下穿石油管线顶管施工技术.docx

九龙湖新城起步区市政基础设施一期工程
C—I标项目经理部
下
穿
石
油
管
线
顶
管
施
工
技
术
作者：张科星
工作单位：中铁港航局集团深圳工程有限公司
二〇一四年四月二十四日
摘要:本项目沿东城大道西侧有一条DN350石油管线，因石油管线改移滞后，影响希望大道与东城大道交叉口处希望大道南侧2×1。5m雨水箱涵施工.经现场勘查及放样，雨水箱涵需要下穿石油管道，若施工采用开槽放坡开挖，将使石油管道暴露、安全风险高。若等石油管道改迁后施工，又严重影响项目进度目标的实现.经项目集体研究，并和石油管道产权单位协商,结合现场实际情况，采用2。0m预制涵管顶管施工方法,让雨水箱涵下穿石油管道,将地表作业安全可靠地转入地下施工,以确保按期完成施工任务。
关键字：顶管、石油管道、雨水箱涵、安全风险、经济效益
目 录
1、工程简介 2
1.1、项目概况 2
1.2、工程难点 2
1。3、顶管施工优点 3
2、施工组织及部署情况 3
2。1、施工平面布置图 3
2。2、机械设备配置 4
2。3、施工进度情况 4
3、施工工艺和方案 4
3。1、施工工艺 4
3。2、工作坑布置 5
3。3、顶管施工准备 7
3。4、顶管作业 9
4、顶管施工作业难点及处理措施 11
5、管涵顶管控制重点 11
6、施工注意事项 12
7、顶管施工取得的经济效益 13
8、施工评价 13

下穿石油管线顶管施工技术 第 8 页 共13页
下穿石油管线顶管施工技术
1、工程简介
1。1、项目概况
本项目沿东城大道西侧有一条DN350成品石油管线,因石油管线改移严重滞后，影响希望大道与东城大道交叉口处希望大道南侧2×1。5m雨水箱涵施工贯通。该里程地面标高29。45m，箱涵顶标高24。63m,石油管线底标高27。45m，即箱涵位于石油管道下方，箱涵顶距石油管底2.82m。此处施工采用开槽放坡开挖，将使石油管道暴露、安全风险高。若等石油管道改迁后施工，严重影响项目进度目标的实现.我项目部经集体研究，结合现场实际情况，并与业主、石油管道产权单位协商,采用直径2.0 m预制III级混凝土管顶管施工方法，使雨水箱涵顺利下穿石油管道，将地表作业安全可靠地转入地下施工,以确保按期完成施工任务。
图1 顶管平面位置图
该段地质为微风化泥质粉砂岩,节理、裂隙不发育,多呈柱状、长柱状.岩石单轴饱和抗压强度标准值10。2MPa，岩体基本质量等级为Ⅳ级.
1.2、工程难点
箱涵下穿石油管道施工，不宜大开挖，易影响石油管道稳定，造成石油管道损坏,安全风险高；采取顶箱涵施工,施工场地大,设备多,工期长，成本高，效益低。
1。3、顶管施工优点
⑴可以直接穿越石油管道，无需开槽,不需对石油管道迁改或石油管道的保护，费用较低。
⑵顶管施工对管道上部土体绕动较小，穿越石油管道时，安全有保障.
⑶施工作业面减少，无大型机械接近石油管道四周，减小对石油管道的扰动。
⑷操作简单,成本低,效益好.
2、施工组织及部署情况
2。1、施工平面布置图
根据现场地质情况和地下石油管线的位置，采用DN2000III级混凝土管顶通该处，使雨水箱涵贯通，排水通畅,减少雨水对施工干扰.
图2 箱涵下穿石油管道平面布置图
图3 箱涵下穿石油管道立面图
2.2、机械设备配置
表1 管涵顶管设备配置表
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
设备状况
1
挖掘机
合肥日立ZX360LC
台
1
完好
2
吊车
25T

台
1
完好
3
卷扬机

台
1
完好
4
千斤顶
110t
台
2
完好
5
自卸汽车
4t
台
3
完好
6
出碴设备

套
1
完好
7
测量仪器

套
1
完好
2。3、施工进度情况
工期2013年7月1日～2013年7月25日,共计24天。
3、施工工艺和方案
3。1、施工工艺
顶管施工工艺
工作坑施工
安装管节
布置顶铁
工作面开挖
管内运土
停顶退进
管道顶进
管内运土
停顶退进
管道顶进

3。2、工作坑布置
工作坑开挖作业深度根据穿越处管道设计标高确定。人工配合单勾挖掘机进行开挖，直至开挖到设计管道高程下0.4m,基坑边缘挖集水坑抽除积水.工作坑由基础、导轨和后背墙组成。
图4 工作坑平面布置图
⑴工作坑基础：工作坑基础采用现浇混凝土基础。工作坑底部尺寸应满足下列公式：
B=D1+S
L=L1+L2+L3+L4+L5
式中：B—矩形工作坑的底部宽度,m;
D1—管道外径，m；
S—操作宽度,可取2.4～3.2m；
L—矩形工作坑的底部长度,m；
L1-顶管掘进机长度,当采用管道第一节管作为顶管掘进机时，对于钢筋混凝土管，不宜小于0.3m;钢管则不宜小于0。6m；
L2—管节长度,m；
L3-输土工作间长度，m;
L4—千斤顶长度，m；
L5—后座墙的厚度，m；
经计算，工作坑宽度:5m，工作井长度：4。5m。
工作坑深度采用下列公式进行计算：
H=h1+h2+h3
式中：H-顶进坑地面至坑底的深度，m;
h1-地面至管道底部外缘的深度,m；
h2—管道外缘底部至导轨底面的高度，m;
h3—基础及其垫层的厚度，m。
经计算工作井深度：4m。
图5 现场工作坑
⑵导轨：导轨的作用是引导混凝土管按设计的中心线和坡度顶入土中,保证管在将要顶入岩层中前的位置正确。施工中导轨采用工字钢铺设。铺设导轨应注意满足以下要求：
①两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致；
②导轨安装允许偏差轴线位置3mm，顶面高程0~+3mm,两轨内距4～2mm;
③安装后的导轨应牢固，不得在使用中产生位移，并应经常校核。
两导轨之间的宽度根据下列公式求解:
式中：B-基坑导轨两轨之间的宽度,m；
D0—顶进管道外径，m;
D —顶进管道内径，m；
经计算导轨间距宽度：0。8m。
⑶后背墙:工作井的顶管后座墙用两块20mm厚钢板，中间用浇筑C20砼，在钢板与井壁之间浇筑C20砼，和厚钢板一同作为后座墙。待其混凝土达到75％以上强度后方可进行顶管的顶进工作，否则将可能造成顶管过程出现意外事故,影响顶管顶进.对于后座墙附加层的做法，采用以下方法：
①后座墙附加层工作面必须与顶管管线垂直.
②后座墙附加层的宽度应满足主顶油缸发射长度，厚度根据工作井的直径和后靠背顶铁的宽度而定。
③后座墙附加层做法采用钢筋混凝土，标号C20以上，当后座墙附加层覆盖洞口时,应在洞口处用型钢加固。
④、后座墙附加层严禁采用方木，因木材具有弹性，顶管顶进时，主顶油缸反复作用会造成木材反复受力，形成疲劳破坏,影响顶进质量，同时也会造成顶进设备损坏。
3。3、顶管施工准备
3。3。1、顶力计算及千斤顶选型
本工程顶管长度12m，岩性为微风化泥质粉砂岩，掘进时依靠泥质粉砂岩短期自稳能力，靠千斤顶顶入钢筋混凝土管,所以只考虑管道底180度摩擦力即可。泥质粉砂岩摩擦系数取f=0.25，钢筋混凝土密度取2。5t/m3，即摩擦力为:
雨水涵管：F=0。25×2.5×πD1L×10
=0。25×2。5×3.14×1。98×12×10=508。68KN
D1—为管道外径；
L-为顶管长度.
综合考虑实际摩擦力比理论值大和千斤顶实际利用率，实际摩擦力系数1。5,千斤顶实际利用率取0.7,则最大工作顶力应为:
F=508.68×1.5/0。7=1090KN，现场采用110t的千斤顶。
3。3。2、顶铁
顶铁是顶进管道时，千斤顶与管道之间临时设置的传力构件。顶铁安装和使用时应符合下列要求：
①顶铁与轨道之间、顶铁与管道之间的接触面应保持干净,如有泥土或油污等,应擦拭干净，防止接触不良，相互滑动。
②必须使千斤顶轴线、 顶铁轴线和管道轴线相互平行。
③更换顶铁时，应先使用长度大的顶铁；顶铁拼装后应锁定;使用顶铁必须注意安全，加强防护。
④顶铁与管口之间采用三合板作为缓冲材料,使顶力均匀的分部在管端，避免应力集中对管端的损伤.
3.3.3、开顶前的准备
顶管前，必须严格进行各项准备工作，预防在顶进过程中发生安全质量事故，落实相关责任人，并做好有关记录以备查。
⑴安设和调试顶进设备
涵管身和后背建成后即可安装顶进设备。将各种传力设备和液压系统油管电路按设计和说明书安装联结好，检查无误后开动千斤顶空顶进退一次进行调试,发现问题即时检修.
图6 管道安装
⑵管体外表的润滑处理
涵管外表涂以水泥浆作为润滑剂，要涂刷均匀.
⑶检查涵管
顶进前应对管涵结构尺寸、质量、外观等进行全面检查验收。对工作井位置、管道轴线、工作井底高程要复测.结构外型尺寸应符合设计要求,混凝土浇筑质量、混凝土结构强度达到设计100%要求，防水层、防护层检验合格。
⑷安装观测仪器
在涵管后方离后背稍远距离处设立观测站以观测管道顶进时的中线和水平偏差.在涵管洞内四个方向上进行高程测量,顶进方向偏差的观测在箱涵一侧的前后端各用环氧树脂粘设一个标尺进行。另外，为了观测顶进中后背的变形情况，在后背墙两端设立标尺，进行后背变形观测。顶进前要在涵管底板上设置观测标钉，标钉一般设在中边孔底板跨中及中、边墙根部，设前、中、后三排。启动前应观测并记录原始高程及相对高差，用于顶进过程中检验结构变形。
⑸安全防护
落实防护人员和防护信号工具、防护标志牌，线路联络员与工地间的通讯情况,以及与石油管道单位的联系和安全协议签订情况，石油管道部门派驻现场的施工配合人员等。
⑹故障处理措施及材料准备
开顶前应做好各种故障处理方案,对作业人员交待清楚。另外，还需要准备足够的故障处理材料，主要包括顶进故障处理，如出现“扎头”加固土壤的短木桩、换填土壤用的砂夹碎石、片石和线路防护抢险的道碴、草袋、枕木等。
3。4、顶管作业
3。4。1、试顶
试顶的目的是检查顶进设备是否正常，顶力是否均匀，后背、滑板及箱体有无异状，并使箱涵与滑板分离。试顶时，油泵应逐步加压，每次升压后还要稳定10分钟，并对设备及后背墙等发生的裂缝情况进行检查。
3。4.2、顶进
采用由石油管道两侧向中间顶进施工.顶进过程是：当前方挖土完成一个顶程后，即开动高压油泵,使千斤顶产生顶力,通过传力设备,借助于后背的反作用力,推动涵管前进.如此循环往复，直至涵管就位。
图八 管道顶进
3.4.3、顶进挖土
由于顶管长度短，岩层自稳能力强,我部采用人工开挖土石、运渣、出渣,每次掘进长度30㎝，随后顶管跟进方式进行施工。
①开挖面宽度、高度比结构轮廓小10cm,保证吃土顶进，以利方向控制。
②挖土边坡不大于1：0。67挖土时应掌握坡度的平整,由上向下开挖,严禁掏洞取土或出现倒坡,以利安全.
③涵体底面应预留高出5～10cm 厚度的土层不挖,使底板吃土顶进,减少“扎头"。
④挖土作业必须与观测点密切配合，根据偏差分析，决定挖土方法。
图9 工作面开挖
图10 完工后涵管
3。4.4、监控与检查
施工过程中,安排专人负责监控与检查,是确保施工安全质量的重要举措，务必严格按照施工技术交底实施.
①顶进前,应对管涵原始（预制）位置的里程、轴线及高程测定原始数据并记录.顶进过程中,每一个顶程要观测并记录各观测点左、右偏差值；高程偏差值和顶程及总进尺.观测结果要及时报告现场指挥人员，用于控制和校正；
②自启动起,对顶进全过程的每一个顶程都应详细记录千斤顶开动数量、位置，油泵压力表读数、总顶力及着力点。如出现异常应立即停止顶进，检查分析原因，采取措施处理后方可继续顶进。
③顶进过程中，每天应定时观测底板上设置观测标钉的高程，计算相对高差、展图，分析结构竖向变形.对中边墙应测定竖向弯曲，当底板及侧墙出现较大变位及转角时应及时分析研究采取措施。
④顶进过程中要定期观测管体裂缝及开展情况,重点监测底板、顶板、中边墙、中继间牛腿或剪力铰和顶板前、后悬臂板，发现问题应及时研究采取措施.
4、顶管施工作业难点及处理措施
管道在顶进过程中，由于迎面阻力、管壁磨擦力分布不均和千斤顶顶力的微小偏心等都可能导致工具管前进的方向偏移或旋转。为保证管道的施工质量,必须及时纠正,才能避免施工偏差超过允许值。顶进过程中要“勤顶、勤挖、勤测、勤纠”。纠偏采用挖土校正法和顶木校正法。
⑴挖土校正法。在管子偏向设计中心线的一侧适当超挖，以使迎面阻力减小，而在相对一侧不超挖或留坎，使迎面阻力加大,形成力偶，让首节管子调向，逐渐回到设计位置。高程检查结果如发现管子“低头"时，则在管顶处向上多挖土,管底处略挖出向上的斜坡;若管子顶进过程中发生“抬头”时，则在管前下部稍多挖土，管顶少挖土,再进行顶进即得以校正。此法适用于当偏差在10~30 mm范围内时校正。
(2）顶木校正法。当偏差大于30 mm或利用挖土校正法无效时，用1根圆木，一端顶在管子偏向的另一侧内管壁上，另一端支在垫有木板的管前土壤上，支架稳固后开动千斤顶，利用顶进时斜支管子所产生的分力使管子得以校正.
5、管涵顶管质量控制重点
为确保顶管施工质量，项目部建立健全质量保证体系,制定各项质量制度，并严格遵照执行, 使各项工作有条不紊的向前推进。
⑴顶管施工质量控制见下表顶管施工的最大允许偏差表.
表2 顶管施工的最大允许偏差表
项 目
允许偏差
钢筋砼管最大偏角
0。5°
管线轴线偏差
L ≥70M
50MM
标高偏差
L ≥70M
+30～—40
相邻管节错口
≤ 15MM无碎裂
接口抗渗试验应达
0.11MPa
内腰箍不渗漏，橡胶止水圈不脱出
⑵顶进过程中地面沉降控制范围见下表顶进过程中地面沉降允许沉降表。
表3 顶进过程中地面沉降允许沉降表
项目
允许变化范围(mm）
地面隆起的最大极限
+30
地面沉降的最大极限
—30
顶管在纠偏过程中，应勤测量，多微调，每项纠偏角度应保持10´～20´，不得大于1°
⑶在正常顶进时，管下部135°范围内不得超挖；管顶以上(超挖量不得大于1。5cm），采用手掘式施工顶进，严格控制喇叭口开口、出碴量以及顶进速度.
6、施工注意事项
⑴顶管后座安装时，如发现后背墙面不平或顶进时枕木压缩不均匀，必须调整加固后方可顶进；
⑵顶管工作坑采用机械挖上部土方时,现场应有专人指挥装车，堆土应符合有关规定,注意不得损坏任何构筑物和预埋立撑；工作坑四周或坑底必须要有排水设备及措施；工作坑内应设符合规定的和固定牢固的安全梯，下管作业的全过程中，工作坑内严禁有人；
⑶吊装顶铁或钢管时，严禁在把杆回转半径内停留；往工作坑内下管时，应穿保险钢丝绳,并缓慢地将管子送入导轨就位,以便防止滑脱坠落或冲击导轨,同时坑下人员应站在安全角落；
⑷垂直运输设备的操作人员，在作业前要对卷扬机等没备各部分进行安全检查．确认无异常后方可作业，作业精力集中，服从指挥，严格执行卷扬机和起重作业有关的安全操作规定；
⑸安装后的导轨应牢固,不得在使用中产生位移，并应经常检查校核;两导轨应顺直、平行、等高,其纵坡应与管道设计坡度一致;
⑹在拼接管段前或因故障停顿时，应加强联系,及时通知工具管头部操作人员停止冲泥出土，防止由于冲吸过多造成塌方.
⑺顶进过程中油泵操作工，应严格注意观察油泵车压力是否均匀渐增，若发现压力骤然上升，应立即停止顶进，待查明原因后方能继续顶进；
⑻管子的顶进或停止，应以工具管头部发出信号为准.遇到顶进系统发生故障或在拼管子前20min，即应发出信号给工具管头部的操作人员，引起注意；
⑼顶进过程中,一切操作人员不得在顶铁两侧操作，以防发生崩铁伤人事故；
⑽管道内的照明电信系统一般应采用低压电，每班顶管前电工要仔细地检查多种线路是否正常，确保安全施工;
7、顶管施工取得的经济效益
希望大道K2+030～K2+042预制涵管下穿石油管道采用此方法法，施工费用节约18.6万元,成本节约40%，具有较大的推广价值。
8、施工评价
南昌九龙湖市政施工采用预制管涵人工顶管施工下穿石油管道，如期完成了工程施工任务，保证了工程质量，确保了施工安全和结构安全。经本工程的实践证明“管涵直接顶进施工工法”具有如下特点：
⑴施工进度快：在不用石油管道未迁改的情况下，所采取的施工工法和技术措施有效，能保证稳步快速施工，缩短工期.
⑵施工安全度高：采用该工法避免了石油管道外露与施工作业交叉干扰，形成安全隐患。较好的解决了安全问题，未发生石油管道损坏危及作业人员安全的情况。
⑶现场操作性强：本工法针对性强,操作简单，易于作业人员掌握.
⑷施工干扰小:将地表作业安全可靠地转入地下施工，减小了施工现场周围的外部环境干扰。
参考文献：[1]《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268—97）。
[2］《南昌市九龙湖新城起步区控制详细规划》.
[3］《城市工程综合管线规划规范》（GB50289—98）.
[4］《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GB/T11836-1999）.
南昌九龙湖市政基础设施一期工程C-I标项目经理部