顶管施工方案说明书.docx

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顶管施工方案说明书

6-1顶管施工概况

穿运地涵顶管段的轴线采用直线布置，为过水能力为30m3/s、内径尺寸为3.5m、外径为4.16m、长553.1m的钢筋混凝土顶管。

顶管采用“F”型接头式钢筋混凝土管，顶管共分3孔。

管间净距4.94m，管顶覆土厚5.0~6.0m，顶管顶高程-6.0m，底高程-10.1m。

在顶管范围内分布的土层有③2、④1、④2、⑤1、⑤2层。

其中③2、④2层土呈流塑状，高压缩性，土质差，京杭运河以北该二层土厚度相对较厚，顶管基础座落在④2层上，京杭运河以南顶管基础座落在⑤1、⑤2层上，土质较好。

顶管施工平、剖面图见附图6-01。

6-2顶管施工工艺

⑴顶管施工流程

见下图：

⑵顶管顶进工艺

顶管顶进工艺见附图6-02。

6-3顶力计算

Φ3500mm顶管全长553m，采用土压平衡式顶管掘进机，穿越的土层主要为层④1粉土、层④2淤泥质粉质粘土和层⑤1粉质粘土。

对顶管机头和管节的顶进阻力进行估算。

⑴顶管机正面最大阻力：

Pt=r（H+2/3D）tg2（45o+Φ/2）

=18.5（7.35+2×4.2/3）tg2（45o+20.8o/2）

=394kN/m2

N=1/4πD2Pt

=1/4π×4.22×342

=5463kN

⑵采取注浆减摩措施时，553m管道摩阻力：

F摩=KπD1L

=5π×4.16×553

=39338kN

⑶总顶进阻力：

∑F阻=N+F摩

=5463+39338

=44801kN

⑷实际顶力：

根据中继间的布置（见“6-4中继间的布置”），顶进实际最大顶力就是100m管道摩阻力：

F实=KπD1L1

=5π×4.16×100

=6535kN

式中：

N—顶管机正面阻力（kN）；

Pt—被动土压力（kN）；

r—土容重（kN/m3）；

H—最大复土深度（m）；

Φ—内摩擦角（º）；

D—顶管机外径（m）；

D1—砼管道外径（m）；

K—砼管道单位面积摩阻力（kN/m2），根据《地基基础设计规范》（DGj08-11-1999），取5kN/m2；

L—砼管道长度（m）。

6-4中继间的布置

⑴中继间的布置

根据以上顶力的计算并结合以往类似工程的施工经验，为了减少顶进阻力，提高顶进质量，减少地表变形，施工中必须采用中间接力顶进。

当总推力达到中继间总推力40%~60%时，设置第一只中继间，以后每当达到中继间总推力的70%~80%时，设置一只中继间。

中继间的总推力为9000kN，使用中继间推进砼管道的长度：

L1=9000×75%/（5π×4.16）=103米

第一只中继间设于顶管机尾部处。

以后每隔100米设置一只中继间，设置5只，余下的53米由主顶承担。

每条顶管初步设置6只中继间，当主顶油缸达到中继间总推力的90%时，就必须启用中继间。

在施工中根据实际情况对中继间的布置可以作必要的调整。

⑵顶进实际最大顶力：

根据中继间的布置，顶进实际最大顶力就是100m管道摩阻力：

F实=KπD1L1

=5π×4.16×100

=6535kN

6-5后背（座）设计

顶管的后座由钢后靠、后座墙和工作井后方的土体三者组成。

在顶进过程中，各个油缸推力的反力均匀地作用在顶管的后座上。

对顶管后座的承受力进行估算。

顶管后座的承受力R为：

R=αB（rH2Kp/2+2cH）

=2.0×1.2【18.5×122×tg2（45o+20.8o/2）+2×40×12×tg（45o+20.8o/2）】

=16775kN

式中：

R—顶管后座承受力（kN）；

α—系数（取2.0）；

B—后座墙的宽度（m）；

H—后座墙的高度（m）；

Kp—被动土压系数，tg2（45o+Φ/2）；

c—土的内聚力（kPa）。

为确保安全，顶管后座的实际承受力应为：

R/1.5=11184kN≤6535kN（实际最大顶力）

由以上可见，顶管工作井的后座满足顶管顶力要求。

根据设计要求顶进工作井后座土体进行了3排Φ850搅拌桩进行土体加固，具体见附图6-03：

顶管后靠布置示意图。

6-6顶管机头选型及设备的规格、数量

⑴顶管机头选型

根据工程地质资料和业主要求。

结合多年的顶管施工经验，决定选用多刀盘土压平衡顶管机进行施工。

多刀盘土压平衡顶管机结构简单，设备投入少，经济合理，操作简便，技术先进，安全可靠，适用于淤泥质粘土、粘土、粉砂土、砂性土，尤其适用于在建筑群下、公路、河流等特殊地段的顶管施工。

⑵顶管机械设备

①多刀盘土压平衡顶管机

A.根据土压平衡的基本原理，利用顶管机的刀盘切削搅拌正面土体，使机头土压仓内的土体压力平衡开挖面的水土压力，稳定土体。

以顶管机的顶速（即切削量）为常量，螺旋输送机转速（即排土量）为变量进行控制，使土压仓内的土体压力与开挖面的水土压力保持平衡，保证开挖面的土体稳定，控制地表的隆起和沉降。

B.本机采用二段一铰承插式结构，在铰接处设置二道具有径向调节功能的密封装置，并设有注浆孔，便于在施工时同步注浆。

刀盘为电驱动，变频调速，控制刀盘转速，并在土压仓面板设置3只土压传感器，显示正面土体的土压力值。

纠偏系统采用8只双作用油缸，编成4组，与座标轴线呈45o布置，纠偏夹角α=±2o。

C.在顶管机二段壳体之间均设有止转装置，可防止壳体在顶进中发生相对转动。

密封土仓上方设置注浆孔，可注入水或泥浆，改善土质，便于排土。

D.螺旋输送机采用轴向端部出土，增加排土高度，为大容量土箱运输创造条件。

采用电驱动形式，变频调速，根据正面土体土压值大小，控制螺旋输送机排土速度，保持土压平衡。

②主顶装置

主顶装置由底架、油缸组、顶进环、钢后靠及液压动力站等组成，是顶管施工的重要组成部分。

A、底架

主要承载顶管机、中继间、管节之用，底架为拼装式钢结构件，设置8只螺旋千斤顶，每只起重量320KN，可以调整底架高度达到施工要求；底架前端和两侧设置10只水平支撑，能将底架与井壁撑实，防止底架移位。

底架上部设置内外两付轨道，左右对称分布，内轨道作顶管机、中继间、管节的承载之用，外轨道则为顶进环行走之用。

B、油缸组

根据要求，顶管机装备顶力为12000KN，选用双作用双冲程等推力油缸6只，每只油缸最大推力为2000KN，施工时主顶最大顶力不超过9000KN，避免因顶力过大使砼管节碎裂，并确保工作井安全。

油缸行程S=3500mm，油缸分两组，并用可分式结构的支座固定，左右对称分布，并用连接梁连成一体。

C、顶进环

由顶环和顶座组成，顶环用螺栓固定在顶座上，顶座底部设置4只滚轮，放于外侧轨道上可往复运行。

顶进时顶环伸入管节尾部，起对中及导向作用，并传递油缸的顶力，使管节受力均布。

D、钢后靠

主要承受油缸顶进时的反力，并将其均匀地传递到工作井钢筋砼井壁上，避免井壁因受力不匀而碎裂。

钢后靠的受力区域设有加强板，应尽可能与主顶进油缸对准。

钢后靠安装时应与顶进轴线保持垂直，与井壁留有约10cm空隙，并用素砼充填捣实。

E、主顶装置液压系统

液压泵站选用25SCY14-1B和10SCY14-1B手动变量轴向柱塞油泵各一台组合而成，分别配备Y160L-6和Y132M-6型电机。

通过变频调速可自动改变油泵的流量，根据顶进时工况要求及时控制主顶油缸的顶速。

F、主顶装置技术参数

油缸尺寸：

D×d×L=Ø325×Ø280×2655mm

油缸数量：

6只

油缸行程：

S=3500mm

装备顶力：

Fmax=12000kN（Pmax=31.5Mpa）

额定顶力：

F额≤9000KN（P额≤25Mpa）

顶进速度：

V=0~80mm/min

（3）中继间装置

A、中继间装置的结构特征

中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构，偏转角α=±2o，长度约2000mm，外形几何尺寸与管节相同。

在铰接处设置二道可径向调节密封间隙的密封装置，确保顶进时不漏浆，并在承插处设置可以压注1号锂基润滑脂的油嘴，以减少顶进时密封圈的磨损。

在铰接处设置4只注浆孔，顶进时可以进行同步注浆，减小顶进阻力。

在正常顶进时，只用第一道密封装置，第二道作为储备。

当第一道密封圈磨损时，发现有漏浆点，即可用径向调节装置，调整密封间隙，使漏浆现象得以及时制止。

当第一道密封圈失效时，即可启用第二道密封装置，从而保证顶进的连续性。

由于顶进距离长，密封圈磨损相当厉害，为防止万一，第一道密封装置设计成可拆卸的，便于更换密封圈，从而达到万无一失。

B、中继间装置主要技术参数

油缸尺寸：

D×d×L=Ø168×Ø140×650mm

油缸数量：

20只

油缸行程：

S=300mm

装备顶力：

Fmax=10000kN（Pmax=31.5Mpa）

额定顶力：

F额≤9000kN（P额≤27Mpa）

⑵顶管机头数量

根据本标段工程施工总进度计划安排，顶管机头采用1只投入本工程即可满足业主工期要求，这样设备投入费用也较经济，可以相应减少工程的投资费用。

6-7顶管施工测量及测量纠偏方法

⑴顶管施工测量

①顶管轴线的布设

按甲方所提供的城市坐标点连接出洞井和进洞井之间的进、出洞门的两点坐标及高程，以坐标值的计算建立相应坐标系，为顶进轴线高程之差决定顶管顶进坡度。

②建立施工顶进轴线的观测台

按独立坐标系放样后靠观测台（后台），使它精确地移动至顶管轴线上，用它正确指挥顶管的正确施工。

以后按施工的情况，决定定期复测后台的平面和高程位置。

③按三等水准连测两井之间的进出洞的情况，计算顶进设计坡度。

④顶进施工测量

在后台架设J2型经伟仪一台，后视出洞口红三角（即顶进轴线）测顶管机的前标及后标的水平角和竖直角测一全测回，采用fx4500p计算编排程序计算顶管的头（切口）尾的平面和高程偏差离值，来正确指挥顶管的施工。

⑤注意问题

顶管施工初次放样及顶进极为重要。

另外由于顶管后靠顶进中要造成变化，后台的布置应保持始终不动，来确保顶管施工的测量的正确性。

⑵测量纠偏控制

①为了使顶进轴线和设计轴线相吻合，在顶进过程中，要经常对顶进轴线进行测量。

在正常情况下，每顶进一节管节测量一次，在出洞、纠偏、进洞时，适量增加测量次数。

施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。

②在施工过程中，要根据测量报表绘制顶进轴线的单值控制图，直接反映顶进轴线的偏差情况，使操作人员及时了解纠偏的方向，保证顶管机处于良好的工作状态。

③在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。

顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。

在施工过程中，应贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则，不能剧烈纠偏，以免对管节和顶进施工造成不利影响。

④本工程测量所用的仪器有全站仪、激光经纬仪和高精度的水准仪。

顶管机内设有坡度板和光靶，坡度板用于读取顶管机的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。

6-8顶管顶进施工

6-8-1顶进设备安装

（1）把地面上的测量控制网络引放至工作井内，并建立相应的地面控制点，便于顶进施工时进行复测。

（2）工作井内测量放样，精确测放出顶进轴线。

（3）安装顶进后靠，顶进后靠的平面应垂直于顶进轴线，后靠与井壁结构砼之间留有约10cm的空隙要用素砼充填密实。

附图6-03是顶管后靠布置示意图。

（4）安装主顶装置和导轨：

先将它们大致固定，然后在测量的监视下，精确调整它们的位置，直至满足要求为止，随即将它们固定牢靠。

（5）工作井内的平面布置。

搭建井内工作平台、安装配电箱、主顶动力箱、控制台等，敷设各种电缆、管线、油路等，井内平面布置要求布局合理，