公路顶管方案

1、公路顶管施工方案胜利油田胜利石油化工建设有限责任公司2012年11月 12日公路顶管穿越施工技术方案1. 工程概况关中环线天然气储气调峰管道工程地处陕西关中地区经济发达的西安、宝鸡两大行政管理区，交通道路发达，沿线穿越高速公路、管道沿线主要公路有G310 G107 G108 S107、S108 X203 X201、X304等。国道、省道、县道及乡村公 路穿越次数比较多。按照设计招标文件要求，穿越方式采用顶管穿越施工，公路顶管穿越采取液压顶管施工方式。省道穿越示意图表1-1关中环线天然气储气调峰管道工程管道顶管穿越统计表（DN900段）高速公路穿越50m/1 处顶管泥水平衡顶管国道、省道穿越96

2、m/6 处顶管液压顶管三级公路穿越123m/11 处顶管液压顶管乡村公路穿越278m/4 4 处顶管液压顶管序号公路名称穿越长度穿越方式备注1高速公路穿越260m/7 处顶管液压顶管2国道、省道穿越164m/9 处顶管液压顶管3三级公路穿越152m/19 处顶管液压顶管4乡村公路穿越1204m/198 处顶管液压顶管表1-2关中环线天然气储气调峰管道工程管道顶管穿越统计表（DN600段）穿越长度穿越方式公路名称备注2. 液压顶管作业流程不合顶管穿越流程图3. 顶管施工措施3.1施工原理在公路两侧放出管道中心线，选择地势较低的一侧作为顶管操作坑，另一侧 为接收坑，确定顶管穿越的进、出口位置，在操

3、作坑内放入第一节穿越套管和顶 管设备。由人工先在套管前端掏土，待套管前端形成略大于套管外径的圆型空间 后，再顶进套管。待套管顶进后再继续人工掏土，正常顶进1-3m时应进行相关测量，管线位置发生偏移时，要及时采取校正措施，无偏移时继续顶进，如此循 序渐进，直至穿过公路为止。施工中的清土、排渣采用轨道小滑车配合施工。I混凝土套管00 /QUP O °0 J O 4nQ0 ° n° 0°:7 霭以ga pi拦貯沁3o；Qf .c * 0 z方？ <? 0 * %.° D p qOJw. 0?0顶管施工示意图3.2施工准备1）组织施工人员熟悉施工

4、图，进行技术交底，探讨施工质量保证措施。2）开工前预先与公路主管部门联系，按照管理部门的要求办理穿越施工手续， 按其要求设置相应的警示标志。3）应向公路、铁路等有关部门了解清楚穿越地段内地下是否有通讯线路、管道等设施，对于此类设施应请主管部门的有关人员现场指定位置，人工开挖，使之 暴露，保护方案应得到主管部门认可。3.3顶管机的选用工程施工采用钢筋混凝土钢承插口三级管（最大套管为DN1800m）根据总顶力经验计算公式 F=nG-L其中n土质粘住系数G每米套管自重L顶管长度每米套管自重=材料密度x每米套管体积=2.45 X n X （ 1.8+0.15 ）X 0. 15X im=2.2t顶管长度

5、按60m计算，土质按粘土、粉质粘土，含水量较小时，挖后能短期 形成土拱，土质系数取1.52总顶力=n G- L=2X 22 X 50=220t土质按密实砂土、 含水量大的粘土、亚粘土，挖后不能形成土拱土质系数取34。总顶力=n G- L=4X 2.2 X 50=440t根据以上计算，本工程设计顶管穿越长度最大为 50m按穿越地段为含水量 较大的粘土、亚粘土、粗砂、密实砂土考虑，采用 4 台 120 吨液压千斤顶进行施 工应该可以满足其推力需要。3.4 修筑施工便道根据现场情况， 高速公路穿越应根据依托道路情况在穿越点工作坑侧修筑一 条 3.5 米宽施工便道，以便于车辆、材料进入，施工便道与管线

6、便道平顺相接。 省道、国道及县乡公路可以依托现有道路作为施工便道。3.5 场地平整、测量放线1）根据现场情况，若操作坑开挖深度能够一次开挖的，在工作坑一侧平整出一 块宽30m长30m的施工场地（铁路、高速公路、省道等顶管长度较长道路可平 整处宽 40 米，长 50 米施工场地）。2）测量放线（ 1）根据设计给定的控制桩位，用经纬仪放出穿越中心轴线，并定穿越中心桩， 施工带边线桩，撒上白灰线， 同时用水准仪将高程引测到穿越控制点上， 以便控 制操作坑挖深。（ 2）测量放线同时放出操作坑与接管坑的位置和开挖边线。（ 3）保护好公路两侧中心线上的标志木桩，以便按该桩测量、审核操作坑开挖 深度和穿越准

7、确度。3.6 作业坑开挖1）根据设计要求，在穿越道路两端各开挖一个工作坑，一个作为作业顶进工作 坑，另一个作为接收首节管的工作坑。2）操作坑宽度为5m,工作坑的长度与管节长度、千斤顶长度及后背墙的尺寸有关，其长度根据现场和所使用的千斤顶的尺寸而定，穿越套管单根长以2m计算,操作坑长度为 5m。3）工作坑的深度由设计管底高程及基础厚度而定，即管底高程减去轨道及基础厚度，就是坑底标高。4）在挖作业坑时，后背墙的原土层不得破坏，后背墙具体要求如下：（1）要考虑有充分的强度，在顶进中能承受液压千斤顶的最大反作用力而不破 坏。（2）要有足够的刚度，当受到千斤顶的反作用力时，应使压缩变形小，当反作 用力取

8、消时，应能基本恢复原位，以充分发挥千斤顶的有效冲程。（3）后背墙表面要平直，并且垂直于顶进管道的轴线，以充分避免产生偏心受 压，影响顶进质量。（4）根据土质情况，必要时后背墙要采取相应的支撑措施，例如加枕木，加止 推平台，选材要均匀坚固，以承受较大的后座力，避免造成后背墙受力不均，发 生倾斜现象。5） 在地形复杂、易塌方地段，应修筑混凝土操作坑，操作坑后背采用30c m厚钢筋混凝土，并在后背中夹设槽钢、枕木以加强后背强度，坑底标高比套管底标高低0.5m，并在作业坑的坑底铺素砼垫层 200mm在公路两侧路基70cm以内严禁 开挖作业坑。6）地下水位高，坑内内出现渗水现象的，操作坑采取深井降水法将

9、地下水位降 至坑底0.5m以下。坑底四周挖排水沟，并在适当位置挖集水坑，用潜水泵提升排放施工中渗出的积水。坑上口四周边沿设挡水坝，以防地表水流入坑内，坝的高度为0.5m，顶宽0.5m，坡比1/0.5 ;在操作坑内安装轨道、安装顶管设备。3.7顶管设备安装就位1）设备下坑前，要对已挖好的坑基进行测量找平，符合技术要求。2）作业坑处理完毕，用16t汽车吊安装后靠背挡板，支撑托架及推进轨道等， 测量校正导轨面，保证套管中心线与设计中心相吻合，保证施工精确度。3）安装护圈护圈装于首节管端部，护圈由外壳、内环和肋板三部分组成， 护圈外壳套于 顶进管外部，遮板端部呈20°30°角，尾板

10、宽度1520cm1 21 遮板2 尾板3 套管壁 4 环梁5 筋板图3.7-1 套管护圈示意图4）安装管节混凝土管节下坑前应先进行外观检查包括管端面的平直度， 管壁表面的光洁 度及端面上有无纵向裂缝，检查合格的管节用吊车吊到顶管工作导轨上， 准备连 接顶进。详见顶管穿越示意简图。5）千斤顶着力点在被顶管端面上的部位是离管底 1/3管径处，故千斤顶下面需 要搭台，千斤顶可一只或多只，但要按管中线对称布置。管道顶进时所用顶铁包 括环形顶铁，方顶铁和横铁。环形顶铁安放在管端面处，它的内、外径尺寸要与管端面尺寸相适应，厚度300500mm它的作用是使方顶铁传来的顶力较均匀地分布到被顶管端面上，以免管端

11、面顶坏。方顶铁是在顶管过程中调节间距的垫铁，因此方顶铁的长度要根据千斤顶的冲程、管节长度而确定。方顶铁的两顶端面严格要求平整与平行，若达不到这一 要求时不可使用。因为顶端间不平行， 在作业时容易发生顶铁外弹。顶管横铁安 在千斤顶与方顶铁之间，将多只千斤顶的顶推力传递到两侧的方顶铁上。横铁断 面尺寸300X 300mm长度按被顶管口径及千斤顶数量确定， 套管规格为DN1200mm 混凝土套管。详见图3.7-2 。1.边坡2.套管3.环向顶铁4.纵向顶铁5横向顶铁6.千斤 顶7.集水坑8.方木9.基础图3.7-2 顶进装置示意图3.8顶管作业1）顶进也就是把管节沿导轨推顶到已挖好的洞内的作业，顶进

12、操作要坚持先挖 后顶，随挖随顶”的施工原则。千斤顶顶进一个冲程后，千斤顶复位，在横铁和 环形顶铁间装进合适的顶铁，然后继续顶进。顶铁安装应平直，顶进时严防偏心，以免使顶铁崩出伤人。顶进时注意油压 变化，发现不正常时立即停止顶进， 并检查原因。千斤顶活塞伸展长度应在规定 范围内，以免损坏千斤顶结构。在整个顶进操作中应坚持连续作业。在顶管作业遇到石方时，可采用预裂爆破、膨胀剂或人工凿进等方法施工。2）管道接口管节稳定后，在管内侧两管节对口的地方按设计要求用垫油毡或麻辫一石棉 水泥填充密封，在管内用钢涨圈将两节管接口支撑牢固，使接口处于刚性连接， 避免在顶进中受力产生错口，保证顶进过程中高程和方向的

13、准确性。 钢涨圈是用 610mm钢冈圈焊成的圆环，宽 260300mm环外径比钢筋混凝土管内径小 30 40mm 详见图 3.8-1。121 木楔2 套管3 钢涨圈4 麻辫图3.8-1套管钢胀圈示意图3）碎土外运可采用双轮小推车运，从工作面开凿下的碎土要及时通过管内用小推车水平运输至工作坑内，然后垂直提升至地面。4）设备吊拆当套管顶进至对面接管坑时，套管穿越完毕，吊拆设备，清除管内碎土，进 行误差测量。进行主管穿越施工。3.9 质量控制与误差校正顶管的质量要求1）上下偏差：钻进长度在 30m以内的套管，偏差不应大于 100mm钻进长度在 3042m以内的套管，偏差不应大于150mm钻进长度在4

14、2m以上的套管，偏差 不应大于 200mm。2）水平偏差不应大于套管长度的 2%。3）顶管中心线允许偏差不得超过顶进长度的 1.5%，顶进位移纠偏时，每次纠偏 角度不宜过大，可根据管径、顶进长度和土质情况确定，一般在 5'20'之间 为宜。顶管质量的检测管节在顶进时， 必须对顶进管段中线的方位及高程严格控制， 以保证顶管的 质量。顶管时的中线容易产生方位和高程上的偏差。其原因有以下几个方面：1）由于两侧千斤顶的顶力不对称，或后背发生倾斜，造成中线左右偏离。2）由于顶力作用点和管中线不一致，造成中线左右偏差。在前方挖土时，管底 超挖而使高程起伏的不均现象。3）顶管的端面或后背上下

15、部位的土壤承载力相差较大。4）导轨安装有较大误差。5）顶铁制造质量差，受力后变形。根据设计要求， 工作坑的方位、 高程、标定管道中心线、 设定临时水准点等， 都要进行精心测量，开始顶进的首节测量非常重要，首节管顶进好坏、 方位是否 正确直接关系到顶进的质量。对每节管吊装下坑组对时，要及时进行相关的测量，并在正常顶进13m时 就应测量一次，管线位置发生顶偏移时，要及时采取校正措施。顶管质量的控制 1）顶管高程的控制，可在顶坑中悬空固定水准仪，在顶管首端设立十字架。每 次测量时，若十字架在管首端的相对位置不变， 水准仪的高程亦固定不变， 只要量出十字架交点偏离的垂直距离， 就可读出顶管的高程偏差。

16、若水准仪从坑外引 进绝对高程，那么顶进管段的各点高程也可推测出来。顶管时的方位偏差， 可在 坑上面引出中线，在中线方位的两点向坑内吊设两根垂球线， 若管首端通过中心 点的垂球线和上两垂球线在一条直线上，则顶管方位是准确的，否则存在偏差。2）对管内工作面已挖成形，要由专检人员进行质量检验符合要求后，方准进行 顶进作业。在顶管过程中校正偏差是保证顶管质量的有力措施，偏差是逐渐积累起来 的，也只有逐渐校正过来，偏差过大校正就很困难，因而在顶管过程中应勤校测， 发现偏差及时校正。校正的方法分坑内和管端面纠偏这两类方法，具体作法如下：1）挖土校正法：在管子偏向设计中心的一侧适当超挖，而在相对的一侧不超挖

17、或留坎，使管子在继续顶进中，逐渐回到设计位置，校正中不得猛纠硬调，以防 产生相反结果。当管前土方被切削形成一定的土洞孔隙时，利用顶力设备。当偏差为10-20mmB寸，可采用此法校正。2）顶木校正法：当偏差大于20mn或者用挖土法校正无效时，可用圆木或方木一 端顶在管子偏离设计中心的一侧管壁上，另一端装在垫有钢板或木板的管前土壤 上，支架稳固后开动千斤顶，利用顶进时顶木斜支管子所产生的分力， 使管子得 到校正。3）千斤顶校正法：这种矫正法基本上同顶木校正法， 即用小千斤顶接一短顶木， 利用小千斤顶的顶力使管位得到校正。4）加垫块校正法：即在顶管末端与顶铁间的适当位置垫上一块相应厚度的楔形 钢板，

18、使顶铁和管间形成一角度，顶进时可使被顶管得到纠正。4.泥水平衡顶管施工工艺流程西汉高速公路50米穿越位于西安市长安区，由于户县段地下水位较高，因 此顶管穿越采用泥水平衡法顶管施工。114.1施工工艺流程图如图:泥水平衡顶管施工工艺流程框图4.2施工准备在工作井旁设置泥浆池，大小根据顶管隧道长度确定，池底铺设土工布，四 周设置片石挡墙。工作井边侧为顶进控制室，自动控制台、通讯设备等均在控制室内，场地布置若干集装箱作为办公及工具间，进场的砼管、半成品材料堆放在 指定地点，修筑4m宽临时道路，现场四个角上各安装錪钨灯一座。选择YD-2200型泥水加压平衡顶管机，机头刀盘可双向偏心切割，且具有破 岩功

19、能。其施工艺为：泥水平衡式工具管是全断面钻削式掘进机，分前后两段，前端 的端部是刀盘，其后是格板，将前段分成两部分，格板的前方是泥水舱，承受泥 水压力，后方是动力舱，处于常压。后段与顶进管段相连。随着工具管的推迸， 刀盘不断转动，进泥管不断供泥水，排泥管不断将混有弃土的泥水排出泥水舱。 以泥水压力来平衡土压力和地下水压力，又以泥水作为输送弃土介质的机械式工 具管。泥水平衡顶管机适应的土层范围广、施工速度快、对地面沉降控制好。泥水平衡顶管机工作原理如下：由 2台30kW电机驱动安装在主轴上的多边 形刀盘旋转、切削土体，与多边形的壳体组成泥土仓，对土体和较大的土块、石 块进行破碎，然后通过隔栅板而

20、进入后面的泥水仓。泥水仓下部设有两根水管（一 根进水、一根排泥）及四根电缆（主电缆、控制电缆、视频电缆及行灯电缆），示意图如下。泥水平衡工作原理示意图静止土压C D泥水仓压 'fl20kPa 即施工时，把泥水仓内的压力控制在比顶管机土层的地下水压力高可。由于进水是有一定比重的泥水， 它可在挖掘面上形成一层泥膜， 防止地下水 向泥水仓渗透而流失。 同时，由于泥水仓内有一定的水压力与泥土仓的土压力共 同平衡顶管机土层的土压力，以达到泥水、 土压双重平衡的目的， 从而可最大限 度地减少土和地下水流失，也就可最大限度地减小地面沉降。所以， 只要控制好 泥水仓内的水压力和泥土仓的土压力， 就可平

21、衡顶管机所处土层的地下水压力和 土压力。4.3 顶管设备就位根据施工现场测量控制网，采用 50t 履带吊将千斤顶、导轨的安装就位， 严格复核导轨与洞口的位置， 再将机头安放在导轨上， 并测量其前后端中心的方 向偏差和相对高差，机头的接触面必须相互吻合，刀盘应离开封门 1 米左右， 放 置平稳后重测导轨标高，高程误差不应超过 5mm安装后对各系统进行认真检查 和试运行，达到正常运转。顶管机安装调试完成后须进行始发井洞口止水钢板的拆除与砖砌封门的凿 除。封门应尽量凿除干净，不要遗留块状物，使掘进机刀盘贴住前方土体。洞口止水圈一般由以下四部分组成：前止水墙；预埋螺栓；橡胶止水圈；压板。洞口止水圈一般

22、做两道（前面一道是充气的，像一只自行车内胎一 样，与管子不直接接触；中间也有一道止水圈。平时，前面一道止水圈是不充气 的，只有当后面一道止水圈损坏需更换时， 前面的那一道充气， 起到止水作用） 。要求洞口止水圈橡胶的拉伸量300%肖氏硬度在50±5度范围以内，还要 具有一定的耐磨性和较大的扯断拉力。4.4 顶进施工 顶管过程中由测量系统、顶进系统、出泥系统、泥浆系统、通风系统组成。a. 建立控制网工作井、接收井施工结束后， 按工作井穿墙孔与接收井接收孔的实际坐标测 量放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到工作井测量平台上和井壁上。 在工作 井四周建立测量控制网，并定期进行复核各控制点。

23、投放顶管测量始测点和 2 个后视点，始测点设在顶管后座专用测量平台上， 后视点设于穿墙孔上部的井壁上，定期互相校核。b. 管道施工测量 施工管道测量采用高精度全站仪系统进行测量，测量平台设在顶管后座处。测量光靶安装在掘进机尾部， 测量时全站仪系统直接测量机头尾部的测量光靶位 置，根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。c. 施工过程中的测量校核 全站仪测量系统随着顶管距离的延长测量精度会有所降低， 影响测量精度的 原因主要有两方面， 一是由于后视点距测量仪器较近， 而前视点随顶管距离的延 长比较远，是由短边控制长边引起的测量误差； 二是由于顶管内空气湿度比较高， 引起激光束抖动、光点扩大等引起的误

24、差。施工过程中的测量校核是相当重要的工作，主要从以下两个方面进行控制： 轴线复核为防止测量产生累积误差， 当顶进距离较长时， 对管道的轴线采用导线法进 行复测，并利用复测结果在下一根管道顶进时进行修正。进洞前的复测为了保证顶管的精确进洞，在顶进至距接收井80100 m时，作一次全线复测，在进洞前3050m再进行复核。经多次复核后可保证顶管精确进洞。出泥系统出泥系统采用TSWA15E9级高压水泵抽水，并采用 6寸管输送高压水。高 压水送至工具管尾部后一路输送至顶管掘进机尾部水力机械设备。当在施工时随顶进距离的增加管道内进水、 出泥效率差时， 可在进水管路中 串联增压泵， 及在排泥管路中串联排泥泵

25、接力。 并先将泥浆排入工作井内的泥浆 箱中，然后再启动渣浆泵或备用水力机械进行二级提升。泥水系统包括泥水输送（平衡）系统和泥水处理系统两大部分。a. 泥水输送（平衡）系统：该系统具有两大功能，一是通过加压的泥水来平 衡开挖面的土体， 二是将刀盘切削下来的土体在泥水压力室中混合通过泵经泥水 管路输送到地面。该系统采用一台送泥泵， 二台排泥泵（其中一台接力） ，控制顶管机在顶进、 停止及时将泥水排放，泥浆的输送，其调节由土压传感器通过变频自动控制排泥 泵完成，并设有手动操纵控制。b.泥水处理系统：该系统的主要功能是通过泥水处理设备， 将多余的泥水进 行分离、排渣，并将泥水的比重和粘度等指标调整到比

26、较合适的数值， 通过送泥 泵将其送回到顶管机中重复使用。主要采用泥水分离装置（处理能力 1080n3 /h ）、泥水沉淀池和泥水处理再生池，示意图如下：顶管供水系统和排泥辔甥系统示意图443泥浆系统a.泥浆减阻顶管在顶进过程中必须加触变泥浆进行减阻， 触变泥浆的配比应根据现场的 土质、地下水水质试配确定，顶进过程中工具管压浆应超前于顶进，管外泥浆不得倒流，应保持泥浆套的压力。注浆设备和管路要可靠， 具有足够的耐压和良好 的密封性能。在注浆孔中设置一个单向阀，使浆液管外的土不能倒灌而堵塞注浆 孔。长距离顶管可采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式 进行减阻。补浆管布置于每10m一

27、道，补浆孔按90°设置。每道补浆环有独立的阀门控 制。润滑泥浆材料主要采用钠基彭润土，纯碱、CMC物理性能指标：比重1.05 1.08g/cm3，粘度3040S,泥皮厚35mmb.泥浆置换顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换， 置换浆液为水泥砂浆并掺入 适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压住。压浆体凝结后（一般为 24h）拆除管路 换上封盖封堵，并进行局部防腐处理。通风系统将经过净化装置处理含氧量较高的压缩空气，通过压缩空气系统送至掘进机头部。抽风采用抽出式轴流风机安装在距掘进机 1215m处，中间设接力轴流风机，向管道外排出浑浊空气，示意图如下：风机管道软管LT通风系统示意图始发井主顶装置均为4只千斤顶，千斤顶必须符合顶力要求，分两列布置， 各油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心 来进行辅助