大断面矩形顶管施工技术样本.docx

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大断面矩形顶管施工技术样本

大断面矩形顶管施工技术

一、矩形顶管简介

矩形顶管法是借助顶推设备（液压千斤顶）将管节从工作坑（始发井）内穿过土层始终推到接受坑（到达井）内，依托顶管机刀盘不断地切削土屑，由螺旋机将切削土屑排出，并通过洞内水平运送至始发井口吊出。

边顶进，边切削，边排土，将管道逐段向前铺设一种非开挖施工技术。

1.2矩形顶管合用范畴

矩形顶管工艺合用范畴如图1.2-1所示。

地铁出入口

过街通道

地下综合管廊

穿越铁路、河流等

图1.2-1矩形顶管合用范畴示意图

1.3矩形顶管施工优缺陷

1.3.1矩形顶管工长处

（1）施工占地面积小、噪音低、无扬尘；

（2）不开挖路面、不封闭交通、不改迁管线；

（3）在同等截面下，矩形隧道比圆形隧道能更有效运用地下空间；

（4）施工对周边土体扰动小，能有效控制地面和管线沉降；

1.3.2矩形顶管工缺陷

依照顶管机设计，顶管螺旋机出土最大粒径为250mm，，施工中有也许会遇到顶管机无法排出较大孤石。

在遇到顶管机无法排出孤石时需于地面拟定孤石位置进行暂时交通疏解，开挖取出孤石。

二、大断面矩形顶管机简介

顶管机依照矩形顶管设计尺寸及地层状况进行设计制造，重要由切削搅拌系统、驱动系统、纠偏及液压系统、出渣系统、顶推系统、测量显示系统、电气操作系统等构成。

2.1切削搅拌系统

矩形顶管配备了6个辐条式刀盘，刀盘开口率70%以上，采用3前3后平行轴式布置,相邻刀盘切削区域互相交叉，开挖覆盖率能达到93%~95%。

考虑要通过加固区，在前盾切口环全圆布置切刀，对盲区进行重要切削。

刀盘切削下来土体布满整个土仓，并通过刀盘附带搅拌棒充分搅拌均匀后，由底部螺机出土孔进行出土。

2.2驱动系统

（1）驱动形式：

变频驱动；

（2）速度：

0～1.16rpm，无级变速；

（3）最大理论扭矩：

1444kN·m（单个刀盘）

（4）驱动功率：

30kw×6×6（6组）

2.3出渣系统

螺旋输送机构造涉及壳体、轴式叶片、驱动装置、尾部闸门几某些。

螺旋输送机安装在土压仓下部，其作用是排除渣土、碎石以及调控土压仓压力，实现土压平衡。

排出渣土通过洞内水平运送至始发井口，吊运至集土坑。

2.4纠偏系统

纠偏系统重要作用就是在推动过程中，若浮现轴线偏离一定角度，则使用纠偏油缸进行纠偏，以纠正矩形盾构顶管姿态，纠偏油缸属于积极铰接，纠偏油缸布置重要考虑构造上合理，满足上下、左右纠偏效果。

纠偏原则：

（1）勤纠、微纠和看趋势进行纠偏；

（2）向上下，后左右

2.5顶推系统

顶推系统重要是为矩形顶管机及管节提供顶进动力，由顶铁、主顶油缸、液压泵站构成。

组合顶铁

主顶

液压泵站

组合图

2.6渣土改良系统

顶管机配备膨润土和泡沫两套改良系统，可单独使用，也可同步使；六个刀盘每根辐条上均布置碴土改良孔，掘进过程中，通过管路将碴土改良剂送至土仓，改良土体。

2.7触变泥浆减阻系统

在壳体上和每节管片上均布置有触变泥浆注浆孔，壳体上注浆孔在一定限度上能起到调节盾体姿态作用，管节上注浆孔，重要用来减小摩阻力，同步也能最大限度解决背土问题。

2.8导向测量系统

在始发井处设立激光经纬仪，在矩形盾构顶管内设立导向靶。

通过激光在导向靶上投射斑点位置来判断矩形盾构顶管当前姿态。

2.9控制系统

矩形顶管操作控制室设立在地面上，通过Profibus合同与远程I/O模块组建顶管控制系统。

同步，设备选用工业电脑作为图形终端通过以太网合同与PLC实现数据交流。

三、大断面矩形顶管管节简介

3.1管节设计

矩形顶管管节普通采用矩形或类矩形（上部微拱）构造，管节设立吊装孔、触变泥浆孔及浆液置换孔等，单节长度普通为1.5m，矩形管节之间纵向连接采用承插式F型接头。

深圳地铁11号线车公庙站地下通道共计4条顶管，总长329m。

设计构造形式为矩形圆倒角钢筋混凝土管节，构造净空宽3.65m，高5.9m。

（1）顶管采用C50预制钢筋砼管，构造外尺寸为6900＊4650，壁厚500mm，抗渗级别为P10。

（2）每节管节长度为1.5m，每节管节重量约38T,每节理论出土量48.5m3。

（3）顶管通道采用纵向穿锚索方式加强纵向刚度，锚索孔在管节预制时预留，管节间预留阴阳榫头以保证施工时锚索孔道在一条直线上。

（4）每片管节设8个DN120mm吊装孔，10个DN25mm钢管压浆孔（顶进时减磨注浆），18个DN60mm预应力孔道。

管节设计如图3.1-1。

图3.1-1矩形顶管管节设计图

3.2管节防水

（1）、外侧防水体系：

管节承口钢套环采用厚16mm钢板，长345mm，管节插口混凝土构造外侧密贴一道楔形橡胶圈，施工时插入承口钢套环内，在插入过程中，橡胶圈被压缩，密贴钢套环，形成良好防水体系。

（2）、嵌缝防水体系：

在管节两管节接口处设立嵌缝槽，迎土面采用聚氨酯密封胶填缝，背土面待浆液置换完毕后采用低膜量聚氨酯或聚硫密封胶嵌缝。

（3）、浆液置换防水体系

顶管顶进完毕后，通过设立在管节中部二次注浆孔，对管节周边触变泥浆进行浆液置换，固结通道。

管节防水设计见管节接口细部图3.2。

图3.2-1顶管管节接口细部构造图

3.3管节吊装

管节设计有吊装孔，吊装采用专用吊具进行，吊机、钢丝绳、卸扣、吊具、吊点等均须通过验算满足施工吊装规定。

四、大断面矩形顶管施工技术

4.1施工工艺流程

矩形顶管施工重要包括顶管始发准备工作、设备安装、始发施工、正常推动、接受施工、收尾工作。

详见顶管施工工艺流程图4.1-1。

图4.1-1矩形顶管施工工艺流程图

4.2顶管端头加固

工作井构造施工完毕后，组织进行端头加固施工，按照设计图纸规定进行顶管端头区加固施工，以满足顶管始发端头止水、加固需求。

端头加固普通采用搅拌桩+旋喷桩进行，长度为顶管机长度+2～3节管节长度，约10m，以保证始发安全。

4.3顶管始发

4.3.1顶管始发准备

顶管始发前期准备工作涉及：

场地布置、水电管路布置、顶管机组装调试、端头加固、后背加固施工等。

4.3.2顶管机组装

矩形顶管机由于高度限制，整机分为先后上下四某些运送至施工场地，采用履带吊进行现场拼装。

顶管机组装依照组装方案进行，组装顺序如下：

顶管机组装顺序：

基座导轨（后靠）

前下壳体

前上壳体

后下壳体

后上壳体

螺旋机

刀盘

油缸系统及顶铁。

图4.3.3-1顶管机组装顺序图

4.3.3顶管机调试

（1）、空载调试

顶管机组装和连接完毕并拟定无误后，即可进行空载调试。

重要调试内容为：

配电系统、液压系统、润滑系统、冷却系统、注浆系统、以及各种仪表、传感器调试。

（2）、负载调试

空载调试顶管机各系统运转后即可进行负载调试。

负载调试重要目是检查各种管线及密封负载能力；使顶管机各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产规定工作状态。

高压系统测试：

高压电缆、接头、高压开关柜及变压器绝缘及功能调试。

低压供电系统调试：

照明系统（含紧急照明）、动力系统、弱电供电系统。

刀盘驱动系统测试：

正转、反转功能、最大速度、速度调节、制动、压力等与否正常。

油脂密封系统测试：

系统工作与否正常并且将油脂注满主轴承，直至溢出，测量压力与否到达规定，控制某些功能与否正常，油脂桶液位连锁功能与否正常。

齿轮油循环系统测试：

工作与否正常，液位报警功能等。

液压泵站测试：

检查油箱油位传感器、油温传感器、液压油过滤、循环系统以及各泵工作压力与否正常。

其她辅助液压系统测试：

动作、压力、油温与否正常。

顶推装置测试：

推动速度、油缸压力、油缸行程检测。

泡沫系统测试：

泡沫系统水泵、气路、泡沫发生器功能，泡沫压力、流量以及各泡沫注入点阀门启闭，泡沫发生剂发泡性能和注入管路工作状况等测试。

螺旋输送机系统测试：

涉及螺旋输送机转速、油压、伸缩动作、正反转和出土闸门启闭等测试。

顶管机铰接功能测试：

各铰接油缸动作和铰接功能测试。

整机联动控制与否正常，各个环节在控制室控制状况与否正常。

顶管机故障显示测试：

显示与否对的、急时。

4.3.4洞门破除

顶管机组装机头距构造侧墙2m。

施工前，在洞门位置搭设两排扣件式脚手架，并搭建施工平台，外侧设立防护杆。

脚手架搭设时,立杆纵向间距1.2m，立杆横向间距1.0m，水平杆布距1.2m。

施工时，工作平台铺设走道板，走道板规定满铺。

洞门破除采用人工风镐按“纵向分段，竖向分层”原则破除。

第一阶段自上而下凿除表层100mm混凝土，并割除表层钢筋，破除宽度不不大于洞门钢环尺寸。

第二阶段自上而下分层凿除内层混凝土，直到露出里层迎土层钢筋，破除宽度不不大于洞门钢环尺寸，并及时清理破除后砼块。

第三阶段先将将迎土侧钢筋割除，再自上而下凿除外保护层混凝土，破除宽度不不大于洞门钢环尺寸，并及时清理破除后砼块和断钢筋。

4.3.5顶管始发

（1）空推顶进

顶管机组装完毕后，对全套顶进设备作一次系统调试，应特别注意仿形刀在穿越加固层时切削性能。

在拟定顶进设备运转状况良好后，把机头顶进洞圈内距加固层10cm左右。

注意事项：

A、始发基座轨道及延长轨道涂抹黄油，减小阻力；

B、对称、缓慢启动上下左右4台千斤顶，保证初始受力均匀；

C、刀盘顶推距离土体10～20cm启动，避免破坏洞门防水装置；

（2）加固区顶进

由于正面为加固土，为保护刀盘和仿形刀，顶进速度应恰当减慢，使刀盘和仿形刀能对水泥土进行对矩形断面彻底切削；此外由于此段土体过硬，螺旋机出土时可加适量清水来软化和润滑土体。

注意事项：

A、当顶管机壳体完全压住两道钢丝刷后，开始注入洞门油脂，保压不不大于2bar

B、对向启动6个刀盘，注入渣土改良浆液，保证土体浆液混合物逐渐布满整个土仓，启动千斤顶，顶推速度控制在5～10mm/min，正面土压力0.06～0.1Mpa。

C、当顶部土压建立后，可逐渐启动螺旋机，初始出土速度规定慢，待顶进与出土达到平衡后，出土性状具备良好塑性、流动性和止水性后，方可逐渐提高出土速度。

（3）刀盘出加固区

刀盘进入原状土体后，依照螺机出渣性状及时调节渣土改良浆液配比和注入量，开始同步注入触变泥浆。

顶进速度控制在10～20mm/min，设立合理正面土压力。

4.3.6止退装置与防后退技术

由于土压平衡矩形顶管在顶进中前端阻力很大，即便顶进了较长里程后，在每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节就会一起后退20～30cm，机头和前方土体间土压平衡受到破坏，土体得不到稳定支撑，易引起机头前方土体坍塌。

因而，在前基座上安装一套止退装置，将管节和机头稳住，从而使地面沉降量明显减少，同步，管节与管节之间采用大螺杆纵向连接成一种整体，避免接头松弛破坏防水。

如图所示。

图4.3.6-1止退装置图

4.4顶管顶进施工

4.4.1正面土压力设定

依照Rankine土压力理论进行计算：

P=krz

k：

粘土侧向系数（参照《基坑开挖手册》）

r：

土容重

z：

覆土深度

（1）计算值作为土压力最初设定值，在实际顶进后，通过顶进参数、地面沉降监测，进行动态调节。

（2）精准记录出每节管节出土量，实际出土量控制在理论出土量98%，以保证正面土体相对稳定。

（3）在顶进时应对顶进速度作不断调节，找出顶进速度、正面土压力、出土量最佳匹配值，以保证顶管顶进质量。

4.4.2顶进推力

依照日本下水道协会经验公式：

P=S×qr+（R×F+W×f）×L

式中P—顶力（t）

S——刃刀外周长（m）

qr——顶进端阻力（t/m）

R——土和管摩擦力（t/m2）

F——管外周长（m）

W——管单位重量（t/m）

f——管自重摩擦系数

L——顶进长度（m）

其中某些计算参数如下表

表4.4-1顶推力参数表

土质

qr（t/m）

R（t/m2）

f

软弱土

3～10

0.4～1.0

0.2

普通土

5～15

0.8～1.4

0.3

硬质土

10～30

1.2～2.5

0.4

由于采用触变泥浆减阻，减阻率在60%左右，实际最大顶推力约为P1=0.4*P。

4.4.3顶进速度

始发接受阶段不适当过快，普通控制在5～10mm/min左右，正常施工阶段可控制在10～20mm/min左右。

4.4.4注浆系统

（1）渣土改良

渣土改良分为泡沫改良和膨润土改良，设备设计了膨润土浆液注入口，同步每个刀盘设计了单管单泵泡沫改良系统。

渣土重要使用膨润土进行改良，膨润土改良采用一级钠基膨润土，该膨润土具备起浆快、造浆高、滤失低、润滑好等特点。

依照现场实验渣土改良浆液配比（质量比）为膨润土：

水=1：

4，注浆量为改良土体30%～50%,注浆压力0.2～0.4MPa，渣土改良效果如图4.4.4-1所示。

图4.4.4-1渣土改良效果图

（2）触变泥浆

①顶管管节设立有注浆孔，压注触变泥浆填充管道外周空隙以减少地层损失控制地面沉降和减少顶进阻力。

②采用泥浆搅拌机进行制浆。

纯碱和CMC应预先化开（CMC可以边搅拌边添加），再加入膨润土搅拌20min，泥浆要充分搅拌均匀。

注浆泵采用专用泵，将其固定在始发井口，拌浆机出料后先注入储浆桶，拌制后浆液在储浆桶中需通过一定期间（不不大于24小时）膨化后方可通过专用泵送至井下。

③触变泥浆浆液配制

触变泥浆浆液应不失水、不沉淀、不固结，既要有良好流动性，又要有一定稠度。

所用润滑浆液重要成分为膨润土、纯碱以及CMC（化学浆糊）。

图4.4.4-2触变泥浆注浆减阻图

④触变泥浆注入原则与注入量

顶进时压浆要及时，保证形成完整、有效泥浆套，必要遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”原则。

管节上压浆孔供补压浆用，补压浆次数及压浆量需依照施工时详细状况而定。

顶进施工中，触变泥浆用量重要取决于管道周边间隙大小及周边土层特性，由于泥浆流失及地下水等作用，泥浆实际用量普通取理论值2～3倍，在施工中还需依照土质状况、顶进状况及地面沉降规定等做恰当调节。

4.4.5施工轴线控制

推动方向控制与调节采用如下两方面手段和方式：

（1）推动自动导向系统和人工测量辅助进行土压平衡矩形顶管姿态监测。

该系统配备了导向、自动定位、显示屏等，可以全天候在土压平衡矩形顶管主控室动态显示土压平衡矩形顶管当前位置与隧道设计轴线偏差以及趋势。

据此调节控制土压平衡矩形顶管推动方向，使其始终保持在容许偏差范畴内。

土压平衡矩形顶管采用激光制导办法进行推动导向。

该系统在设备内设立激光靶，洞口始发井处设立激光全站仪。

激光全站仪安装在工作井后背稳定位置，调节好激光束位置和方向，使激光束与管道中心线平行，并且符合设计坡度，发射可见激光束。

图4.4.5-1轴线控制示意图

当顶进一段距离后，量测激光束打在土压平衡矩形顶管上目的靶上偏移量来测出施工中管道高程及中心偏差。

同步土压平衡矩形顶管司机也可以依照激光投射在靶面上光斑位置，直接判断土压平衡矩形顶管姿态。

图4.4.5-2激光经纬仪测量图

随着土压平衡矩形顶管推动，必要通过人工测量来进行精准定位。

为保证推动方向精确可靠，拟每2环进行一次人工测量，以校核测量系统测量数据并复核土压平衡矩形顶管位置、姿态，保证土压平衡矩形顶管推动方向对的。

4.4.6顶管顶进纠偏

（1）盾壳上设计有水平倾角传感器，实时监测滚转姿态，并设有预报警系统。

（2）刀盘每个刀盘旋转速度及方向都可调，从而实现盾体滚转纠偏。

图4.4.6-1刀盘旋转纠偏图

（1）铰接纠偏

超大断面矩形顶管施工过程中，铰接纠偏是最直接、最有效姿态控制办法之一。

铰接油缸位置放置需考虑两方面规定：

调向敏捷性和盾体稳定导向作用。

超大矩形顶管前盾长度较短，使铰接力可以有效传递到刀盘便于转向。

尾盾设计较长，并通过拉杆与后3～4环管节相连接，避免浮现过度纠偏。

图4.4.6-2铰接纠偏纠偏图

正常掘进时，铰接油缸处在所有收回，以防顶管姿态发生偏差。

当顶管姿态发生偏差时，将发生偏差侧铰接油缸进行伸长，以调节顶管姿态。

同步将相应侧用于与顶管机和管片连接拉杆松动，以利于顶管姿态调节。

铰接伸长距离依照地层状况、姿态偏差大小、拟合掘进线路等综合进行拟定。

（2）双螺旋机出土纠偏

为保证土仓各点压力持续性和均匀性，顶管机设计为双螺旋机出土。

正常掘进过程中，要保持双螺旋机出土一致，防止土仓左、右侧或上、下侧压力浮现不平衡，导致顶管隧道轴线偏差。

当顶管浮现姿态偏差，可以通过调节双螺旋机转速，控制双螺旋机出土量，控制土仓左、右侧或上、下侧压力差，进行姿态调节。

图4.4.6-3双螺旋机出渣图

（3）注浆纠偏

当顶管机发生中线偏差或滚转时，铰接纠偏能力局限性时，可借助于盾体及管节上预留触变泥浆孔及纠偏泥浆注入系统，在需要位置向地层注入纠偏泥浆，见图6.39，调节顶管周边地层压力，依托地层压力偏差和地层微量压缩性进行纠偏。

图4.4.6-4打泥纠偏图

4.5顶管接受

4.5.1围护构造破除

当顶管机进入接受区段后，及时组织进行接受洞门探水作业，破除围护构造。

洞门探水、围护构造破除方式同始发工作井。

4.5.2浆液置换

顶进施工完毕后，为减少土体后期沉降，加强隧道整体防水性能，须加注水泥浆对触变泥浆进行置换，固结隧道。

选用1：

1水泥浆液，通过注浆孔置换管道外壁浆液，依照不同水土压力拟定注浆压力。

4.5.3预应力张拉

为减少顶管通道运营过程中由于纵向变形导致接头漏水风险，对顶管通道采用纵向穿锚索方式加强纵向刚度。

锚索孔在管节预制时预留，管节间预留阴阳榫头以保证施工时锚索孔道在一条直线上。

待顶管管节安装完毕后，进行穿筋张拉，张拉完毕后预应力管道进行灌浆，封锚。

4.6重难点分析

4.6.1顶管施工始发、到达

因素分析：

顶管始发与到达是顶管施工中最易浮现问题环节，常会由于顶管施工始发、到达过程中定位不精确、方向控制不好，或者端头加固质量问题，导致始发、到达时浮现坍塌、突泥、涌水，严重影响施工安全。

施工办法：

（1）严格按照设计规定长度及宽度对端头进行加固，做好过程控制；加固施工过程中严格按照有关规定，从材料进场、设备、施工工艺等几种角度严格控制施工质量，保证加固质量。

（2）端头地层加固完毕后，对加固区域进行垂直取芯，检查其加固完整性、强度。

（3）在洞门凿除前，对要凿除洞门范畴内边角及中心位置分别进行水平和倾斜探孔，探孔数量依照现场灵活布置，孔深以不打穿加固体为好，一旦发现存在问题进行二次补充加固，保证加固体整体、持续，无加固盲区，始发到达不流砂、不涌泥。

（4）做好洞口防水密封，顶管始发，预先安装洞门圈预埋钢环，始发时采用1道帘布橡胶板道作为洞门密封，并在延长洞门上预留注浆口，避免在始发过程中及整个推动过程中管节长时间摩擦洞门密封导致密封被破坏，保证工程安全。

（5）顶管到达时，由于顶管掌子面反力破坏、减小、丧失，触变泥浆流失，同始发同样，检查完洞门加固质量后，在洞门钢环内焊接1道钢丝刷，外侧安装帘布橡胶板和折页压板，到达加固体后、掌子面前，低推力，低转速，尽量多余土，晚破坏掌子面；掌子面破坏后要迅速推出，以防止漏泥漏水。

（6）控制好顶管姿态，在保证出碴量正常前提下，尽量迅速完毕顶管始发与到达。

同步，充分考虑到由于对端头地层进行了加固解决，地层性质所发生变化，推动时要密切关注顶管姿态突变状况，勤测量、勤纠偏，并在顶进最后3环管节时，在顶管机后注入高稠度泥浆，防止到达时漏浆。

（7）在始发到达前做好始发到达安全应急预案演习和应急位置储备，保证浮现异常状况后及时调拨人力、材料进行紧急解决，保证工程安全。

4.6.2沉降控制

因素分析：

在埋深相似条件下，由于顶管和管节顶板面积巨大化，上覆土形成受力拱作用大大削弱，上覆土发生沉降敏感度较强。

尽管存在泥浆套减磨作用，但随着顶板面积作用于上覆土推动摩擦力逐渐增大，“背土”作用也逐渐变得明显。

此外由于顶管机开挖横断面增大后，存在碴土改良不均匀性，超大断面矩形土仓内各点土压力也许会有差别，对开挖面稳定带来不利影响。

同步由于螺旋输送机数量增长到了2个，增长了各点出土量控制难度，开挖面有也许浮现局部超挖。

或者密封不好，触变泥浆泄露，以及注浆质量控制不好导致沉降超限，严重影响管线、地面交通等，因而，如何保证矩形顶管施工沉降成为本工程重、难点。

施工办法：

在顶管实际推动过程中，依照地面沉降状况，由当班技术人员分析判断后对压浆量（触变泥浆）、压浆部位和注浆压力进行调节。

在施工中，必要时进行补注触变泥浆，有效控制后期沉降，进行信息化动态施工管理。

顶管下穿深南大道推动时，运用始发积累参数推动，同步要有专职人员昼夜对深南大道进行沉降监测，及时观测路面构造变形状况，将监测数据及时、精确地反馈给顶管施工工作面，使得中央控制室可以依照地面所反映状况，进行对的判断，指引顶管推动参数及时优化调节。

同步依照地面荷载状况，及时重新计算土压平衡设定值，并依照地面隆陷值加以调节，使顶管迅速均匀推动，尽量缩短穿越时间，防止超挖和欠挖，以减少对土体扰动，最大限度减少地层损失，将沉降控制在最小范畴内，满足沉降规定。

在下穿施工前，设备技术人员对顶管机进行全面检查，保证在穿越过程中不出机械故障，同步加强寻常保养。

（1）加强施工管理，匀速、持续通过深南大道。

（2）控制好土仓压力、调节触变泥浆粘度和比重，避免掌子面失稳，加强出渣管理，恰当减少出碴量。

（3）保证同步注浆系统（触变泥浆）工作正常，恰当加大注浆量。

（4）做好地表注浆准备工作，当深南大道沉降超过其容许值，及时进行地表注浆。