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人工掘进式顶管施工方法
1 前言
1.1顶管施工位于----------------------的东南侧，北临新园路与---------，东临二号路，西邻-----------------用地。为配合现场施工时雨水排放，需施工排出厂外的雨水管道，管道出场地后穿过新园路进入路北侧的市政排水渠。考虑到新园路为厂区主要道路，且来往车辆频繁，为了减少管道施工对道路通行和对现场环境的影响。经过专家组评审，决定采用人工掘进式顶管施工的方法进行施工。排水管道采用钢筋混凝土顶式排水管，管径DN2000mm，管线长度为60米。
2 工法特点
2.1顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在工作井内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸把管道直接从工作井内穿过土层一直推进到接收井内，埋设在工作井和接收井之间。
2.2非开挖顶管施工采用油压驱动，可以在很深的地下敷设管道，施工时噪音远远小于开槽式敷设管道，噪音以及震动都很小，几乎没有地盘沉降的现象，对周遭的影响降低到最小程度，无需隔断交通;可以安全的穿越铁路、街道等建筑障碍物，而且在较深的埋深情况下施工成本要小于开槽式敷设管道。
2.3特别适用于大中型管径的非开挖铺设。具有经济、高效，保护环境的综合功能。这种技术的优点是：不开挖地面；不拆迁，不破坏地面建筑物；不破坏环境；不影响管道的段差变形；省时、高效、安全，综合造价低。
3 适用范围
3.1该技术广泛用于城市地下给排水管道、天然气石油管道、通讯电缆等各种管道的非开挖铺设。它能穿越公路、铁路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物。人工掘进式顶管施工适用铺设距离在100m以内的地下管道，地质土层水分较低，无大块岩石并易于挖掘的土层中。
4 工艺原理
4.1顶管施工工艺原理就是在所施工的管线间制作一个工作井和一个接收井，借助油缸的推力，把要施工的管道分次、分节从工作井顶进到接收井的一种不需要开挖路面的铺设地下管道的施工方法。顶管施工可根据GB 50268-2008《给排水管道工程施工及验收规范》6.3条进行。
5 工艺流程及操作要点
5.1顶管施工工艺流程如下：
5.1.1施工准备→进场→工作井施工→提升设备安装→靠背安装→导轨安装→开洞门施工→顶进设备安装→顶进→接口压浆封闭→试水→交工。
5.2工作井施工
5.2.1工作井是顶管施工的工作场所。其位置可根据以下条件确定:
1.单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水； 
2.考虑地形和土质情况,有无可利用的原样土做后背；
3.工作井与可能穿越的管线，建筑物要有一定安全距离； 
4.距水、电源较近的地方； 
5.工作井不影响地面交通等。 
5.2.2工作井的尺寸
1.工作井应有足够的空间和工作面，保证下管、安装顶进设备和操作间距，井底长、宽尺寸可按如下公式计算： 单位：m
W=D+（2.4~3.2） （5.2.2-1）
式中：W──工作井底宽度；
D──被顶进管外径。
2.底长可按如下公式计算：
L＝L1＋L2＋L3＋L4＋L5 （5.2.2-2）
式中 ：L──工作井底长；
L1──管子顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，一般留0.2m；
L2──每节管子长度；
L3──出土工作间隙，根据出土工具确定，一般为1.0~1.5m；
L4──液压油顶长度；
L5──靠背所占工作井厚度。
本工程工作井为直径6m的现浇混凝土工作井。
5.2.3工作井施工
1.工作井施工工艺流程：
施工准备→场地平整→测量放样→开挖第一模→绑扎钢筋→立外模→灌注第一节及砼养护→开挖第二、三模→基底清理→封底→浇筑底板砼→灌注顶盖板。
本工程的工作井场地地质条件一般，开挖临近交通要道，工作井开挖过程中必须采取可靠的挡土措施。工作井采用机械开挖，人工护壁施工。本工程中的工作井和接收井为现浇混凝土结构，工作井施工可见下图：

图5.2.3-1 顶管工作井施工

图5.2.3-2 顶管施工工作井

图5.2.3-3 顶管施工接收井
5.3提升设备安装
5.3.1本工程采用DN2000钢筋混凝土顶式排水管，每节管长度为2米，单节管重约8吨，现场选用16吨单轨吊作为钢筋混凝土顶式排水管下管和土方外运的提升设备。提升设备安装可见下图：

图 提升设备安装
5.4靠背与导轨安装
5.4.1本工程中靠背采用现浇C35混凝土墩作为液压油顶顶进时的工作靠背。靠背高度为1.5倍液压油顶外筒体直径，厚度为1.5米。导轨安装是一项关键工序，其位置准确与否与导轨高程的精度直接影响管子的顶进质量。本工程中导轨采用20#槽钢，安装后的导轨顺直、平行、等高，其纵向坡度与管道设计坡度一致，导轨应牢固，不得在使用过程中产生位移或过大变形。根据管道设计标高和中心线，调整导轨面控制误差在5mm以内，调整导轨中心线与管道中心线偏移误差在5mm以内。靠背和导轨安装完成后，在工作井底浇筑混凝土至导轨顶上表面，作为顶管施工工作面，靠背和导轨安装可见下图，

图 靠背与导轨安装
5.5开洞门施工
5.5.1靠背和导轨安装好后，在工作井壁上画出管道施工位置，并用风镐对工作井内壁进行人工凿除。施工过程见下图：

图 开洞门施工
5.6顶进设备安装
5.6.1根据本工程施工的钢筋混凝土顶式排水管，选择两个250吨的液压油顶作为顶进设备，液压油顶安装应确保其着力中心位于管道总高的四分之一处，且不小于靠背高度的1/3，并与管道中心线在同一垂直面上，两个液压油顶中心线与管道中心线对称，即其合力方向应与管道、中线一致，且各油顶的油管应并联在一起。顶铁安装后，其轴线应与管道平行、对称，顶铁与导轨接触的一面不得有泥土、油污。顶进设备安装见下图：

图 顶进设备安装
5.7顶进
开洞门施工完成，且顶进设备调试完成后，可开始混凝土的顶进工作。
5.7.1下管
利用提升设备将第一节管子下到导轨上，管道中心线依据设计图上的位置而定，前端和后端的高程应符合设计要求。下管施工可见下图：

图 钢筋混凝土顶式排水管下管
5.7.2土方开挖
1.人工挖土时，管前挖土一般应在管内操作，以确保安全，土质容易塌方时必须随挖随顶，液压油顶及出土工作时的操作，均应听从挖土人员的指挥，不得擅自蛮干。土方开挖可见下图。管前挖图是保证管道质量和管上建筑安全的关键，挖土应遵循下列规则：
1）一般顶管地段，如果土质量好，可超越管端30~50cm；
2）在不允许土质下沉的地段，管子周围一律不得超挖；
3）在一般顶管地段，管外皮上顶允许超挖1.5cm，但下面135°范围内不得超挖。

图 管前土方开挖
5.7.3管道顶进
1.第一节管下到导轨上后，应测量管子的中线及前后端的管底高程，确认合格后方可顶进。第一节管子作为工具管，其顶进方向的准确度是保证整段顶管质量的关键。因此要求每顶进0.3m则对管道的中心和高程均测量检查一次，在正常顶进中，每顶进0.5～1m则进行测量检测一次。
2.中心线测量一般根据工作井内设置的中心桩挂设线绳，用特制中心尺进行检查，高程测量则用水准仪和特制的高程尺进行检查，工作井内应提前设制一个固定的水准点，以便测量高程时相互闭合。
3.管道顶进昼夜两班不停进行，充分发挥机械的效率，同时防止由于中途停止，摩擦力增加，造成顶进困难，但在顶进进程中遇到下列情况之时，则应停止顶进，并迅速采取措施处理完善后再顶进。
1）顶管前方发生塌方或遇到障碍；
2）后背倾斜或严重变形；
3）顶铁发现有扭曲现象；
4）管位偏差较大，而且校正无效；
5）顶力较大超出计算顶力，超过管口准许顶力。
4.管道顶进每班均应填写施工记录，施工记录应包括顶进长度、顶力数值、管位偏差校正情况、土质水位变化及出现的问题和注意事项。交接班时，应用施工记录以文字进行交接。
5.管道顶进采用人工挖掘顶进的方式，运土用手推车，水平运输人工推运，垂直运输用提升设备提升至地面再运走。顶进前，应在管节后用弧形护口铁，再用顺铁作顶铁，以保护管子末端，防止由于应力集中造成局部损坏。顶进开始时，应缓慢顶进，待各接触部位密合后，再按正常速度顶进。首节管顶进后，要检差管前管后高程及中心线，经检查无误后方可正式顶进。首节管的质量是整个工程的关键，所以在施工中对于首节管要严把质量关。顶进过程检查动力系统运转是否正常，检查纠偏系统运转是否正常，并调整好顶进的中心及高程。
6.顶进纠偏操作要坚持“小纠”、“勤测”、“勤纠”的工艺原则。纠偏必须遵循两个原则，一是每次纠偏量不要过大，而且要注意发展趋势。二是有高低与左右均发生偏差时，先纠高低，后纠左右。在具体施工中一定要看趋势，综合分析，唯有这样才能达到减少管节的蛇形状态，保证施工质量。
7.管道开始顶进和土方挖掘施工，工作程序可见下图：

图5.7.3-1 管道开始顶进

图5.7.3-2 顶进及人工挖掘土方外运
8.顶管过程中，一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子，继续挖掘土方和顶进，如此循环施工直至将钢筋混凝土顶式排水管从工作井顶进到接收井。在管道顶进到接收井时，需要对接收井内壁进行凿除。人工挖掘土方工作和管道顶进过程，以及顶进到接收井可见下图：

图5.7.3-3 人工挖掘土方

图5.7.3-4 顶进过程

图5.7.3-5 接收井内壁凿除

图5.7.3-6 管道顶进到接收井
6 材料与设备
6.1顶管施工主要材料见下表：
表 顶管施工主要材料
序号
材料名称
规格型号
主要技术指标
备注
1
热轧带肋钢筋
HRB400 16
GB/T1499.2-2007
工作井、接收井
2
热轧带肋钢筋
HRB400 25
GB/T1499.2-2007
工作井、接收井
3
钢筋混混凝土
顶式排水管
Φ2000×2m
外压荷载
裂缝
荷载
KN/m
≥200
施工管道
破坏
荷载
≥272
6.2顶管施工主要机具及工器具见下表：
表 顶管施工主要机具
序号
机具名称
规格型号
主要性能及参数
数量
备注
1
履带式
挖掘机
PC220-8
标准斗容1.0m³
1台
土方挖掘
额定工率125KW
2
电动葫芦
CD1-16t
起升高度9m
1台
提升设备
运行速度3.5m/min
运行速度20m/min
3
液压油顶
FY-CLSG-2506
行程1.0m
1套
管道顶进
设备
推力2500KN
4
活塞式
空压机
VA-100
气桶容量170L
1台
风镐用气
功率5.5KW
5
气镐
G7
工作气压0.4-0.5MPa
2台
人工土方
挖掘
冲击能量≥33J
6
GPS测量仪
A90
测量精度0.8mm
1台
工程测量
7
水平仪
GOL 32D
水平精度1mm/30m
1台
工程测量

7 质量控制
7.1顶管工程施工质量应遵照GB50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定执行,还应符合下表的要求：
表 顶管施工质量控制
项 目
允许偏差
钢筋混凝土顶式排水管最大偏角
0.5°
管线轴线偏差
L ≤100M
50mm
标高偏差
L ≤100M
+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
7.2关键工序顶进工作的质量控制技术措施
7.2.1顶进工作的关键点
1.测量工作是整个顶管工程施工质量的关键，它的实施好坏将直接影响到管线线形的平顺，甚至影响到顶管的顺利贯通，因此需精心实施，确保无误。
2.测量包括高程测量和左右偏差测量两部分。
3.高程测量较简单，在地面上把永久性水准点引测至井边，通过垂直吊钢尺引测至井下，设临时水准点，再在管道内架设水准仪测至管道上的标靶，即可知道管道高程的偏差。此水准还可从管道测出来，闭合差按二级水准控制。
4.轴线测量，在井内设固定的测站，根据设计坡度，经纬仪调好垂直角度，从镜子看光靶上刻度。
5.顶进中要做到勤测量、勤纠偏、微纠偏，在进洞和出洞阶段适当增大测量密度，出现偏差应马上纠偏，减少与轴线的偏差次数。前两节连接成整体。
6.管道每推进250-300mm时测一次中心轴线，若发现偏移趋势就进行纠偏，若偏移量达到20mm时，立刻停止顶进，查明原因有措施保证后再顶进，确保顶管轴线的质量，勤测勤纠。顶进纠偏普遍采用调整纠偏液压油顶的编组操作，若管道偏左侧液压油顶采用左伸又缩方法，反之亦然。如同时有高程和方向偏差，应先纠正偏差大的一面。
7.根据地面和地表构筑物沉降监测反馈信息及时调整土压力控制值、出土量与顶进速度。
8.若发现沉降值超标，立即停止顶进，查明原因，采取相应措施后才能重新顶进，确保地面建筑物安然无恙。
9.刚开始向井下卸管、装管时，用钢支架固定已顶入的管节，防止液压油顶缩回过程中管节后退。
8 安全措施
8.1现场安全管理措施
8.1.1本工程涉及到顶管管节吊运、施工沿线的高压线保护、地下管线的保护、基坑开挖、顶管进出洞。在确定重点部位的前提下，落实监控人员，确定监控的措施方案和方式，实施重点监控，必要时连续监控。
8.1.2顶管管节的吊运必须落实吊运的设备、确定吊运吨位的匹配，对吊运的索具进行配置。制订相应的分项安全技术措施和操作规程，在吊运过程中进行监控。严格执行人员在井内交错作业并对起重设备的操作人员和指挥人员进行安全技术交底。
8.1.3顶管进洞、出洞是顶管掘进的重点。工程项目部将对顶管进出洞制订安全技术方案，细化安全措施，对进出洞作业班组进行详细的交底，在进出洞过程中，确保安全员全过程监控。
8.2顶管安全操作规程
8.2.1顶管设备的选择应根据管道所处土层性质、管径、地下水位、附近地上与地下建筑物、构筑物和各种设施等因素，经技术经济比较后确定。
8.2.2导轨应选用钢质材料制作，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。
8.2.3液压油顶的安装应固定牢靠，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。液压油顶为两台时，其规格宜相同。
8.2.4液压油顶的油路应并联，每台液压油顶应有进油、退油的控制系统。
8.2.5油泵安装应与液压油顶相匹配，并应有备用油泵，油泵安装完毕，应进行试运转，合格后方可使用。
8.2.6顶进前全部设备应经过检查并经过试运转合格。
8.2.7顶进时，工作人员不得在顶铁上方及侧面停留，并应随时观察顶铁有无异常迹象。
8.2.8顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进。
8.2.9顶进中若发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进。
8.2.10液压油顶活塞退回时，油压不得过大，速度不得过快。
8.2.11顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫。
8.2.12管道顶进应连续作业。管道顶进过程中，遇下列情况时，应暂停顶进，并应及时处理。
1.工具管前方遇到障碍；
2.后背墙变形严重；
3.顶铁发生扭曲现象；
4.管位偏差过大且校正无效；
5.顶力超过管端的允许顶力；
6.油泵、油路发生异常现象；
8.3井下顶管内的通风
8.3.1顶管施工过程中，必须保证管内的空气流通，防止施工过程中遇到进入管内的有毒有害气体。施工现场必须配备通风机，具体送风措施：在工作井中安装鼓风机，将通风管接入管道里面，每隔6米设置一个排风口。保证送风24小时进行，同时准备急救氧气包等急救药品及物资。
8.4井口临边及上下井防护措施
8.4.1井口临边防护栏杆按照（JGJ59-2011）严格执行，施工人员上下井钢梯应符合规范要求。
8.5临时用电
8.5.1施工现场的临时用电严格按《施工现场临时用电安全技术规范》的有关规定执行。临时用电线路的安装、维修、拆除，均由经过培训并取得上岗证的电工完成，非电工不准进行电工作业。电缆线路应采用“三相五线”接线方式，电气设备和电气线路必须绝缘良好，场内架设的电力线路其悬挂高度及线距符合安全规定，并应架在专用电杆上。室内配电柜、配电箱前要有绝缘垫，并安装漏电保护装置。各类电器开关和设备的金属外壳，均设接地或接零保护。配电箱要能防火、防雨，箱内不得存放杂物并应设门加锁。检修电气设备时必须停电作业，电源箱或开关握柄上挂“有人操作、严禁合闸”的警示牌或设专人看管。
8.6顶管穿过道路安全防护措施
8.6.1当顶管施工顶进到道路路面下时，路面上交通实施临时管制措施，封闭西东向半幅道路，另半幅道路作为车辆通行路线。保证路面下顶管施工时不会受到车辆通行时对路面的荷载。同时路面下顶管顶进过程中，应严密监测道路沉降观测点，保证顶进施工的安全。当顶管顶进到另半幅道路时，再将此半幅道路封闭，另半幅道路作为通行路线。顶管施工穿过道路的安全防护措施见下图：

图 顶管施工穿过道路安全防护措施
9 环保措施
9.1该顶管施工工程需要穿越市政道路，且覆土深浅不一。顶管施工时，需确保路面的绝对安全。为了保证在施工中做到对环境的充分保护，我们将从以下几方面采取措施，来控制沉降，确保道路的安全。
9.1.1道路与房屋的沉降监测
1.监测范围
根据道路及房屋安全保护监测的有关规定，并结合以往类似工程的一些经验，本次监测范围为Φ2000mm顶管中心轴线至地面5米范围内。
2.监测内容
主要针对地面的沉降量进行监测。
1）在顶管中心轴线上方地面布置沉降观测点。
2）在顶管轴线上可能影响到的建筑物上布设沉降观测点。
3.测点布置
1）地面上沉降观测点布设：沿顶管轴线方向布设，顶管起始段50m范围内每隔10m布点。
4.监测措施
1）严格按照有关技术规范和规定进行施工全过程跟踪监测。
2）监测点的设置与建设、监理、顶管操作单位等多方协商，并明确标明监测点的位置。
3）监测频率为每天1次，视施工情况加密监测频率，在关键部位要及时跟踪监测并提供监测报告，遇特殊情况，提供速报并及时处理。
4）监测仪器事先经过有关技术部门的标定和校正，以保证监测数据的可靠性。
5）当监测值接近报警值时，及时预警，并提请有关方面注意；当达到报警值时，及时上报，并分析原因。
6）施工监测工作延续到施工结束后，观测值稳定一周后方停止监测。
7）路面沉降达到1cm时为报警值。管线报警值为0.5cm。
9.2文明施工
9.2.1现场施工地点应悬挂按照GB2893—2008《安全色》和GB2984—2008《安全标志》规定的标牌。施工现场设置大幅安全宣传标语。施工现场出入口设置施工牌，还需设置各种标志牌、防火须知牌、安全生产无重大日计数牌、工地主要管理人员名单。
9.2.2施工现场设施的设置涉及到大型设备、必须设置隔离栏杆，以上设施与防护栏必须有2m以上的安全通道。工作区域外沿1.0～1.5米四周封闭布置2.5米高的钢制护栏。
9.2.3施工现场的材料堆放要有明确的位置，明确的标识，土方要有围护措施。各类钢材、钢模、脚手架管堆放整齐，明码标牌，并对每个堆放点树立铭牌。
9.2.4工地生活区应设置宣传文明施工、企业文化和安全为主的宣传栏，生活区必须配备宣传栏。

10 效益分析
10.1顶管施工项目经费投入情况，见下表：
表 顶管施工经费投入情况
主要工艺：人工掘进式顶管施工工法技术措施费
科 目
摘要说明
金 额（元）
工作井、接收井
施工费
土方开挖3.14×3.5²×6×2=462m³

热轧带肋钢筋原材料15.7吨

C35混凝土120m³

土方回填170m³

工作井施工机械

工作井施工管理和作业人员

土方外运
工作井施工土方外运，外运距离3km内

市政绿化改造费
接收井上市政绿化移除与恢复

顶管施工费
DN2000混凝土管顶进施工60m

安全文明
施工措施费
顶管施工，安全、文明施工措施费

10.2传统明挖法施工经费投入情况，见下表：
表 明挖法施工项目经费投入情况
主要工艺：人工掘进式顶管施工工法技术措施费
科 目
摘要说明
金 额（元）
新园路沥青混凝土路面破除
18×3×0.3=16.2m³

土方开挖
（4+8）/2×6×60=2160m³

土方外运
管沟开挖土方外运，外运距离3km内

管道铺设
DN2000混凝土管铺设施工60m

土方回填
回填土2160m³，分层压实

新园路面恢复
沥青混凝土路面施工16.2m³

施工机械费
土方开挖、回填，管道安装、路面破除与恢复用施工机械费用

人工费
管理和作业人员

安全、文明施工措施费
顶管施工，安全、文明施工措施费

市政道路和绿化改造措施费
市政绿化带移除与恢复，
市政道路破除与恢复

10.3项目的经济效益和社会效益分析
10.3.1项目的经济效益
10.3.2项目的社会效益
1.对环境友好，不开挖道路，不破坏地面建筑物。减少对环境的污染和道路的堵塞。
2.为公司以后类似工程的施工打下了坚实的基础，提供了大型排水道施工新的施工方法，有效地指导了大型排水管道施工组织。
3.提高了我公司的工程管理水平，为优化施工提供了有效的手段。
4.对加快在工程的成本、质量、安全以及进度起到积极的作用。
5.该项目的全面实施极大的提高我公司的技术管理水平，为各项经济技术指标的提高，提供现代化的手段。
6.形成大型排水管道施工的企业工艺标准，提供技术支持，
11 效益分析
11.1应用此工法的工程概况
11.1.1项目名称：-----------------------------------------------
11.1.2项目地点：-----------------
11.1.3项目结构形式：工业建筑，厂区综合管网外排雨水管
11.1.4开竣工日期：
11.1.5实物工作量：直径Φ6m，深6m的混凝土工作井及接收井各一座，DN2000mm钢筋混凝土顶式排水管60m。
11.2应用效果
11.2.1顶管工作从2018年3月13日正式开始，2018年4月5日正式结束，在24天的顶进施工过程中，稳步推进，提前达到业主要求的施工节点，赢得业主的一致好评。
11.2.2存在的问题
1.人工掘进式顶管施工方法只适用管线内地质土层较好，施工长度＜100m的地下管道施工。大于100m时，施工会非常困难，也很难保证顶管施工质量。