顶管施工组织设计4标最终版.docx

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顶管施工组织设计4标最终版

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青草沙水源地原水工程

南汇支线工程C4标

顶管施工组织设计

编制人：

刘伟刚

审核人：

厉响明

上海建工桥隧筑港工程有限公司

青草沙原水工程C4标项目经理部

2011年8月25日

一、工程概况----------------------------------3

1地理位置、周边环境----------------------------3

2主要工作内容概况------------------------------3

3工程地质水文概况------------------------------5

4工程相关单位----------------------------------6

5编制依据-------------------------------------6

2、难点以及对策-------------------------------7

1、顶管时的纠偏--------------------------------7

2、长距离顶管顶力过大、中继环较多---------------7

三、施工方法------------------------------------8

1工程量分布及工期安排-------------------------8

2现场平面布置和交通组织------------------------8

3设备选用和施工工作原理------------------------9

4顶力计算-------------------------------------12

5顶管出洞技术---------------------------------14

6拼管、焊接、防腐-----------------------------15

7触变泥浆减阻措施-----------------------------18

8洞口止水处理---------------------------------22

9顶进测量-------------------------------------23

10通风----------------------------------------27

11后座----------------------------------------28

12中继环顶进及闭环焊接------------------------28

13用电、通讯和照明---------------------------31

14进洞及后期收尾阶段--------------------------32

15地表沉降控制措施----------------------------33

四、施工进度计划---------------------------------34

五、劳动力计划安排-------------------------------34

六、质量保证措施-------------------------------34

七、安全保证措施-------------------------------37

八、应急措施-------------------------------------38

九、附图

一、工程概况

1、地理位置、周边环境

本工程为青草沙南汇支线工程（QNZ－C4标），南汇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，承担着向川沙水厂、航头水厂、惠南水厂输送青草沙原水的重任。

南汇支线工程全线共分12个标段，本工程为4标段管道、顶管井以及附属工程的总承包施工。

本工程设计规模为28万m3d，工程内容为2根DN2000钢管，全线采用顶管施工工艺，两根管道主要敷设在道路绿化带内。

2、主要工作内容概况

本标段（QNZ-C4）施工主要内容可分为为：

A20（唐丰路—环龙路）之间管段，线路长3576.07m，顶管长度约7152.14m，工作井有5座，接收井有4座，沿线顶管井内设有单向补压塔井、阀门井以及排气排水井等附属设施。

J21~J20：

DN2000钢管，长度为386米

J21~J23:

DN2000钢管，长度为1050米

J24~J23:

DN2000钢管，长度为148米

J24~J25:

DN2000钢管，长度为118米

J26~J25:

DN2000钢管，长度为118米

J27~J26:

DN2000钢管，长度为150米

J27~J28:

DN2000钢管，长度为166米

J29~J28:

DN2000钢管，长度为608米

J29~J30:

DN2000钢管，长度为834米

3、工程地质水文概况

（1）、概述

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。

拟建场地位于上海市浦东新区A20东侧，地貌类型属于滨海平原，拟建管道沿线一般位于已有道路绿化带内，地势平坦，且沿线有明浜及建筑物分布，沿线地势由一定起伏，勘察期间测得所经地区地面标高一般在3.8--4.9m之间。

根据勘探资料揭露，拟建原水管线沿线穿过淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土夹淤泥质粉质粘土，一般呈水平层理分布。

经勘察查明，在本工程范围内的地基土属第四纪全新世Q34～上更新世Q23的沉积层，主要由填土、粉土、淤泥质土、粘性土等组成。

根据沉积时代、成因类型及其土性可划分8个主要层次，其中①、③、⑤、⑦层各分为若干亚层。

具体为：

①1层杂填土（夹建筑垃圾）、①2层淤泥、②1层褐黄～灰黄色粉质粘土、③1层灰色淤泥质粉质粘土、③夹层灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土、③2层灰色粘质粉土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1-1层灰色粘土、⑤1-2层灰色粉质粘土、⑤2层灰色粘质粉土、⑤3层灰色粉质粘土夹砂、⑥层暗绿～草黄色粉质粘土、⑦1层草黄色砂质粉土、⑦2层灰色粉砂、⑧1层灰色粉质粘土。

具体土层分布情况详见勘察报告中的《地层特性表》。

（2）、水文地质

场地浅部土层主要为粘性土，在埋深5m左右有一层粉性土分布，地段地表水与地下水水力联系不密切，但在雨天有瞬间汇流。

对本工程基础设计及施工有直接影响的主要为浅部土层的潜水，其补给来源主要为大气降水、江水渗流与地表径流，排泄方式以蒸发消耗为主。

潜水位埋深随季节、气候、潮汛等因素而有所变化。

勘察期间测得钻孔中地下水稳定水位埋深约0.40～2.60m，相应水位为1.90～5.10m。

潜水对本工程基坑开挖影响较大，开挖时应做好降排水工作。

拟建场地浅部有③夹层粘质粉土夹淤泥质粉质粘土、③2层粘质粉土及⑤2层粘质粉土微承压水分布，深部有⑦1、⑦2粉（砂）土承压水分布，⑦1、⑦2属于同一水文地质层，③夹、③2层连通，系同一水文地质层，⑤2层为古河道沉积区微承压水含水层。

根据上海市长期观测资料，承压水水头高度一般均低于潜水位，水头埋深一般为3.0～11.0m，随季节呈周期性变化。

（3）、不良地质工程评价

A沿线场地填土厚度一般为0.2~2.0m，局部较厚达5.6m，夹碎砖、石子等建筑垃圾以及植物根茎等，土性不均，结构性差，为本工程的不良地基土，会给基坑开挖造成一定障碍，施工时应注意防止坍塌。

B拟建场地属软弱场地土，场地类别为

类，属对建筑抗震不利地段，勘察资料表明，在20m深度范围内无成层饱和砂质粉土和砂土，故本场地在抗震设防烈度为7度时，可不考虑地基土地震液化影响。

4、与本工程相关的主要单位

建设单位：

上海青草沙投资建设发展有限公司

设计单位：

上海市政工程设计研究总院

监理单位：

上海上咨建设工程咨询有限公司

施工单位：

上海建工桥隧筑港工程有限公司

5、编制依据

给水排水工程顶管技术规程（CECS.246:

2008）

地基处理技术规范（DBJ08-40-94）

市政地下工程施工质量验收规范（DGJ08-236-2006）

给排水管道工程施工及验收规范（GB-50268－2008）

现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范（GB50236-98）

钢制管道对接环焊缝超声波探伤方法和检验结果的分级（GBT15830-1995）

钢融化焊对接接头射线照相和质量分级（GBT3323－2005）

工业金属管道工程施工及验收规范（GB50235－97）

涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级（GB8923－88）

熔融结合环氧粉末涂料的防腐蚀涂装（GBT18593-2001）

二、难点以及对策

1、顶管时的纠偏

顶管时，承插式管能顺着洞穴前进，但钢管的前进方向不一定与洞穴方向完全一致，这就是钢管纠偏困难的原因。

要使钢管改变方向和实现纠偏，首先要在顶管机纠偏段形成足够的纠偏土压力，对钢管形成纠偏弯矩，迫使钢管弯曲。

2、长距离顶管顶力过大，中继环使用多，对保证质量、进度造成很大的困难

长距离顶管顶力过大，中继环使用多，对质量、进度造成很大的影响，对此，我们的对策：

（1）、管道顶进要顺直

（2）、强化补浆，减少管壁摩擦力

如CECS-246:

2008（指挥部发的给水排水工程顶管技术规程）指出，我们目前顶管减阻的基本措施是扩孔，工具头刀盘扩孔半径增加0.5cm左右，工具管尾端注浆环扩孔半径增加到3cm，工具管后预留注浆孔，具体如下：

J21~J20：

386米，计44节，第1~10节，每节置孔，第11~30节，每2节置孔，第31~44节，每3节置孔。

J21~J23：

1050米，计120节，第1~10节，每节置孔，第11~30节，每2节置孔，第31~80节，每3节置孔，第81~120节，每4节置孔。

J24~J23：

148米，计17节，第1~10节，每节置孔，第11~17节，每2节置孔。

J24~J25：

118米，计14节，第1~10节，每节置孔，第11~14节，每2节置孔。

J26~J25：

118米，计14节，第1~10节，每节置孔，第11~14节，每2节置孔。

J27~J26：

150米，计17节，第1~10节，每节置孔，第11~37节，每2节置孔。

J27~J28：

166米，计19节，第1~10节，每节置孔，第11~19节，每2节置孔。

J29~J28：

608米，计70节，第1~10节，每节置孔，第11~30节，每2节置孔，第31~70节，每3节置孔。

J29~J30：

834米，计95节，第1~10节，每节置孔，第11~30节，每2节置孔，第31~80节，每3节置孔，第81~95节，每4节置孔。

三、施工方法

1、工程量分布及工期安排

本工程顶管施工可分为两部分：

一号管顶管施工和二号管顶管施工。

顶管的功效确保焊4根天。

2、现场平面布置及交通组织

在顶管工作井内进行顶管顶进施工过程中既要考虑确保路面的通行又要顾及对周围环境的影响。

施工现场周围按文明施工的要求采用彩钢板隔离施工区域，并在彩板上标出醒目记号以提醒过往车辆，在一侧留出施工车辆进出口。

在每座工作井施工现场考虑布置1—2只办公集装箱供施工人员使用。

本工程共有4座工作井和5座接收井，每座工作井均考虑存有6-8根8.5米长的φ2000钢管备用堆场。

3、设备选用和施工工作原理

根据本工程土质，多为粘性土，具有渗透系数很小的特点。

顶管直径为2米，鉴于工期安排较紧张，所以采用泥水平衡机头顶进。

该设备都是现在国内使用比较广泛的设备，工作原理合理，性能良好，型号为TPNø1650泥水平衡顶管机：

顶管机外径Ф2060，刀盘最大扭矩71KN.m，刀盘最大转速2.3rpm，最大纠偏角度2.70，装机容量90kw，具有多边形破碎清障能力。

TPN泥水平衡顶管机的基本工作原理是利用泥水压力来平衡地下水压力,同时也平衡顶管机所处土层的土压力.泥浆不但和地下水达成平衡状态,同时还可以在切削面上形成泥膜,防止泥水仓内的泥水向地下渗透,同时也阻隔了地下水向泥水仓内的渗透,,而泥水仓内的压力同时也平衡了土压力,从而保持了切削面的土体稳定.由于泥水平衡顶管机采用的是泥水作为出土介质,流体的性质决定顶进的连续性,能保证顶管的进度。

本次顶管所采用的顶管机采用大刀盘切削土体，切削土体厚度约25cm，搅拌深度80cm左右，土体切碎后经过3-6cm的环隙，进入混合仓。

被高压水冲成泥浆和泥团，真空泵吸入出泥管，成为比重约1.35的泥浆，进入沉淀池。

后座千斤顶顶进速度控制在每分钟6cm—8cm左右，出土量为管道体积的90%--95%左右。

顶管轨道采用工字钢箱体和重型轨道组成，轨道间距离为顶管钢管的半径，即1.020米，后座千斤顶选用200T，顶进长度为3.5米，4只组成，千斤顶合力为顶管中心偏下10cm。

为保护φ2000钢管的外防腐不受磨损，钢管和轨道之间安放5对可滑动的垫块，每块垫块由12mm橡皮和3mm厚的钢板组成，顶管轨道要与工作井钢筋砼底板预埋件牢固连接，沿轴线向与后背砼，洞口下部墙底固定，轴线垂直向要对底板有斜撑固定。

确保轨道在顶管顶进过程中的纠偏，拼管过程中不变形、不位移。

在顶管工具管刚开始出洞，和随后几节顶管过程中，由于本工程是大口径顶管，正面土压力较大，往往会出现头部的反作用力。

此时除了减慢顶进速度，多出些土，使头部土压检测表读数降到12γh,还需要靠轨道上焊接临时限位牛腿，克服反弹。

顶管顶进施工工艺示意图

4、顶力计算

本标段工井井后靠背的设计允许顶力为4500KN，最大顶力控制在允许顶力的90％以内。

（1）DN2000顶管（以J21~J23顶管段1050m计算）

顶管长度为1050m，顶管中心埋深约10m，刀头外径约2050mm。

土体容重为γ=18kgm3

1）工具管正面阻力NF（查表给水排水工程顶管技术规程CECS.246:

2008中表12.4.2得）

NF=（π4）×Dg2γsHs=（π4）×2.052×18×10=594KN;

2）管道摩阻力F0（在触变泥浆作用下,查CECS.246：

2008表12.6.4得,摩阻力由25KNM2减小到4KNM2）：

F0=πDfL=3.14×2.05×4.0×1050=27035KN

3）顶管总顶力F（工作井最大顶力取4500KN）

F=NF+F0=594+27035=27629kN>4500KN

结论：

需要设置中继环。

4）第1个中继环安装位置L1

L1=P’×K1πDf=4500×0.63.14×2.05×4.0=104.86m取L1=105m

5）中继环间距L0（后座顶力取0.8的许用顶力，中继环顶力6000KN，取4500KN）即：

L0=P’×k2πDf=4500×0.83.14×2.05×4.0=139.82m取L0=140m

6）主站顶进长度Lm（主顶进长度后座顶力取0.9）即：

Lm=P’k3πDf=4500×0.93.14×2.05×4.0=157.29m取Lm=157m

7）中继间数量n

N1=[πD1fk（L+50）]（0.7f0）-1

=[π×2.05×4.0×（1050+50）]（0.7*4500）-1=7.99

n=N1=8≈8个

中继环布置，以上为理论计算，根据本单位施工经验和土质，具体布量；头部以后12节管子，即5米+12×8.5=107米加第一只中继环，随后计划140米左右加一只中继环，第一只中继环除克服头部正面土压力外，主要作用是纠偏时可适当释放钢管内应力。

5、顶管出洞技术措施

（1）、Ф700水泥土搅拌桩加固

本工程为直径φ2000顶管，在顶管机出洞前，对围护结构的钻孔桩在洞口部位的钢筋砼要进行凿除，为了防止洞口砼处理时的泥水涌进，我们在洞口外采用Ф700500二轴水泥土搅拌桩进行洞口加固，水泥采用42.5普硅水泥，浆液水灰比1.5—2.0，水泥掺入量13%，加固体无侧限抗压强度≥0.8Mpa，渗透系数≤1×10-6cms，水泥土搅拌桩与钻孔桩之间采用压密注浆加固。

凿除门洞砼顺序：

在工具管安装到位后，采用φ100切割钻机，切割钻孔桩的钢筋砼，分割几块，用吊车吊出工作井，此时由井外的砼搅拌桩挡住洞外水土，防止坍方，然后在内衬穿墙管外侧和钻孔桩被割除的部位，用砂、瓜子片、水泥浆填平。

作为轨道延伸的作用，防止工具头叩头。

（2）、凿除钻孔桩程序和顶管轨道延伸。

工具管吊运至轨道后座钢结构检查、200t千斤顶试顶，送工具管距穿墙管80cm左右钻孔切割门洞布设延伸辅助轨道砂石水泥修补洞口工具管顶进穿墙管顶进至钻孔桩外边位置上、下、左、右固定工具管位置继续顶进至可安装下一节钢管。

工具管出洞时，轨道上的防腐垫块，前部要比后部的垫块高10mm。

让工具头微翘。

6、拼管、焊管、防腐

拼管及电焊施工

本工程φ2000厚20mm钢管顶管，接管工艺采用单面坡口形式，如图

分1、2、3、4区域，3、4区域为两种坡口的交界，用认真焊接清根的方法保证焊缝质量，与工具管相接的一头钢管是坡口与顶铁接触的一头钢管为平口，吊管和对管时均采用厚6.8cm厚的卡子，配2寸钢丝绳，如下图：

这种吊钩十分安全，吊件不会滑钩，且对管子的防腐没有损伤，因为吊点处的钢管是在焊接后再防腐的。

在吊管前应先看好井下钢管的焊缝在何处，俗称（几点钟），因本工程制管时钢板都是定尺的，钢板长度都是φ2000的固长长度，每节钢管只有一条顺向焊缝，所以只要焊缝顺时针转三小时（90度）即可。

管子吊到顶管轨道，应与前面钢管有10cm左右空隙，卸钩后，先找两管平直处加码，然后用千斤顶徐徐将钢管推到与前面一根钢管相接，可留1-2mm间隙，由平直处开始，用钢码和契铁块，把两根钢管的两个断面全部密贴，因周长相等，所以密贴是做得到的，这里的关键是钢码要调整均匀，可由后座千斤顶配合，对管结束后，开始电焊，电焊时先要在圆周上下左右四个部位焊牢，保持对管的成果，不能单边电焊，避免焊接变形，钢管固定后，开始正式电焊。

按照焊接工艺，分为4层焊接，清根面加焊一层，即单面坡口先焊两层，用φ1.2mm焊丝焊接

在管底仰焊处，设置长100cm，宽70cm，高70cm的焊接操作坑。

因此，在管底的底板上设置深20cm的凹槽，并在两根管道中间挖1m3的集水坑，把焊接坑内的水引入集水坑，再用水泵抽除，确保焊接坑的干燥，保证管道焊接质量。

焊接结束后，经检验合格，采用防腐厂提供的特殊快速防腐材料进行防腐，达到要求后，再继续进行顶进。

快速防腐材料，可在现场试用。

7、触变泥浆减阻措施

本工程采用触变泥浆减阻，所谓触变泥浆，即在静止状态中是固体，一旦触动即为液体，摩阻力大大小于土的摩阻力，本工程在钢管中设置的φ25mm注浆孔，沿φ2000钢管圆周设置一组（4个）孔，每孔间隔90°，相邻注浆管错位30°，3节钢管设置一组，从而使φ2000钢管外形成一个泥浆套，顶进时摩阻力减小的效果。

每只泥浆孔均有凡尔控制，可以按需要调节，注浆压力一般控制在土柱重的2倍即2γh。

压浆孔的做法：

在钢管上开通孔焊接内丝，规格1寸管牙。

内装塑料单向阀，厚10mm，管外侧焊上扩散罩，再安装外丝口缩节联结1寸凡尔，4只注浆孔为一组,由一根1＇＇皮龙连接，接通注浆总管，注浆总管由2寸橡皮笼，2寸钢管组成。

压浆孔设置

A规格：

1寸管牙。

B方式：

开通孔，焊全内丝。

C位置：

孔中心距离管端15㎝，距离管材纵向焊缝大于1m.，4个等距分布，4孔在同一端。

本工程共16根顶管，长度小于350米的有12根，大于700米的有4根。

我们在工具管头部均安装2m3的泥浆桶，配一只压浆泵，泥浆由泥浆总管送入，我们把顶管分为三个压浆段，工具管后10节为成套段，再后15节为饱和段，再后则为浆套维持段，头部压浆泵主要负责泥浆成套段，泥浆套饱和段和浆套维持段，由泥浆房直接压浆，两处压浆泵在顶管过程中，全程压浆，压力以γh--2γh为宜。

压浆材料采用成品钠基膨润土作为润滑材料，按配合比加水在工地泥浆间搅拌成生浆，经6小时充分膨胀成熟浆后才能使用，本工程备用8m3泥浆箱4只。

每100米泥浆用量：

Q=пD×0.03（泥浆套厚为3cm）×100

=3.14×2.02×0.03=0.19m3×100=19m3

每节管子布置4个孔，孔径为90°均布，后续管子和前节管子注浆孔互相错位30°，但当注浆转到钢管下端60°圆心角范围内，则要关闭凡尔，该孔不注浆，如下图

顶管结束后，要进行水泥浆置换和注浆孔封堵，

顺序如下：

关闭每个注浆孔的凡尔拆除注浆总管和分路管

安装水泥注浆管接通工作井前第一道注浆孔（每组4个）

开启第二道注浆孔（4只）注水泥浆待第二道注浆孔（4只）流完触变泥浆流出良好水泥浆后开启第三道注浆孔，关闭第二道注浆孔……，逐道置换触变泥浆，50m为一组进行置换，置换压浆压力控制在2γh左右，同时加强地面观察，发现水泥冒出，或地面有隆起，立即暂停减小注浆压力，分析对策，缩短每组置换长度。

当置换泥浆的工作结束24H后（待水泥浆凝固后），拆除每个注浆孔的凡尔缩节，对注浆孔的处理是保证注浆孔部位同等强度的关键，我们采用h=34mm的外丝口闷头管堵死。

塑料单向阀，在闷头铲进过程中被顶出。

如图：

塑料单向阀

8、洞口止水处理

本工程洞口均处于淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土中，渗透系数均为-7次方左右，属渗透系数很小，不会产生流沙，所以，采用D顶管专用的止水橡胶板止水，如下图：

9、顶进测量

（1）、轴线测量：

建立地面和地下测量控制系统，即工作井穿墙管中心和接收井穿墙管中心，用全站仪建立连线，转入井内设置测站，修正测量误差。

（2）、顶管水准测量的传统方法是用联通管测量，由于水经过一定时间的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常规的水准仪测量。

由于接收井可和工作井在两井通视，故采用激光经纬仪布置地面控制桩，在顶管施工期间必须对控制桩进行复测，并每顶进80米对井位及顶管轴线复测一次，以防井位移动和轴线变化。

如果工作井位置发生位移需对顶进轴线进行调整。

井内测量通过地面控制桩用经纬仪定出井下管道顶进轴线及井内固定经纬仪的位置；同时在经纬仪对面井口与壁上分别设置经纬仪的复测校核点与线，以便在管道顶进轴线测量过程中对经纬仪自身位置的位移进行检查；经纬仪自身位置的复核为每个工作班一次。

管道顶进轴线测量：

在井内设固定的测站。

根据设计纵坡，经纬仪调好垂直角度，在机头处设置控制管道轴线和标高光靶；当距离过长时。

不能采用一镜测量时，则增设中校测量站测量。

顶管推进机内垂直面设置顶进轴线灯箱型光靶。

顶管推进机内水平设置坡度线。

用以测量推进机的倾斜和旋转。

在顶进过程中应有专业人员经常性的对顶进轴线进行测量做到勤测勤纠。

本顶管工程采用全自动比较先进的泥水平衡机头，设备比较先进，配有全自动激光经纬仪，测量结果直接反映在电脑屏幕上，供操作员操作，为保证测量的准确，每200米全程采用全站仪复测一次，在顶管出洞前80米时，是最后的关键阶段，此时测量的准确与否是关系到能否顺利进洞，整条顶管最终能否成功的关键所在，我们首先暂停顶进，通知专业精确测量队复测，根据准确的测量指导进行进洞顶进。

为确保测量复测正确指导顶管施工，已委托本集团内基础测量队协助施工，详细测量方案如下：

测量队顶管施工测量

1）准备工作

（1）井下平面测量

根据地面导线网，采用导线测量的方法，将地面坐标向井下传递。

首先，测出工作井及接收井洞门中心的实际坐标，检查其与设计坐标的偏差，然后以工作井洞门中心与接收井洞门中心的连线为基准在工作井后背及地面测设顶进基准线，作为搭设测量起始平台的依据。

第二，利用垂球或经纬仪精确的