泥水平衡式大中型口徑頂管施工工法

泥水平衡式大中型口徑頂管施工工法1前言隨著城市建設(shè)的發(fā)展，市政管網(wǎng)施工的問題日益突出，傳統(tǒng)的開槽施工，因破壞道路、影響交通、污染環(huán)境等，越來越不適合于城區(qū)施工，小口徑拖拉管的施工也逐漸不能滿足社會(huì)高速發(fā)展、城市擴(kuò)張的需求，而頂管施工則切實(shí)解決了存在的問題，在市政管網(wǎng)施工中得到了越來越多的應(yīng)用。我司在采用泥水平衡式頂管施工技術(shù)的過程中，經(jīng)過多年的施工實(shí)踐，總結(jié)出了復(fù)雜地質(zhì)條件下大中型口徑泥水平衡式頂管施工工法，取得了明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。2工法特點(diǎn)2.0.1本工法是一種非開挖施工技術(shù)，地下穿越能力強(qiáng)，施工工作面不大，可方便在繁華市區(qū)施工，對頂進(jìn)管道周圍地層擾動(dòng)少，能維持不同土質(zhì)挖掘面上的穩(wěn)定平衡；土層損失小，產(chǎn)生的地表面變形小。2.0.2本工法頂進(jìn)施工時(shí)的連續(xù)作業(yè)性能好，施工進(jìn)度快。2.0.3采用本工法施工時(shí)的總頂力較小，尤其在黏性土層中的長距離頂進(jìn)，優(yōu)于其他類型的頂管工法。2.0.4在工作井內(nèi)的作業(yè)環(huán)境較好，能夠安全地實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)作業(yè)。2.0.5施工噪音小，不破壞道路、不影響交通，環(huán)境污染小，施工精度高，技術(shù)先進(jìn)。3適用范圍3.0.1本工法適應(yīng)于各類大中型地下管道施工（管徑大于1200毫米），通常包括混凝土管道、鋼管、玻璃鋼夾砂管、球墨鑄鐵管道等等。3.0.2本工法適應(yīng)于各種不同的土質(zhì)條件，尤其對地下水位很高，地下水壓力變化較大的地層更具有優(yōu)越性。4工藝原理泥水平衡式頂管機(jī)是利用泥水壓力來平衡頂進(jìn)工作面上的水壓力和土壓力，通過調(diào)節(jié)出泥艙的泥水壓力穩(wěn)定開挖面，棄土以泥水方式排放出頂管機(jī)，在不開挖地表的情況下，利用液壓頂進(jìn)工作站從工作坑將鋪設(shè)的管道頂入，從而在頂管機(jī)之后直接鋪設(shè)管道。工藝原理參見圖4。圖4工藝原理圖5施工工藝流程及操作要點(diǎn)5.1工藝流程當(dāng)頂管線路選定，各標(biāo)段的工作井和接收井位置確定后，各標(biāo)段開始施工的工藝流程可參照圖5.1進(jìn)行。測量放樣測量放樣沉井施工沉井施工設(shè)備進(jìn)場設(shè)備進(jìn)場安裝洞口止水裝置安裝泥漿沉淀池安裝洞口止水裝置安裝泥漿沉淀池安裝導(dǎo)軌安裝進(jìn)泥泵、排泥泵安裝導(dǎo)軌安裝進(jìn)泥泵、排泥泵安裝后座墻安裝進(jìn)排泥管、旁通閥安裝后座墻安裝進(jìn)排泥管、旁通閥安裝頂進(jìn)油缸、油泵安裝泥漿攪拌筒及泥漿泵安裝頂進(jìn)油缸、油泵安裝泥漿攪拌筒及泥漿泵機(jī)頭吊裝就位機(jī)頭吊裝就位安裝激光儀、測量儀、攝像儀安裝激光儀、測量儀、攝像儀操縱臺就位接通電源接通電路、油路接通電源接通電路、油路試車試車頂進(jìn)施工頂進(jìn)施工頂進(jìn)到位頂進(jìn)到位圖5.1工藝流程圖5.2操作要點(diǎn)5.2.1施工準(zhǔn)備1施工資料準(zhǔn)備工程施工前應(yīng)由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)交底及圖紙會(huì)審，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)向設(shè)計(jì)單位提出變更修改。工程施工前應(yīng)掌握管道沿線的地形、地貌、建筑物、各種管線及設(shè)施情況，熟悉工程地質(zhì)勘察報(bào)告、水文地質(zhì)資料、氣象資料。結(jié)合工程實(shí)際，編制施工組織設(shè)計(jì)，制定保證安全質(zhì)量的措施。2施工測量：根據(jù)測量控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，布置現(xiàn)場的測量控制點(diǎn)，并設(shè)永久性測量控制樁。3工作井與接收井施工：工作井必須滿足在頂力和周邊水土壓力作用下的強(qiáng)度和變形要求，結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)頂力大小和地下水情況因地制宜地選擇。4頂力估算施工前，應(yīng)對總頂力進(jìn)行估算，以驗(yàn)算設(shè)備及材料承受力和確定工藝。頂力計(jì)算參考《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246:2008F=πDLfk+NFF——總頂力標(biāo)準(zhǔn)值（KN）；D——管道的外徑（m）；L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度（m）；Fk——管道外壁與土的平均摩阻力（KN/m2）（參考表）NF——頂管機(jī)的迎面阻力（KN）NF=（π/4）Dg2rsHsDg——頂管機(jī)外徑（m）;Rs——土的重度（KN/m3）;Hs——覆蓋層厚度（m）;3）當(dāng)估算總頂力大于管節(jié)允許頂力設(shè)計(jì)值或工作井允許頂力設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)設(shè)中繼環(huán)。表管道外壁與土的平均摩阻力（fK）取值（KN/m2）土的種類軟粘土粉性土粉細(xì)土中粗砂觸變泥漿混凝土管3.0～5.05.0～8.08.0～11.0011.0～16..0鋼管3.0～4.04.0～7.07.0～10.0010.0～13..0注：玻璃鋼夾砂管可參照鋼管乘以0.8系數(shù)。5頂管準(zhǔn)備工作為了順利完成頂管接收工作，頂管施工之前在進(jìn)洞口和出洞口位置，應(yīng)進(jìn)行洞口土體加固。如果土質(zhì)不是很軟，可采用門式加固法，即對所頂管道兩側(cè)和頂部一定寬度和長度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，以提高這部分土的強(qiáng)度，從而使工具管或掘進(jìn)機(jī)在出洞或進(jìn)洞中不發(fā)生坍土現(xiàn)象。如果土質(zhì)比較軟，則必須在管道頂進(jìn)的一定范圍內(nèi)，對整個(gè)斷面進(jìn)行加固。如果土質(zhì)比較好，比較硬，挖掘面上的土體又能自立，這時(shí)也可以不必進(jìn)行土體加固。土體加固技術(shù)一般有高壓旋噴技術(shù)、攪拌樁技術(shù)、注漿技術(shù)等。為保證工作井和接受井順利到位和順利實(shí)施進(jìn)出洞口工序，在工作井和接收井進(jìn)出洞口應(yīng)設(shè)置封門。洞口可用低強(qiáng)度等級水泥磚砌筑磚封門，在掘進(jìn)機(jī)到達(dá)接收井時(shí)，可將磚封門擠倒或切削掉。有時(shí)，也可以用低強(qiáng)度等級的混凝土取代磚頭。安裝洞口止水裝置：為保證頂管機(jī)進(jìn)出洞時(shí)泥漿和地下水不從頂管機(jī)外周圍涌出，需在頂進(jìn)方向安裝洞口止水裝置。洞口止水裝置安裝在工作井與接收井沿管線方向的側(cè)壁預(yù)留洞上，預(yù)留洞的直徑應(yīng)比頂管機(jī)外徑稍大，其由預(yù)埋螺栓，鋼壓環(huán)及橡膠圈組成。洞口止水裝置見圖。圖洞口止水裝置圖軌道及頂進(jìn)后背安裝：軌道安裝誤差在±5mm之內(nèi)，確保背鐵與導(dǎo)軌垂直。機(jī)頭安裝：機(jī)頭整體吊至基坑導(dǎo)軌上，調(diào)正機(jī)頭，接通自控系統(tǒng)，檢查實(shí)際數(shù)值與計(jì)算機(jī)顯示數(shù)值是否相符。泥水分離系統(tǒng)調(diào)試，檢查泥路循環(huán)是否正常。工作井頂進(jìn)系統(tǒng)調(diào)試。供電系統(tǒng)調(diào)試。工作井內(nèi)高程、中心樁校正。頂進(jìn)施工1拆除洞口封門2頂進(jìn)機(jī)頭：當(dāng)機(jī)頭進(jìn)入土體時(shí)，開動(dòng)大刀盤和進(jìn)排泥泵。機(jī)頭入洞階段速度控制在（3～5）mm／min，此階段重點(diǎn)是找正管子中心、高程，偏差控制在±5mm之內(nèi)，所以速度不要太快。3機(jī)頭頂進(jìn)至能卸管節(jié)時(shí)停止頂進(jìn)，拆開動(dòng)力電纜、進(jìn)排泥管、進(jìn)排泥泵、控制電纜和攝像儀連接，縮回頂進(jìn)油缸。4將事先安放好密封環(huán)的管節(jié)吊下，對準(zhǔn)插入就位。5接上動(dòng)力電纜，控制電纜、攝像儀連接、進(jìn)排泥管路并接通壓漿管路。6啟動(dòng)頂管機(jī)、進(jìn)排泥泵、壓漿泵、主頂油缸，頂進(jìn)管節(jié)。初始頂進(jìn)后500mm，頂進(jìn)測量開始，每頂進(jìn)300mm做一次中心、高程記錄，并及時(shí)向技術(shù)負(fù)責(zé)人匯報(bào)，以便采取措施。7管道減阻措施中大口徑頂管（DN1200以上）應(yīng)采取措施減少管壁摩擦阻力。石蠟、廢油脂等可涂于管外壁減少外部摩擦阻力。通過在管外壁與土層環(huán)狀空間注入潤滑材料，可以減小施工管道與地層間摩擦力，有利于順利頂進(jìn)和長距離頂進(jìn)。通過潤滑減摩，避免跳動(dòng)頂進(jìn)，使頂力作用均勻，提高施工效率和質(zhì)量。管節(jié)應(yīng)有預(yù)留注漿孔，可以在幾節(jié)管節(jié)間加入一節(jié)預(yù)留注漿孔管節(jié)。8隨著管節(jié)的頂進(jìn)，不斷觀察機(jī)頭軸線位置和各種指示儀表，糾正管道軸線方向并根據(jù)土壓力大小調(diào)整頂進(jìn)速度。糾偏原理是：全站儀發(fā)出不可見光到機(jī)頭中心光靶，光靶把偏移反應(yīng)到控制臺，控制臺控制糾偏千斤頂工作，具體方法如下：在大口徑頂管施工中，一般采用激光經(jīng)緯儀或激光發(fā)射器進(jìn)行頂管位置測量，這樣可以保證在管道內(nèi)黑暗環(huán)境中，比較準(zhǔn)確地測量位置偏移。激光經(jīng)緯儀進(jìn)行頂管測量時(shí)，在工作井內(nèi)安裝激光發(fā)射器，并按設(shè)計(jì)要求，調(diào)整好坡度和方向，在機(jī)頭位置安裝接收靶標(biāo)，靶標(biāo)上有刻度線，當(dāng)頂進(jìn)管位置和設(shè)計(jì)數(shù)量一致時(shí)，激光點(diǎn)和靶標(biāo)中心重合，若不重合即可通過刻度線知道偏移方向和程度。在操作室內(nèi)通過攝像機(jī)可以清楚地觀察到激光靶標(biāo)的情況，通過激光點(diǎn)偏移中心點(diǎn)的刻度和方向，判斷頂管偏離設(shè)計(jì)要求的位移量，操作頂管機(jī)頭內(nèi)置的四只糾偏油缸動(dòng)作，及時(shí)調(diào)整至激光點(diǎn)和靶標(biāo)中心重合。9當(dāng)一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，重復(fù)以上第2至第8項(xiàng)操作程序，實(shí)施繼續(xù)推進(jìn)。頂進(jìn)到位1頂進(jìn)即將到位時(shí)，放慢頂進(jìn)速度，準(zhǔn)確測量出機(jī)頭位置，當(dāng)機(jī)頭到達(dá)接收井洞口封門時(shí)，停止頂進(jìn)。2在接收井內(nèi)安放接引導(dǎo)軌。3拆除接收井洞口封門。4將機(jī)頭送入接收井，此時(shí)刀盤的進(jìn)排泥泵均不運(yùn)轉(zhuǎn)。5拆除動(dòng)力電纜、進(jìn)排泥管、攝像儀及連線和壓漿管路等。6分離機(jī)頭與管節(jié)，吊出機(jī)頭。7將管節(jié)頂?shù)筋A(yù)定位置。8按次序拆除中繼環(huán)油缸并將管節(jié)靠攏。9拆除主頂油缸、油泵、后座及導(dǎo)軌。10清理場地。泥水控制1在不同土質(zhì)條件下控制好泥水平衡，方能建立起挖掘面上的壓力平衡。其控制泥水相對密度如表：表不同土質(zhì)條件下控制的泥水相對密度土質(zhì)名稱滲透系數(shù)(cm//s)顆粒含量（%）相對密度粘土及粉土1×10-9～11×10-775～151.025～1..075粉砂及細(xì)砂1×10-7～11×10-5515～251.075～1..125砂1×10-5～11×10-3325～351.125～1..175粗砂及砂礫1×10-3～11×10-1135～451.175～1..225礫石1×10-1以上上45以上1.225以上2在頂進(jìn)過程中，機(jī)頭密封艙中流入含泥量的泥水，使泥水保持一定壓力，這樣泥水起到平衡地下水壓的作用，且泥水帶走切削下來的泥土。泥土壓力應(yīng)高于地下水壓。3在掘進(jìn)過程中，應(yīng)經(jīng)常注意排泥處水頭變化，觀察水頭可以看出地下水壓力變化。如果出現(xiàn)排出泥水壓力水頭大增，應(yīng)及時(shí)采取調(diào)整頂進(jìn)壓力，增減泥水泵壓力，或控制閥門大小等措施，保持挖掘面的穩(wěn)定。4要經(jīng)常檢查排出泥水濃度和密度，還有所含物質(zhì)，對照檢查排泥泵的流量及壓力是否正常，防止排泥量過小造成排泥管淤積和堵塞，過大造成挖掘的失衡。5當(dāng)掘進(jìn)停止或者排泥管清淤時(shí)，應(yīng)關(guān)閉排泥閥門，防止泥水流出，也應(yīng)防止泥水從洞口或其他地方流失，防止挖掘面失穩(wěn)。6泥水分離：對頂進(jìn)過程中排放出來的泥水進(jìn)行泥水分離，最常采用的是沉淀池法，就是把排出的泥水排入沉淀池，一定時(shí)間后，顆粒較大的自然沉淀于底層，抽去上層清水，下層既是分離出來的泥漿，上層清水可重復(fù)使用，泥漿可以處理，這是一種簡單而又經(jīng)濟(jì)的處理方法。5.2.5管節(jié)連接：頂完一段（接收井和工作井之間）距離后，檢查完每一節(jié)項(xiàng)完整性和密封性符合設(shè)計(jì)要求后，對管接口處進(jìn)行連接密封，根據(jù)管材不同材料采取不同的連接方式，確保接口質(zhì)量及密封要求。5.2.6在整個(gè)頂管施工過程中應(yīng)及時(shí)測量并記錄各項(xiàng)工藝參數(shù)。5.3勞動(dòng)力組織頂管施工一般需要三班制連續(xù)作業(yè)，每班人員的配備見表5.3表5.3頂管施工每班人員配備表序號人員數(shù)量職責(zé)分工1技術(shù)人員1施工技術(shù)管理、質(zhì)質(zhì)量管理、數(shù)數(shù)據(jù)收集與分分析，發(fā)現(xiàn)問問題并提出解解決措施2班長1在技術(shù)人員指揮下下進(jìn)行指揮、調(diào)調(diào)度、計(jì)劃安安排、質(zhì)量控控制3頂管機(jī)操作員1操縱機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)、頂頂進(jìn)、進(jìn)排泥泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)、糾糾偏等4起重機(jī)駕駛員1操作起重機(jī)械5壓漿工1拌漿、壓漿6輔助工2接管、拆管、掛鉤鉤等6材料與設(shè)備6.1材料頂管材質(zhì)應(yīng)根據(jù)管道用途、管材特性等選用混凝土管道、鋼管、玻璃纖維加強(qiáng)管等，所用管材必須滿足如下基本要求：1能夠抵抗管道內(nèi)外的侵蝕。2能夠承受一定的靜、動(dòng)荷載。3能夠承受管道內(nèi)外部的壓力。4具有良好的過流性能。5較低的成本。6.1.2所用管材除了滿足上述基本要求之外，還應(yīng)符合以下要求：1較高的軸向承載能力。2緊密的配合尺寸。3端部要平整、垂直。4管道長度方向上應(yīng)保證平直度。5防水接頭應(yīng)設(shè)置在管道壁內(nèi)，不允許突出于管道的內(nèi)外壁。6管道接頭應(yīng)具有傳遞軸向荷載的能力，同時(shí)在發(fā)生一定角度的偏斜時(shí)應(yīng)仍具有防水能力。6.2設(shè)備主要機(jī)具設(shè)備見表6.2。表6.2主要機(jī)具設(shè)備表序號設(shè)備名稱單位數(shù)量備注1泥水加壓平衡頂管管掘進(jìn)主機(jī)臺1包括操縱臺2后座頂進(jìn)裝置套1包括油缸、油泵、頂頂鐵3起重機(jī)械臺1吊車4進(jìn)排泥漿設(shè)備（泵泵）臺1相應(yīng)配套設(shè)施5泥水管路及旁通閥閥套16壓漿設(shè)備套2包括攪拌筒、壓漿漿泵管路7中繼頂進(jìn)裝置套1-5視頂程距離而定8污泥泵臺1井內(nèi)降水用9管道激光導(dǎo)向儀臺210管材接縫專用焊槍臺3管道連接11定向測距儀臺2測量控制7質(zhì)量要求7.1質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)頂管施工執(zhí)行《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246:2008、《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268-2008等規(guī)程、規(guī)范。7.1.2頂管施工貫通后管道的允許偏差應(yīng)符合表7.1.2的規(guī)定。表7.1.2頂管施工貫通后管道的允許偏差檢查項(xiàng)目允許偏差（mm）檢查數(shù)量檢查方法范圍點(diǎn)數(shù)1直線頂管水平軸線頂進(jìn)長度＜3000m50每管節(jié)1點(diǎn)用經(jīng)緯儀測量或掛中線用尺量測300m≤頂進(jìn)長長度＜1000m100頂進(jìn)長度≥10000mL/102直線頂管內(nèi)底高程頂進(jìn)長度＜300mDi＜1500+30，-40用水準(zhǔn)儀或水平儀測量Di≥1500+40，-50300m≤頂進(jìn)長長度＜1000m+60，-80用水準(zhǔn)儀測量頂進(jìn)長度≥10000m+80，-10003曲線頂管水平軸線R≤150Di水平曲線150用經(jīng)緯儀測量豎曲線150復(fù)合曲線200R＞150Di水平曲線150豎曲線150復(fù)合曲線1504曲線頂管內(nèi)底高程R≤150Di水平曲線+100，-1550用水準(zhǔn)儀測量豎曲線+150，-2000復(fù)合曲線±200R＞150Di水平曲線+100，-1550豎曲線+100，-1550復(fù)合曲線±2005相鄰管間錯(cuò)口鋼管、玻璃鋼管≤2用鋼尺量測鋼筋混凝土管15%壁厚，且≤≤206鋼筋混凝土管曲線線頂管相鄰管間接口的最最大間隙與最小間隙之之差≤ΔS7鋼管、玻璃鋼管道道豎向變形≤0.03Di8對頂時(shí)兩端錯(cuò)口50注：Di為管道內(nèi)徑（mm）；L為頂進(jìn)長度（mm）；ΔS為曲線頂管相鄰管節(jié)接口允許的最大間隙與最小間隙之差（mm）；R為曲線頂管的設(shè)計(jì)曲率半徑（mm）。7.2質(zhì)量保證措施對進(jìn)場的管材和配件進(jìn)行外觀等方面的檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，并應(yīng)有產(chǎn)品出廠標(biāo)記。管道的焊接、止水圈的安裝及接頭密封處理，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并應(yīng)有材料出廠合格證明。頂管竣工后管道應(yīng)進(jìn)行閉水試驗(yàn)或滲水檢驗(yàn)。8安全措施8.0.1頂管施工中，應(yīng)遵照國家、省市頒發(fā)的有關(guān)安全操作規(guī)程，及施工用電、機(jī)械設(shè)備安全規(guī)程，建立完善的安全保證體系，加強(qiáng)施工中的安全檢查，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)排查，確保作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。8.0.2頂管施工前，應(yīng)查明頂管沿線地下障礙物的情況，對管道穿越地段的管線及上部建構(gòu)筑物等做好安全保護(hù)措施。8.0.3在施工現(xiàn)場周圍有警示擋板，懸掛警示牌。工作井上部設(shè)安全平臺，周圍設(shè)護(hù)欄桿，井下作業(yè)戴好安全帽。8.0.4頂管后座安裝時(shí)，如發(fā)現(xiàn)后背墻面不平或頂進(jìn)時(shí)枕木壓縮不均勻，必須調(diào)整加固，方可頂進(jìn)。頂進(jìn)過程中，不得