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输水管道穿越公路顶管施工方案

陕西华电榆横煤电有限责任公司小纪汗煤矿复用水工程管道穿越榆靖高速

顶管施工方案

1.编制说明

编制依据

⑴施工现场踏勘调查资料；

⑵陕西华电榆横煤电有限责任公司李家梁水库至小纪汗矿井供水工程施工图设计；

⑶陕西华电榆横煤电有限责任公司小纪汗煤矿至榆横电厂复用水输水工程施工图设计；

主要遵循的技术标准、规范

⑴《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50267-2008）；

⑵球墨铸铁管及管件技术手册；

⑶《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》（GB/T13295-2008）；

⑷《工程测量规范》（GB50026-97）；

⑸《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-2002）；

⑹《陕西省市政工程安全操作技术规程》（DBJ-056-2000）；

⑺《顶管施工技术及验收规范》。

编制范围

小纪汗煤矿至榆横电厂复用水输水管道K29+455.8处与榆靖高速公路（K321+850）交叉，采用顶管穿越施工。

2.工程概况

工程简介

新建小纪汗煤矿至榆横发电厂复用水输水工程（以下简称“复用水输水工程”）是为将陕西华电榆横发电厂的配套煤矿—小纪汗煤矿经处理的多余矿井水输至榆横发电厂，在保证榆横发电厂生产补给水的前提下同时解决了小纪汗煤矿的排水问题，综合利用矿井水资源，实现煤电一体化项目零污染零排放的目标。

管道采用DN800、DN500K9级球墨铸铁双管道，排水管道从工业广场水处理站引出，沿小纪汗铁路专用线左侧前行，至榆横铁路液化气厂站，于主管道K17+934位置，接一支管DN800管道转向东行至芹河源头。

主管线长40km，接芹河支线长19.816km。

输水管线与榆靖高速交叉处采用顶管穿越方式通过公路，顶管采用DN1500钢承口形式的钢筋混凝三级顶管，主管道穿越公路采用DN800、DN500内外涂塑钢管，其间距为5m，交叉具体位置见下表：

输水管线与公路交叉统计表

序号

交叉桩号

穿越公路名称

顶管长度（m）

顶管深度（m）

套管管径

（mm）

路面宽度（m）

路面结构

1

K29+456

榆靖高速公路

70

4

Φ1500

35

沥青路面

工程地质条件

复用水输水工程项目所在地地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，为沙漠滩地区，本段工程根据地质勘探资料，顶管施工处地层为沙性土层，地下水位线较高，原地面以下0.7m，施工需要降水。

3.施工组织安排

施工总体目标

⑴质量目标：

单位工程一次验收合格，分部分项工程一次验合格率100%。

⑵进度目标：

满足输水管道工程总体工期要求，该处顶管工程工期一个半月。

⑶安全目标：

杜绝重大事故，一般事故频率小于1.5‰。

施工组织机构

根据投标文件相关承诺，我单位选派有多年同类工程施工技术经验的人员组建项目经理部，项目经理部按六部一室（工程部、安质部、物资部、计划部、财务部、综合部、试验室）机构组建，项目组织机构图如下：

⑴项目经理

项目经理受企业法人委托，代表企业全面负责履行总承包合同，负责施工所需人、财、物的组织管理与控制。

负责施工现场的施工组织和协调管理，对工期、质量、安全、文明施工及成本目标进行控制。

项目经理部组织机构图

⑵项目副经理

协助项目经理进行项目全面管理，分管工程部、安质部、物资部、计划部、试验室，并协调现场文明施工、安全生产和总平面管理，负责总进度计划、季、月、周计划的编制和落实。

⑶技术负责人

分管安质部和工程部，负责组织有关人员学习施工图纸和组织图纸会审，组织施工组织设计和施工方案的编制和交底，负责技术管理、质量管理、微机管理和档案管理。

⑷工程部

负责工程技术管理，主要包括组织图纸学习和会审，施工方案编制，技术交底，新技术应用和培训、测量、计量和试验检验、微机管理、工程的技术复核，施工技术档案等工作。

⑸安质部

负责质量、安全、文明施工管理工作，组织进场人员进行安全教育，并进行安全技术交底，编制质量创优规划，组织质量预控、组织隐藏工程验收，过程中质量检验与评定工作，落实安全措施，确保安全生产。

⑹物资设备部

根据工程部门提出的要求，负责材料设备和工具的计划、采购、供应、机械管理和后勤保障工作。

⑺计划部

负责合同管理、计量支付、总进度计划、季、月、周计划的编制和落实，负责编制材料和机具设备使用计划。

施工总体部署

根据输水管道工程的施工进度计划安排穿越公路顶管工程施工。

分项工程施工进度计划

各分项工程施工进度计划表

序号

项目

工期（天）

开工时间

完工时间

第1个10天

第2个10天

第3个10天

第4个10天

第5个10天

1

施工准备

5

2

顶进工作坑

30

3

设备安装

6

4

管道顶进

4

5

泥浆置换

1

6

接收坑施工

5

7

拆除设备

5

4.顶管施工工艺

工艺流程

本工程施工主要分为顶进、接受工作坑；机械顶管；制作沉降井三个部分。

顶进、接受工作坑施工

4.1.1.顶进工作坑施工

顶管工作坑的深度主要由设计管底高程决定，管外底高程加上机坑轨道及底板厚度，就是需开挖的坑底标高。

本顶段的管底距地面深度为6.5米，底板厚度为30cm，顶管工作坑开挖深度为7.0米。

综合顶管机具的尺寸及作业要求，顶进坑净空尺寸定为6米（长）×4.5米（宽）×7.0米（深）。

（1）机械顶管顶进坑采用上口混凝土地圈梁、墙壁锚喷支护。

（2）机械顶管顶进坑土方的开挖：

上层采用机械与人工配合，下层土方在锚喷施作的同时人工挖土，用吊车和土斗出土、运输外弃。

（3）地圈梁的施工：

地圈梁尺寸为宽×高＝100cm×50cm，其顶面标高为从自然地面下反1.0m。

地圈梁内侧采用钢模，混凝土标号为C25。

（4）墙壁锚喷：

用钢筋与地圈梁下部的骨架连接，并在圈梁底部安放焊接第一层钢格栅，焊接长度≥10d。

作业时须分部位间隔挖土、安装钢格栅、钢筋网片，并锚喷混凝土，依次向下逐层施工。

（5）顶进坑底板：

顶进坑底标高与设计管内底高、管壁厚、导轨高有关，需在施工现场确定。

在挖深达到工作坑底标高后施作底板，现浇30cm厚的C25混凝土。

同时安装用于固定导轨的预埋铁，使其并与底板钢筋焊接。

4.1.2.接受工作坑施工

（1）接收坑的净空尺寸为6米（长）×4.5米（宽）×7.0米（深）。

（2）支护措施为锚喷护壁。

（3）土方的开挖、地圈梁、墙壁锚喷：

同顶进坑。

4.1.3.基坑开挖防护措施

⑴基坑开挖周围设置钢管栏杆防护，栏杆高度1.3米，栏杆立杆间距小

基坑周围栏杆及排水沟设置图

于1.8米，围杆设两道横杆，横杆间距0.5米，栏杆外侧开挖地表排水沟。

栏杆及排水沟设置见图。

回填之前，派驻现场防护人员24小时值班防护。

⑵基坑四周2米禁止堆放材料和停放设备；开挖出来的土不允许堆在作业坑四周以免加大支壁的侧压。

⑶基沟槽内设置合适的上下通道或爬梯，供作业人员上下使用。

泥水平衡顶管施工方法

泥水平衡顶管施工示意图

泥水平衡机械顶管施工的基本原理：

顶管机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；顶管机的排土量与推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。

顶管机土仓的压力P如果小于顶管机所处土层的主动土压力Pa时，地面就会产生沉降。

反之，如果顶管机在掘进过程中其土仓的压力大于所处土层的被动土压力Pp时，地面就会隆起。

如果把顶管机土仓压力值控制在Pa＜P＜Pp这样一个范围内，就能达到土压平衡。

一般常把控制土压里P设置在静止吐压力P0±20KPa范围之内。

顶管机与周围土体的平衡是动态的，顶管机具有动态控制这种平衡的能力。

如果土仓压力过大，顶管机可以增加排土量，将多于的碎土排出，减小土仓压力，使土仓压力与土体压力仍然平衡；如果土仓压力过低，顶管机后部的顶进油缸向前推进，给土仓增加一个持续的压力，仍能保持这种平衡。

顶管机在这种动态的平衡中前进，达到敷设管道的目的。

正是这种平衡的存在，使得开挖面能够保持稳定，防止地层的沉降与隆起。

4.1.4.施工准备

（1）顶管掘进机的选择：

根据地质情况在原地面3米以下为性土，所以

选用多刀盘土压平衡顶管掘进机。

（2）测量放样：

a、地面测量采用2″级全站仪直接布置地面控制桩。

b、

工作坑内测量，由于工作坑比较浅，所以用全站仪直接把顶进轴线投影到工作坑内，并且在工作坑内壁及工作坑口分别设置测

量仪器的复测校核点与线，以便在管道顶进轴线测量过程中对仪器自身位置的位移进行监察；仪器位置的复核每隔4小时一次。

c、管道顶进轴线测量：

在工作坑坑内设置固定的测

站，根据设计纵坡，激光经纬仪调好垂直角度，在机头处设置控制管道轴线和标高的光靶。

顶管掘进机内水平面设置坡度板，测量掘进机的倾斜和旋转。

在顶进过程中经常对轴线进行测量，每顶进0.3米测量一次，并记录3次/节管。

d、设置对工作坑位移与倾斜的监察点，实行不定时监察，随着顶力的增加而增加对工作坑位移与倾斜监测频率。

（3）土压力值P0的设置：

土仓压力控制值Pmin、Pmax

主动土压力值：

Pa=γhtg2（45°-φ/2）-2ctg（45°-φ/2）=21*5*0.33-2*8*0.5774=25.41kpa。

被动土压力值：

Pp＝rhtg2（45o+Ф/2）]+2ctg（45°+φ/2）=21*5*3+=342.71kpa。

设定土仓压力P0为240kpa，即Pp＞P0＞Pa，土仓压力控制值：

Pmin=P0－20=220kpa

Pmax=P0＋20=260kpa

4.1.5.顶进工作坑地面设备安装

（1）工作坑壁加高：

由于工作坑壁顶面比现况地面低1米，所以在坑壁上口加砌宽50mm的砖墙，直至高出地面200mm。

（2）起吊社设施：

每节管道重13.15吨，所以选用50吨履带起重机吊运管材。

另用5吨吊车吊运弃土。

（3）供电设施：

施工现场已经具备250kw发电机设施。

（4）供水设施：

采用打井接地下水到触变泥浆制备池边。

（5）注浆设施：

储物棚、拌浆桶、盛浆桶、注浆泵等布置在工作坑附近。

4.1.6.顶进工作坑设备安装

（1）导轨安装

导轨安装是顶管施工中一项重要的工作，安装的准确与否直接影响管道的顶进质量，其安装要求如下：

A、两导轨要平行、等高，或略高于该处管道设计高程，其坡度与管道一致；

B、安装后导轨要牢固，不得在使用中产生位移，且需设专人进行检查；

C、将机械顶管导轨安放在工作坑底板上并通过地板预埋铁焊接牢固。

（2）机械顶管后背设计

后背每米宽度上土壤的总被动土压力为ρ（kN/m2）：

ρ＝1／2[rh2tg2（45o+Ф/2）]+2chtg（45o+Ф/2）

ρ－土壤的总被动土压力：

r－土壤容重（KN／m3）取粉质粘土为21

Ф－土壤的内摩擦角度取粉质粘土为30°

c－土壤的粘聚力（KN／m2）取粉质粘土为8

h－天然土壁后背高度7.3m

ρ=1/2×[21×7.32×tg2（45o+30o/2）]＋2×8×7.3×tg（45o+30o/2）

=1880.94（KN）

后背宽度核算：

后背宽度：

B＝F／ρ

B—受力所需的后背宽度：

B=3828.92/1880.94=2.04（米）

施工时后背实际宽度大于2米，满足施工需要。

施工时后背宽度设定须大于2米。

后备设计如下：

A、机械顶管后背结构设计为：

锚喷墙+混凝土+后背铁。

B、在锚喷墙壁前布置后背铁，后背铁与锚喷墙面之间的空隙以C25素混凝土浇灌填充。

C、顶进坑后背要有足够的强度，在顶进过程中能承受千斤顶的最大作用力。

D、后背墙表面要平顺，并且垂直于顶进管道的轴线，避免产生偏心受压。

（3）顶镐的选用及安装：

根据总顶力可计算出所用的顶镐设备，通常最大顶力为顶镐设备的70%：

则：

3828.92KN÷70%=5469.89KN，即558吨。

施工时选用4台200吨顶镐，共计800吨顶推力，水平顶进完全可以胜任。

4只主顶油缸的合力中心比管道中心下移8mm；油缸轴线与管道轴线平行。

油缸支架下部要实，左右、后端要撑紧。

（4）搭设操作平台：

操作平台上放置主顶油缸用的液压动力站、储油箱、配电箱、操作设施等，同时操作平台也是施工人员上下工作坑的中转平台。

（5）顶管机就位

顶管机的就位：

用50吨吊车吊装机头,机头前端距井壁约300毫米。

机头就位后先检查顶管机的轴线是否与机坑轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致，发现偏差立即调整。

无误后再进行顶管机电路、油路、注浆系统的安装调试。

（6）安装测量仪器

必须在工作坑内的所有设施安装完毕后才能安装测量仪器，以保证测量的精确性，仪器架下部用混凝土固定在工作坑底板上。

4.1.7.管道顶进

测定实际土层中的压力值：

顶管机徐徐推出洞口0.8m~1.0m的土层后停止顶进，静等20小时后，观察顶管机土层压力表值，若此值与计算值不符时，以实际测定值为准，对原来计算的推进压力控制值及总推力值进行相应的调整。

出洞时管道顶进方向控制：

机头后的两到三节混凝土管与顶管机采用刚性连接，以提高顶进时的直线度。

顶进控制参数

A、出土控制：

顶进时出土率控制值95%~98%，根据实际情况及时调整，用顶进油缸的伸出长度计量出土，即油缸伸出75mm，出土约0.4m3。

B、轴线控制：

管道每顶进300mm时测一次中心线，若发现偏移趋势及时纠偏。

当偏移量大于等于20mm时，立即停止顶进，查明原因，采取相应措施后再顶进，确保顶管轴线的正确，勤测勤纠。

C、土压力值控制：

为实测土压力值的±20kpa。

D、沉降控制：

根据地面沉降监察反馈信息及时调整土压力控制值、出土量与顶进速度，若出现沉降值超标，立即停止顶进，查明原因，采取相应措施后才能重新顶进，确保地下管线与地面建筑物的安全。

顶进过程中的监测

顶管施工对地面建筑物的安全不构成威胁，但是，实际操作极为复杂，施工中会遇到各种问题，为了防止意外发生，必须随时掌握施工中的每个细节，在施工中做到实时监控。

监测内容有：

顶进坑及接收坑的护壁变化；坑口周围土体的变化；顶进后背是否有变形、开裂、移位；洞口是否有开裂、漏水、漏浆等情况，沿顶进轴线方向上的土体隆起、沉降等变化；明城墙的沉降观测等。

每天两次观测，做好记录，发现变化及时报告。

4.1.8.注浆减摩

为了减少顶进过程中的阻力，在管子外壁周围注入润滑浆，注浆施工示意图如下：

4.1.9.通信

根据本段工程的特点，采用对讲机配合哨音通信。

4.1.10.泥浆置换

顶进完成后对管道进行泥浆置换，把原顶管过程中注入管道外壁的膨润土浆置换掉。

使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆。

泥浆置换完成后，拆除泥浆管，就地清洗，以免浆液凝固堵塞。

4.1.11.雷达检测

泥浆置换完成后，立即进行雷达检测，对雷达检测出的有空洞地方，及时使用水泥浆充填。

4.1.12.设施拆除

顶进、换浆、检测全部完成后，拆除顶镐设备、后背铁等设备。

5.机械设备、材料投入计划

顶管施工主要机械设备表

序号

机械设备名称

规格

单位

数量

备注

1

顶管机

2200

套

1

2

顶管机

1800

套

1

3

发电机

250KW

套

1

4

电焊机

22KW

台

1

5

注浆泵

台

1

6

灰浆搅拌机

台

1

7

主顶泵站

台

1

8

主顶油缸

200t

个

6

9

经纬仪

台

1

10

水准仪

台

1

11

吊车

25T（50T）

台

2

12

运土车

辆

1

13

空压机

台

1

14

水泵

台

1

备用

机械顶管施工主要物资材料计划表

序号

品名

规格

单位

数量

备注

1

顶铁

1.5米

块

1

2

顶铁

0.6米

块

1

3

后背铁

2×3.5×0.4米

块

1

4

护口铁

2150×200

套

1

5

机头道轨

6×2米

套

1

6

机头道轨

2×2米

套

1

7

洞口止水圈压圈

2510×240

块

1

8

洞口止水圈底圈

2390

套

1

9

橡胶止水圈

2390×1990×20

套

1

10

止水圈螺栓

M16×50

套

20

11

油缸支架

2000

套

1

12

经纬仪支架

2000

套

1

13

搅浆罐

1200×1500

套

1

14

储浆池

600×900

1

15

注浆泵

台

1

16

注浆钢管

DN32×6000

根

20

17

高压橡胶管

DN32×20000

根

2

18

塑料管

DN25

米

20

19

三通

DN25

个

20

20

弯头

DN25

个

20

21

球阀

DN25

个

20

22

外丝接头

DN25

个

20

23

涨栓

M16×80

根

20

24

空油桶（浆）

个

2

25

低压变压器

台

1

26

铝塑线

米

100

27

电闸箱

套

2

28

机头闸箱

个

1

29

低压铝线

10mm2

米

100

30

低压灯泡

36v,60w

个

50

31

碘钨灯

1000W

个

6

32

电缆线

70mm2

米

80

33

电缆线

16mm2

米

80

34

电缆线

4mm2

米

80

35

架子管

6000

根

10

36

架子管

2000

根

20

37

架子管

1000

根

10

38

铅丝

8#

KG

2

39

挂勾

个

2

40

钢丝绳

16×4000

根

4

41

集箱箱房

套

4

42

帐篷

套

4

43

监视器

套

4

44

视频线

米

100

45

方木

根

20

46

工字钢

30#

米

40

消耗（井坑）

47

掘井机刀头

套

1

消耗

48

机头管

2200

节

2

消耗

49

混凝土管止水环

个

31

消耗

50

管间橡胶垫

个

31

消耗

51

钢板

20mm

块

2

52

膨润土

吨

4

消耗

53

碱

KG

50

消耗

54

液压油

桶

4

消耗

55

风镐

个

2

56

钢筋混凝顶管

Φ1500

节

106

6.劳动力投入计划

通过对本处穿越施工现场的调查，按项目部的总体部署，安排专业顶管队负责施工，管道安装班组参加本工程管道安装施工。

顶管施工队人员配置

序号

工种

人数

备注

1

施工队长

1

/

2

技术、统计

1

/

3

Q/HSE管理员

1

/

4

操作手

2

/

5

司机

2

/

6

起重工

2

/

7

普工

12

/

8

电工

1

/

9

测量工

2

/

7.安全文明施工

安全施工保证体系、职责、措施、教育及制度

7.1.1.安全保证体系

7.1.2.安全岗位职责

为确保现场文明安全工作目标明确、职责明确，从项目经理到施工员、作业队层层落实岗位安全责任制。

7.1.2.1.项目经理安全职责

1）认真执行国家、陕西省、本公司安全生产、劳动保护的法规及规章制度。

对本单位在生产经营活动中的安全健康负全面领导责任。

2）建立、健全安全生产保证体系，领导组织实施本单位安全生产工作目标，督促、检查各职能部门人员执行安全生产责任制。

3）落实施工组织设计、施工方案中各项安全技术要求，严格执行安全技术措施审批制度及设备、设施交验、验收、使用制度，保证安全技措及劳动保护用品经费的落实。

4）随时掌握安全生产动态，监督并保证安全生产保障体系的正常运转，认真执行ISO9001“安全生产管理程序”，开展定期和不定期地组织安全生产检查，及时消除事故隐患与不安全因素，制止违章指挥和违章作业。

严禁职工在工作中间休息或就餐时饮酒。

5）严格遵守特殊工种的安全管理规定，组织职工的各项安全生产教育。

6）发生因工伤亡及重大未遂事故，要做好抢救伤员、保护现场、及时上报的工作，并协助事故调查组参加事故的调查处理，制定、落实各项防范措施，认真吸取教训，对事故责任者提出处理意见，报上级审批。

7.1.2.2.项目总工安全职责

1）组织有关人员认真学习和贯彻执行安全生产和安全技术管理规定，对顶管项目工程生产经营中的技术工作负安全责任。

2）主持制定、审批、上报安全技术措施，并监督落实。

及时解决施工

生产中的安全生产技术问题。

对执行中发现的问题及时予以纠正。

3）在组织编制和报批施工组织设计、施工方案或专业工程项目施工方案以及大型临时设施、特殊施工设施、自制生产机具的施工或设计方案时，要把安全措施渗透到各个环节中去，使方案、措施成为科学地全面地指导施工的依据，确定后的方案如有变更，要及时修订、上报。

4）负责领导安全技术方面的宣传、教育、培训工作，参加安全检查，对检查出的隐患要从技术措施方面提出改进办法。

5）主持制定采用新技术、新工艺、新设备、新材料的安全技术措施和安全操作方法，报上级审批后负责实施。

6）主持重要、特殊工程部位的安全技术交底，领导安全技术攻关活动。

7）参加本单位职工因工伤事故及重大未遂事故的调查分析，从技术上分析事故的原因，提出防范措施。

7.1.2.3.工程部安、安质部职责

1）负责编制审查施工组织设计和施工方案，认真贯彻执行有关安全、文明生产技术及安全、文明生产操作规程。

2）在编制生产计划时，组织保证安全、文明工作与生产任务协调一致。

3）贯彻执行涉及企业安全工作的有关法规及规定，协助项目副经理负责工程施工、生产安全管理，负责安全检查工作，制定项目部安全管理规定。

4）组织安全生产活动，组织系统进行安全检查。

参加施工组织设计中有关安全技术措施的制订，并对执行情况进行检查。

5）组织特殊工种培训、考核和管理。

负责对参与顶管施工的全体职工进行安全教育、考核。

6）负责职工劳保管理及工程事故的调查处理。

7）在建设单位统一领导下，做好施工现场及临时生活区、办公区的治安保卫工作。

7.1.2.4.安全、施工