頂管施工原理及重難點(diǎn)分析和事故案例分析

當(dāng)前第1頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)工程概況

＊虹橋商務(wù)核心區(qū)（二期）區(qū)域供能管溝工程包括供能管溝、中繼泵房以及與功能項(xiàng)目一期的聯(lián)通段等。主線管溝長4462m，接用戶段管溝長610m，其中頂管段長4435m，明挖段長637m；管溝工程設(shè)頂管工作井共30個，另設(shè)中繼泵站兩座。

＊18座主線工作井及南片區(qū)中繼泵房圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，工作井基坑平面尺寸以11m*11m為主，最大工作井基坑尺寸為19.2m*11m，基坑開挖深度最深達(dá)21.26m；10座用戶井及北片區(qū)中繼泵房圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用SMW工法樁，用戶井基坑平面尺寸7.9m*5.8m，基坑開挖深度達(dá)13.5m。

＊二期供能管溝主要采用頂管的施工方式，共29段，其中φ4200mm鋼頂管長2751m，共11段；φ4000mm砼頂管1024m，共8段；φ3500mm砼頂管長343m，共10段；φ3000mm砼頂管長66m。主線頂管埋深3.56~14.24m，用戶井頂管埋深4.63~8.96m。當(dāng)前第2頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)南片區(qū)平面圖北片區(qū)平面圖當(dāng)前第3頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)1.1頂管施工原理頂管施工的基本原理為：從地面開挖兩個基坑井，然后管節(jié)從工作井安放，通過主頂千斤頂或中繼間的頂推機(jī)械的頂進(jìn)，推動管節(jié)從工作井預(yù)留口穿出，穿越土層到達(dá)接收井的預(yù)留口邊，然后通過接收井的預(yù)留口穿出，形成管道的施工?，F(xiàn)在比較常用頂管施工為泥水平衡頂管施工法，其施工原理：通過導(dǎo)向頭的刀削轉(zhuǎn)動功能將泥土、砂、石破碎，由一條鋼管注入水量，拌成漿液，由另一條鋼管吸出漿液，將漿液置于離心器內(nèi)離心脫水，再將干土卸到斗車內(nèi)運(yùn)去棄土的地方，分離出的水又回到儲水箱內(nèi)重復(fù)循環(huán)使用。施工所采用的主要設(shè)備為信息化及全自動化泥水平衡頂管機(jī)當(dāng)前第4頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)1、頂管機(jī)：頂管機(jī)的作用①切削土體并攪拌均勻,②控制頂進(jìn)的方向。

泥水平衡頂管機(jī)當(dāng)前第5頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)2、主頂系統(tǒng)：主頂系統(tǒng)裝置由：后座墊鐵、導(dǎo)軌、千斤頂及千斤頂支架、后座泵站組成，其作用是完成管道的推進(jìn)。

千斤頂主頂泵站后座頂鐵U型頂鐵當(dāng)前第6頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)3、穿墻止水環(huán)

穿墻止水環(huán)安裝在工作井預(yù)留洞口，具有防止地下水、泥砂和觸變泥漿從管節(jié)與止水環(huán)之間的間隙流到工作井。地下水豐富、壓力大，或管道埋深較深時，壓板可加工成絞接，防止止水橡膠因地下水壓力往外翻出。導(dǎo)軌洞口止水環(huán)預(yù)留洞口當(dāng)前第7頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)4、泥水系統(tǒng)進(jìn)、排泥漿泵泥水分離裝置1、泥水式排泥系統(tǒng)的主要設(shè)備：包括進(jìn)排泥漿泵、泥漿管、泥水處理裝置、泥水箱等。2、排泥系統(tǒng)有兩個作用：一排土，二平衡地下水。循環(huán)管當(dāng)前第8頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)5、觸變泥漿系統(tǒng)泥漿攪拌桶觸變泥漿泵觸變泥漿管1、主要設(shè)備：由拌漿、注漿和管道三部分組成。2、作用：減少頂進(jìn)過程中的管節(jié)與土體的摩阻力。降低地面沉降當(dāng)前第9頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)6、測量系統(tǒng)激光經(jīng)緯儀操作臺機(jī)頭測量靶

1、測量系統(tǒng)的主要設(shè)備：激光經(jīng)緯儀、測量靶和監(jiān)示器組成。2、測量系統(tǒng)的作用：監(jiān)示頂管施工過程中頂管機(jī)推進(jìn)的軸線偏差。當(dāng)前第10頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)7、糾偏系統(tǒng)糾偏液壓泵糾偏千斤頂1、主要設(shè)備：糾偏千斤頂、油泵站、位移傳感器和傾斜儀組成。2、作用：控制頂管施工中的頂管機(jī)推進(jìn)方向。當(dāng)前第11頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)頂管施工的工藝流程圖：加中繼環(huán)包括施工準(zhǔn)備地下管線勘察工作井/接收井施工設(shè)備安裝后座、導(dǎo)軌安裝液壓系統(tǒng)、千斤頂安裝穿墻止水環(huán)安裝泥水循環(huán)系統(tǒng)安裝觸變泥漿系統(tǒng)安裝測量系統(tǒng)安裝照明、通風(fēng)系統(tǒng)安裝掘進(jìn)機(jī)吊裝穿墻頂進(jìn)下放管節(jié)、接管安裝中繼環(huán)正常頂進(jìn)、測量是否到接收井回收掘進(jìn)機(jī)是下一段頂管施工設(shè)備調(diào)試否全段測量1.2主要頂管施工技術(shù)當(dāng)前第12頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)1、出洞洞口止水洞口土體加固當(dāng)前第13頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)2、正常頂進(jìn)當(dāng)前第14頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)3、泥水循環(huán)泥水壓力表進(jìn)、排泥漿管當(dāng)前第15頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)4、測量當(dāng)前第16頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)5、糾偏、數(shù)據(jù)傳輸4組糾編千斤頂

糾偏千斤頂設(shè)在頂管機(jī)前后段之間，共4組千斤頂。通過組合動作，控制頂管機(jī)的頂進(jìn)方向。

當(dāng)激光點(diǎn)偏移測量靶中心，表明頂管機(jī)偏移軸線推進(jìn)，就要啟動糾偏動作。（如激光點(diǎn)往上移動，說明機(jī)頭是往下偏移，必須伸出下面的2組千斤頂）。當(dāng)前第17頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)角度傾斜儀位移傳感器

糾偏動作控制在地面操作室的操作臺遠(yuǎn)程控制，如何確認(rèn)操作的正確性是通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)。

1、糾偏量的控制是通過安放在糾偏千斤頂上的位移傳感器來實(shí)現(xiàn)。

2、頂管機(jī)的狀態(tài)（水平傾斜、扭轉(zhuǎn)）由安放在機(jī)頭的角度傾斜儀來體現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示表當(dāng)前第18頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)6、觸變泥漿

在頂進(jìn)過程中，隨著距離的增長，管道的摩阻力也隨之增大。為了提高頂進(jìn)施工的效率，在施工過程中盡可能地降低管道外側(cè)的阻力，通常情況下往管外側(cè)噴謝觸變泥漿，降低頂進(jìn)的阻力。觸變泥漿管膨潤土分散在水中，其片狀顆粒表面帶負(fù)電荷，端頭帶正電荷。如膨潤土的含量足夠多，則顆粒之間的電鍵使分散系形成一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，膨潤土水溶液呈固體狀態(tài)，一經(jīng)觸動（搖晃、攪拌、振動或通過超聲波、電流）、顆粒之間的電鍵即遭到破壞，膨潤土水溶液就隨之變?yōu)榱黧w狀態(tài)。如果外界因素停止作用，水溶液又變作固體狀態(tài)。該特性稱作觸變性，這種水溶液稱為觸變泥漿。當(dāng)前第19頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)注漿孔的形狀及布置：在每節(jié)管的前端布置一道觸變泥漿注漿孔，數(shù)量為6個，孔的布置均勻。經(jīng)過不斷壓漿，在管外壁形成一個泥漿套。當(dāng)前第20頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)8、穿墻進(jìn)洞

接收井進(jìn)洞處理與工作井相同，當(dāng)頂管頂?shù)綁w位置時，鑿穿實(shí)際工具頭進(jìn)洞位置的混凝土，迅速頂出工具頭。當(dāng)前第21頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)9、管內(nèi)通風(fēng)

1、施工人員需進(jìn)入管道內(nèi)作業(yè)或檢查維修設(shè)備時，施工前須對管道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，施工過程中應(yīng)連續(xù)對管道內(nèi)通風(fēng)；2、臨時進(jìn)入長時間沒有對管道內(nèi)通風(fēng)的管道作業(yè)時，須對管道內(nèi)通風(fēng)30min后，并對管道內(nèi)進(jìn)行毒氣監(jiān)測，明確安全后才能進(jìn)入管道內(nèi)作業(yè)；3、管道鋼管頂進(jìn)施工時，焊接過程中應(yīng)對管道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，減少煙霧進(jìn)入管道內(nèi)，減少煙霧對測量激光束的影響；當(dāng)前第22頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)10、管內(nèi)照明

1管內(nèi)照明電源應(yīng)與動力電源分開，設(shè)置獨(dú)立電源控制；2管內(nèi)照明電壓應(yīng)采用低壓，電壓一般采用36V、24V、12V、6V，管道內(nèi)氣體嚴(yán)重潮濕時宜采用6V電源；3管道內(nèi)照明應(yīng)能清淅地看清管道內(nèi)的環(huán)境。當(dāng)前第23頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)頂管施工擾動分區(qū),并將受頂管施工擾動的土體分為7個擾動區(qū)當(dāng)前第24頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)二、頂管施工重難點(diǎn)分析2.1機(jī)頭及管節(jié)旋轉(zhuǎn):(1)原因分析：1）頂管機(jī)出洞時，由于機(jī)頭與導(dǎo)軌之間摩擦力較小，難以平衡刀盤切入土體時的反力矩，機(jī)頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。出洞后，雖然機(jī)頭后有管節(jié)，但是還不能平衡反力矩，還會帶著管節(jié)一起偏轉(zhuǎn)。2）糾偏量過大，糾偏頻繁，往往也使管節(jié)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，引起管節(jié)偏轉(zhuǎn)。3）主頂油缸安裝不平行同樣會使管節(jié)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。（2）應(yīng)對措施1）頂進(jìn)中盡量避免過大及頻繁的糾偏。2）主頂油缸安裝要平行于軸線，控制油路要使油缸動作同步。3）頂進(jìn)中可利用刀盤反力矩糾正偏轉(zhuǎn)，適當(dāng)加大刀盤切土深度，然后將刀盤回轉(zhuǎn)方向切換到與機(jī)頭偏轉(zhuǎn)方向一致。4）在機(jī)頭一側(cè)加配重，調(diào)整機(jī)頭偏轉(zhuǎn)。當(dāng)前第25頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)2.2頂管方向失控:(1)原因分析：a、工作井出洞口無土體加固措施。b、掘進(jìn)機(jī)糾偏液壓系統(tǒng)遇故障。c、掘進(jìn)機(jī)糾偏行程小，糾偏力不夠。d、測量數(shù)據(jù)有誤。e、糾偏不及時，糾偏幅度過大。f、遇到土質(zhì)變化，開挖面失穩(wěn)。（2）應(yīng)對措施a、采用可靠的進(jìn)出洞口地基加固措施。b、施工前，掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行維修、保養(yǎng)、調(diào)試和驗(yàn)收，施工過程加強(qiáng)檢查，遇故障立即停止頂進(jìn)修理。e、實(shí)行三級測量復(fù)核制度。d、采取勤測、微糾原則。f、遇到突發(fā)情況，逐級匯報，確定偏差報警值，杜絕方向失控。。當(dāng)前第26頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)3.3頂力急劇增大:(1)原因分析：a、觸變泥漿選材質(zhì)量不好。b、觸變泥漿材料配方不合理。c、現(xiàn)場攪拌不充分，水化時間短。d、注漿孔布置不合理。e、注漿泵耐壓低。f、注漿量沒有控制好。（2）應(yīng)對措施a、選材應(yīng)進(jìn)行測試和論證。b、配方應(yīng)進(jìn)行篩分和優(yōu)化。c、科學(xué)合理的按設(shè)計(jì)的管路進(jìn)行布置。d、采用液壓注漿泵，并維修好，確保耐壓大于2bPa以上。e、注漿量和注漿壓力按設(shè)計(jì)要求控制。f、所有壓漿接頭用生料帶包扎，確保無滲漏現(xiàn)象。當(dāng)前第27頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)2.3頂進(jìn)過程中蛇行和滾動控制:(1)原因分析：1）由于在頂進(jìn)過程中對土體的擾動，使土體和頂管機(jī)的周邊握裹力減弱，糾偏過大，產(chǎn)生蛇行。2）由于壓注潤滑泥漿方法欠佳或局部注漿過量時，使?jié){液不能形成箍套，而在管道底部不斷積聚漿液造成鋼管上漂。（2）應(yīng)對措施1）加強(qiáng)潤滑泥漿壓注的科學(xué)管理，確保注漿和頂進(jìn)的同步性，使?jié){液能及時填充到頂進(jìn)出現(xiàn)的空隙。2）補(bǔ)壓漿要遵守“全線、平均、及時”的原則，使管節(jié)周圍能均勻形成泥漿套，盡量避免局部超量超壓。3）在特別嚴(yán)重區(qū)域，采用上注下放和壓重的補(bǔ)救措施，減少出現(xiàn)曲線駝峰。當(dāng)前第28頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)3、頂管施工事故案例當(dāng)前第29頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)一、事故經(jīng)過（N08~N07砼頂管倒退事故）N08~N07區(qū)間東線頂管為DN4000砼頂管（內(nèi)徑4000mm，外徑4640mm），頂進(jìn)距離20米，穿越土層主要為⑤1粘土層，覆土深度約10.58米。頂管設(shè)備采用泥水平衡頂管機(jī)。2014年10月19日凌晨4點(diǎn)，3N2-1（N08-N07）東線第八節(jié)管道頂進(jìn)完成；5點(diǎn)，東線開始下管道，準(zhǔn)備開頂；當(dāng)管道下放距導(dǎo)軌5米處，東線管道整體后退，后退長度約2.9米。頂管后退影響范圍：潤虹路北側(cè)半幅，靠近申虹路；路面塌陷呈漏斗型，影響2幅機(jī)動車道及1幅非機(jī)動車道，塌陷最深約1.2m，東西向長10.7米，南北向10.1-12.9米，面積約117平方。當(dāng)前第30頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)當(dāng)前第31頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)二、應(yīng)急搶險路面塌陷事故發(fā)生后，施工單位現(xiàn)場第一時間通知各參建單位、各相關(guān)管線單位、道路管理單位及交警。施工單位立即啟動緊急搶險預(yù)案；對潤虹路進(jìn)行交通引導(dǎo)、車輛繞道，并對N08工作井內(nèi)頂管管道進(jìn)行加固，防止再次后退。收集現(xiàn)場路面相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷塌陷路面范圍管線分布及破壞情況；結(jié)合頂管相關(guān)數(shù)據(jù)；分析后，確定現(xiàn)場搶修方案并執(zhí)行。1、針對頂管整體后退2.9米，路面塌陷；分兩步同時實(shí)施：2、路面：將塌陷路面鑿開，主要管線完全暴露，確認(rèn)管線破損情況，對管線進(jìn)行修復(fù)（在相對應(yīng)管線單位指導(dǎo)下實(shí)施）；管線修復(fù)完成后，將路面進(jìn)行回填恢復(fù)。經(jīng)與道路管理單位洽商后，道路結(jié)構(gòu)層如下：黃砂（回填至管線頂以上30cm）、素土摻7%水泥（作土路基）、礫石砂、混凝土（夾鋼筋網(wǎng)）、瀝青（面層）。3、頂管：因管道后退2.9米，機(jī)頭刀盤直徑4.665米，空隙空間為：49.54立方。必須要求將后退的2.9米管道重新頂至后退前；避免塌陷進(jìn)一步擴(kuò)大。從19日早上5點(diǎn)開始交通組織開始，至20日凌晨1點(diǎn)左右，管線、路面修復(fù)完成，路面瀝青因混凝土養(yǎng)護(hù)時間限制，經(jīng)交警、道路管理單位同意，待混凝土養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度85%，進(jìn)行路面瀝青攤鋪。從19日早上9點(diǎn)開始焊接管道止退措施，至20日凌晨2點(diǎn)左右，N08-N07東線第八節(jié)管道頂進(jìn)至原位。至20日凌晨5點(diǎn)，搶修施工結(jié)束。當(dāng)前第32頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)三、事故原因該事故，從收集的相關(guān)數(shù)據(jù)、分析，與各參建單位人員多次探討后，認(rèn)為如下：1、總包及分包夜班管理人員未盡到管理職責(zé)，分包單位現(xiàn)場操作人員未按規(guī)定流程操作。2、通過前6節(jié)管節(jié)頂進(jìn)及處理，第7節(jié)管節(jié)頂進(jìn)時未設(shè)置有效的止退防退措施，僅憑類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)控制。3、在⑤1粘土層中，頂管頂進(jìn)里程近20米、頂力不大的情況下，注入觸變泥漿，導(dǎo)致頂管管道管身與土層接觸摩阻力驟減，迎面土壓力遠(yuǎn)大于摩阻力；從而造成頂管后退。當(dāng)前第33頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)四、吸取教訓(xùn)積累經(jīng)驗(yàn)1、加強(qiáng)現(xiàn)場管理，項(xiàng)目部及分包施工管理人員管理到位，止退裝置專人管理，嚴(yán)格按要求執(zhí)行，且做好過程記錄。2、根據(jù)頂力情況適時壓注減摩泥漿。單節(jié)管道頂進(jìn)至最后50cm時，放慢頂進(jìn)速度，適當(dāng)降低前倉泥水壓力。3、止退采用管節(jié)與基座焊接固定。4、頂進(jìn)到位后，油缸先不要完全縮回；縮回3cm，密切觀察管道后退趨勢后再進(jìn)行完全縮回，油缸縮回后，及時拼裝管節(jié)。

當(dāng)前第34頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)一、事故經(jīng)過（N08~NY04地表沉陷事故）N08-NY04區(qū)間頂管為DN3500砼頂管（內(nèi)徑3500mm，外徑4140mm），頂進(jìn)距離39.92米，穿越土層主要為④灰色淤泥質(zhì)粘土，上部部分穿越③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，覆土深度約7.18米。頂管設(shè)備采用泥水平衡頂管機(jī)。本次頂進(jìn)從2015年3月25日開始，截止至29日上午頂進(jìn)里程為27.5米，各監(jiān)測點(diǎn)變化較小，最大累計(jì)沉降點(diǎn)NY04-7為6.5mm，在可控范圍內(nèi)。

29日下午，頂進(jìn)里程達(dá)到30米，管線監(jiān)測點(diǎn)RQ12、RQ13、RQ14、SS6、SS11、SS12、SSX11、SSX12、SSX13、TX6、TX16、TX17、WS8-2、WS8-3、YS8、YS18、YS19、YS20、YS21，地表監(jiān)測點(diǎn)NY04-1、NY04-2、NY04-3、NY04-4、NY04-5、NY04-6、NY04-7、NY04-8日變化量均已達(dá)到或超過警值，TX11被破壞，其中單次變化最大值;-43.7mm(NY04-5)，最大累計(jì)值：-47.2mm（NY04-6）。地面沉降趨勢稍有減緩，但地面沉降還在繼續(xù)，造成N08井圍檔外側(cè)人行道局部塌陷，并未對管線造成大的影響。當(dāng)前第35頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)當(dāng)前第36頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)二、應(yīng)急措施（N08~NY04地表沉陷事故）

塌陷事故發(fā)生后，施工單位現(xiàn)場第一時間通知各參建單位、各相關(guān)管線單位、道路管理單位。施工單位立即停止頂進(jìn)施工，即時封索塌陷區(qū)域，收集現(xiàn)場塌陷的相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷塌陷范圍管線分布及破壞情況；結(jié)合頂管相關(guān)數(shù)據(jù)；分析后，確定現(xiàn)場搶修方案并執(zhí)行。

1、將塌陷區(qū)域鑿開，相關(guān)管線完全暴露，確認(rèn)管線破損情況，對管線進(jìn)行修復(fù)（在相對應(yīng)管線單位指導(dǎo)下實(shí)施）；管線修復(fù)完成后，將塌陷區(qū)域進(jìn)行回填恢復(fù)。經(jīng)與道路管理單位洽商后，進(jìn)行人行道修復(fù)2、對頂管軸線范圍內(nèi)圍檔進(jìn)行加固，防止出現(xiàn)倒塌情況。3、放緩頂進(jìn)速率，防止地面沉降影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；減少出土量，在機(jī)頭前部重新建立起泥水平衡狀態(tài)，采取同步注漿的方式增加頂管自持力，保持頂管上部土體的承載力；當(dāng)前第37頁\共有40頁\編于星期三\12點(diǎn)三、事故原因（N08~NY04地表沉陷事故）

該事故，從收集的相關(guān)數(shù)據(jù)、分析，與各參建單位人員多次探討后，認(rèn)為如下：1、總包及分包夜班管理人員未盡到管理職