顶管.docx

1、顶管第三节 顶管施工方法及技术措施一、顶管工程简况本工程共有12个顶程的顶管施工，管径为3000一种管径，管内底埋深为8.712.20m；顶管采用大刀盘泥水平衡顶管施工，本工程顶管全长3180m，采用3000 “F“型钢承口式钢筋砼管，钢套环接口，楔形橡胶圈密封。根据提供的地质资料反映，顶管施工的主要土层为层灰色淤泥质粉质粘土。具体特性见第二章地质条件。顶管施工穿越土层地质大部分情况相同。二、顶管主要工程内容本工程全线主要为3000顶管，共有2段曲线顶管，电缆工井43顶管，长145m，曲率半径R586.0m；67顶管长255m，曲率半径R1390m，其余顶管均为直线顶管。顶管全长3180m，最

2、长顶程L290m，最短顶程为L120m。我公司在曲线顶管施工方面，已取得了重大成果。在苏州河截流污水处理A14标工程中已经完成了三段大口径长距离曲线顶管，尤其是B3井至B4井的2000三维空间小半径曲线顶管（R=300m）的成功，标志着我公司在曲线顶管施工技术方面已经处于国内领先水平。顶管自动测量引导系统的开发成功也是国内首创，为曲线顶管施工的质量控制建立了可靠的保证。顶管具体工作内容见下表 表4-04-01顶程管径（mm）顶距管内底埋深(m）曲率半径（m）12300012012.2012.08/3230001508.938.78/4330001458.788.935864530002258.

3、938.70/6530002908.708.99/6730002558.998.7313908730002558.998.73/8930002558.999.25/109300026010.5010.76/101130003009.599.29/121130002909.09.29/121327002509.09.25/三、顶管设备的选择3.1 选择顶管掘进机根据土质特点和我公司设备情况，以及本工程顶管工程覆土层较深，口径大，因此，本工程将采取大刀盘泥水平衡顶管顶进施工。该种管径的顶管机，我公司拥有现成成套设备，可以迅速投入本工程施工，根据地质特点也可以采用土压平衡顶管法施工，但本工程工期较紧

4、，且根据现场的实际踏勘，顶管施工范围的水源充足，场地较为宽阔也适合泥水平衡顶管法施工，因此，这里选用大刀盘泥水平衡顶管法施工。 泥水顶管施工有以下优点：1）适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，它也能适用；2）可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，因此，采用泥水式顶管，特别是采用泥水平衡式顶管施工引起的地面沉降也比较小；3）与其他类型顶管比较，泥水式顶管施工时的总推力比较小，尤其是在粘土层这表现得更为突出；4）工作坑的作业环境比较好，作业比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业，它可以在大气常压下作业，也不存

5、在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题；5）由于泥水输送弃土的作业是连续不断的进行的，所以作业时的施工进度比较快。选择好顶管掘进机对顶管施工是至关重要的。根据工程现场条件和地质勘察报告情况，本工程的主要特点是长距离大口径顶管，地下管线复杂，所以施工难度较大。为此，我们选择大刀盘泥水平衡掘进机。3000掘进机外径3570，由二段一铰组成，总长度5500，掘进机总功率160kw，刀盘输出转速1.2转/分，扭矩系数 2.2。在刀盘上还焊有硬质合金刀头。掘进机纠偏油缸总推力1020KN，由8只1200KN油缸分4组成450斜角布置，纠偏液压系统采用日本进口液压元件组装而成，可靠性好。螺旋

6、输送机采用变螺距和无杆形式，具有气密性好，出泥率高，还能轧碎一般小块障碍物的特点。在掘进机的前方筒设有倾斜仪传感器，以便操作人员控制机头姿态。特别应提到的是在掘进机的胸板上有三个注浆孔，顶管过程中可以通过螺杆泵向开挖面的土舱内注入膨润土泥浆，增加被开挖土体的粘性含量和和易性，改善开挖面的工作状态。该机在大量施工中证明对稳定开挖面土体，控制地表隆沉量以及对恶劣地质条件都是有效的。我公司根据大量施工实践，针对淤泥质粘土的特点，改进设计了主轴密封，采用H型迷宫和YX型聚氨酯密封的双道密封形式，从而解决了主轴密封性能不靠的难题。掘进机的灵敏度也是设计的重要参数，对顶管的纠偏影响很大。灵敏度应根据顶管穿

7、越土层的N值来确定。但是，对上海地区的软土，灵敏度过高，土体反力不够，往往纠偏反应差，灵敏度过低，掘进机结构长度太长，所需纠偏力也大，3000结合工程曲线特点，灵敏度取0.9。3.2 主顶进系统主顶进系统共有6只2000kN双冲程等推力油缸，行程3500，总推力12000kN，6只双冲程油缸组装在油缸架内，安装后的6只油缸中心位置必须与设计图一致，以使顶进受力点和后座受力都保持良好状态。安装后的油缸中心误差应小于5mm。主顶液压动力机组由二台大流量斜轴式轴向柱塞泵供油，采用大通径的电磁阀和系统管路，减小系统阻尼，6只油缸可以单动，亦可联动。主顶系统由PLC可编程序计算器控制，并采用变频调速器实

8、现流量的无级调速。主顶系统操作台设在地面控制室内，主顶和中继环实现联动。3.3 中继环设计为提高工程的可靠性，每套中继环安装12只800KN双作用油缸，总推力9600KN（实际控制顶力为6000KN），油缸行程为500mm，由于中继环的实际总推力是顶进阻力引起的，所以在正常顶进条件下，中继环液压系统工作压力较低，设备故障率小，可靠性高。中继环的结构形式是经过立车切削加工的，尺寸精度高。在每套中继环处设一台动力机组，中继环和主顶装置右PLC可编程序计算器实现预定的联动。只需一名操作人员就可控制。在每套中继环处还安置了行程传感器，在操作台上显示出行程读数，以便操作人员控制。由于中继间启动伸缩次数不

9、多。密封圈极易磨损失效而发生漏水、漏泥砂、漏浆等现象，给工程带来严重后果，甚至发生工程事故。为此本工程中继间结构设二道密封圈。在二道密封圈之间设置4只可以压注润滑油脂的油嘴，以减轻顶进时密封圈的磨损。还设置有4只注浆孔，顶进时可进行同步注浆，以减少顶进阻力。3.4 注浆系统顶进施工中，减阻泥浆的运用是减少顶进阻力的主要措施，顶进时通过管节上的压浆孔，向管道外壁注入一定量的减阻润滑浆，在管道外围形成一个浆环套，减小管节外壁和土层间的摩擦力，从而减小顶进时的顶力，泥浆套的好坏，直接关系到减阻的效果。为了做好压浆工作，顶进施工时采用我公司特制配方的优质膨润土进行减摩注浆施工。该优质膨润土在其它类似工

10、程和类似土质条件下取得了很好的效果。在工具管尾部环向均匀地布置了六只压浆孔，用于顶进时跟踪注浆。混凝土管节上布置有六只压浆孔，其后每三节管节里有一节管节上有压浆孔，压浆总管用2耐压钢丝编织橡胶管，除工具管及随后的三节混凝土管节外，压浆总管上每隔6M装一只三通，再用压浆软管接至压浆孔处，顶进时，工具管尾部的压浆孔要及时有效地跟踪压浆，确保能形成完整有效的泥浆环套，混凝土管节上的压浆孔是供补压浆用的，补压浆的次数及压浆量根据施工时的具体情况确定。减阻润滑浆的性能要稳定，施工期间要求润滑浆不失水，不沉淀，不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。减阻润滑浆的拌浆制度要严格按操作规程进行，催化剂，

11、化学添加剂等要搅拌均匀，使之均匀化开，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化。泥浆拌好后，放置一定的时间才能使用，压浆是通过储蓄池处的压浆泵将泥浆压至管道内的压浆总管，然后经由压浆孔压至管壁外，施工中，在压浆泵，工具管尾部等处装有压力表，便于观察，控制和调整压浆压力。在压浆支管处的浆液压力一般应控制略高于土体静止土压力，约为1.1MPa。顶进施工中，减阻润滑浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特征，一般按管壁空隙的11.5CM计算理论压浆量，由于泥浆的流失及地下水的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达理论值的4-5倍，但在施工中还要根据土质情况、顶进情况而定。顶管施工注浆

12、系统示意图（D3-03-01）顶管注浆系统分为机头同步注浆和管道补浆。机头同步注浆由地面液压注浆泵通过2管路压送到机头处储箱内，再由螺杆泵定量压入机头壳体外，在机头处应安装隔膜式压力表，以检验液是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置单向阀和球阀，软管和接头的耐压力5MPa，支管通径为25。在工作井洞口止水装置前的建筑空隙处设置4个注浆孔，当管道外壁进入洞内，未与土体磨擦之前就先浸满浆液。触变泥浆随管外壁向土体渗入。 在整个管道中每间隔2个管节设1个补浆断面共4个注浆孔，补浆由第2根总管（2）分别压送至各补浆断面上的注浆孔。补浆应按顺序依次进行，每班不少于2次循环，定量压注。同步注浆和补浆为两个

13、独立的管路系统，都采用液压注浆泵，分别选用A浆和B浆二种不同配方的浆液，详见表4-03。浆液配置技术指标参数表 表4-03配方膨润土纯碱掺加剂漏斗粘度(秒)视粘度CP失水量ml终切力(达因/mm3)比重稳定性A浆126CMC适量塞流30.591301.0730B浆84CMC适量36”2112.6801.04800.001注浆压力：大于地下水压力，注浆量为建筑空隙的45倍。四、顶管的施工工艺流程顶管的施工工艺流程如下：五、泥水压力设定、总推力估算5.1顶管总推力值估算 本工程选用工作井10接收井11顶管来说明顶管的主要施工方法，管材为3000，“F”型钢筋砼管，顶程为300m。 掘进机迎面阻力F

14、0 3000：F0=rHA=1.89.593.5723.14/4=172.79 t 管道的综合阻力F1 F1 =DL =43.57300=1345.86t 总推力F F = F0 + F1 =1518.45t本标段工作井所能承受的最大顶力为6000KN，因此本顶程需设中继间。5.2 顶力控制与中继环设置（详见图D3-03-02）在综合分析了主顶液压装置，中继间的最大推力，管子允许的轴向力以及沉井后座最大土抗力以后，我们先确定控制顶力F控600t 顶进阻力由二部分组成F=F1+F2工具管迎面阻力为：3000：F1=rHA=1.89.593.5723.14/4=172.79 t 管道周边摩阻力F2

15、=DLf D-管外径 L-顶进长度 f-单位面积周边阻力。 在1号中继环以前，取f=1.2t/m2，在1号中继环以后，取f=0.6t/m2 这样可得：3000：L1=(F控 -F1)/Df (600-172.79)/3.571.2=32 m 对1号中继环以后的长度L2 3000 L2=F控 /Df =600/ 3.570.6=90 m 顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效方法是注浆。我们设想在管外壁与土层之间形成一条完整的环状的泥浆润滑套，变原来的干摩擦状态为液体摩擦状态。这样就可以大大地减少顶进阻力。要达到这一目的，就必须严格执行顶管注浆操作规程，由专人操作，质量员检

16、查严格把好质量关。本工程3000设3套中继环，为提高工程的可靠性，每套中继环安装12只800kN双作用油缸，总推力实际控制顶力为9600KN，油缸行程为500，由于中继环的实际总推力是顶进阻力引起的，所以在正常顶进条件下，中继环液压系统的工作压力较低，设备故障率小，可靠性高，即使遇到恶劣的施工条件，也能够使液压系统工作压力保持在额定压力以内。中继环的结构形式是采用特殊管的形式，其主要优点是：(1)采用径向可调止水装置，如果橡胶止水圈磨损，仍可以通过调节径内向六角螺栓，重新满足密封性能。即使橡胶止水圈被严重磨损，无法继续使用，也能够先对应急止水圈充气，再更换被磨损的橡胶止水圈，恢复良好的密封性能

17、。(2)由于密封装置的钢法兰是经大型立车床加工而成，又与成品管制成一体，尺寸精度高，刚性好，密封性能容易保证。(3)顶管施工后，拆除中继间油缸，割除抱箍并磨平后，中继环可以合拢，无需在此空档内浇筑混凝土，质量可靠，操作简便。在每套中继环处设置一台液压动力机组，3套中继环和主顶进装置由PLC可编程序计算器实现预定的联动，只需一名操作人员就可控制。在每套中继环处还安置了行程仪传感器，在操纵台上显示出行程读数，以便操作人员控制。根据计算，需中继站的个数如下表：顶程管径（mm）顶距管内底埋深(m）曲率半径（m）中继间12300010212.2012.08/0323000134.58.938.78/04

18、33000132.58.788.9358604530002168.938.70/16530002818.708.99/26730002468.998.73139028730002468.998.73/2893000241.58.999.25/2109300024510.5010.76/2101130002869.599.29/2121130002779.09.29/212133000234.59.09.25/1六、顶管推进6.1 顶进主要参数 在顶管机顶进中，泥浆的压力、浓度对保持挖掘面的稳定性起着关键作用。泥浆浓度根据土质变化及时调整。泥水舱泥浆压力取决与地下水、土压力，施工过程及时测得数据

19、，确定泥水压力，使泥水舱压力始终大于水压力。 泥水出定参数： 顶进速度 100mm/min 泥水比重 1.15t/m3 泥水流量 Q10.65m3/min 排泥流量 Q21.07m3/min1）顶进速度为保证管外触变泥浆套的形成和有3cm厚触变泥浆（3cm厚触变泥浆主要为纠偏考虑）。机头顶进速度设定100mm/min。如要加大顶进速度，在保证泥水舱泥压的条件下，要先加大泥浆流量，再计算顶进速度，否则排泥管会堵塞。2）泥水压力 （1）泥水压力值P的选定： P值应能与地层土压力和静水压力相抗衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0.，则P一般控制在P=P020(Kpa)，并在地层顶进过程中根据

20、地质和埋深情况以及采取的相应技术措施进行反馈和调整优化。（2）地表沉降与开挖面保持平衡稳定关系以及相应措施对策。地表沉降与工作面稳定关系以及相应措施与对策表4-01地表沉降信息表工作面状态P与P0关系措施与对策备注下沉超过基准值工作面塌陷与失水Pmax P0减少P值（3）泥水压力P的保持主要通过维持开挖土量与排泥量的平衡来实现。可通过设定顶进速度、调整排泥量或设定排泥量、调整顶进速度两条途径来达到。6.2 泥浆管理你将管理就是对泥浆质量的控制，即对泥浆四大要素的调整。四大要素为：最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆水密度和泥浆水压力。泥浆控制除保持开挖面稳定外，对泥浆稳定、泥浆中土粒保持也很重要。随着

21、粘土矿物质组成和氯离子浓度的不同，泥浆物理特性有很大的不同。因此，使用前先进行泥浆试验，了解其主要特性，根据管理标准值进行控制以保持适当泥浆压力。6.3 顶进工序1） 无中继间时顶进 启动刀盘系统： 启动输泥管和排泥管泵，Z1、Z2电动阀关闭，Z3电动阀打开（平常Z4、Z5开启，Z6关闭），泥路循环，自控系统调整管路压力，时Z2阀处压力达到设定压力并稳定。机头顶进：当没加中继间时，工作井顶进千斤顶设定顶进速度100mm/min，再计算机控制下，千斤顶以100mm/min速度顶进。如加中继间，中继间J设定顶进速度100mm/min，在计算机控制下，中继间千斤顶以100mm/min速度顶进。同时，

22、流量计测量流量，通过PLC调整工作井变频泵，使排泥管流量保持在1.07m3/min，压力计Z1测量压力，通过PLC系统，控制在Z1电动阀的开启度，保持泥水舱压力。2）下管时的操作程序关闭Z1、Z2电动阀，保持泥水舱压力，Z3打开冲洗排泥管路；全部中继间停止顶进，停止油泵；机头刀盘停转；待排泥管路冲洗干净后，停止输泥泵、排泥泵；关闭触变泥浆、输泥管、油管、排泥管阀门。拆除工作井管接口各种管线、电缆、管内应急灯工作。6.4 触变泥浆系统只要顶管机开始出洞，触变泥浆只有在下管时不补浆，其他时间全部补浆。触变泥浆以顶管机头的同步加浆非常重要，机内人员在机头顶进时要观察注浆压力和流量，并作记录。每次下管

23、后顶进前，机头操作人员要开启触变泥浆与排泥管联通阀门515秒，以使管内触变泥浆有凝胶变成胶体，减少压力损失。6.5 排风系统排风系统下管后马上接通送风，在顶管焊管过程中保持补间断送风。6.6 测量详见测量章节。每次下管后对工作井中心线校测，同时人工测量机头后第一管口、第二管口高程，与计算机中记录数据对照，同时绘制机头、第一节管、第二节管中心、高程测绘曲线，作为纠偏方案的依据。6.7 纠偏本工程使用的顶管机带自动纠偏功能，纠偏原理时：全站仪（GTS800A型）发出不可见光，到机头中心光靶，光靶把偏移反应到计算机，计算机控制纠偏千斤顶工作。全站仪测量高程、中心误差百万分之二。顶管机纠偏误差2cm之

24、间。就顶管机本身而言，高程、中心控制在30mm时没有问题的，但我们以往的经验是，机头走机头线路，管子走管子路线，即机头与前进方向倾斜前进。根据以往的经验，我们采取如下的措施：机头外径比管径大30mm，即管外与土体有15mm的触变泥浆膜。当机头纠偏时，机头前进产生的侧向压力N的分力要克服土体对管子的约束力，如土体是原状土，约束力会很大，土体被触变泥浆置换，触变泥浆是胶体，约束力很小，管子比较容易纠偏。6.8 泥水分离和泥浆再生在顶进过程中，泥浆系统是一直不停的，泥水分离工作也必须一直不停的，并有专人负责。排除砂直接装车外运，沉淀池两座轮流使用，沉淀池上清夜水排放，中层泥由配浆技术人员测定比重，用

25、泵把中层泥浆抽到搅拌机内搅配比重新制泥水，下层泥外运。七、工作井设施基坑导轨应具有足够的强度和刚度。本工程基坑导轨由型钢和钢板焊接而成。在工作井底板基础上应事先预埋钢板，预埋钢板的位置与基坑导轨相吻合，以便导轨与之焊接。预埋钢板上的锚固钢筋要焊牢并有足够的锚固强度，导轨安放后，还应在二侧用型钢支撑好，必要时再浇筑混凝土，确保导轨在受撞击的条件下，不走动，不变形。主顶油缸架是拼装式结构，主顶油缸架的安装也要定位准确。保证油缸受力点的正确位置。其高程和平面安装误差小于5mm。承压壁是承受和传递全部顶力的后座墙，更应具有足够的强度和刚度，并有足够安全度。本工程的承压壁设计先用混凝土浇平，后靠采用25

26、0mm原箱行结构形式，在钢板和工作井混凝土平面之间灌注100mm左右厚度的砂浆，承压壁的面积HB57m。工作井基坑设施图（D03-03-03）八、顶进施工测量8.1 测量方法测量是使顶管机沿设计轴线顶进，保证顶管机顶进方向精确度的前提和基础。为保证本工程的测量精度，施工前首先完成对业主所给测区导线网与水准网及其它控制点的检核。在顶管机上配备激光导向系统指导顶管机顶进，以降低人工测量的误差和劳动强度，加快施工进度。同时采用全站仪对顶管轴线进行测量控制。施工时严格贯彻三级测量复核制度，即总公司精测队精测、公司精测队复核并交桩于工程项目部测量队，工程项目部测量队进行复核，然后反馈给监事和业主确认，监

27、理监测队确认后，再由项目测量队进行施工放样测量，从而确保顶管按设计方向顶进。8.2 主要测量技术措施1）地面控制测量上场后，将立即组织公司精测队根据业主提供的工程定位和测量标志资料，对所给导线点、水准点及其它控制点进行复测；同时测设施工过程中使用的加密控制点，并将测量成果书报请监理工程师及业主审查、批准。（1）引测工作井地面导线点根据业主及工程师批准的测量成果书由公司精测队以最近的控制点为基点，引测三个导线点至每个出发井附近，布设成三角形，形成闭合导线网。（2）引测工作井地面水准点根据业主及工程师批准的水准点由公司精测队以最近的水准点为基点，将水准点引测至出发井及接收井附近，按国家2级水准要求

28、建立本工程的首级高程控制。每个出发井附近至少布设二个测点，以便相互校核。2）坚井联系测量（1）平面坐标传递用全站仪和1/200000投点仪配合，用极坐标法，将地面坐标及方向传递到出发井中。用高精度全站仪测出井下三角形边角与理论值计算比较，达到规范后定出顶管设计中心线。（2）高程传递用鉴定后的钢尺，挂重锤10kg，用两台水准仪在井上井下同步观测，将高程传至出发井下固定点，最大高差中误差小于等于一毫米，整个管段施工过程中，高程传递至少进行三次。8.3 顶管机顶进测量1）控制测量方法顶管内接收激光束的光靶传感器和数据处理系统组成了顶进姿态测量控制系统，用来测量以激光导向点为参照的顶管机切削舱的测量板

29、的垂直和水平位移、激光入射水平角及顶管机切削舱仰角及滚动角。2）控制系统操作人员通过远距离摄像监控及微机系统，对测量数据进行处理计算并将处理结果反应出来的顶管机位置偏差显示在操作室屏幕上，指导操作人员对顶管机进行修正纠偏作业。3）测量系统激光定向仪、经纬仪、电子测距仪、水准仪组成了测量系统。4）顶管机初始位置的测定和输入：将顶管机切削舱的测量板的仰角、滚动角、水平角三个数据测出，并将激光基准点的相对于顶管机的位置（X.Y）测得并输入控制系统。5）经纬仪坐标（X.Y.Z）的测量及经纬仪的设置直线段每50米左右安装接口系统，使发射的激光束能够被目标系统有效接收。同时，人工测量出经纬仪的坐标（X.Y.Z）。输入控制系统，作为计算顶管机位置的基准。6）导向系统以安装在顶管壁上的激光经纬仪发出的激光为基准点。然后，测量系统把激光束的方向精度、距离、经纬仪的坐标（X.Y.Z）等数据测出，输入到控制系统。激光束发射到测量板上以后，测出光点在测量板上的位置（X.Y），计算出顶管机轴线与激光束轴线的关系、顶管机的仰角和滚动角，通过电缆把数据输给控制系统，控制系统中的微机计算结果考虑测量系统与顶管设计轴线的安装误差，计算出测量板对应的顶管轴线与顶管设计轴线偏差值（X.Y）。通过顶管机实际轴线与顶管设计轴线夹角，预测出顶管机切削舱的（X，Y）偏差趋势。通过这些显示在顶管机操作屏上