大直径长距离泥水平衡顶管施工工法

1、天津市市级工法申报资料大直径长距离泥水平衡顶管施工工法天津三建建筑工程有限公司2013年8月目 录1、 申报表12、 工法内容8 天津市建设领域工程建设施工工法申报书 ( 2013年度) 工法名称大直径长距离泥水平衡顶管施工工法 申报单位 天津三建建筑工程有限公司 主管单位 天津市建工集团（控股）有限公司 申报时间 2013年8月31日 天津市城乡建设和交通委员会二一三年印制工法名称大直径长距离泥水平衡顶管施工工法主要完成单位天津三建建筑工程有限公司通讯地址河东区八纬北路17号邮编300170联系人宋红智电话24142423主要完成者姓名职务职称所在工作单位李锦春总工高工天津三建公司赵淮伟技术

2、经理工程师天津三建公司何志宏项目经理助工天津三建公司徐双燕技术负责人工程师天津三建公司郭岩川技术负责人助工天津三建公司本工法应用的工程名称及时间2013年津南污水处理厂（纪庄子污水处理厂迁建）配套进出水管网工程本工法关键技术名称及鉴定时间顶管泥水平衡施工工法关键技术于 年 月 日通过天津市建委组织的鉴定。本工法关键技术获成果奖励的情况工法内容简述： 本工法为大直径长距离泥水平衡顶管施工工法，原理为：顶管施工中，采用水力输送弃土，同时利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力进行施工。 大直径长距离泥水平衡顶管施工工法理论就是以含有一定量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一

3、定的压力，以平衡地下水压力和土压力进行施工，按照该理论，泥浆水在挖掘面上能形成泥膜，以防止地下水的渗透，然后再加上一定的压力就可以平衡地下水压力，同时也可以平衡土压力。 关键技术及保密点：（有专利法权的，请注名专利号）： 泥水平衡式顶管施工最大的优点是： 1、适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高，以及变化范围很大的条件下，它都适用。 2、可有效地保持挖掘面的稳定，对顶管周围的土体扰动比较小。因此，采用此方法顶管引起的地面沉降较小。 3、与其它类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以特别适用于长距离顶管。 4、工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由

4、于它采用泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险的作业。 5、泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。技术水平和技术难度（包括与国内外同类技术水平比较）：最长顶管长度为400m，管道直径为3m，跨度及直径较大，在天津地区同类工艺中比较少见。工法应用情况及推广应用前景：本工程为天津市纪庄子污水处理厂迁建工程，共计10个标段，对此顶管施工做出了专门的工法要求，此工法对今后天津市顶管工程中有相当大的推广作用，比较利于天津市的土层。经济效益或社会效益：1应用本工法达到了设计图纸的设计意图，满足了质量要求，同时使工程施工顺利的进行下去，避免了明开施工的放坡，缩小了施工占地，节约了占地费用以及美化了管线

5、周边的环境。工法主要完成单位意见同意申报市级工法年 月 日（公 章）主管单位推荐意见同意申报市级工法年 月 日（公 章）专家评审意见评审组长：年 月 日市建交委审定意见年 月 日（公 章）7工法内容大直径长距离泥水平衡顶管施工工法天津三建建筑工程有限公司1、 前言顶管工程分为若干个分部、分项工程，本工程为天津市在施的重点工程之一，我公司承建项目的第六标段，标段全长3200m，工程穿越津港公路及南引河，其中WE7WE8长度400m为工程顶管距离最长的部位。大直径长距离泥水平衡顶管施工工法是利用泥水平衡原理通过设置中继站采取泥水触变减阻等技术措施进行400m管道的顶进。2、 工法特点 2.12.1

6、泥水平衡顶管可有效地保持挖掘面的稳定，对顶管周围的土体扰动比较小。因此，采用此方法顶管引起的地面沉降较小。 2.2与其它类型的顶管比较，泥水平衡顶管施工时的总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以特别适用于长距离顶管。 2.3工作坑采用水泥搅拌止水帷幕加冒梁、水平撑支护，坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险的作业。 2.4泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。 2.5管道直径为3m,是目前天津市污水管道中最大的顶管管道，采用NPD3000型顶管机，千斤顶配备610个。2.63、 适用范围适用的土质范围比较广，在地下水压力很高，以及变

7、化范围很大的条件下，都可适用。 4、 工艺原理5、 施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程5.2 操作要点5.2.1顶管工作坑采用灌注桩在基坑周边作防护，水泥搅拌桩进行地下水的拦截，且基坑开挖后制作冠梁对基坑进行支护加固。水平支撑是什么？几道？5.2土体加固、洞口破除、止水：5.2.1土体加固工作坑进出洞口位置设计增设了三排8501200三轴搅拌桩，进行土体加固，三轴搅拌桩深度为嵌入基坑地面以下5m。？5.3.2洞口止水根据顶进施工技术及验收规范相关规定，顶管基坑内进出洞口设置一道止水墙。止水墙与支护灌注桩连接，厚度0.2m；高5m，宽8m，内部设置725钢筋作为主筋加固并与灌注桩连接，混凝土强

8、度等级C30。止水圈由四部分组成：止水墙、预埋螺栓、橡胶止水圈、压板。 l-止水墙；2-预埋螺栓；3-橡胶止水圈；4-压板 止水墙配筋示意图5.3.3洞口破除顶进基坑：顶管导轨及机头安装就位后，用风镐对灌注桩进行破除，破除后的洞口应为圆形，圆心与管道中心保持一致，洞口直径大于管道外径10cm。灌注桩破除到位后，顶进。5.4开机头：用吊车将现场的管道吊入基坑内，当机头就位后，首先接通机头刀盘旋转电源，开动刀盘使其向左或向右旋转，再接通进泥泵和排泥泵电源，泥浆由进泥管进到泥水平衡仓，充满泥水平衡仓，由出泥管回到泥浆池，形成循环泥浆管路。再接通机头刀盘顶进电源，使刀盘主轴向前行进，同时开动基坑内顶镐

9、，推动机头向前行进，当顶进1节管的长度后，关闭机头进泥阀门和出泥阀门，并使用排泥泵将管路中的泥浆抽空，若已顶进3节管后，应在顶进时注入触变泥浆。卸掉基坑内各种接头软管和电缆管路，使主顶镐回缩，移走顶铁，用吊车将混凝土管下到位，重新快速连接各种接头软管和电缆管路，使顶管就位，重复以上操作步骤循环顶进。在顶进过程中预先在确定的管道点位向管壁外侧同步注入泥浆，以减少侧壁顶进时的阻力，并支撑周围的土层。5.5顶管顶进：5.5.1顶管机头安装到轨道上，复核管道中心与顶管机头后，顶管机头顶进，顶进机头在没有全部进入洞时，在机头中心、高程偏差不大于±20mm，不考虑纠偏，如中心、高程偏差大于

10、77;20mm，及时确定纠偏方案，纠偏高程时，轨道上管要加配重，纠偏中心时，轨道管两侧要加支撑。5.5.2每节顶管吊至坑内导轨上，测量管道中心线及前后端管底高程，检查合格后，顶进至前一节管后端，并与之连接。在安装顶管时，顶管接口胶圈施工，严格按照设计和规范要求实施。5.5.3试顶：本次施工主顶设备均选用1.0m冲程的油缸，前端有环形顶铁连接。在顶管顶进一段距离后，要加设弧形活动顶铁，做一次顶进再下后一节管时，可将其吊移。在正式顶进前，对所有机器、电路、油路及其它设备进行最后一次测试。无误后即开始顶进。5.5.4洞口封闭安装后，先不转刀盘将机头缓慢平推入洞内。顶进时进泥流量控制在0.4-0.6m

11、³min。此时泥水分两部分流出，一部分由机头外流出井，另一部分由机头出泥管排出。5.5.5初始顶进的速度控制主要是机头吃土，机头克服刀盘旋转产生的扭矩，靠的是机头重量产生的与轨道的摩擦力，如果盘刀吃土太深扭矩大，机头会旋转，所以顶进速度不要太快，第一节管进洞阶段，刀盘速度控制在10-20mmmin，此阶段重点是找正管子中心、高程，偏差控制在±5mm之内；进泥流量控制在0.6-0.8m³min，泥浆由顶管机出泥管排入砂水分离设备。机头全部入土后，高程、中心偏差大于±10mm要纠偏，此时纠偏用机头纠偏设备。初始顶进最终把中心控制在5mm以内，高程控制在+10

12、mm以内，为后面的掘进打下好基础。5.5.6当主顶油缸顶进一段距离后，掘进机机头进入止水圈接触到坑外侧土体，机头刀片开始工作，掘进出的土体在切削刀盘内粉碎，进入泥浆舱，在那里与泥浆混合，泥浆通过排泥管输送到地面上。掘进机完全进入土层后，电缆及泥浆管拆除，下第一节顶管，将其推到掘进机尾套处与掘进机头连接，顶进，每节顶管顶进均安装前一节顶管后连接进行顶进。顶管施工中，为了使挖掘面保持稳定，必须在泥水舱中充满一定压力和相对密度在1.2左右的泥水，泥水在挖掘面上形成一层不透水的泥膜，它可以阻止泥水向挖掘面里面渗透。同时，泥水本身具有一定压力，可以用来平衡地下水压力和土压力。开挖面的泥水平衡是使泥水舱内

13、保持一定压力，使其与地下水压力相平衡。泥水压力过大，地面隆起；泥水压力过小，地面沉陷。因此每段顶管施工前根据此段穿越土层及地下水位情况设定泥水舱基准面泥浆压力。当偏差流量为正值时，顶管机处于“超挖”状态，偏差流量为负值时，顶管机处于“溢水”状态，当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压，查明原因后应及时调整相关参数，确保开挖面稳定。5.5.7当掘进机或前面几节工作管进入土体后，在安装下一节管子时，主顶油缸回缩，此时由于主动土压力的作用，常会造成掘进机和管子的后退，前端土体也随之滑裂，推进方向出现偏差。5.5.8顶进机头入土后，机头后方连续放置注浆管，顶进时不断注浆充填水泥浆使浆液

14、在管外壁形成比较完整的浆套，以后再间隔二节管子放置一节有注浆孔的管子用以补浆。顶进过程中遇到土质变坚硬，向土仓内加水或泥浆，掘进机上设有加泥孔，通过加泥孔向掘进面加泥；顶进过程中遇到土质软，第一节至第三节管及工具头联成一体，以增加整体的刚度，从而可避免机头突然沉陷。5.5.9由于顶进距离较长，覆土较深，所需顶力较大，须用注浆减摩的办法来减小顶进时的阻力。本次注浆材料主要采用钠基膨润土，膨润土液具有良好的触变性。要使膨润土液更适于注灌，更易成为完整的浆套，与管壁之间的摩擦力更小，就需添加一些添加剂，一般用纯碱作为分散剂，用CMC作增粘剂，针对不同土质条件和现场实际情况配制浆液。注浆效果的好坏，除

15、与选用注浆材料有关以外，还与注浆泵的选用、注浆孔布置，和注浆压力大小都密切相关。为确保注浆达到最佳效果，顶进前四节顶管都设置注浆孔，以后每隔二节设有注浆孔的管子。注浆时要连续不断地补充，形成一个完好的浆套。注浆孔的位置设置在管子的前端，这样注进的浆液先在管外壁与钢环带之间形成浆套，被挤出后，即在土壁上形成较为均匀的浆套；顶管内注浆孔按120度布置，共3个，如右侧注浆孔布置图。为防止注出去的浆液倒流，每一注浆孔设置单向阀。另外，注浆时要作好对注浆压力的控制，不宜过高避免发生冒浆，注浆泵选用脉动很小的螺杆泵。 施工中管线布置 5.5.10在长距离顶管中，通风是不容忽视的问题。在顶进超过40m以上时

16、，操作人员在管子内要消耗大量的氧气，而管内会出现缺氧，还有一些有害气体夹杂其间。为了操作人员健康及安全，必须靠通风设施来解决。我们采用鼓风机和抽风机相结合的方式来解决这一问题，将鼓风机和抽风机安装在工作坑的上方，以塑料管通入管道内。5.5.11在管子内有电缆，照明电线，水管，输油管，通风管等各种管线，一般均悬挂在管子顶壁及侧壁上，为保证施工有条不紊，预先在管子内壁上设置固定装置。做这些管线时，一定要作好接头，弯头的处理，并经常检查。管内采用12V低压照明。5.5.12顶管施工过程测量，采用激光导向控制系统，测量仪器位于顶进后方，在主顶设备后方底板砼上，预埋钢板，做托架，调整到所需的标高及管线轴

17、线方向后，对准掘进机内定位光靶上，并使其在监控显示屏上反映出来。操作人员根据投影影像判断顶进偏差情况。顶进刚进入土层时，每顶进0.3m测量一次，顶进34节后，正常顶进，每顶进1m测量一次，在进入接收井前30m范围增加测量频率，每顶进0.3m测量一次。5.6组合密封中继间与自动控制系统5.6.1组合密封中继间本工程中继间采用组合式密封中继间。其主要特点是可调节、可组合、可在常压下对磨损的密封圈进行调，从而克服了在高水头复杂地质条件下中继间密封圈的磨损而造成中继间的技术难题，在水压0.2MPa下施工。 5.6.2中继间布置 第一个中继间布置于管道20m处，第二道中继间布置于管道70m处。每道中继间

18、安装610只1000kN油缸，每个油缸行程为500mm，最大顶力为10000KN，额定顶力为8000KN，中继环设计允许转角为1度，中继间止水橡胶可通过径向调节螺丝自由调节，在圆角方向可以根据需要局部或整体调节，具有良好的止水性能。每道中继环安装一套行程传感器及限位开关与DK-20自动控制台相连。5.6.3中继间启用条件当设备顶力达到允许最大顶力或顶管工作坑后背墙允许最大顶力的55%（二者取最小值）时，启动第一个中继间，后续中继间在设备顶力达到允许最大顶力或工作坑后背墙允许最大顶力的65%时启用。5.6.4自动控制台中继环自动控制采用ZD-20中继控制台进行程序控制，在顶管过程中按摩擦力的大小

19、，由控制台自动发出信号自动控制中继环，中继环控制台通过控制电缆、中继箱、远程传感器及限位装置与中继环油泵自控箱连接。按顶进程序自动控制中继环工作。中继环自动控制台具有如下功能：可以控制各中继环按程序要求自动/手动进行顶管；可以按要求改变顶进程序；可以按受力情况调整每环顶进距离；计算机可以从自动控制台自动取样，设置中继环自动/手动工作，并适时打印各类数据，供技术人员分析。 5.7中继间开启顺序从顶管机头向后按次序将每段管节向前推移，当一组中继间伸出时，其它中继站应保持不动，在所有中继站依次完成作业后，主顶工作站完成该顶进循环的最后顶进作业。6、 主要材料与设备 6.1砼管材：品种、强度等级符合设

20、计要求，并有出厂合格证、出厂检验报告，材料进场后，按规范要求进行复检。 6.2商品砼：为了保证基坑强度，选用具有一定业绩及生产规模的厂家，在砼运至现场后，进行塌落度试验，并且留置砼试件。 6.3主要机具： 设备名称数量设备名称数量25T/70T/160T吊车各1台液压千斤顶 200t30台150Kw发电机3台液压站3部ZL50装载机2辆顶铁3套挖掘机2台注浆泵3台4”潜水泵20台空气过滤、除油装置3套5T/10T装卸汽车各2辆加长臂挖掘机3台电焊机6台顶管机NPD30003套 6.4设备照片： 顶管机头 液压设备 油缸 泥浆泵7、 质量控制标准 7.1给水排水工程顶管技术规程 CECS246-

21、20087.2给水排水管道工程施工及验收规范 GB50268-20087.3纪庄子水厂迁建配套管网工程岩土工程勘察报告7.4顶管施工技术及验收规范（试行）7.5土压平衡和泥水平衡顶管工程施工技术规程J10498-20048、 安全措施标准 8.1建筑施工安全检查标准 （JGJ59-2001） 8.2施工现场临时用电安全技术规范 （JGJ46-2005） 8.3天津市建设工程文明安全施工管理暂行规定8.4天津市建筑施工现场安全防护基本标准9、施工常见风险及应急措施 9.1工程风险分析： 9.1.1支撑变形较大或失稳 9.1.2地面沉降、隆起 9.1.3地质发生很大的变化，突然间变硬或变软 9.1

22、.4在顶管施工过程中，如果出现异常的偏差或纠偏失效 9.1.5支护桩侧向位移 9.1.6顶进管道渗水 9.1.7注浆措施 9.2应急措施： 9.2.1支撑变形较大或失稳 现场备足钢支撑、型钢、水泥及砂石料，并确保挖掘机、点焊接、搅拌机、喷浆机运转良好，放置在不影响施工的地方。 对支撑除按规定频率进行检测外，暴雨后应加强对支撑端头的检查，若有脱落或移位的迹象应及时整改。加强司机安全教育严防挖掘机和其他工程机械碰撞钢支撑，造成钢支撑脱落。 支撑失稳或脱落后，在设计位置的左右及下方及时架设临时支撑，然后再恢复设计位置的支撑。 9.2.2地面沉降、隆起 在顶管通过路面设置观测点，发现沉降超过警戒值应立

23、即停止作业，必须找出原因，及时调整方案并采取相应措施后才可继续施工。如沉降发生得到控制，则按调整方案继续施工。 如沉降发生不能得到控制，应停止顶管作业，马上进行换浆工作，保证地面的稳定，确保路面的安全。 在顶管的施工过程中做好换浆工作，在一段管道顶进完成后，及时换浆，一般以3天为一个周期，将水泥浆从注浆高于膨润土注浆的压力注入，把顶管前面的第一节的注浆孔打开，使膨润土泥浆流出，直到有水泥砂浆压出时，再把注浆孔塞上，换浆后管的周围有充分的水泥浆，经过一段时间后，水泥浆溶入粉砂土中，最终改变了土质和管壁合成一体，可充分保证塌陷问题的产生。 在顶通前应做好出洞前的准备工作，在机头出洞后及时将机头和连

24、接的管道分离，机头及时吊出井外，在第一时间抓紧处理井内泥浆和进行洞口封门，保证洞内土体和水量不流失，保证管道沉降得到控制。 根据检测数据调整减阻泥浆注浆量，减少管节背土现象，控制地面沉降。 9.2.3地质发生很大的变化，突然间变硬或变软。 可以通过刀盘的扭矩来判断，如果突然变硬了，则像水仓加入水或泥浆，掘进机上设有加浆孔，其目的就是用来加泥的。如果太软，可把第一至第三节管子及工具头都联成了一个整体，以增加它们的刚性，从而可避免机头突然沉陷。 9.2.4在顶管施工过程中，如果出现异常的偏差或纠偏失效的质量措施 必须在允许偏差标准以内就停下来，分析原因，找出对策再继续顶进，切不可盲目行动。操作人员

25、必须严格遵守这样一条规定：无论何种情况，超过允许偏差一律停下来，并且如实汇报情况，以便分析原因，找准对策。 9.2.5支护桩侧向位移的质量措施 基坑开挖过程中，边开挖边架设钢支撑，支撑连接处要可靠，每层开挖深度不超过设计深度，确保支撑体系稳定；施工时严格控制钢支撑各支点的竖向标高及横向位置，确保钢支撑轴力方向与轴线方向一致；在基坑开挖期间要加强对支撑的观察、每班要有专人巡察、当支撑轴力超过警戒值时，立即停止开挖，分析原因，制定对策；支撑施工要严格按设计要求架设。对支撑材料要严格把关，杜绝使用有缺陷的支撑材料。 应急措施： 出现险情时，现场人员立即从安全通道有序疏散； 在失稳的钢支撑旁加设钢支撑

26、，进行坑底加固，如采用注浆、高压喷射注浆等，提高被动区的抗力，同时对周围支撑复查，查找是否有支撑松弛，如果发现有支撑松弛，应立即采取加固措施； 如由于支撑失稳已经引起基坑坍塌，立即对基坑坍塌处回填土方，并清理基坑周边的超载，如果围护结构背土发生土体流失，要立即填充砂或砼，同时对周围支撑复查，查找是否有支撑松弛，如果发现有支撑松弛，应立即加垫木楔，防止失稳现象扩散。 9.2.6顶进管道渗水 安全预防措施： 顶进过程中地层受力变化、顶进机头突然出现栽头后进行纠偏造成管口接口错口位置设专人监视； 若发现出现渗漏，应及时处理。 应急措施：当漏水量较小时，采用在漏水处附近钻孔，向管外注入聚氨酯，利用聚氨酯遇水固化的化学特点，进行止水；当漏水较大时，采用高效速凝水泥临时封堵部分漏洞，并加设引流管，控制漏水尽量少冲刷高效速凝水泥封口，待速凝水泥达到一定的强度时，在漏点附近钻孔注入速凝液浆进行堵漏。 9.2.7注浆措施 布孔原则 注浆孔眼的位置及数量，则需根据不同地质情况进行合理安设。打孔的方法可视施工条件采用机械（钻岩机）方