頂管施工原理及重難點分析和事故案例分析[全面]

1、頂管施工技術及重難點分析,工程概況,虹橋商務核心區(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；管溝工程設頂管工作井共30個,另設中繼泵站兩座.,18座主線工作井及南片區(qū)中繼泵房圍護結構采用地下連續(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21.26m；10座用戶井及北片區(qū)中繼泵房圍護結構主要采用SMW工法樁,用戶井基坑平面尺寸7.9m*5.8m,基坑開挖深度達13.5m.,二期供能管溝主要采用頂管的施工方式,共29段

2、,其中4200mm鋼頂管長2751m,共11段；4000mm砼頂管1024m,共8段；3500mm砼頂管長343m,共10段；3000mm砼頂管長66m.主線頂管埋深3.5614.24m,用戶井頂管埋深4.638.96m.,南片區(qū)平面圖 北片區(qū)平面圖,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械的頂進,推動管節(jié)從工作井預留口穿出,穿越土層到達接收井的預留口邊,然后通過接收井的預留口穿出,形成管道的施工. 現(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,

3、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)運去棄土的地方,分離出的水又回到儲水箱內(nèi)重復循環(huán)使用.施工所采用的主要設備為信息化及全自動化泥水平衡頂管機,1、頂管機： 頂管機的作用切削土體并攪拌均勻, 控制頂進的方向.,泥水平衡頂管機,2、主頂系統(tǒng)： 主頂系統(tǒng)裝置由：后座墊鐵、導軌、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.,千斤頂,主頂泵站,后座頂鐵,U型頂鐵,3、穿墻止水環(huán),穿墻止水環(huán)安裝在工作井預留洞口,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

4、下水壓力往外翻出.,4、泥水系統(tǒng),進、排泥漿泵,泥水分離裝置,1、泥水式排泥系統(tǒng)的主要設備：包括進排泥漿泵、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,5、觸變泥漿系統(tǒng),泥漿攪拌桶,觸變泥漿泵,觸變泥漿管,1、主要設備：由拌漿、注漿和管道三部分組成. 2、作用：減少頂進過程中的管節(jié)與土體的摩阻力.降低地面沉降,6、測量系統(tǒng),激光經(jīng)緯儀,操作臺,機頭測量靶,1、測量系統(tǒng)的主要設備： 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推進的軸線偏差.,7、糾偏系統(tǒng),糾偏液壓泵,糾偏千斤頂,1、主要設備：糾偏千斤頂、油泵站、

5、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推進方向.,頂管施工的工藝流程圖：,1.2主要頂管施工技術,1、出洞,洞口止水,洞口土體加固,2、正常頂進,3、泥水循環(huán),泥水壓力表,進、排泥漿管,4、測量,5、糾偏、數(shù)據(jù)傳輸,4組糾編千斤頂,糾偏千斤頂設在頂管機前后段之間,共4組千斤頂.通過組合動作,控制頂管機的頂進方向.,當激光點偏移測量靶中心,表明頂管機偏移軸線推進,就要啟動糾偏動作.（如激光點往上移動,說明機頭是往下偏移,必須伸出下面的2組千斤頂）.,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程控制,如何確認操作的正確性是通過遠程數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn). 1、糾偏量的

6、控制是通過安放在糾偏千斤頂上的位移傳感器來實現(xiàn). 2、頂管機的狀態(tài)（水平傾斜、扭轉(zhuǎn)）由安放在機頭的角度傾斜儀來體現(xiàn).,數(shù)據(jù)顯示表,6、觸變泥漿,在頂進過程中,隨著距離的增長,管道的摩阻力也隨之增大.為了提高頂進施工的效率,在施工過程中盡可能地降低管道外側的阻力,通常情況下往管外側噴謝觸變泥漿,降低頂進的阻力.,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械結構,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

7、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.,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.,8、穿墻進洞,接收井進洞處理與工作井相同,當頂管頂?shù)綁w位置時,鑿穿實際工具頭進洞位置的混凝土,迅速頂出工具頭.,9、管內(nèi)通風,1、施工人員需進入管道內(nèi)作業(yè)或檢查維修設備時,施工前須對管道內(nèi)進行通風,施工過程中應連續(xù)對管道內(nèi)通風； 2、臨時進入長時間沒有對管道內(nèi)通風的管道作業(yè)時,須對管道內(nèi)通風30min后,并對管道內(nèi)進行毒氣監(jiān)測,明確安全后才能進入管道內(nèi)作業(yè)； 3、管道鋼管頂進施工時,焊接過程中應對管道內(nèi)進行通

8、風,減少煙霧進入管道內(nèi),減少煙霧對測量激光束的影響；,10、管內(nèi)照明,1 管內(nèi)照明電源應與動力電源分開,設置獨立電源控制； 2 管內(nèi)照明電壓應采用低壓,電壓一般采用36V、24V、12V、6V,管道內(nèi)氣體嚴重潮濕時宜采用6V電源； 3 管道內(nèi)照明應能清淅地看清管道內(nèi)的環(huán)境.,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),二、頂管施工重難點分析,2.1機頭及管節(jié)旋轉(zhuǎn): (1)原因分析： 1）頂管機出洞時,由于機頭與導軌之間摩擦力較小,難以平衡刀盤切入土體時的反力矩,機頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn).出洞后,雖然機頭后有管節(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

9、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）應對措施 1）頂進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）頂進中可利用刀盤反力矩糾正偏轉(zhuǎn),適當加大刀盤切土深度,然后將刀盤回轉(zhuǎn)方向切換到與機頭偏轉(zhuǎn)方向一致. 4）在機頭一側加配重,調(diào)整機頭偏轉(zhuǎn).,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、掘進機糾偏液壓系統(tǒng)遇故障. c、掘進機糾偏行程小,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）應對措施 a、采用可靠的進出洞口地

10、基加固措施. b、施工前,掘進機進行維修、保養(yǎng)、調(diào)試和驗收,施工過程加強檢查,遇故障立即停止頂進修理. e、實行三級測量復核制度. 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. .,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）應對措施 a、選材應進行測試和論證. b、配方應進行篩分和優(yōu)化. c、科學合理的按設計的管路進行布置. 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

11、和注漿壓力按設計要求控制. f、所有壓漿接頭用生料帶包扎,確保無滲漏現(xiàn)象.,2.3頂進過程中蛇行和滾動控制: (1)原因分析： 1）由于在頂進過程中對土體的擾動,使土體和頂管機的周邊握裹力減弱,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）應對措施 1）加強潤滑泥漿壓注的科學管理,確保注漿和頂進的同步性,使?jié){液能及時填充到頂進出現(xiàn)的空隙. 2）補壓漿要遵守“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）在特別嚴重區(qū)域,采用上注下放和壓重的補救措施,減少出現(xiàn)曲線駝峰.,3、

12、頂管施工事故案例,一、事故經(jīng)過（N08N07砼頂管倒退事故）,N08N07區(qū)間東線頂管為DN4000砼頂管（內(nèi)徑4000mm,外徑4640mm）,頂進距離20米,穿越土層主要為1粘土層,覆土深度約10.58米.頂管設備采用泥水平衡頂管機. 2014年10月19日凌晨4點,3N2-1（N08-N07）東線第八節(jié)管道頂進完成；5點,東線開始下管道,準備開頂；當管道下放距導軌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：潤虹路北側半幅,靠近申虹路；路面塌陷呈漏斗型,影響2幅機動車道及1幅非機動車道,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

13、方.,二、應急搶險,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案；對潤虹路進行交通引導、車輛繞道,并對N08工作井內(nèi)頂管管道進行加固,防止再次后退. 收集現(xiàn)場路面相關數(shù)據(jù),判斷塌陷路面范圍管線分布及破壞情況；結合頂管相關數(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；分兩步同時實施： 2、路面：將塌陷路面鑿開,主要管線完全暴露,確認管線破損情況,對管線進行修復（在相對應管線單位指導下實施）；管線修復完成后,將路面進行回填恢復.經(jīng)與道路管理單位洽商后,道路結構層如下：黃砂（回填至管線頂以

14、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；避免塌陷進一步擴大. 從19日早上5點開始交通組織開始,至20日凌晨1點左右,管線、路面修復完成,路面瀝青因混凝土養(yǎng)護時間限制,經(jīng)交警、道路管理單位同意,待混凝土養(yǎng)護至強度85%,進行路面瀝青攤鋪. 從19日早上9點開始焊接管道止退措施,至20日凌晨2點左右,N08-N07東線第八節(jié)管道頂進至原位. 至20日凌晨5點,搶修施工結束.,三、事故原因,該事故,從收集的相關數(shù)據(jù)、分析,與各

15、參建單位人員多次探討后,認為如下： 1、總包及分包夜班管理人員未盡到管理職責,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)頂進及處理,第7節(jié)管節(jié)頂進時未設置有效的止退防退措施,僅憑類似工程的施工經(jīng)驗控制. 3、在1粘土層中,頂管頂進里程近20米、頂力不大的情況下,注入觸變泥漿,導致頂管管道管身與土層接觸摩阻力驟減,迎面土壓力遠大于摩阻力；從而造成頂管后退.,四、吸取教訓積累經(jīng)驗,1、加強現(xiàn)場管理,項目部及分包施工管理人員管理到位,止退裝置專人管理,嚴格按要求執(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)管道頂進至最后50cm時,放慢頂進速度,適當降低前倉泥水壓力.

16、 3、止退采用管節(jié)與基座焊接固定. 4、頂進到位后,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行完全縮回,油缸縮回后,及時拼裝管節(jié).,一、事故經(jīng)過（N08NY04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）,頂進距離39.92米,穿越土層主要為灰色淤泥質(zhì)粘土,上部部分穿越灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,覆土深度約7.18米.頂管設備采用泥水平衡頂管機. 本次頂進從2015年3月25日開始,截止至29日上午頂進里程為27.5米,各監(jiān)測點變化較小,最大累計沉降點NY04-7為6.5mm,在可控范圍內(nèi). 29日下午,頂進里程達到30米,管線監(jiān)

17、測點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NY04-1、NY04-2、NY04-3、NY04-4、NY04-5、NY04-6、NY04-7、NY04-8日變化量均已達到或超過警值,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井圍檔外側人行道局部塌陷,并未對管線造成大的影響.,二、應急措施（N08NY04地表沉陷事

18、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、各相關管線單位、道路管理單位. 施工單位立即停止頂進施工,即時封索塌陷區(qū)域,收集現(xiàn)場塌陷的相關數(shù)據(jù),判斷塌陷范圍管線分布及破壞情況；結合頂管相關數(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,相關管線完全暴露,確認管線破損情況,對管線進行修復（在相對應管線單位指導下實施）；管線修復完成后,將塌陷區(qū)域進行回填恢復.經(jīng)與道路管理單位洽商后,進行人行道修復 2、對頂管軸線范圍內(nèi)圍檔進行加固,防止出現(xiàn)倒塌情況. 3、放緩頂進速率,防止地面沉降影響范圍進一步擴大；減少出土量,在機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

19、自持力,保持頂管上部土體的承載力；,三、事故原因（N08NY04地表沉陷事故）,該事故,從收集的相關數(shù)據(jù)、分析,與各參建單位人員多次探討后,認為如下： 1、總包及分包夜班管理人員未盡到管理職責,分包單位現(xiàn)場操作人員未按規(guī)定流程操作. 2、在頂管進加固區(qū)時,未對頂管系統(tǒng)參數(shù)進行相應的調(diào)整,且補漿量不足,未能達到足夠的泥水壓力,造成地層損失率超出控制范圍,從而引起地面塌陷； 3、從地質(zhì)報告上來看,頂管穿越土層含有第層灰色淤泥質(zhì)粉粘土,呈流塑狀,高壓縮性,高靈敏度,分布較穩(wěn)定,厚度約0.77.8m,局部夾粉（砂）性土較多.,四、吸取教訓（N08NY04地表沉陷事故）,1、根據(jù)施工方案及現(xiàn)場經(jīng)驗,應適

20、當調(diào)整注漿量,控制好泥水壓力,特別是對于頂管管節(jié)進出加固區(qū)時應及時對頂進參數(shù)進行調(diào)整； 2、總包及專業(yè)分包單位應加強安全和技術交底工作,交底工作必須到班組并留有記錄.特別對于頂管下穿道路的技術交底,施工班組應嚴格按照交底內(nèi)容實施； 3、分包單位應引起足夠重視,提高現(xiàn)場管理人員責任心,舉一反三,加強自身管理； 4、現(xiàn)場施工過程中,應按照方案的內(nèi)容做好施工記錄,特別是對于前艙壓力、進排泥量等推進參數(shù)做好施工記錄；,4、頂管施工安全分析,4.1危險有害因素辨識,根據(jù)事故發(fā)生的可能性和暴露于危險環(huán)境的頻繁程度,對事故可能發(fā)生的風險進行評價,確定各種事故發(fā)生的風險級別,從上表評價結果可以看出,頂管施工中,中毒和窒息為極其危險事件,觸電、突泥、突水為高度危險極其危險、高度危險事件應制事件,物體打擊、起重傷害、坍塌、火災為顯著危險事件.,物體打擊