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1、泥水 平衡式 大中型口径顶管施工工法1前言随着城市建设的发展，市政管网施工的问题日益突出，传统的开槽施工，因破坏道路、影响交通、污染环境等，越来越不适合于城区施工，小口径拖拉管的施工也逐渐不能满足社会高速发展、城市扩张的需求，而顶管施工则切实解决了存在的问题，在市政管网施工中得到了越来越多的应用。我司在采用泥水平衡式顶管施工技术的过程中，经过多年的施工实践，总结出了复杂地质条件下大中型口径泥水平衡式顶管施工工法，取得了明显的社会效益和经济效益。2工法特点2.0.1本工法是一种非开挖施工技术，地下穿越能力强，施工工作面不大，可方便在繁华市区施工，对顶进管道周围地层扰动少，能维持不同土质挖掘面上的
2、稳定平衡;土层损失小，产生的地表面变形小。2.0.2本工法顶进施工时的连续作业性能好，施工进度快。2.0.3采用本工法施工时的总顶力较小，尤其在黏性土层中的长距离顶进，优于其他类型的顶管工法。2.0.4在工作井内的作业环境较好，能够安全地实现顶进作业。2.0.5施工噪音小，不破坏道路、不影响交通，环境污染小，施工精度高，技术先进。3适用范围3.0.1本工法适应于各类大中型地下管道施工(管径大于1200毫米)，通常包括混凝土管道、钢管、玻璃钢夹砂管、球墨铸铁管道等等。3.0.2本工法适应于各种不同的土质条件，尤其对地下水位很高，地下水压力变化较大的地层更具有优越性。4工艺原理泥水平衡式顶管机是利
3、用泥水压力来平衡顶进工作面上的水压力和土压力，通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面，弃土以泥水方式排放出顶管机，在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从工作坑将铺设的管道顶入，从而在顶管机之后直接铺设管道。工艺原理参见图4。图4工艺原理图5施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程当顶管线路选定，各标段的工作井和接收井位置确定后，各标段开始施工的工艺流程可参照图5.1进行。图5.1工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工准备1施工资料准备1)工程施工前应由设计单位进行设计交底及图纸会审，发现问题及时向设计单位提出变更修改。2)工程施工前应掌握管道沿线的地形、地貌、建筑物、各种管线及设施情况，熟悉工程地
4、质勘察报告、水文地质资料、气象资料。3)结合工程实际，编制施工组织设计，制定保证安全质量的措施。2施工测量:根据测量控制点的坐标和高程，布置现场的测量控制点，并设永久性测量控制桩。3工作井与接收井施工:工作井必须满足在顶力和周边水土压力作用下的强度和变形要求，结构形式应根据顶力大小和地下水情况因地制宜地选择。4顶力估算1)施工前，应对总顶力进行估算，以验算设备及材料承受力和确定工艺。2)顶力计算参考给水排水工程顶管技术规程CECS246:2008F=DLfk+NFF-总顶力标准值(KN);D-管道的外径(m);L-管道设计顶进长度(m);Fk-管道外壁与土的平均摩阻力(KN/m)(参考表5.2
5、.1)NF-顶管机的迎面阻力(KN)NF=(/4)DgrsHsDg-顶管机外径(m);Rs-土的重度(KN/m);Hs-覆盖层厚度(m);3)当估算总顶力大于管节允许顶力设计值或工作井允许顶力设计值时，应设中继环。表5.2.1管道外壁与土的平均摩阻力(fK)取值(KN/m)土的种类软粘土粉性土粉细土中粗砂触变泥浆混凝土管3.05.05.08.08.011.011.016.0钢管3.04.04.07.07.010.010.013.0注:玻璃钢夹砂管可参照钢管乘以0.8系数。5顶管准备工作1)为了顺利完成顶管接收工作，顶管施工之前在进洞口和出洞口位置，应进行洞口土体加固。如果土质不是很软，可采用门
6、式加固法，即对所顶管道两侧和顶部一定宽度和长度范围内的土体进行加固，以提高这部分土的强度，从而使工具管或掘进机在出洞或进洞中不发生坍土现象。如果土质比较软，则必须在管道顶进的一定范围内，对整个断面进行加固。如果土质比较好，比较硬，挖掘面上的土体又能自立，这时也可以不必进行土体加固。土体加固技术一般有高压旋喷技术、搅拌桩技术、注浆技术等。2)为保证工作井和接受井顺利到位和顺利实施进出洞口工序，在工作井和接收井进出洞口应设置封门。洞口可用低强度等级水泥砖砌筑砖封门，在掘进机到达接收井时，可将砖封门挤倒或切削掉。有时，也可以用低强度等级的混凝土取代砖头。3)安装洞口止水装置:为保证顶管机进出洞时泥浆
7、和地下水不从顶管机外周围涌出，需在顶进方向安装洞口止水装置。洞口止水装置安装在工作井与接收井沿管线方向的侧壁预留洞上，预留洞的直径应比顶管机外径稍大，其由预埋螺栓，钢压环及橡胶圈组成。洞口止水装置见图5.2.1。图5.2.1洞口止水装置图4)轨道及顶进后背安装:轨道安装误差在5mm之内，确保背铁与导轨垂直。5)机头安装:机头整体吊至基坑导轨上，调正机头，接通自控系统，检查实际数值与计算机显示数值是否相符。6)泥水分离系统调试，检查泥路循环是否正常。7)工作井顶进系统调试。8)供电系统调试。9)工作井内高程、中心桩校正。5.2.2顶进施工1拆除洞口封门2顶进机头:当机头进入土体时，开动大刀盘和进
8、排泥泵。机头入洞阶段速度控制在(35)mm/min，此阶段重点是找正管子中心、高程，偏差控制在5mm之内，所以速度不要太快。3机头顶进至能卸管节时停止顶进，拆开动力电缆、进排泥管、进排泥泵、控制电缆和摄像仪连接，缩回顶进油缸。4将事先安放好密封环的管节吊下，对准插入就位。5接上动力电缆，控制电缆、摄像仪连接、进排泥管路并接通压浆管路。6启动顶管机、进排泥泵、压浆泵、主顶油缸，顶进管节。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，并及时向技术负责人汇报，以便采取措施。7管道减阻措施1)中大口径顶管(DN1200以上)应采取措施减少管壁摩擦阻力。2)石蜡、废油脂等可涂
9、于管外壁减少外部摩擦阻力。3)通过在管外壁与土层环状空间注入润滑材料，可以减小施工管道与地层间摩擦力，有利于顺利顶进和长距离顶进。4)通过润滑减摩，避免跳动顶进，使顶力作用均匀，提高施工效率和质量。5)管节应有预留注浆孔，可以在几节管节间加入一节预留注浆孔管节。8随着管节的顶进，不断观察机头轴线位置和各种指示仪表，纠正管道轴线方向并根据土压力大小调整顶进速度。纠偏原理是:全站仪发出不可见光到机头中心光靶，光靶把偏移反应到控制台，控制台控制纠偏千斤顶工作，具体方法如下:1)在大口径顶管施工中，一般采用激光经纬仪或激光发射器进行顶管位置测量，这样可以保证在管道内黑暗环境中，比较准确地测量位置偏移。
10、2)激光经纬仪进行顶管测量时，在工作井内安装激光发射器，并按设计要求，调整好坡度和方向，在机头位置安装接收靶标，靶标上有刻度线，当顶进管位置和设计数量一致时，激光点和靶标中心重合，若不重合即可通过刻度线知道偏移方向和程度。3)在操作室内通过摄像机可以清楚地观察到激光靶标的情况，通过激光点偏移中心点的刻度和方向，判断顶管偏离设计要求的位移量，操作顶管机头内置的四只纠偏油缸动作，及时调整至激光点和靶标中心重合。9当一节管节顶进结束后，重复以上第2至第8项操作程序，实施继续推进。5.2.3顶进到位1顶进即将到位时，放慢顶进速度，准确测量出机头位置，当机头到达接收井洞口封门时，停止顶进。2在接收井内安
11、放接引导轨。3拆除接收井洞口封门。4将机头送入接收井，此时刀盘的进排泥泵均不运转。5拆除动力电缆、进排泥管、摄像仪及连线和压浆管路等。6分离机头与管节，吊出机头。7将管节顶到预定位置。8按次序拆除中继环油缸并将管节靠拢。9拆除主顶油缸、油泵、后座及导轨。10清理场地。5.2.4泥水控制1在不同土质条件下控制好泥水平衡，方能建立起挖掘面上的压力平衡。其控制泥水相对密度如表5.2.4:表5.2.4不同土质条件下控制的泥水相对密度土质名称渗透系数(cm/s)颗粒含量(%)相对密度粘土及粉土110-9110-75151.0251.075粉砂及细砂110-7110-515251.0751.125砂110
12、-5110-325351.1251.175粗砂及砂砾110-3110-135451.1751.225砾石110-1以上45以上1.225以上2在顶进过程中，机头密封舱中流入含泥量的泥水，使泥水保持一定压力，这样泥水起到平衡地下水压的作用，且泥水带走切削下来的泥土。泥土压力应高于地下水压。3在掘进过程中，应经常注意排泥处水头变化，观察水头可以看出地下水压力变化。如果出现排出泥水压力水头大增，应及时采取调整顶进压力，增减泥水泵压力，或控制阀门大小等措施，保持挖掘面的稳定。4要经常检查排出泥水浓度和密度，还有所含物质，对照检查排泥泵的流量及压力是否正常，防止排泥量过小造成排泥管淤积和堵塞，过大造成挖
13、掘的失衡。5当掘进停止或者排泥管清淤时，应关闭排泥阀门，防止泥水流出，也应防止泥水从洞口或其他地方流失，防止挖掘面失稳。6泥水分离:对顶进过程中排放出来的泥水进行泥水分离，最常采用的是沉淀池法，就是把排出的泥水排入沉淀池，一定时间后，颗粒较大的自然沉淀于底层，抽去上层清水，下层既是分离出来的泥浆，上层清水可重复使用，泥浆可以处理，这是一种简单而又经济的处理方法。5.2.5管节连接:顶完一段(接收井和工作井之间)距离后，检查完每一节项完整性和密封性符合设计要求后，对管接口处进行连接密封，根据管材不同材料采取不同的连接方式，确保接口质量及密封要求。5.2.6在整个顶管施工过程中应及时测量并记录各项
14、工艺参数。5.3劳动力组织顶管施工一般需要三班制连续作业，每班人员的配备见表5.3表5.3顶管施工每班人员配备表序号人员数量职责分工1技术人员1施工技术管理、质量管理、数据收集与分析，发现问题并提出解决措施2班长1在技术人员指挥下进行指挥、调度、计划安排、质量控制3顶管机操作员1操纵机头运转、顶进、进排泥泵运转、纠偏等4起重机驾驶员1操作起重机械5压浆工1拌浆、压浆6辅助工2接管、拆管、挂钩等6材料与设备6.1材料6.1.1顶管材质应根据管道用途、管材特性等选用混凝土管道、钢管、玻璃纤维加强管等，所用管材必须满足如下基本要求:1能够抵抗管道内外的侵蚀。2能够承受一定的静、动荷载。3能够承受管道
15、内外部的压力。4具有良好的过流性能。5较低的成本。6.1.2所用管材除了满足上述基本要求之外，还应符合以下要求:1较高的轴向承载能力。2紧密的配合尺寸。3端部要平整、垂直。4管道长度方向上应保证平直度。5防水接头应设置在管道壁内，不允许突出于管道的内外壁。6管道接头应具有传递轴向荷载的能力，同时在发生一定角度的偏斜时应仍具有防水能力。6.2设备主要机具设备见表6.2。表6.2主要机具设备表序号设备名称单位数量备注1泥水加压平衡顶管掘进主机台1包括操纵台2后座顶进装置套1包括油缸、油泵、顶铁3起重机械台1吊车4进排泥浆设备(泵)台1相应配套设施5泥水管路及旁通阀套16压浆设备套2包括搅拌筒、压浆泵管路7中继顶进装置套1-5视顶程距离而定8污泥泵台1井内降水用9管道激光导向仪台210管材接缝专用焊枪台3管道连接11定向测距仪台2测量控制7质量要求7.1质量控制标准7.1.1顶管施工执行给水排水工程顶管技术规程CECS246:2008、给水排水管道工程施工及验收规范GB50268-2008等规程、规范。7.1.2
