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顶管施工方案资料

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2020年4月19日
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二）、顶管
本工程管材均采用顶管采用DN 管离心浇铸玻璃钢夹砂管（HOBAS），接口采用F型接口，内套楔型橡胶圈，外套铁圈采用Q235钢，环氧喷塑外加玻璃毡防腐。管道基础采用顶管施工时形成的土弧基础，但局部因地质较差需进行注浆加固，另外部分顶管施工区间因覆土层厚度不够还需进行压重覆土处理。
根据该工程的地质资料，本工程DN 管基本处在粉细砂之间，根据本工程的特殊作业环境及条件，DN 顶管采用泥水平衡式顶管法施工；根据设计文件的要求，DN 顶管应采用泥水平衡或土压平衡工具管。如现场地下障碍物影响到该形式的工具管的使用，或对地面沉降控制的要求不高，则应采用能在气压条件下处理障碍物的工具管。
根据本工程进度的要求，顶管施工过程中配备两套DN 顶进设备。
2.1 顶管地面布置
工作井施工现场约需100m2场地，场地较为狭窄，各作业点用25t吊机（或组装桁车）1台负责吊运及井内、地面的吊装工作。顶管管节长度：DN 顶管每3米一节。现场需布置容量共约200m3泥水池和废浆池，供泥水处理及废浆排放用，废浆池考虑周转使用，应及时外运；另外布置20m3储水箱1只供拌制减阻泥浆和补充泥水用水。
工作井边侧为顶进控制室，自动控制台、通讯设备等均在控制室内，场地布置若干集装箱作为办公及工具间，进场的管节、半成品材料堆放在指定地点，为保证施工车辆进出和施工需要修筑4m宽临时道路，出口处设二级泵冲洗进出现场的运土和施工车辆，以免污染场外道路，由于顶管为三班连续作业施工，在现场四个角上各安装錪钨灯一座，供夜间现场照明。
2.2 井内布置
井内沿顶管轴线方向加设临时后座支墩，安装刚性后座以及布置主顶千斤顶、导轨、刚性顶铁、环形顶铁等顶进设备。工作井边侧设置下井扶梯一座，供施工人员上下。
管内供电及井内电力配电箱均位于工作井内。顶管测量起始平台，安装在主顶千斤顶之间轴线上，独立与砼底板连接，并与千斤顶支架分离，确保顶进时测量平台的稳定。
沿井壁依次安装压浆管供水和出泥管、供电电缆、供气管线。井内二侧工作平台布置配电箱、电焊机、泥水旁通装置、后座主顶油泵车和顶铁堆放。
管内照明采用36伏低压照明灯，每8m布置1只。工作井内照明采用高压水银灯。
施工期间在井内及管道内应配置足量的排水设备，以保证雨季汛期的管道安全。
2.3 顶管施工流程图
泥浆房

顶管准备
吊车进场

顶进设备进场

导轨拼装

后座顶板安装

顶管工具头就位

后座千斤顶安装

井内其它设备安装

机头调试

拆除闷板

顶管工具头穿墙
后座顶进

工具头进行试运转

安装出泥系统

轴线高程控制
测 量

拌 浆
压 浆

出泥系统
出 土
顶管工具头推进

通风系统
供 泥

配电间
供 电

管段顶进

管节验收
止水橡胶安装

管段拼装

中继泵站安装
中继千斤顶安装
加入中继环

接收井封闭拆除
管节导入接收井

吊出掘进机
清理接收井
接收简易导轨辅设

管内设备转移
竣工测量

2.4 顶管施工工艺及设备配置
2.4.1 顶管工具头选型
本工程DN 管道顶进主要穿越粉细砂之间。采取一台封闭式挤压不出土顶管法施工。
1、泥水平衡工具管
泥水平衡工具管是在机械切削式工具头刀盘后安装隔板，形成泥水压力室，以谋求开挖面的稳定。同时将由切削下来的土砂以泥水形式输送至地面，经过旋流，震动筛分等工艺过程后，将处理后的泥水再次循环至泥水室；泥水平衡工具头常见于城市内地下管线建设。该种型式工具管在粉质砂性土中顶进时能有效地防止流砂现象的产生。能适应本工程的需要。
泥水平衡式顶管掘进机，主要由切削搅拌系统，刀盘动力系统，纠偏及液压系统、壳体、机内旁通测量显示系统，主轴密封及电气操作系统（机外）等部分组成。
掘进机机头壳体内的泥土仓是一个前面大、后面小的嗽叭口，安装在壳体泥土仓内的是一个前面小，后面大的旋转锥体，切削刀排成幅条形焊接地该锥体上，刀排的正面焊成坚固耐磨的切削刀头，从而构成一个刀盘。
顶管机工作时，刀盘一边旋转切削泥土的同时一边作偏心运动，把正面土体轧碎，轧碎后的正面土体进入泥土仓，从排泥管中排出。
a、适用的土质范围较广，在地下水位较高以及变化范围大的条件下它也可适用。
b、可有效地保持挖掘面的稳定，对管子周围的土地扰动较小，因此引起的地面沉降也小。
c、在粘土层中推进的总推力较小。
d、由于采用泥水输送、弃土作业面连续不断，因此它作业速度较快，作业环境也比较安全。
泥水平衡式顶管掘进机技术参数见下表：
型 号

1、尺寸 内径 （mm）
全长 （mm）
重量 （t）

4.0
20
2、切削刀盘 转速 rpm
转距 KN.m
电动功率 KW
可破碎粒径 （mm）
破碎石粒径 （mm）
最大破碎强度 （Mpa）
油压 （Mpa）
3.49
55
60
≤200
20～25
≤50
31.5
3、纠偏系统 纠偏油缸推力 （t）
数量 （只）
纠偏角度 上下
左右
油压 MPa
34
4
3°
3°
15
4、排泥系统
进排泥管道直径
进排泥泵流量

4″
≥1.5m3/min
5、操作
液压操作
6、推进速度
50～100mm/min
7、电源 （HZ/V）
50/400
由于本工程顶管穿越砂性土，为了对正面的土体进行改良，在机头迎土面的上部布置了注浆管。顶进时，经过注浆管向土体内压注一定量的泥浆并经刀盘搅拌后，可能有效地改良正面的土体，使出土保持顺畅。
2、挤压不出土式工具管
挤压不出土式工具管结构形式较简单，工具头前端为圆锥状封闭式挡板。顶进时利用后座推力将工具管挤到土里去。其适用范围为覆土较深且土质比较软的粘土层。其优点在于顶进时不用出土，无需在管道内安装泥土运输系统，缺点是覆土较浅时可能导致地面隆起较大。鉴于当前此类微型顶管采用泥水平衡法顶管施工也很普遍，且泥水平衡法工艺成熟，对周边环境影响小。
2.4.2 顶进系统
工作井内有一套主顶装置，单套主顶装置共有千斤顶，分两列布置。主顶千斤顶为单冲程千斤顶，总行程为1.10m，主顶千斤顶每只最大顶力为 KN，实际施工时应控制油压。油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要经过调整主顶装置的合力中心来进行辅助纠偏。但顶进过程中，要求总最大顶力控制在设计允许范围以内。
顶管规格
千斤顶数量（个）
最大顶力（KN）
备注
Φ
4
8000
但主顶最大推力受井体及管体所能允许的最大受力的限制。

2.4.3 出泥系统
1 、泥水平衡式顶管
泥水平衡式顶管出泥系统由进排泥泵、泥水钢管、泥水软管。各种闸门、流量计和压力表，基坑旁通装置，泥水沉淀池及泥水分离器组成。
进排泥泵用于进水输送和泥水排送，是一种离心式水泵。
泥水钢管、泥水软管。各种闸门流量计和压力表，组成的泥水管路系统是泥水平衡式顶管中的一个主要环节。
基坑旁通道装置具有泥水循环流动，正向流动，逆向活动和流量调节的功能。
泥水沉淀池与泥水分离器组成使用，可在较短时间把水和粘土分离开来，分离出的泥如含水量较高，可加入吸水剂，最后由土方车输送至弃土点。
2、挤压不出土式工具管
挤压不出土式顶管法因不出土，因此管内无须安装出泥系统。
2.4.4 泥浆系统
1、泥浆减阻
用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要环节之一。在顶管施工过程中，如果注入的润滑泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，则其减摩效果将是十分令人满意的，一般情况摩阻力可由12~30KN/m2减至3~8KN/m2。本工程采用顶管工具头尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式进行减阻。
注浆管的布置：工具头及其后3管每节都设有注浆孔，其后每2节加设一节带有注浆孔的管节，注浆管节分为4孔的A型管和3孔的B型管两种，间隔布置。A型管注浆孔按90°设置。B型管注浆孔按120°。每道注浆环有独立的阀门控制，并能承受外水压，浆液压力维持至它被水泥浆替换。润滑泥浆材料主要采用钠基彭润土，纯碱、CMC、物理性能指标：比重1.05~1.08g/cm3，粘度30~40S，泥皮厚3~5mm。施工时按具体情况设置。顶管施工结束后润滑泥浆被水泥浆替换。
2、泥浆置换
顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆掺粉煤灰，在管内用单螺杆泵压注。压浆体凝结后（一般为24小时）拆除管路换上封盖，将孔口封堵。注浆压力不超过0.2Mpa。在灌浆开始前，提交灌浆的方法说明。
3、注浆设备
符合物理性能要求的润滑泥浆用BW-200压浆泵经过总管、支管、球阀、管节上的预留注浆孔压到管子与外管土体之间，包住钢管。管道内的压浆系统布置如图所示。
2.4.5 组合密封中继环与自动控制系统
1、组合密封中继环
顶管距离较长时，其后座顶力不足以克服工具管正面阻力及管壁侧摩阻力，这时需在管道内设置中继间接力顶进。
本工程中继环采用组合式密封中继环，其主要特点是密封装置可调节、可组合、可在常压下对磨损的密封圈进行调换，从而攻克了在高水头、复杂地质砂土条件下由于中继环密封圈的磨损而造成中继环的磨损而造成中继环渗漏的技术难题，满足了各种复杂地质条件下特别是砂质土条件和高水头压力下的长距离顶管的工艺要求。
此种组合密封中继环成功后先后应用于多项重要工程中，有砼管顶管工程、钢顶管工程，有在海底下施工、在粗细砂中穿越或在水压0.3MPa下施工的各种工程实例。
2、中继环布置
本工程中中继环安装数只250KN油缸，中继环可经过经向调节螺旋丝自由调节，在圆心角方向能够根据需要局部或整体调节，具有良好止水性能，每道中继环安装一套行程传感器及限位开关与DK-20自动控制台相连。
中继环布置计算
（1）Φ mm顶管
①工具头正面阻力N
N=
N——机头的迎面阻力
D1——顶管工具头外径
Pt——机头底部以上1/3D1处的被动土压力（KN/m2）
Pt=γ（H+2/3D1）tg2（45°+）+2c tg（45°+）
γ——土的天然重度（kg/m3)
——土的内摩擦角（度）
H——管顶土层厚度（m）
C —— 粘聚力（Kpa）
根据地质资料,顶管穿越土层γ取18.0，内摩擦角30°，c取15
经计算：迎面阻力N=1231.5KN
②每米管壁摩阻力：F=πD·f
F——管壁每延长米摩阻力（KN）
D——管壁外径（m），
f——管壁单位摩阻力，取3KN/m2（减阻后）
经计算：F=πD·f=18.8KN/m
③主顶千斤顶推距
实际顶进时，后座千斤顶不应超过允许值。
例如后座允许顶力为400t时，L=4000/32=125m。
3、自动控制台
中继环自动控制采用ZD-20中继控制台进行程序控制，在顶管过程中按摩擦力的大小，由控制台自动发出信号自动控制中继环，中继环控制台经过控制电缆、中继箱、远程传感器及限位装置与中继环油泵自控箱连接。按顶进程序自动控制中继环工作。
中继环自动控制台具有如下功能：
①能够控制各中继环按程序要求自动/手动进行顶管。
②能够按要求改变顶进程序。
③能够按受力情况调整每环顶进距离。
④计算机能够从自动控制台自动取样，设置中继环自动/手动工作，并适时打印各类数据，供技术人员分析。
2.4.6 通风系统
在长距离顶管中，通风是一个不容忽视的问题，它直接影响至管内工作人员的健康。为获得理想的通风效果，本工程采用长鼓短抽组合式通风，通风系统安装在距工具头12～15m处，抽风风筒与鼓风风筒分别安装于管内左右两侧，两风筒必须重叠5～10m，抽风机的吸入口在前，鼓风机的排风口在后，并在管道中间配置若干处轴流风扇，向井内排出浑浊空气。
2.4.7 通讯与工业电视监视系统
1）管内通讯与工作面现场通讯采用HE系列自动电话总机，用机械拨盘式电话机互相联系。电话设置在空压机房、压浆棚；各工种间、中控室、办公室、工具头、每道中继环、工作井内。
2）配备2只低照度摄像头，一只安装于工具头操作台处，监测操作台各项数据；一只安装于工作井内，监测主千斤顶的动作，监视器安装中央控制室，以利技术人员正确指挥。
2.4.8 供电系统
工作井现场设变压器供电，为适应供电要求配置电容补偿柜。输出端电缆分三路，分别供工作井上供电系统、井下顶管机头、及井内主千斤顶。
第一路：泥浆间：2×10KW
各工种间：10KW
现场照明：20KW
第二路：电焊机：2×17KW=34KW
后座油泵：2×22KW=44KW
第三路：工具头：70KW
中继环：1×11KW（最多1台中继环同时工作）
管内照明：10KW
管内用三相五芯式25mm2电缆供电。管内供电系统配备可靠的触电、漏电保护措施。井上井下与管内照明用电采用36v的低压行灯。现场配电间为适应上述要求，安装600A主受电柜一只，分别输入3只配电屏，经3路分送至各用电部门。现场配备250KVA发电机备用，以防突发情况发生。
2.4.9 测量系统
（1）平面控制网的建立
地面上按业主、设计院提供的井位轴线控制桩定位。采用T2经纬仪测量。
顶管施工时，按工作井穿墙孔的实际坐标测量放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到工作井测量平台上和井壁上。在沉井四周建立测量控制网，并定期进行复核各控制点。
工作井上下点的投放采用索佳PD-3天底仪（精度<1/ 00）。
投放顶管测量始测点和2个后视点，始测点设在顶管后座专用测量平台上，后视点设于穿墙孔上部的井壁上，定期互相校核。
（2）管道轴向测量
施工管道轴向测量采用高精度激光经纬仪进行测量，测量主要用导线测量法，测量平台设在顶管后座处。测量光靶安装在工具头尾部，测量时激光经纬仪直接测量机头尾部的测量光靶的位置，并根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。
（3）顶管水准测量
水准仪测量精度由于顶进距离长而略有降低，传统方法用联通管测量，由于水经过一定时间沉淀会分解出气体引起测量误差，为进一步提高管道水准测量精度，本工程水准测量采用硅油微压差计测量系统。
在工作井地面设置硅油箱和标准压力传感器，根据测定硅油标准箱和工具头头部前端装置内的硅油压力差，经过数据电缆与中央控制室内PC联接，计算出在水准方向上偏离顶进基线的偏差量。
为了确保机头准确到达设计位置，在顶进到最后30～50m时，用人工测量的方式，对管道进行全线复核，确保测量工作做到万无一失。
2.5 顶管施工技术质量保证措施
2.5.1 洞口加固及顶管掘进穿墙措施
顶进前所有顶进设备及顶管工具头必须全部安装就位，设备需试运行。考虑到本工程顶管土质较差，为确保顶管进、出洞时的绝对安全，防止顶管进出洞时产生流砂现象，在井外侧洞口进行深搅桩加固，以起到挡水隔泥作用，并控制加固强度不超过0.5Mpa。由于本工程J0井需作为顶管工作井进行顶管施工，其穿墙洞外可采用深搅桩+内插型钢的办法进行加固。
出洞口还需安装穿墙止水装置。这种穿墙止水装置的特点是用复合橡胶止水，根据水头压力能够用一层~三层来选择，而且止水橡胶预先装入穿墙管装置系统，既能平面止水（闷板与法兰间），又能轴向止水（管段与穿墙管间）。当工具管穿墙时，闷板开启，工具管进入穿墙管即能达到止水目的。
2.5.2 工具头出洞防磕头措施
工具头出洞时由于工作井下沉阶段周围土体被破坏或在出洞时洞外泥水流失过多，造成出洞时工具头因自重太重而下磕，为防止这一现象产生，采取以下措施：
工具头就位后，将机头垫高5mm，保持出洞时工具头有一向上的趋势。
调整后座主推千斤顶的合力中心，出洞时观察工具头的状态，一旦发现下磕趋势，立即用后座千斤顶进行纠偏。由于距离较短。这一方法效果会非常明显。
由于洞中外侧进行了加固措施，也进一步防止了磕头现象的产生。
2.5.3 顶管过程中防止管节渗漏措施
因本工程土质较差，且本工程顶管管节采用玻璃钢夹砂管，管节较轻，而顶管工具头相对较重，在顶进过程中可能会出现工具头沉降较大与顶管管节之间出现较大裂缝；而且考虑到玻璃钢夹砂管管壁较薄，在顶管顶进、纠偏过程中管节间可能出现较大空隙，从而引起管道内渗水、渗砂现象。故采取以下预防措施。
（1）、本工程顶管工具头与前三节管节之间经过型钢连接，使工具头与后面管节形成一个牢固整体，防止因工具头自重较重产生较大沉降，造成工具头于管节脱节。
（2）在工具头处设置注浆孔，如遇土质较差区域可向管外进行双液注浆（水泥+水玻璃），以增加管道底土层的承载力。
（3）、顶管过程遇到较差土质时，可经过管道内底的压浆孔，每隔10—15米进行双液注浆（水泥+水玻璃），以增加顶进后管道底土层的承载力。如遇到局部紧急情况，还可采取向管外压注聚胺脂等高效止水材料进行止水。
（4）、为防止产生较大后期沉降，顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆掺粉煤灰。在管内用单螺杆泵压注。压浆体凝结后（一般为24小时）拆除管路换上封盖，将孔口封堵。注浆压力不超过0.2Mpa。
2.5.4 初始顶进防止管道后退措施
由于出洞口深度较深，在初始顶进阶段正面水土压力远大于管周围的摩擦阻力。拼接管子时主推千斤顶在缩回前必须对已顶进的部分与井壁进行固定，否则管道发生后退会导致洞口止水装置受损及发生人员的生命危险，因此在初始顶进的钢管外侧埋设预埋钢板，在主推千斤顶退回前将钢管与沉井壁相连，直至钢管外壁摩阻力大于工具头正面水土压力为止。
2.5.5 施工参数控制措施
（1）初始顶进
a、土压力设定
实际土压力的设定值介于上限值与下限值之间，为了有效地控制轴线，初出洞时，宜将土压力值适当提高，同时加强动态管理，及时调整。
b、顶进速度
初始顶进速度不宜过快，一般控制在10mm/min左右。
c、出土量
加固区一般控制在105%左右，非加固区一般控制在95%左右。
（2）正常顶进
a、土压力设定
结合实际施工经验，实际土压力的设定值应介于上限值与下限值之间。
b、顶进速度
一般情况下，顶进速度控制在20～30mm/min，如遇正面障碍物，应控制在10mm/min以内。
c、出土量
严格控制出土量，防止超挖及欠挖，正常情况下出土量控制在理论出土量的98%～100%。
2.5.6 管道抗扭转措施
顶进过程中由于周围土质的变化，纠偏的影响及管内设备的不均匀性会造成推进时管道发生不同程度的扭转，直接影响到施工质量。因此主要采用以下措施：
①在管内设备及管道安装时，根据重量平衡原理，在安装设备及管材的另一侧配以相同重量的配重，使管道顶进时左右重量保持平衡。消除人为造成管道扭转的因素。
②顶进时在工具头及每个中继环处设有管道扭转指示针。一旦发现微小的扭转即用单侧加压配重的方法进行纠扭。因此配备了一定数量压铁。单块重量为25kg。
工具头若发生扭转，则将左右两只抗扭转翼板向外推出。推出越长，抗扭力矩就越大，当工具头平衡时则缩回翼板即可。
2.5.7 顶管轴线控制措施
顶管要按设计要求的轴线，坡度进行。主要是工具头头部测量与纠偏的相互配合。纠偏是完成管道线型的主要手段。纠偏原则如下：
勤测勤纠：即每顶进一段距离，测量一次工具头轴线及标高偏差情况。用电话通知工具头纠偏人员，纠偏人员再将工具头现在纠偏角度、各方向上千斤顶的油压值、轴线的偏差等报给中控室，输入微机。微机将显示出纠偏方法、数据，再按此进行纠偏。
‚小角度纠偏：每次纠偏角度要小，微机每次指出的纠偏角度变化值一般的都不大于0.5°，当累计纠偏角度过大时应与值班工程师联系，决定如何纠偏，此时应特别慎重。
ƒ纠偏操作中不能大起大落，如果在某处已经出现了较大的偏差，这时也要保持管道轴线以适当的曲率半径逐步地返回到轴线上来，避免相邻两段间形成的夹角过大。
2.5.8 减阻泥浆管理及控制
顶进时应贯彻同步压浆与补浆相结合的原则，工具管尾部的压浆孔要及时有效地进行跟踪注浆，确保能形成完整有效的泥浆环套，管道内的压浆孔进行一定量的补浆孔，具体补浆孔位位置设置于中继环后面一节管节及二道中继环中间管道位置上，补压浆的次数及压浆量根据施工情况而定。压浆时必须坚持“先压后顶、随压随顶、及时补浆”的原则。为保证润滑泥浆的稳定，确保泥浆满足施工要求，每拌泥浆应进行测试，浆液质量指标一般按PH值9～10，析水率<2%。
每米管节注浆量（按建筑空隙200%）计算：
V=π（D12—D22）/4
D1—工具管外径（m）
D2—管节外径（m）
2.5.9 沉降控制措施
地面沉降控制监测
地表监控采用地表和深层观测相结合的方法。沿顶进轴线的管线保护和重要区段应增加每天监测次数以致进行24小时跟踪监测。正常情况下地面的观测点每天进行1～2次沉降跟踪观测，经数据处理分析后作为及时调整工具头参数的依据，减小地面沉降量。
2.5.10 顶管接口
接口是顶管工程的关键部分，保证做好接口部分是顶管成败的关键，困此对组成接口的每一部分都必须严格遵守有关规程的要求逐一分别严格制作。特别是本工程采用玻璃钢夹砂管进行顶管施工，管壁较薄，因此更应注意接口的质量。
顶进前应对成品管、钢套环、橡胶密封圈从尺寸、规格、性能、数量等均作详细调查，必须符合标准设计图的要求。顶进前还必须在现场作试安装，对不合格的砼成品管应予以剔除。
管接头的槽口尺寸必须正确，光洁平整无气泡。
橡胶圈的外观和任何断面都必须质密、均匀、无裂缝、无孔隙或凹痕等缺陷，橡胶圈应保持清洁、无油污，不能在阳光下直晒。
钢套环必须按设计要求进行防腐处理，刃口无疵点，焊接处平整，肢部和钢板平面垂直，堆放时整齐搁平。
插入安装滑动部位应均匀，涂薄层硅油等润滑材料，对橡胶无侵蚀性，减少摩阻。
承插时外力必须均匀，橡胶圈不移位、不反转、不露出管外。否则应拔出重插。
顶管结束后，应按设计要求在内间隙以弹性密封膏，要求与两管口抹平。
2.6 顶管压重、注浆加固、护坡施工
顶管压重段需进行注浆加固，实际施工应按设计要求进行。顶管上方土体可采取直接地面注浆加固，顶管下面土体可经过管内注浆进行加固。