶管段施工制图人：徐俊制图时间:2017年8月5日图4-1目标设定2、目标可行性分析（1）本小组创新意识高，思维活跃，创新研究积极主动；骨干成员地下工程施工经验丰富，致力于创新型QC课题的研究，

7、并取得较好成绩。小组具备各种专业技术人才，具有很强的实践操作能力；本公司致力于建设国内一流的地下施工企业，对技术创新研究提供经济与技术上的强力支持，总师室组织内部专家研讨会针对大口径顶管大曲率施工进行方案策划。结论：在组织上，本目标实现是可行的（2）本工程所配备的顶管施工协作队伍经验丰富，所配备的顶管机械设备在始发前也经过专家评定具备完成该项顶管施工的能力，在2#1#工井区间段大曲率顶管施工前，本工程已经顺利完成了3#-4#工井区段最小平曲率半径1000米段，以及2#3#工井区间直线段顶管施工。上述两段顶管不2仅顺利顶通，轴线与坡度符合设计要求，而且在顶进过程中，成功的沉降控制符合规范要求，队

8、伍与机械设备均经过实践的考验。结论：在协作队伍、机械设备配置、实践经验方面本目标实现是可行的（3）通过理论计算，2#1#工井区间顶管段曲线半径为597.626米，根据已知顶管轴线曲线半径R=597.626米，单节管节长度L=2.5米，则相邻管节转角=L360/2R=0.23980.24得出相邻管节转角为0.24，我工程通过机头的纠偏千斤顶可以完成最大0.2的转角，如下图角，再通过我额外施加的可调补偿铰，或者增加中继间，在顶管机头与首节管之间形成补偿张口角，进行补偿，完全可以达到0.24的转角需求。本工程施工中控制在0.150.20，控制在0.0 60.10，在推进过程中有充足的余量进行纠偏控制

9、，确保顶管按照设计轴线顺利推进。结论：通过理论计算目标实现是可行的五、提出各种方案并确定最佳方案。1、方案的提出QC小组召开会议，围绕课题和目标集思广益，总结了前面两段顶管的实践经验，结合工程实际需求，提出了几项可行的实施方案，并逐个进行系统的整理分析。方案一：在机头与首节管之间增设一个中继间，拟定增加的中继间行程为30厘米，最大偏转角度0. 1，通过中继间千斤顶不均匀伸缩，右侧千斤顶加大伸长量，左侧千斤顶缩回，产生左转的偏角，从而增大曲率，控制轴线。方案二：在顶管机与首节管间设置可调补偿铰，补偿铰角偏转角度拟定为0.060.10，因为通过调节机头纠偏千斤顶来调节角比较方便，故角初始值按最大值

10、0.1设定，顶管在轴线中的偏转角=0.24，L=2.5米，管节外径D=4.14米,管节外半径R=2.07米顶管轴线曲线段圆曲线半径R=597.626米，故单节管子推进后产生的与曲线偏转距离S=tan（+）L=14.8mm,顶管轴线圆曲线外侧（东侧）首节管在施加补偿铰以后张口量=2（R+r）（+）/360-2（R-r）（+）/360=24.57mm25mm.为了满足这个张口量，我项目部准备了三种规格的钢板，15400280mm（弧形钢板）、1040028mm（矩形钢板）、2400140mm（矩形薄铁皮）通过上述钢板填充张口，通过顶管机纠偏千斤顶和补偿铰共同作用控制顶管轴线按设计曲线顺利顶进。方案

11、三：管节长度由原设计2.5米缩短为1.5米，根据已知顶管轴线曲线半径R=597.626米，现单节管节长度由L=2.5米变更为L=1.5米，则相邻管节转角=L360/2R=0.1438，我工程通过机头的纠偏千斤顶可以完成最大0.2的转角，因此通过减小管节转角和张口量，使现场现有机头具备完成此段曲线顶管的能力，可以通过机头纠偏千斤顶直接来控制轴线。3制图人：徐俊制图时间:2017年8月5日图5-1顶管轴线示意图为了进一步分析所提出方案的优缺点，小组成员制订了大口径大曲率顶管施工方法分析表。大口径大曲率顶管施工方法分析表序方案名方法简介优点缺点号称1增设中增设中继间，通过中继间技术成熟，千斤顶电脑制

12、作安装成本高，且继间千斤顶伸缩增大纠偏量，控制，操作简单、位移无法回收、容易渗漏补偿顶管机纠偏量不足部量精确水、施工周期长分，控制轴线。2设置可在顶管机与首节管间设置安装方便、经济成本低顶管机千斤顶伸缩控调补偿可调补偿铰，通过顶管机、转弯效果好、不影响制要求高，顶管机与铰纠偏千斤顶和补偿铰共同施工工期并且原状土首节管易脱节，引起作用控制轴线。扰动小隧道进水。3调整管管节长度由原设计2.5米缩利用成熟技术即可完管节长度调整必须通节长度短为1.5米，通过减小管节成施工任务，作业安全过设计变更，审批程转角和张口量来控制轴线。序时间长。接缝增加，导致管节成本上升且渗漏水概率增加制表人：刘唐华制表时间:

13、2017年8月5日2、方案的评估及选定方案对比分析表项目技术特点经济合理性难易程实用效果结论度4制作费用：201、根据实际情况定制一0000元本方案能够满本方案实施操方案一安装费用：50作简单，施工增设中个中继间000元复杂足施工需要，且安全，但成本2、中继间安装及使用施工安全可靠，继间合计250000高，工期长，3、中继间千斤顶回收操作简单。元不选用1、材料准备，包括工字本方案成本低钢、弧形钢板、矩形钢钢材费用：10本方案能够满，经济效益好方案二板等000元足施工需要，不，完全能够满设置可2、通过顶管机头铰接伸安装费用：50简单需要占用施工足施工需要，调补偿缩使得顶管机头与首节00元工期，操

14、作精度且不需要占用铰管间产生间隙合计：15000要求高。施工工期，选3、安装弧形钢板、矩形元用钢板等形成可调补偿铰1、由设计出设计变更图模具两套：10本方案能够满纸0000元本方案前期审方案三足施工需要，但2、管节厂家生产相应长管节成本：78批时间长，管调整管简单变更程序复杂，节长度度管节000元管节渗漏概率节成本高，不3、养护完成达到强度后合计：178000选用使用元增加制表人：刘唐华制表时间:2017年8月5日分析结论：小组认为，从技术特点、经济合理性、难易程度、实用效果4个方面分析，通过对3个方案的综合比较，方案2更具优势，为此，选定方案2：设置可调补偿铰为最佳方案。3、方案的实施程序。

15、方案实施程序见下图方案编写专家论证修改材料准备顶管机头右侧焊接槽钢顶管机头右侧纠纠加塞钢板间隙闭合拆除槽钢5制图：刘唐华制图时间:2017年8月5日图5-2方案实施程序图3、提出方案实施需解决的问题：通过QC小组集体讨论，我们将设置可调补偿铰法实施需解决的问题，从方案设计和补偿铰施工两个方面分类，列举如下图设置可调补偿铰方案设计阶段补偿铰施工阶段补间纠避完材偏免成料偿隙措应后准铰填施力钢备间充确隙集板定处形订对中理根据明确的要求，小组成员制定了对策措施，见下表。对策措施表序方案要对策目标措施地点完成时负责号素间人项目总工和技术人员计算召开QC小拟采用方案在最不利情况会议2017年沈鹏1纠偏措制

16、定完善的下最大可能偏差，拟定监飞、组会议，集室7月10施确定体讨论纠偏措施测频率，拟定纠偏措施，验现场日辛国算纠偏措施在最不利情况强下是否可及时纠正施工前确认首节管混凝土如何避采用胶合板在施工过程龄期与强度达到设计要求会议2017年沈鹏2免应力中，避免出，在首节管节与顶管机头室7月15飞、缓冲层现应力集中接触面端设置25mm厚木办公辛国集中日现象质胶合板缓冲层防止因填室强充钢板而产生应力集中3方案优小组讨论，确保方案实加强槽钢、弧型钢板的焊现场2017年沈鹏化设想补偿铰施的安全性接质量，并对补偿铰的补飞、7月166施工过程可达100%偿能力进行验算日辛国能出现的问强题，针对这些问题进行优化小组

17、讨论，确保材料强办公2017年陈建4材料准度、刚度，尺军、确定钢材类通过施工经验及验算选材室7月20备寸达到施工吴正型，尺寸现场日要求柏顶管机头纠偏千斤顶伸长补偿铰根据专家论补偿间隙宽后焊接槽钢使机头前端与2017年陈建5间隙形度能达到纠首节管保持固定距离，然现场军、证方案实施成偏的目的后收缩机头千斤顶形成补8月1日徐俊偿铰间隙在顶管机后段与首节管的间隙中先插入弧形钢板，用点焊的方式将弧形钢板挑选优秀的保证填充后的两端及中间与首节管的陈建间隙填钢板平整，钢套固定；再将10mm厚的2017年6焊接人员及现场军、充施工人员防止应力集方形钢板插入弧形钢板与8月1日徐俊中顶管机后段间隙中，在弧形钢板的

18、中间，上、下各一块均匀布置，用点焊的方式与弧形钢板焊接牢固七、按对策实施实施一：纠偏措施确定实施时间2017年7月10日实施地点会议室、现场实施人员沈鹏飞、辛国强为了确定合理的纠偏措施，QC小组召开了会议进行讨论。确定纠偏措施如下：2号井始发段24.773米为直线；此段因为是直线，在始发前，做好导轨的轴线复测，确保顶管机头以正确的姿态始发进洞，进入始发直线段后，通过操作室的监控及下井实地检查相结合，不断的检查轴线红外线有否偏离机头中心预设的光靶的中心，如果在推进过程中红外线始终对准预设光靶中心，且检查经纬仪未受到扰动则可确保顶管段沿设计轴线顺利推进，如红外线偏离光靶中心，则应及时启动机头纠偏千

19、斤顶，根据偏移情况及时进行纠偏。顶管通过直线段后进入5米缓和段，随后即进入圆曲线段，项目部总工室计算单次推进一节管节后，最不利情况下（即机头操作机手严重操作失误，纠偏千斤顶向相反的方向纠偏，在我项目严格的管理下此情况不可能出现，此处只是纯粹假设），管节轴线偏差值S大小：S=tan（）L+ tan（）L =18.8mm:调节机头纠偏千斤顶来调节的角度为角，最大取0.2，:顶管在圆曲线段的偏转角为=0.24，7L:单节管子长度为L=2.5米由上述计算可知单次推进一节管节后，最不利情况下轴线偏差为18.8mm,我工程顶管轴线，设计允许轴线偏差为150mm，可以看出只要保证每一节顶管顶进完成后，都进行

20、严格的轴线复测，最大偏差情况也是远小于设计允许值的，只要及时发现，及时进行纠偏，我顶管轴线是可控的。然后我项目部总工室通过验算了，根据偏差值大小划分，明确了在不同偏差情况下所采取的纠偏措施。纠偏措施：发现偏差出现后，应立刻根据偏差值大小进行判断，然后采取针对性的纠偏措施具体如下：偏差范围S：1-5mm应对措施:检查纠偏千斤顶偏转角度，检查机头与补偿铰接缝情况，如果与设计轴线偏转角度有偏差，则根据轴线偏转方向进行微调后继续顶进，如果正常。则不调整，下一节管节顶进完成后加倍复测：偏差范围S：6-10mm应对措施:根据轴线偏转方向，对纠偏千斤顶角进行微调，如果轴线右偏，则调大角，如果轴线左偏则调小角

21、，纠偏在顶进过程中进行，下一节管节顶进完成后应加倍复测。其中角的调节大小与偏差S的关系如下：=cot(S/L)：偏差范围S：11mm-15mm应对措施:根据轴线偏转方向，对纠偏千斤顶角进行调，如果轴线右偏，则调大角，如果轴线左偏则调小角，纠偏在顶进过程中进行，先控制偏差趋势，在继续顶进过程中，缓慢纠偏，确保在后续12节管子的顶进过程中完成纠偏其中角的调节大小与偏差S的关系如下：=cot(S/Ln)：偏差范围S：15mm以上应对措施:根据轴线偏转方向，对纠偏千斤顶角与补偿铰的角进行调整，如果轴线右偏，则调大角（角初始值按拟定最大值0.1设置，一般情况下不增大，如果角已经没有调整余量时则增加调节距

22、离，在后续多段管节顶进过程中完成调节），如果轴线左偏则调小角与角，纠偏在顶进过程中进行，先控制偏差趋势，在继续顶进过程中，偏差值起初有可能继续增大，但是增大速率下降，直至为0不再增大，然后偏差值开始减小，缓慢纠偏后回归设计轴线，确保在后续24节管子的顶进过程中完成纠偏，严禁在1节管子的顶进过程中强行完成纠偏。其中角，角的调节大小，与偏差S的关系如下：+=cot(S/Ln)实施结果:小组成员一致认为纠偏施工方案较符合实际施工情况，可实现预定目标。实施二：如何避免应力集中实施时间2017年7月15日实施地点会议室、办公实施人员沈鹏飞、辛国室强施工前确认首节管混凝土龄期与强度达到设计要求。在首节管节

23、与顶管机头的接缝内钢板接触面端设置25mm厚木质胶合板缓冲层，通过缓冲层分散应力。8机头与首节管之间间隙填充采用弧形钢板，因钢板厚度一定，不能完美填充，对此，我Q C小组讨论后决定采用薄铁皮对空隙进行有效填充，确保填充平整，受力均匀。通过以上 措施防止因填充钢板而产生应力集中。实施结果：顺利避免了应力集中的出现。实施三：方案优化实施时间2017年7月16日实施地点办公室实施人员沈鹏飞、辛国强经过专家论证后，QC小组对补偿铰施工方案进行进一步研究，设想补偿铰施工过程中可能出现的问题，并针对这些问题进行方案优化。针对专家提出的问题对方案进行修改，2号井始发段24.773m为直线；起曲点前5米区间设

24、置为直线到曲线段的平缓过渡段，顶管机刀盘过起曲点5米后开始安装设置可调补偿铰。固定槽钢型号由8号调整为10号槽钢，保证刚度。填充材料准备弧形钢板、矩形钢板、矩形薄铁皮三种配合使用。另外QC小组还明确了顶管施工完成后，填充的钢板与缓冲层处理措施，弧形钢板与顶管管节首节管端部钢套环之间采用焊接固定，顶管施工完成后，将顶管机头吊出，采用乙炔气割割除钢板，过程中注意不能割伤钢套环，气割完成后对切割面进行打磨，打磨完成后涂刷2道防腐底漆，两道防腐面漆。缓冲层的胶合板采用人工刨除。实施结果：通过优化，方案实施安全性可保证100%。实施四：材料准备实施时间2017年7月20日实施地点办公室实施人员陈建军、吴

25、正柏在顶管机与首节管间设置可调补偿铰，补偿铰角偏转角度拟定为0.060.10，因为通过调节机头纠偏千斤顶来调节角比较方便，故角初始值按最大值0.1设定，顶管在轴线中的偏转角=0.24，L=2.5米，管节外径D=4.14米,管节外半径R=2.07米顶管轴线曲线段圆曲线半径R=597.626米，,顶管轴线圆曲线外侧（东侧）首节管在施加补偿铰以后张口量=2（R+r）（+）/360-2（R-r）（+）/360=24.57mm25mm.为了满足这个张口量，我项目部准备了三种规格的钢板，15400280mm（弧形钢板）、1040028mm（矩形钢板）、2400140mm（矩形薄铁皮）通过上述钢板填充张口，

26、其中15mm厚弧形钢板与10mm厚矩形钢板共同完成25mm张口填充，另外因为弧形钢板与矩形钢板厚度一定，弧形钢板又有弧度，不能完美填充张口，对此，我QC小组讨论后决定采用薄铁皮对空隙进行有效填充，确保填充平整，受力均匀。材料见下图照片1所示。9图7-1照片1：填充材料实施结果：材料能满足施工要求实施五：补偿铰间隙形成实施时间2017年8月1日实施地点办公室实施人员陈建军、徐俊顶管机刀盘过起曲点5米后开始安装设置可调补偿铰。顶管机与首节管的布置见图7-2所示。缓慢伸长右侧纠偏千斤顶，右侧上和右侧下两组纠偏千斤顶必须同时伸长80mm，千斤顶前段向左偏转，与后段间形成转角，见图3所示。如果千斤顶伸长

27、时阻力过大，可以临时降低顶管机机头内泥水仓压力。图7-1顶管机与首节管（a）侧视图（b）俯视图制图：刘唐华制图时间:2017年8月5日图7-2伸长右侧纠偏千斤顶顶管机头纠偏千斤顶伸到位后焊接槽钢，槽钢是2根10号槽钢，长度为4米，在槽钢一端焊接钢板做成丁字头，见照片3所示。在顶管机右侧上下距离1.5米处各布置一根，先将后端丁字头插入顶管机后段与首节管间隙中，见照片2所示；再将槽钢前端架在顶管机胸板上焊接固定，见照片4所示。使两根槽钢与顶管机前段和首节管连成一个整体，见图7-4所示。焊接注意事项：两根槽钢需与顶管机和首节管保持平行；隧道属于封闭式，焊接时要注意通风，并配备灭火器以防意外；焊接丁字

28、头时需进行满焊，保证丁字头的强度。10照片2插入间隙照片3 丁字头照片4前端焊接（a）侧视图（b）俯视图制图：刘唐华制图时间:2017年8月5日图7-3焊接槽钢槽钢焊接完成后右侧纠偏千斤顶回缩，同时缓慢收缩右上和右下两组纠偏千斤顶，此时槽钢受压，撑住顶管机前段和首节管前端，保持两者间固定距离，使顶管机后段向前段靠拢，与首节管之间出现转角，见图5所示，当最大张口量达到25mm时，停止收缩纠偏千斤顶，形成补偿铰间隙。（a）侧视图（b）俯视图制图：刘唐华制图时间:2017年8月5日图7-4收缩右侧纠偏千斤顶实施结果：形成的补偿铰能达到纠偏的目的。实施六：间隙填充实施时间2017年8月1日实施地点办公

29、室实施人员陈建军、徐俊在顶管机后段与首节管的间隙中先插入弧形钢板，用点焊的方式将弧形钢板的两端及中间与首节管的钢套固定；再将10mm厚的方形钢板插入弧形钢板与顶管机后段间隙中，在弧形钢板的中间，上、下各一块均匀布置，用点焊的方式与弧形钢板焊接牢固，见图7-116所示。对有些部位较松的地方可以加塞薄铁皮，填充完毕后拆除槽钢，形成补偿铰进行曲线顶进。（a）侧视图（b）俯视图制图：徐俊制图时间:2017年8月5日图7-5安装固定钢板实施结果：填充材料能达到填充目的并有足够的强度及刚度。八、效果确认通过QC小组5个月时间的不断探索研究，完成了课题，达到了预期目标，取得了显著效果，受到了各方好评。QC小组创新研发的大口径顶管大曲率施工方法，成功地应用于半山电厂崇贤（半山电厂侧）入半山变220千伏线路电缆隧道工程2#-1#工井区段顶管施工，实践证明具有安装方便、经济成本低、转弯效果