青草沙严桥支线顶管施工组织设计.docx
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青草沙严桥支线顶管施工组织设计
一、工程概况
1.1简介
严桥支线工程是青草沙水源地原水工程陆域输水系统的
重要组成部分，承担着向杨树浦、居家桥、南市、临江、长桥
和徐泾水厂输送青草沙原水的重任。
本次工程内容位于高科路伽利略路以西至高科路科苑路以
东之间沿线道路的绿化带内，为2根DN3600钢管，线路长
2316.94mX2米。
本次顶管共有三段，第一段从工作井J37顶到接收井J36，长397.17m，水平顶进；第二段从工作井J37顶到接收井J38，长798.91m，以2.5%。
上坡，落差近2m;第三段从工作井J36顶到接收井J35，长1120.86m，也是水平顶进。
规格均为DN3600mm，壁厚34mm的钢管。
1.2地形地貌
地貌类型：
上海位于长江三角洲入海口东南前缘，属三角洲
冲积平原，地貌形态较单一。
①1
填土
②1
粉质粘土
③1
淤泥质粉质粘土
③1夹
粘质粉土
④
淤泥质粘土
⑤1-1
粘土
⑥
粉质粘土
⑦1
砂质粉土
根据顶管施工段工程地质剖面图分析，顶管施工主要涉及第
③1、③1夹及④层。
顶管井施工涉及到①1、②1、③1、③1夹、④、⑤1-1、⑥及⑦
1层。
1.3水文地质条件
本工程沿线河道、明浜较多，地表水体丰富，河网纵横，水
位涨落受大气降水及沿线主要河流涨落影响。
管线沿线地下水类型主要有浅部土层的潜水、部分场地中部
（第⑤2层）砂（粉）土层中的微承压水和深部（第⑦层）砂（粉）
土层中的承压水。
二、本工程难点及针对性措施
2.1工程难点
（1）钢顶管距离长，有一段长达1120.86m，测量精度要求高。
轴线偏差对长距离钢顶管的影响是巨大的。
传统测量采用激光经纬仪发射激光测量，超过300m以后，光点可能漂移，造成测量数据误差。
（2）长距离顶管，管内通风条件恶劣，对施工人员的人身安全造成一定隐患。
（3）长距离顶管中继间是不可缺少的，而且中继间布置的数量和位置是很有讲究的，处理不当会影响顶管的施工。
（4）长距离钢顶管纠偏控制困难。
（5）长距离钢顶管钢管外防腐容易磨损和破损。
2.2针对性措施
（1）我公司本次将采用新型的徕卡全自动全站仪TCA1202，通过设置相应棱镜作为测量基本设备。
该设备采用不可见电磁波（红外线），可以将空气和湿度的影响降低。
有效测量距离可达1500m，此距离时测量最大误差可在3cm之内。
并有
专门软件与计算机配合实现全程自动跟踪测量和连续显示，可进行机头顶进姿态的三维坐标和倾角、转角的实时分析，并在计算机屏幕上生成各种曲线显示出来，并作为原始记录全部保存。
此测量系统可及时对操作人员提出建议及警告，提高对顶管施工的纠偏能力。
（2）为保障施工人员的人身安全，采用了两台11kw高压鼓风机提供动力，风压为可达7kPa。
使用两根8寸PVC硬管送风，1000m外风量为200m3/h，以保证管道内空气流通。
（3）我公司根据本工程中顶管所涉及的地层经行了考察和分
析，采取机头后30m放置第一只中继间，后面每350m〜400m放一只中继间，以保证顶管施工的顺利进行（具体的计算见后面的详细计算式）。
中继间配置36只50t油缸，总推力为1800t,行程30cm。
该中继环密封除了采用一道固定和另一道可更换并可调整的橡胶密封圈外。
另外还有一道气囊密封圈作为第三重保
险。
（4）为便于纠偏，钢顶管的机头后部采用内法兰加32只螺栓的形式来连接。
并且增加一节可进行纠偏的活络节。
活络节长
径比1:
1。
活络节后为与第一节钢管焊接的转接环。
活络节前后在正常状态时均以螺栓拉紧。
当有需要协助进行纠偏动作时，现场须派专人在管内连续观察，法兰一旦有开口，即垫入适当厚度铁板并及时拧紧螺栓，使机头通过螺栓带动后部钢管回归轴线。
（5）为了减少顶管过程中在基坑中顶进时移动钢管与导轨发生摩擦会对钢管外防腐磨损和破损，我们在本次顶管施工中采用了滚动导轨，以保证在顶管移动中，钢管顶进移动中由滚子在导轨上滚动，钢管不动确保钢管外防腐不摩擦不破损。
三、施工方案
3.1顶管现场平面布置
现场布置25t/10t行车一台负责钢管及顶铁吊运和井内、地
面的吊运工作，现场另设临时堆场，供钢管及周转材料等堆放。
现场一侧布置工具间、备料仓库、泥水箱、泥浆站等。
工作井后
侧布置顶进控制室。
（详见附图一）
3.2顶管工艺流程图
321泥水平衡式
322土压平衡式
3.3顶管施工设备配置
（1）顶管掘进机选型
选择好顶管掘进机对顶管施工是至关重要的。
根据业主提供的工程地质勘察说明书显示：
本工程顶管穿越地层上半部为③1
层淤泥质粉质粘土，下半部为④淤泥质粘土。
我公司将选用目前国内较先进且适合于本地区土质，较易于控制沉降量的DT式大刀
盘泥水平衡式顶管机和DT式大刀盘土压平衡式顶管机。
这类机型
在上海有优良的施工业绩，适用土质广、顶进速度快、沉降控制精确、操作维修简便、可靠性高。
（2）活络节与转接环
钢管顶管与混凝土管顶管和机头连接方式的不同之处就是要通过转接环与之焊接后，再通过活络节与后壳体采用承插口方式以内法兰及螺栓群连接。
在长距离顶管中，钢管的纠偏是较很难的，一旦产生轴线偏差，仅通过一道纠偏油缸纠偏是不够的。
我公司米用在原来前、后壳体这二段一铰的基础上在后壳体后增加一道或两道的活络节，并安装一定数量的启曲油缸，变为三段二铰以至四段三铰。
平时用螺栓将活络节和后壳体紧固拉住，使之成为整体。
需要辅助纠偏时，将螺栓送开，开启启曲油缸。
使活络节及转接环均参与纠偏，以产生足够的纠偏反力，使机头通过螺栓逐节把钢管拉回来。
（3）主顶进系统设置
主顶进系统由油缸组、顶环、后靠及液压泵站等组成，其主要功能是完成管节顶进，是顶管设备系统的主要组成部份。
主顶系统的顶进速度由VVVF控制可实施无级变速、启动和
停止由电气系统联动控制
1主顶油缸组
油缸选用国产的双冲程、双作用等推力液压千斤项，每只油缸最大推力为2000kN，装备八只，可满足顶管最大允许顶力的要求。
油缸行程3.5m，因此长度6.6m的管节加入一块加铁可一次连续顶进完成。
2液压泵站
选用2台A2F28RP2斜轴式柱塞油泵，配备Y200L—6型电机。
通过VVVF调速阀可改变油泵的流量，根据顶进时的工况要求及时控制主顶油缸的顶速。
以满足开挖面土压平衡的条件，从而起到控制地面沉降的作用。
3后靠
管节顶进时油缸的反力，通过钢后靠均匀地传递到工作井井壁上，避免井壁受力不均或局部受力过大造成井壁结构破坏。
钢后靠安装时，将与顶进轴线保持高度垂直。
它与井壁间的后部空隙用素混凝土填实，确保与井壁整体接触。
4主顶进装置主要技术参数
油缸数量：
10只
油缸原始尺寸：
DXL=®350X2710mm
油缸行程：
S=3500mm
最大推力：
Fmax=2000kN
（4）电气控制系统
传递各种操纵指令；调节各执行元件的状态；在顶管机机头内设有监听、监视、通讯、对话系统，顶管机的各部件工作情况均可通过电视及PLC互控传递至地面操作台，井内全自动全站仪也不断把对机内棱镜测得的三维坐标送达到操作台内的电脑，并显示为动态的靶上的偏离值和上下、左右的动态走势曲线。
顶管机的全部操作均可在地面完成。
顶管机供电：
采用移动式变压器供电，供电电容量lOOOKw。
考虑到长距离供电电压降的问题，机头内加装稳压电源，技术
参数如下：
1）额定电容量350KVA，输入电压范围：
三相380V±20%；输出电压：
三相380V±（1-5）%，可设定。
2）外形尺寸：
1800X1000X800（mm）左右
3）自动、手动两档
4）面板显示交流电压，每相交流电流
（5）机内液压
接受控制系统PLC的指令，为机内各系统内截至阀、旁通阀、纠偏油缸等液压执行元件提供液压能。
（6）中继环设置
由于本工程顶管距离较长而需要设中继间。
每道中继间安装
36只行程为500mm的500kN油缸，合计顶力18000kN。
泵站电机11kWX2，最高油压31.5MPa，最高顶速7.8cm/min。
中继环的结构形式是经过立车切削加工的，尺寸精度高。
又根据钢顶管的特点，本工程的中继间具有防转和防局部拉伸的特点。
在每套中继环处设一台液压动力机组和由行程传感器和限位开关组成的程序联动系统，中继环和主顶进装置可由PLC可编程
序计算器实现预定的联动。
由于中继间启动伸缩次数很多。
密封圈易摩损失效而发生漏水、漏泥砂、漏浆等现象，给工程带来严重后果，甚至发生工程事故。
为此本工程中继间结构设二道橡胶密封圈和一道气囊密封，其中一道橡胶圈为径向可调可更换密封形式。
在二道密封圈之间
设置4只可以压注润滑油脂的油嘴，以减轻顶进时密封圈的摩损。
还设置有4只注浆孔，顶进时可进行同步注浆，以减小顶进阻力。
（详见附图二）
（7）中继间布置计算
由于顶管顶进时，会发生一些不可预见的因素，如遇不可遇
见因素，造成顶力的急剧上升，就必须启动待用的中继环。
因此，顶进过程中的不间断监测非常重要，以免贻误中继间安放时机，造成顶管失败，本施工设计中继环布置按经验数据考虑，如施工时遇不利因素影响，将同驻地监理、业主共同协商，采取调整中继环等措施，保证顺利进行。
⑴允许顶力
根据设计图纸要求顶管工作井后靠的总反力以12000kN为
限即要求顶管施工时最大顶力控制为12000kN，为确保工作井的
安全。
施工时主顶顶力不大于工作井允许承受最大顶力的90%计
算，为10800kN。
当主顶顶力达到10800kN时，必须启动中继间。
配置油缸的最大顶力为16000kN。
⑵顶力计算
顶力=N+F1+F2
顶管机正面最大阻力：
N=1/4；D2Pt
Pt=YHtg2（45o+①/2）
机头摩阻力F仁PctDBfl
Pc=rHtg2（45o-0/2）
式中：
Pt（t/m2）—被动土压力
Y（t/m3）—土容重，取1.8
H（m）—管中覆土深，取11
①一等代内摩擦角，取8o
D（m）—顶管机外径，取3.69
B（m）—机头及活络节长度，取4
f1—铁—土摩阻系数，取0.40每百米管道摩阻力：
F2=f2tD1L
式中：
D1（m）—钢管外径，取3.668
f2（t/m2）—采用注触变泥浆工艺的摩阻系数，取（0.1
0.25）
L（m）—钢管长度
⑶中继间的设置
预计首节中继间启动时的顶程
1200X0.9=N+F1+f2冗DL代入各参数得到
N=280tF1=300tF2=115〜280tL=180〜450m
（f2取0.1,L=450m;f2取0.25,L=180m）
中继间的启动，主顶力按工作井允许承受最大顶力的90%计
算。
按照地质数据分析，本次顶管中所涉及的土质上部为淤泥质粉质粘土、下部为淤泥质粘土，摩阻系数可取0.1，为保险起见，
计算时取0.25。
顶管机顶进阻力在各土层中不同，根据类似工程的施工经验，并考虑到长距离顶管的特殊性，决定距顶管机尾部30m时安放第一只中继间。
钢管承力要远大于井1200t，中继间
顶力1800t，哪怕按f2=0.25计算，一道中继间的顶程可达625m。
但为保险起见，以后每顶进300〜400m左右安放1只中继间。
这主要是钢顶管的特点，一旦有较大的偏差后，钢管回直会破坏浆套，顶力会直线上升。
J37—J38段顶管中准备安装2只中继间、J36—J35段顶管中准备安装3只中继间；J37-J36因顶距较短，不准备使用中继间在实际的施工中，根据现场情况再作必要的调整。
因为毕竟中继间对使用中的压力钢管是个薄弱环节，在有把握的情况下，争取少用。
中继环安装方案如下：
J37—J38
（798.91m）
J36—J35
（1120.86m）
1号中继环里程位置:
0+30
1号中继环里程位置：
0+30
2号中继环里程位置:
0+410
2号中继环里程位置：
0+410
3号中继环里程位置：
0+790
3.4长距离顶管控制要点
（1）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
至管内工作人员的安全。
为获得理想的通风效果，本工程采用高
压鼓风机通风，用两根①200PVC管接入，机内风口直达挡土舱最前处。
并在管道沿线上方配置若干处轴流风扇，向井内排出浑浊空气。
通风量不小于100m3/h。
并在管道内设置有毒有害气体检测报警装置。
机内配备应急用氧气小钢瓶。
（2）通讯与监视系统
1）机头与操作台通讯采用对讲机监听及联系。
工作面现场通讯采用HE系列自动电话总机，用电话机互相联系。
电话设置在压浆棚、中控室、水箱进水泵、机头、各中继间。
2）配备2只低照度摄像头，一只安装于机头仪表盘处，监测
机头各项数据；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。
（3）供电系统
业主供电为500kW，顶管现场为适应供电要求配置电容补偿柜。
输出端电缆分三路，分别为井内供电系统、1#井下顶管机头
及2#井下顶管机头。
第一路290kW:
泥浆间：
15+8kW
行吊：
90kW
生活及照明：
20kW
风机：
7.5kWX3
电焊机：
25kWX5
抽水泵:
5.5kWX2
第二路
230kW:
主顶泵站：
22kW
机头130kW
排泥泵：
30kW
接力泵：
18.5kW
进水泵：
15kW
中继间：
15kW
第三路
250kW:
顶管机:
180kW
中继间：
22kW
主顶系统：
34kW
泥浆泵：
15kW
管内用三相五芯式70m2电缆供电。
管内供电系统配备可靠
的触电、漏电保护措施。
井下管内照明用电采用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
（4）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。
采用徕
卡TCA1202全站仪测量。
顶管施工时，按工作井和接收井预留孔的实际中心坐标测量
放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到周边测量基点和井壁上。
在四周建立测量控制网，并定期进行复核各控制点。
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，后视点设于前导墙上部的井壁上，定期互相校核。
2）管道轴线测量
通常顶管中使用的激光经纬仪已无法适应长距离的顶管，
300m以后激光点的精度大幅度下降。
所以针对此次长距离顶管施工管道轴线测量采用徕卡TCA1202全自动全站仪进行测量，精度2”级。
通过机头内棱镜的设置，全站仪自动对各关键处的坐标进行测量，频率为15分钟一次。
从与标准轴线的数据比较可得出精确的测量结果。
测量平台设在工作井内顶管后座处。
测量棱镜安装在顶管机尾部正中，测量时全站仪直接测量机头尾部的棱镜的实际位置，并根据顶进初设置的顶进轴线的坐标相比较，得出差值，然后将差值转化成曲线的形式，通过计算机显示出来，同时作为原始数据记录保存。
从而实现了全时连续顶进测量。
另外徕卡全站仪采用不可见红外光，既可保证1500m长距离的测量精度，又大大减轻了气温、湿度等因素对光学测量的影响。
本系统的测量最大误差在1500m时为29mm。
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，作为对全站仪的核对。
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掘进机头部前端装置内的硅油压力差，通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，每顶进100m及在顶进到
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。
（5）洞口加固及顶管出工作井措施
为确保出洞时的绝对安全，在工作井前后洞口外侧进行16.6
X9.1X4.0m的三轴搅拌桩加固，以起到挡水隔泥的作用。
（详见附图三）
混凝土内衬洞口有预埋钢套以便焊螺栓安装止水洞圈。
内衬
止水采用帘布止水装置，这种穿墙止水装置的特点是用双重橡胶止水。
（详见附图四）
然后以①80打孔机以连续环孔，打开地连墙。
割除①25钢筋笼。
如有漏水跑泥应立即停工以争取井外降水措施。
在割除承力结构后，构筑延伸导轨，并尽量多打除3.6m厚的加固区。
一旦确定大刀盘已有切削能力，即进停止凿除砼，顶管机即可出洞。
（6）顶管出洞防磕头措施
顶管出洞时由于工作井施工阶段周围土体被破坏或在出洞时洞外泥水流失过多，造成出洞时掘进机因自重太重而下磕，为防止这一现象产生，采取以下措施：
在灌注桩内构筑延伸导轨，并注意得留注浆加固区下部土体。
顶管机就位后，将机头垫高2-3mm，保持出洞时掘进机有一向上的趋势。
把活络节尽早安装，以加长机头，并后延重心，增加防磕头手段。
调整后座主推千斤顶的合力中心，出洞时观察掘进机的状态，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。
本工程使用的导轨是高度可调的，一旦机头入土导轨即加装滚轮，以消除机头和管节的外径差。
（7）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。
拼接管子时主顶油缸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，因此在机头上有防后退的外伸止退销。
并在最前几节的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井壁相连，直至钢管外壁摩阻力大于掘进机正面水土压力为止。
（8）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：
1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。
微机的专家系统将显示出纠偏方法、数据，再按此进行纠偏。
2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0.3°，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。
3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。
4严格执行质量控制规定，钢顶管轴线偏离3cm即为重大事
项，须立即停顶并由公司负责人到场处理并记录在案。
（9）沉降控制措施
在顶管施工前，必须与沿线管线单位取得联系，摸清管线、标高、位置。
制定切实可行的保护措施，并取得对方的认可才能施工，确保地下管线的安全。
尽管我们在本次工程中所采用的机型，地表沉降控制精度比较高，但是为保证绝对安全，我们仍要制订必要的监测措施。
i.沉降预期
本工程平均管中覆土深H约13〜15m,机头外径D=3.7m,根据Perk公式，沉降影响盆半径R=2.5XD/2x（H/D）0.8=1.26〜14.2m。
如果以本公司正常施工水平，综合失土率约为1%,则轴
0.01—D2
Smax47.6〜8.5mm
线最大地面沉降R。
。
ii.地面监测，优化顶进参数
在初始顶进阶段，要精心组织地表监测，布置一张测量网格，在轴线上每隔3m设一个测量点，共设4点；横向每隔2m设一个测量点，共设7点。
形成一张4X7的测量网。
通过地表监测得到隆、沉量与相对应的顶管机主参数（包括顶进速度、开挖面土压力值，出土率等）进行了比较，从而优化顶管机参数，指导以后的顶管顶进。
iii.注浆稳定措施
除了在初始顶进阶段，优化顶进参数以外，在顶进过程中加强同步注浆也是有效手段之一，必须尽可能将膨润土泥浆套随机头向前移动，形成连续的环状浆套。
要选择触变性能良好的膨润土制浆材料。
IV.加强对管线的监测工作
a.依靠监控和数据的不断反馈可避免盲目施工、冒险施工。
施
工监控包括：
沉降、隆起和水平位移。
主要是过金科路、哈雷路、
爱迪生路、哥白尼路四个路口时有大量地下管线。
b.采用水准仪进行测量。
c.测量频率。
本工程如位于绿化带内时，测量频率可适当降低。
机头到达10m范围前，六小时一测；机头过后，一天一测，而在过路段时，则顶二米一测。
d.单次沉降量大于5mm,累积沉降量大于15mm以上，均须报警。
（10）顶管进洞施工控制
1、除了顶进过程中应加强轴线测量，确保顶进轴线与实际轴线一致外，顶管顶至距离接收井100米左右时，可对工具头部位置进行轴线复测，确保顶进过程中工具头部在水平及竖直方向的最大偏差不超过10cm。
从而确保顶进能顺利进洞。
2、待顶管顶至接收井穿墙管附近时，可通过预留在穿墙管闷板上的注浆孔向外压注水泥浆，并通过注浆孔观察，如发现较大的涌水、砂，可通过注浆孔进行一定的释放，同时进行二次注浆。
3、如通过注浆仍不能阻止水土的流入，可采用在井外壁穿墙管范围进行旋喷加固土体。
但根据周围建筑物情况，最好不采用降低水位的办法。
（11）减阻泥浆的运用
1顶进施工中，减阻泥浆（触变泥浆）的应用是减小顶进阻力的重要措施。
顶进时通过顶管机及管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道四周外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。
泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果，关系到工程的成败。
2对泥浆原材料进行验收，保证其质量；制定合理的泥浆配比，保证润滑泥浆的稳定；经常对拌好的泥浆进行测试，确保润滑泥浆的质量。
减阻泥浆的性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。
减阻泥浆有关技术参数：
地表沉降控制要求不高的顶程减阻泥浆技术参数见下表:
视粘度
失水
量
泥饼
PH值
比重
动切力
静切
力
胶体
率
状态
Mpa.s
M1
mm
g/cm3
pa
pa
%
16
8
2
8.5
1.09
11.7
19
100
略稠
其泥浆配合比见下表：
（每m3泥浆）
膨润土
水
纯碱
CMC
130kg
870kg
4.5kg
4kg
地表沉降控制要求高的顶程减阻泥浆技术参数见下表:
视粘度
失水
量
泥饼
PH值
比重
动切力
静切
力
胶体
率
状态
Mpa.s
M1
mm
g/cm3
pa
Pa
%
54
8.5
2
8.5
1.11
30.6
53.1
100
厚稠
其泥浆配合比见下表：
（每m3泥浆）
膨润土
水
纯碱
C
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