矩形顶管施工方案.docx
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矩形顶管施工方案
武汉轨道交通X号线一期工程土建第X标段
XX站附属顶管施工方案
一、编制依据及说明
1.1编制依据
1、《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》的通知（建质[2009]87号）；
2、工程地质勘察报告及现场调查所掌握的地质、环境资料；
3、设计图纸及图纸会审文件；
4、对现场及始发、接收车站周边环境的实地深入调查和了解；
5、《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2012）；
6、《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46-2005）；
7、《施工现场安全生产保障体系》（DBJ08-903-2003）；
8、《建筑施工安全检查标准》（JGJ59-2011）；
9、《城市轨道交通工程质量安全检查指南（试行）》（建质[2012]68号）；
10、《顶管工程施工规程》（DG/TJ08-2049-2008）；
11、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）；
12、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）；
13、《建筑工地施工现场供电安全规范》（GB50194-93）；
14、《钢筋焊接及验收规范》（JGJ18-2003）；
15、《地下防水工程质量验收规范》（GB50208-2002）；
16、《市政地下工程施工及验收规程》（DG/TJ08-236-2006）；
17、《工程测量规范》（GB50026-2007）；
1.2编制说明
本方案适用于XX站附属Ⅰ、Ⅱ号出入口过路段顶管始发、正常掘进、到达段施工，包含端头加固、管节预制、设备和管节吊装、通道顶管掘进、接口环梁施工等内容。
二、工程概况
2.1地理位置及周边环境
武汉市轨道交通X号线一期工程XX站位于鹦鹉大道，沿鹦鹉大道南北向敷设。
车站东临鱼塘，西邻月湖、琴台大剧院，南临长江一桥匝道，北临长江广场。
鹦鹉大道规划道路红线宽80米，经过交通导改后，现状双向6机动车道（由南向北3机动车道，由北向南3机动车道）。
为连接汉阳、汉口、武昌三镇的交通主干道，车流量较大,现状地面下管线涉及水务、电信、电力等市政管线。
与附属结构Ⅰ、Ⅱ号出入口相关的管线主要有三条，如下图所示：
图2.1附属结构周边管线图
对附属结构施工影响较大为平衡东西月湖水位的PS,1000砼管，埋深6米，与顶管施工端面最近仅50cm，已向南改签，现距Ⅰ号出入口施工范围最近40米，基本不影响施工；其次为铸铁给水管，埋深约2米，直径450，正在使用，距顶管施工端面约4.5米；再次为2号出入口敞口段附近污水管，距离开挖面5.28米；另外在鹦鹉大道上分布有雨水管路群，,300波纹管，埋深均在地下1米左右。
表2.1附属结构和管线关系
建（构）筑物名称
与通道距离
规格
材质
目前状况
平衡月湖水位管
距Ⅰ号出入口顶管段0.5米
1000
砼
已废除
给水管
距顶管施工端面4.5米
450
铸铁
正在使用
污水管
距Ⅱ号出入口敞口段开挖面5.2米
1000
砼
正在使用
雨水管群
地下1米
300
波纹管
正在使用
2.2工程简介
车站共设置3个出入口和2个紧急疏散出入口，以满足乘客进出车站及疏散要求，同时兼顾过街功能。
出入口通道型式为整体式钢筋混凝土矩形结构，敞口段及始发接收井采用明挖法施工，围护结构采用钻孔灌注桩+旋喷止水桩及内支撑系统支护。
Ⅰ、Ⅱ号出入口位于车站东南侧鹦鹉大道上的绿化带中，平行于鹦鹉大道布置。
其中过鹦鹉大道段采用顶管法施工，敞口段及始发接收井采用明挖法施工；Ⅰ号出入口长约85米，敞口段宽6.2米，Ⅱ号出入口长约90米，敞口段宽8.2米，顶管段尺寸均为6.90X4.90（外包尺寸）m。
Ⅰ号出入口顶管在鹦鹉大道东侧始发井始发，在鹦鹉大道西侧接收井接收，顶管段平均埋深5.8米；Ⅱ号出入口顶管在鹦鹉大道东侧始发井始发，掘进至鹦鹉大道西侧后顶管弃壳，顶管段平均埋深7米，顶管管片均采用预制管片。
顶管段上方的鹦鹉大道是连接汉阳、汉口、武昌三镇的交通主干道，车流量较大，对地面沉降控制要求高，施工难度较大。
2.3工程地质及水文地质
2.3.1工程地质
场区位于武汉市江汉一桥南岸，地形较为平缓，场区地面高程23.15-26.4m。
根据本次勘察资料显示，拟建工程场区所处地貌为长江Ⅰ级阶地，属河流堆积平原区。
车站范围内地层主要为近代人工填筑土层（Qml/）、湖积层（Ql/4）第四系全新统冲积层（Qal/4）。
场区沿线基岩主要为志留系（S）泥岩、粉砂岩，岩面整体上向北倾向汉江。
据野外钻孔岩性描述、原位测试结果及室内土工试验成果，将拟建工程场地勘探深度范围内的地层划分为5大层18个亚层。
附属结构开挖土层自上而下分为：
（1-1）杂填土，（1-2）素填土，（1-3b）黏土，（3-1）黏土，（3-2）粉质粘土，（3-5）粉质粘土夹粉砂。
出入口敞口段底板位于（3-1）黏土层，顶管掘进断面位于（1-3b）黏土层。
1-3b黏土：
灰色～灰褐色，软塑，局部流塑，质较均，部分段含贝壳碎片，靠近月湖侧部分段顶部为淤泥质黏土。
呈层状分布于人工填土层下部，揭示层厚0.80～6.30m。
2.3.2水文地质
场区地表水体主要为月湖湖水，其水量主要来源于大气降水、地表径流和人工蓄水，水位变幅较小。
根据含水介质和地下水的赋存状况，可将场区内地下水划分为上层滞水、第四系松散岩类孔隙承压水、基岩裂隙水三种类型。
1）上层滞水
主要赋存于填土层中，其含水与透水性取决于填土的类型。
上层滞水的水位连续性差，无统一的自由水面，接受大气降水和供、排水管道渗漏水垂直下渗补给，水量有限。
勘察期间，稳定水位埋深多在1.0～1.8m。
2）第四系松散岩类孔隙承压水
主要赋存于3-5层粉质黏土夹粉砂及4-1层粉、细砂层中，具承压性。
3）基岩裂隙水
主要赋存于强～中等风化基岩裂隙中，与上覆透水层水力联系密切。
基岩裂隙水总体水量贫乏。
根据水质分析成果，对顶管施工影响较大主要为地表水，即月湖湖水。
另外，施工场地内分布有雨水管路网，管路埋深约地下1米，部分管路可能存在破损情况，管内存水会向周围土体渗漏。
图2.2XX站总平面图
图2.3Ⅰ号出入口场地布置图
图2.4Ⅱ号出入口场地布置图
三、施工计划
3.1工期计划
3.1.1Ⅰ号出入口
Ⅰ号出入口顶管施工计划为：
2016年7月25日——2016年8月20日。
3.1.2Ⅱ号出入口
Ⅱ号出入口顶管施工计划为：
2016年8月22日——2016年9月20日。
3.2材料计划
投入顶管机顶进施工的施工材料计划如下表：
表3.1材料投入表
序号
材料名称
规格
单位
数量
备注
1
管节
6900mm×4900mm×1500mm
节
31
2
管节
6900mm×4900mm×1000mm
节
2
3
膨润土
T
16
4
水泥
P.O42.5
T
4
5
电缆线
m
95
3.3设备计划
投入顶管机顶进施工的设备、工机具等计划如下表：
表3.2顶管顶进施工设备、工机具计划表
序号
名称
规格
单位
数量
备注
1
履带式起重机
QUY200/200t履带吊
台
1
2
交流电焊机
400A
台
2
3
钢丝绳
6×37+1-φ65mm×10m
条
4
4
钢丝绳
6×37+1-φ56mm×10m
条
4
5
钢丝绳
6×37+1-φ34mm×10m
条
4
6
钢丝绳
6×37+1-φ21.5mm×10m
条
2
7
土压平衡顶管机
6900mm×4900mm
台
1
8
对讲机
台
4
9
卷扬机
台
1
序号
名称
规格
单位
数量
备注
10
出土小车
台
2
11
注浆泵
SYB50-50-1
台
2
12
潜水泵
2.2KW
台
3
13
污泥泵
NL100-16
台
3
14
空压机
3m3
台
2
15
全站仪
GTS-6
台
1
16
经纬仪
J2
台
2
17
水准仪
S3
台
2
四、顶管机概况
4.1刀具配置
图4.1矩形顶管机示意面
本顶管机配置刀盘8个，各刀盘直径：
24504只、,20002只、,13002只，厚度200mm；刀具配备有先行刀、切削刀、中心刀三种，考虑到每次顶进距离较短，在本顶管选型中不考虑顶进过程中换刀。
主要参数如下：
开口率：
60%
切削率：
82.2%
搅拌率：
74.2%
耐磨措施：
耐磨焊
刀座设计：
花键联接
刀具配置、焊接样式，数量详见下文：
4.1.1先行刀配置
适当配置先行刀，先行刀在开挖面沿径向分层切削，先行刀高度稍低于中心刀但高于切削刀，与切削刀保持一定的高度差，发挥其高耐磨、工作截面相对较小和分配扭矩小的特点，可以有效防止切削刀的超前磨损。
4.1.2主切削刀
主切削刀正反方向布置，确保每个轨迹最少有2把；主切削刀排列方式为整体连续排列。
针对粉质粘土、粉土和粉细砂地质，主切削刀部分的合金采用大块圆角、高韧性、高耐磨性合金侧嵌式，以保证主切削刀能够承受粉质粘土、粉土、粉细砂的冲击和磨损，用于切削，进土。
4.1.3周边切削刀配置
在此地质条件下，刀盘外缘配置周边切削刀，保证开挖直径。
4.1.4中心刀配置
顶管机8个刀盘中心采用中心刀，用于切削、定位。
4.1.5搅拌棒配置
为了预防结泥饼，每只刀盘幅臂背后焊接搅拌棒，在刀盘转动的同时，搅拌棒跟随转动，防止土体在刀盘形成结泥饼及快速排渣，具体尺寸详见下图。
图4.2搅拌棒设置图
4.1.6刀具磨损检测
因顶进距离短，地层对刀具磨损较小，在刀具耐磨性上做了加强，无需配置刀具耐磨损检测。
4.1.7以下是顶管机刀盘配置示意图
1、下部直径D2450的刀盘配置
图4.3下部直径D2450的刀盘配置图
表4.1下部直径D2450的刀盘配置表
下部D2450刀盘（刀盘一）
序号
名称
数量
功能
1
中心刀
1
切削、定位
2
主切削刀A
19
切削，进土
3
主切削刀B
19
切削，进土
4
边切削刀A
6
成孔切削，进土
5
边切削刀B
6
成孔切削，进土
6
周边切削刀
6
保径
7
双刃先行刀
22
先行分割切削
2、上部直径D2450的刀盘配置
图4.4上部直径D2450的刀盘配置图
表4.2上部直径D2450的刀盘配置表
上部D2450刀盘（刀盘二）
序号
名称
数量
功能
1
中心刀
1
切削、定位
2
主切削刀A
17
切削，进土
3
主切削刀B
17
切削，进土
4
边切削刀A
6
成孔切削，进土
5
边切削刀B
6
成孔切削，进土
6
周边切削刀
6
保径
7
双刃先行刀
22
先行分割切削
3、中部D1300刀盘配置示意图
图4.5中部D1300刀盘配置示意图
图4.3中部D1300刀盘配置示意表
中部D1300刀盘（刀盘三）
序号
名称
数量
功能
1
中心刀
1
切削、定位
2
主切削刀A
8
切削，进土
3
主切削刀B
8
切削，进土
4
边切削刀A
4
成孔切削，进土
5
边切削刀B
4
成孔切削，进土
6
周边切削刀
4
保径
7
双刃先行刀
10
先行分割切削
4、中部上下D2000刀盘配置示意图
中部上下D2000刀盘（刀盘四）
序号
名称
数量
功能
1
中心刀
1
切削、定位
2
主切削刀A
14
切削，进土
3
主切削刀B
14
切削，进土
4
边切削刀A
4
成孔切削，进土
5
边切削刀B
4
成孔切削，进土
6
周边切削刀
4
保径
7
双刃先行刀
16
先行分割切削
图4.6中部上下D2000刀盘配置示意图
图4.4中部上下D2000刀盘配置示意表
4.2驱动装置
刀盘的驱动方式有液压马达驱动方式和电动机驱动方式两种。
为保证刀盘驱动有足够的脱困扭矩，拟配582KW功率的刀盘电动驱动，顶管机刀盘工作扭矩达到刀盘1：
420KN·m、刀盘2：
240KN·m、刀盘3：
55KN·m，极限扭矩达到刀盘1：
470KN·m、刀盘2：
260KN·m、刀盘3：
60KN·m。
动结构包括轴承、马达、减速器，刀盘驱动采用电动方式。
刀盘通过螺栓和轴承的内齿圈联接在一起，主驱动系统通过电动马达和变速箱的传动最终驱动主轴承的内齿圈来带动刀盘旋转。
此驱动配置有一下特点:
1、独特的内置式箱型结构承受轴向力，承载能力强、变形小的特点；
2、独特的前置式推力轴承，具有尺寸及承载力大、寿命长和整个驱动装置受力状态良好等优点；
3、采用大模数硬化的齿轮副（m=18）完全能满足在本工程地质条件下长时间施工需要；
4、充分考虑在复杂地层中顶管作业驱动扭矩大的特点，单个驱动单元扭矩系数α均为2.42，最大达2.94；
5、每个驱动装置均由独立的变频控制，可实现0~2r/min无级调速，也可任意调整旋向而控制顶管机姿态。
图4.7刀盘驱动示意图
4.3壳体配置
1、前后壳体采用两节并上下分体布置，有利于长距离运输；
2、前壳体面板上分布有注浆口，用于改良土仓内土体；
3、后壳体止水密封后分布注浆口，同样可以减小磨阻力；
4、各壳体采用承插式连接，成插口均进行机械加工，能有效地减少机内渗漏现象增强密封效果。
5、前壳体上部增设3mm注浆钢套板，有利于防止机头背土，增加机头在砂性土中的润滑性。
4.4螺旋输送机配置
1、采用2台大口径（φ=530mm）径向出土螺旋输送机，出土量大；
2、变频调速（0~18r/min），采用专业厂家生产的定制的推力轴承，具有寿命长、传动平稳等优点；
3、采用齿形密封圈，具有密封效果好、寿命长等优点；
4、针对复杂地层采用两个清障检修口该螺旋机。
4.5控制系统
1、采用机内机外二种操作模式，机内切换；
2、采用集中控制，操作室统一操作（包括所有顶管施工用电）并实施监控；
4.6气压装置
1、泥仓腹板内预装气压管道和气压阀门与地面的气压站联通；
2、采用土压原理气压补偿，确保泥仓内压力恒定；
3、气压站配备变频式螺杆空压机，保持输出气压平稳并可以无极调速。
4.7顶管机纠偏系统
①、推进系统采用18台150T油缸左右均衡布置，最大推力可达到2700t；
②、通过纠偏油缸进行纠偏。
4.8导向系统
导向系统采用8个刀盘的8把中心刀及周边刀进行定位导向，顶进过程中采用激光经纬仪24小时不间断对中，倾斜仪测量，一旦顶进产生偏离，及时采用纠偏系统进行纠偏控制。
4.9减摩系统
减摩系统采用预埋在管节小口上的10个1寸的注浆孔，在顶管顶进时通过注浆管路向注浆孔内注入膨润土浆液进行润滑减摩。
五、施工工艺及施工方法
5.1施工工艺流程
图5.1顶管流程图
5.2施工方法
5.2.1施工准备
1、地面准备工作
⑴在顶进前，按常规进行施工用电、用水、通道、排水及照明等设备的安装。
⑵备齐施工材料、设备及机具，以满足本工程的施工要求。
⑶井上、井下建立测量控制网，并经复核、认可。
2、井下准备工作
⑴洞门安装
由于洞圈与管节间存在着15cm的建筑空隙，在顶管出洞及正常顶进过程中极易出现外部土体及触壁泥浆涌入始发井内的严重质量安全事故。
为防止此类事故发生，施工前在洞圈上安装帘布橡胶板密封洞圈。
洞口止水装置应安装在洞口设计预留法兰上。
由橡胶止水圈与翻板组成，需与设计管位保持同心，误差<2mm。
安装前须对帘布橡胶板上所开螺孔位置、尺寸进行复核，确保其与洞圈上预留螺孔位置一致。
安装顺序自上而下进行。
压板螺栓应可靠拧紧，使帘布橡胶板紧贴洞门，防止矩形顶管出洞后浆液泄漏。
图5.2洞门止水帘布安装示意图
⑵基座及顶进后靠、机架的安装
始发井结构施工时在底板预埋30*30cm钢板，基座下井后与其焊接，确保基座在顶进过程中承受各种负载不位移、不变形、不沉降。
洞门段的延伸导轨在工作井导轨铺设完成以后跟进铺设等安装。
规格采用43kg/m的重轨长度大约在1.5米。
导轨安装完成后，可以稍微抬高，防止顶管机进洞后会出现磕头现象。
顶管机放置在始发托架上，始发托架及钢后靠连成一个整体。
同样在接收井内也需安装一个接收架。
随着顶进的进行，轨道沿顶进方向沿伸，机架及后靠便滞留在工作井内。
后靠自身的垂直度、与轴线的垂直度对今后的顶进也至关重要。
为保证力的均匀传递，钢后靠根据实际顶进轴线放样安装时，在钢后靠与始发井内衬墙间预留一定的空隙（空隙大小为10cm），现浇素混凝土填充此空隙。
其目的是保证钢后靠与墙壁充分接触。
这样，顶管顶进中产生的反顶力能均匀分部在内衬墙上或加固土。
钢后靠的安装高程偏差不超过5mm，水平偏差不超过7mm。
图5.3基座安装实例照片
图5.4后靠顶进系统安装实例照片
⑶顶管机吊装下井
矩形顶管下井以及吊出需要采用大型起重设备，具体吊装方法参照吊装方案。
各主要部件尺寸重量参数见下表：
表5.1各主要部件尺寸重量参数表
序号
名称
单件重量（kg）
数量
合计重量（kg）
1
刀盘1
1572
2
3144
2
刀盘2
1600
2
3200
3
刀盘3
520
2
1040
4
刀盘4
1525
2
3050
5
驱动箱体1
4600
2
9200
6
驱动箱体2
6600
2
13200
7
驱动箱体3
850
2
1700
8
驱动箱体4
4500
2
9000
9
纠偏油缸
600
18
10800
10
螺旋输送机
4550
2
9100
11
前壳体（上部）
28750
1
28750
12
前壳体（下部）
32470
2
32470
13
后壳体（上部）
15800
1
15800
14
后壳体（下部）
18200
1
18200
15
纠偏泵站
2000
1
2000
16
组装零部件
4500
1
4500
合计
165T
⑷设备下井安装
始发托架、后顶装置下井安装调试→刀盘及驱动段下井放置在始发架上→后部纠偏铰接段整体下井，放置在发射架后与刀盘及驱动段用螺栓连接、紧固→螺旋机下井并安装到位→环形顶铁和U型顶铁下井安装→电器柜安装。
主顶的定位及调试验收：
主顶的定位将关系到顶进轴线控制的难易程度，故在定位时要力求与管节中心轴线成对称分布，以保证管节的均匀受力。
主顶定位后，需进行调试验收，保证所有千斤顶的性能完好。
顶管机就位、调试验收：
为保证顶管出洞段的轴线控制，顶管机吊下井后，需对顶管机进行精确定位，尽量使顶管机轴线与设计轴线相符；在顶管机准确定位后，必须进行反复调试，在确定顶管机运转正常后，方可进行顶管出洞和正常顶进工作。
⑸顶进系统安装
工作井基架安装焊接→顶管机限位装置焊接→后靠拼装→前后壳体拼装→首节管下井→止退装置焊接→动力系统安装→操作台安装→联机调试
图5.5顶管始发井内平面布置图
图5.6顶管始发井内剖面布置图
5.2.2施工测量
1、测量流程
图5.7施工测量工序图
2、平面控制测量
⑴空导点和洞门复测：
先对业主提供的空导点进行复测并上报监理,然后对出洞口和进洞口进行复测。
⑵始发架定位：
因设计线路较短且为直线,所以我们把两洞门中心连线作为矩形顶管掘进的轴线。
放出该轴线后通过全站仪投到井下作为始发架的定位的中心轴线。
⑶施工导线点的控制：
根据复测后的空导点施工现场布设控制网，然后利用全站仪传递到施工导线点，所有导线按一级导线的要求进行测量并不断对控制点进行检查。
3、高程控制测量
根据业主提供的高程控制点实测两洞门的实际高程，并在出洞口的井上和井下各布置两个高程控制点，并定期对其进行复测。
4、顶管机和管节的跟踪测量
顶管机进洞前开始对机头进行跟踪测量，在顶管机背面仪表盘处及后靠背上装置激光经纬仪，随着机头的顶进，随时跟踪测量，根据测量的成果，对顶管机的左右上下位移进行随偏随纠。
测量时每天做好测量原始记录，并观察已顶进完成的管节沉降情况。
5.2.3顶管始发进洞段施工
1、进洞顺序
第一阶段：
设备下井就位、安装、调试、安装止水装置；
第二阶段：
出洞洞门凿除；
第三阶段：
顶管机顶就位后立即组织对出洞区域的围护桩（即旋喷桩和钻孔灌注桩）进行凿除，围护结构破除后切削加固土、掘进正常推行。
2、进洞段施工
⑴洞口凿除：
出洞之前对全套顶进设备做一次系统调试，在确认顶进设备正常后，开始采用切割设备凿除井壁洞口钢筋混凝土，安装洞门止水装置。
⑵顶进施工：
在洞圈内的墙壁结构全部破除后，应立即开始顶进机头，由于正面为全断面的水泥土，为保护刀盘，顶进速度应放慢。
另外，可能会出现螺旋机出土困难，必要时可加入适量清水来软化或润滑水泥土。
顶管机进入原状土后，为防止机头“磕头”，宜适当提高顶进速度，使正面土压力稍大于理论计算值，以减少对正面土体的扰动及出现地面沉降。
顶管机彻底进入洞门后，需检查洞口止水装置是否有损坏，如有损坏应立即整修，确保泥水、浆液的不外漏。
⑶出洞段的各类施工参数：
顶管机从始发井出洞后，应尽量减少水土流失，控制好地面沉降。
顶管机出洞进入正常土体后3m范围内的顶进作为本工程顶管的试验段，应不断根据地面沉降数据的反馈进行参数调整，及时摸索出正面土压力、出土量、顶进速度、注浆量和压力等各种施工参数最佳值，为正常段施工服务。
5.2.4顶管正常段顶进施工
1、顶进轴线控制
顶管在正常顶进施工中，必须密切注意顶进轴线的控制。
在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以免土体出现较大扰动及管节间出现张角。
由于是矩形顶管，因此对管道的横向水平要求较高，所以在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。
顶进轴线偏差控制要求：
高程±50mm；水平：
±50mm。
2、地面沉降控制
在顶进过程中，应合理控制顶进速度，保证连续均衡施工，避免出现长时间搁置情况；不断根据反馈数据进行土压力设定值调整，使之达到最佳状态；严格控制出土量，防止欠挖或超挖。
3、管节减摩
为减少土体与管道间摩阻力，在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套以达到减摩效果，在施工期间要求泥浆不失水，不沉淀，不固结，以达到减小总顶力的效果。
⑴泥浆配比：
每立方
膨润土
水
纯碱
CMC
200KG
850KG
10KG
0.5KG
触变泥浆指标：
序号
项目
性能指标
检验方法
1
比重
1.1~1.6g/cm3
泥浆比重器
2
粘度
25S
500ml漏斗法
3
PH值
9
PH剂
4
失水率
＜25cm3/30min
失水仪
5
稳定性
0.02g/cm2.d
稳
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