顶管施工方案气压平衡法1130修改.docx

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顶管施工方案气压平衡法1130修改

深圳市福田河综合整治工程一标

顶管气压平衡法施工方案

（按专家评审意见修改版）

编制人：

审核人：

审批人：

新疆汇通（集团）股份有限公司

2009年11月28日

顶管施工方案

一、工程概况

1、工程概况

福田河综合整治工程一标截流系统，包括F段，起止桩号为J0+000～J1+308.24，位于深圳市福田区笔架山公园内，顶管直径DN2400mm,全长1234m。

全线设置了6个Ф8000㎜工作井，1个Ф8000㎜和4个Ф4500㎜的接收井，一个70×50m的调蓄池。

　　全线顶管埋深3～7米不等，管线沿笔架山公园内的福田河岸边埋设。

沿线没有房屋等建筑物，有很多树木，绿化景观等。

2、水文地质

　　本工程区位于深圳中南部，地貌区划类型为西南部滨海台地平原区，深圳河下游平原台地，包括低山丘陵侵蚀地貌，台地和冲海积平原三种类型。

　　管线埋没地带主要为河流冲积层以及填土层和残坡积层。

地下水主要以孔隙潜水为主，次为基岩裂隙水，本区地下水主要存在冲洪积的砂层内，地下水埋深多在3～6m。

3、施工特点

　　本工程位于笔架山公园内，管线经过园区绿化带，不能占用过多施工用地，故施工场地相对狭窄。

地下水丰富，埋深浅。

地下土质多为杂填土、砂土、粘质土，淤泥及残积土等，其中杂填土含水量大，砖块、石块、垃圾较多。

因此地下水和复杂的地质使顶管施工比较困难。

二、施工平面布置

1　、工作井和接收井

沿顶管全线设计了6座Ф8000㎜的工作井，１座Ф8000㎜的接收井和4座Ф4500㎜的接收井，井与井之间管线均为直线，最长的顶线149m，最短的16m。

在每个工作井周围需要布置20×30m的施工场地作为管材堆放，渣土转运临时堆场及配电柜，汽车吊、运输车辆、空压机、油泵等设备的施工场地。

2、　施工道路

　　沿顶管轴线布置一条宽6M的施工道路上铺20~30CM石碴，以便沉井施工及运输管道和弃土。

3、施工用电，每时段两个工作井同时作业

①千斤顶液压泵：

22.5kw×2=45kw

②泥浆压浆泵：

15kw×2=30kw

③排水泵：

15kwX2=30kw

④照明：

3kw×2=6kw

⑤固结灌浆：

10kw×2=20kw

⑥空压机：

38kw×2=76kw

合计207kw，需要设250kw变压器一台

4、施工用风

每个工作井放置一台6m³空压机向顶管机气压仺送风空压机功率

38kw×2=76kw

5、施工用水

敷设水管，抽地下水或河水作为工作井泥浆制作和清洗的施工用水。

6、施工降排水

顶管施工降排水分两部分，一部分为明排，一部分为降排地下水。

（1）、在井口设置排水沟，将下雨明水和施工漏水经过沿淀处理排至福田河中。

在每个井底设置集水坑，用潜水泵抽排地下渗水。

（2）、在顶管施工的工作面前端，渗水量大的部位，超前布设井点降低顶管施工工作中的地下水位，疏干工作面的土层，保证顶管施工的土体稳定。

　7、砂土层固结注浆

　　为了保证在流砂段顶管施工。

采用对砂层超前固结注浆。

固结注浆在顶管掌子面进行，每次注浆3～5m，采用水泥、水玻璃双液注浆，将流砂固结后再顶进施工。

在砂层较厚的地段也可提前进行地表注浆，对砂层进行提前固结。

每个顶管段布置一台钻机，一台制浆机，一台双液注浆泵。

三、顶管施工方法和设备

1、顶管设备的选择

本段顶管穿过的地层为杂填土、冲洪积层和残积层。

其中杂填土性质不均匀，稳定性较差，透水有的为弱透水，有的为强透水，有的可达极强透水。

冲积层粘土为弱透水层，砂层为中等强透水层。

稳定性较差。

残积土为可塑状，稳定性相对较好，属弱透水层。

根据本段水文地质条件，拟采用气压平衡法挤压式顶管机配以流砂层固结灌浆和强透水层井点降低地下水的施工方法。

在进出洞口和杂填土有大块石段采用人工掘进施工。

管道外压注触变泥浆以减少顶进摩擦阻力和增加地层的稳定。

气压平衡法顶管机是顶管机头密封仓内充入一定压力的压缩空气，利用空气压力疏干机头前方一定范围内土壤空隙中的自由水，一方面避免了土体受地下水渗流作用造成的不稳定，同时利用压缩空气的压力支撑开挖面土体，使之达到稳定平衡。

2、后背、基础

本工程设计的圆形工作井，因此需在后背浇筑钢筋混凝土后背墙，如为双向顶进的工作井，后背墙的浇筑可和止水墙结合施工。

后背砼墙浇筑后形成与顶管轴线垂直的受力平面。

通过钢板后靠将力传到后背砼墙上，基础为工作井的钢筋砼底板。

3、顶力计算

按GB50268-97《给水排水管道工程施工及验收规范》，顶管顶力按下式计算:

P=ｆrD1[2H+（2H+D1）t²g（45。

－Ф/2）+ω/rD1]L+Pf

式中P－计算的总顶力（KN）

r－管道所处土层的重力密度（KN/M³）值取20KN/M³

D1—管道的外径（M）D1=2.88M

H－管道顶部以上覆盖土层的厚度（M）　平均值取H=3M

Φ－管道所处土层的内摩擦角取φ=23。

ω－管道单位长度的自重。

（KN/M）ω=130.96KN/M

L－管道内的计算顶进长度（M）最长值L=150M

ｆ－顶进时，管道表面与其周围土层间的摩擦系数采用触变泥浆取f=0.2

Pf—顶进时工具管的迎面阻力（KN）

按下公式计算

Pf=πD1tR

式中－D1=2.88M

t=0.2M

　　Ｒ取500KN/M²

计算得:

Pf=904KN

计算总顶力为：

Ｐ=25362KN

4、中继站设置

（1）DN2400预应力顶管承受最大顶力荷载为：

Pmax=32656KN，管道的承载力大于总顶力。

（2）中继站

计划一套中继站。

（3）中继站千斤顶的台数

中继站千斤顶要求台数多吨位小,规格性能一致。

取用2000KN千斤顶Pi=2000KN

其千斤顶台数：

n=pc`/pi=p×0.6/2000=7.6

取n=8台

千斤顶布设间距

Li=πD/n=π×2.64/8=1.04m

5、导轨

导轨采用20型工字钢和P43钢轨制作钢轨焊接于型钢上，型钢用螺栓紧固在横梁上，以便拆装。

钢横梁置于工作井底板上，并与底板上的预埋铁焊接，使整个导轨系统在使用过程中不会移动。

导轨安装在顶管中至关重要，其安装精度决定顶管的施工质量。

导轨安装要求：

1、两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡于管道设计坡度一致。

导轨轴线偏差＜3㎜，顶面高差0～+3㎜，两轨间距±2㎜

6、油缸支架

油缸支架是用来支撑并固定主顶油缸的构件，用20槽钢加工而成。

主顶油缸：

主千斤顶每坑4台，固定在型钢制作的支架上，支架焊在横梁上，千斤顶着力点安放在顶管圆周上对称布置。

比管道圆心略低。

7、顶管设备

（1）、主顶管千斤顶

选用TYZQ300/1000电动液压千斤顶4×2=8台

额定油压：

63mpa

行程：

1000㎜

额定顶力：

300T

外型尺寸：

DN250×2198㎜

（2）、主顶泵站：

选用YZB152台

功率：

15KW

最高额定压力：

80mpa

流量：

50L/min

油箱容积：

150L

（3）、中继站千斤顶

选用TYZQ200/300电动液压千斤顶8台

额定油压：

63mpa

行程：

300㎜

额定顶力：

200T

外型尺寸：

DN180×555㎜

（4）、中继站千斤顶泵站

选用YZB151台

最高额定压力：

80mpa

流量：

50L/min

功率：

15KW

油箱容积：

150L

（5）、泥浆泵

选用BW-250型2台

功率：

7.5KW

（6）、制浆机

数量：

2台

功率：

7KW

8、止水密封橡胶圈

在经洞口需浇筑一道止水墙，形成于管轴线垂直的平面，在上面安装止水密封橡胶圈。

密封圈用膨胀螺栓和钢板压在洞口止水墙上，以防漏水，漏泥浆到工作井内。

9、管道安装采用25T汽车吊。

四、顶进施工

1、顶管机安装

顶管前安装好背后靠、导轨、主顶、顶铁等设备设施，并检查合格后就可以开始顶进施工。

2、顶管出洞

顶管出洞是指顶管机头和第一节钢筋砼管，从工作井中破除前墙洞口封门进入土中，开始正常顶管之前的过程，是顶管的关键工序。

当井内、外的准备工作全部准备好后，可将机头吊放到井内轨道上，调整好方向，开始顶管出洞。

工作井壁前墙有机头及管道出洞的预留洞口，为防止井外水土从预留洞口与机头外壁之间的缝隙流入工作井内，预留洞口与管道间设有密封装置。

（1）破墙出洞

当机头前端进入洞口密封圈后，即可破墙出洞，工作井预留洞口是采用砖砌体临时封堵，在顶前采用风镐凿除内层一部分封堵墙体，然后将机头推进，依靠机头前端刃口破除外层墙体，随即进行顶管正常推进。

如工作井周围地下水较丰富，应预先在出洞口的地层内灌浆，使其土体固结，防止井外的水渗进工作井内。

（2）出洞操作

顶管出洞对操作者要求也很高，这是由于工作井施工与出洞口封门拆除不可避免会使洞口外土体挠动，使顶头出洞时正面阻力及周围摩阻力都较小。

而使顶头出洞的主顶站千斤顶顶力是巨大的，因此控制操作哪怕是出现少量的供油不均，使各千斤顶行程不等，也足以使顶头和第一节管子偏离设计轴线。

此时，绕动过的土体难以对机头产生较大反力，也难以对机头起到导向约束作用，故此时产生的偏差很难纠正，甚至纠不过来。

因此，出洞顶进时，一定要十分小心，要实时测量监控，保证机头和第一节管子位置正确。

出洞和初顶时，机头和后续几节管子最好用螺杆连成整体，这在浅层顶管和约束导向能力很差的软土中尤为重要。

机头与第一节砼管项出后，后续几节管子顶进仍需仔细操作，加强测量与控制。

顶管机下方两侧设有止退插销，在顶管机出洞时，当千斤顶松开应插入止退插销，防止顶管机被正面的压缩空气压力向后推回。

3、管道顶进

完成顶管出洞，即开始管道的正常顶进。

项管操作必须强调机头与开挖土体的压力保持动态平衡状态。

这对顶管质量至关重要。

机头对开挖面的压力不足，开挖面会滑移或坍塌，造成地面沉降：

机头对开挖设的压力过大，产生的挤压可能使地面隆起。

机头顶进与机头内取土要同步进行，而且机头切入的土量与挖出的土量应大致相等。

机头内切入的土量过多，必然会增加顶力，顶力的增加可能扰动土体引起地面隆起或沉降；机头内挖土过多，甚至挖到机头前沿以外，尽管有气压，但仍可能造成挖掘面坍塌，使地面沉降，故顶管操作时要特别强调顶进与取土的同步与一致。

顶管只有在界面压力和顶进与出土保持在这种动态平衡状态下，才能保证对地面影响最小，顶管质量最好，工作效率最高。

为达到这一要求，首先需要克服的是地下水渗流对土体稳定的破坏作用。

地下顶管通常都会遇到地下水，如果采用敞开式顶进，地下水从机头前方渗流到管道内过程，必然造成水土过多流失，甚至引起机头前方土体坍塌，这样就会对顶管上方的一些已有建筑物造成破坏威胁。

本工程采用气压平衡地下水，给机头内及迎面土体创造一种无水干燥的环境和条件。

气压平衡工艺是否能安全顺利实施，关键是密封舱压缩空气能否保持所需压力，使开挖面土体保持稳定。

要达到这一目的，必须正确选择压缩空气压力值P和供气量Q的大小。

压力值P以压缩空气在土壤和地下水的阻力下不发生喷冒为极限来确定；供气量Q以压缩空气在土壤中流失，密封舱保持压力不下降来确定。

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4、出土与顶进

顶管时采用人工挖土，挖土范围：

管道上方15mm：

管道下方中心角l35。

内与管外皮挖齐，且不得超挖。

管前挖出的土，用手推车清运到管外，运土小车到达工作坑内的出土区后，由卷扬机垂直运输到工作平台上，再运到工作棚外的堆土区。

顶管出土是采用气压舱内人工挖土的方法，工人从2号门进入后舱，关闭2号门，然后打开2号门上的充气阀加压；当后舱气压与前舱气压相等时，打开1号门，工人就可进入前舱挖土。

当管道向前顶进时，土体就会进入到机头内，机头上的网格会切入到土层中，工人是在网格后方挖土