顶管施工原理及重难点分析和事故案例分析

顶管施工技术及重难点分析

2021/5/912021/5/92工程概况

＊虹桥商务核心区（二期）区域供能管沟工程包括供能管沟、中继泵房以及与功能项目一期的联通段等。主线管沟长4462m，接用户段管沟长610m，其中顶管段长4435m，明挖段长637m；管沟工程设顶管工作井共30个，另设中继泵站两座。

＊18座主线工作井及南片区中继泵房围护结构采用地下连续墙，工作井基坑平面尺寸以11m*11m为主，最大工作井基坑尺寸为19.2m*11m，基坑开挖深度最深达21.26m；10座用户井及北片区中继泵房围护结构主要采用SMW工法桩，用户井基坑平面尺寸7.9m*5.8m，基坑开挖深度达13.5m。

＊二期供能管沟主要采用顶管的施工方式，共29段，其中φ4200mm钢顶管长2751m，共11段；φ4000mm砼顶管1024m，共8段；φ3500mm砼顶管长343m，共10段；φ3000mm砼顶管长66m。主线顶管埋深3.56~14.24m，用户井顶管埋深4.63~8.96m。2021/5/93南片区平面图北片区平面图2021/5/941.1顶管施工原理顶管施工的基本原理为：从地面开挖两个基坑井，然后管节从工作井安放，通过主顶千斤顶或中继间的顶推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿出，穿越土层到达接收井的预留口边，然后通过接收井的预留口穿出，形成管道的施工。现在比较常用顶管施工为泥水平衡顶管施工法，其施工原理：通过导向头的刀削转动功能将泥土、砂、石破碎，由一条钢管注入水量，拌成浆液，由另一条钢管吸出浆液，将浆液置于离心器内离心脱水，再将干土卸到斗车内运去弃土的地方，分离出的水又回到储水箱内重复循环使用。施工所采用的主要设备为信息化及全自动化泥水平衡顶管机2021/5/951、顶管机：顶管机的作用①切削土体并搅拌均匀,②控制顶进的方向。

泥水平衡顶管机2021/5/962、主顶系统：主顶系统装置由：后座垫铁、导轨、千斤顶及千斤顶支架、后座泵站组成，其作用是完成管道的推进。

千斤顶主顶泵站后座顶铁U型顶铁2021/5/973、穿墙止水环

穿墙止水环安装在工作井预留洞口，具有防止地下水、泥砂和触变泥浆从管节与止水环之间的间隙流到工作井。地下水丰富、压力大，或管道埋深较深时，压板可加工成绞接，防止止水橡胶因地下水压力往外翻出。导轨洞口止水环预留洞口2021/5/984、泥水系统进、排泥浆泵泥水分离装置1、泥水式排泥系统的主要设备：包括进排泥浆泵、泥浆管、泥水处理装置、泥水箱等。2、排泥系统有两个作用：一排土，二平衡地下水。循环管2021/5/995、触变泥浆系统泥浆搅拌桶触变泥浆泵触变泥浆管1、主要设备：由拌浆、注浆和管道三部分组成。2、作用：减少顶进过程中的管节与土体的摩阻力。降低地面沉降2021/5/9106、测量系统激光经纬仪操作台机头测量靶

1、测量系统的主要设备：激光经纬仪、测量靶和监示器组成。2、测量系统的作用：监示顶管施工过程中顶管机推进的轴线偏差。2021/5/9117、纠偏系统纠偏液压泵纠偏千斤顶1、主要设备：纠偏千斤顶、油泵站、位移传感器和倾斜仪组成。2、作用：控制顶管施工中的顶管机推进方向。2021/5/912顶管施工的工艺流程图：加中继环包括施工准备地下管线勘察工作井/接收井施工设备安装后座、导轨安装液压系统、千斤顶安装穿墙止水环安装泥水循环系统安装触变泥浆系统安装测量系统安装照明、通风系统安装掘进机吊装穿墙顶进下放管节、接管安装中继环正常顶进、测量是否到接收井回收掘进机是下一段顶管施工设备调试否全段测量1.2主要顶管施工技术2021/5/9131、出洞洞口止水洞口土体加固2021/5/9142、正常顶进2021/5/9153、泥水循环泥水压力表进、排泥浆管2021/5/9164、测量2021/5/9175、纠偏、数据传输4组纠编千斤顶

纠偏千斤顶设在顶管机前后段之间，共4组千斤顶。通过组合动作，控制顶管机的顶进方向。

当激光点偏移测量靶中心，表明顶管机偏移轴线推进，就要启动纠偏动作。（如激光点往上移动，说明机头是往下偏移，必须伸出下面的2组千斤顶）。2021/5/918角度倾斜仪位移传感器

纠偏动作控制在地面操作室的操作台远程控制，如何确认操作的正确性是通过远程数据传输来实现。

1、纠偏量的控制是通过安放在纠偏千斤顶上的位移传感器来实现。

2、顶管机的状态（水平倾斜、扭转）由安放在机头的角度倾斜仪来体现。数据显示表2021/5/9196、触变泥浆

在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大。为了提高顶进施工的效率，在施工过程中尽可能地降低管道外侧的阻力，通常情况下往管外侧喷谢触变泥浆，降低顶进的阻力。触变泥浆管膨润土分散在水中，其片状颗粒表面带负电荷，端头带正电荷。如膨润土的含量足够多，则颗粒之间的电键使分散系形成一种机械结构，膨润土水溶液呈固体状态，一经触动（摇晃、搅拌、振动或通过超声波、电流）、颗粒之间的电键即遭到破坏，膨润土水溶液就随之变为流体状态。如果外界因素停止作用，水溶液又变作固体状态。该特性称作触变性，这种水溶液称为触变泥浆。2021/5/920注浆孔的形状及布置：在每节管的前端布置一道触变泥浆注浆孔，数量为6个，孔的布置均匀。经过不断压浆，在管外壁形成一个泥浆套。2021/5/9218、穿墙进洞

接收井进洞处理与工作井相同，当顶管顶到墙体位置时，凿穿实际工具头进洞位置的混凝土，迅速顶出工具头。2021/5/9229、管内通风

1、施工人员需进入管道内作业或检查维修设备时，施工前须对管道内进行通风，施工过程中应连续对管道内通风；2、临时进入长时间没有对管道内通风的管道作业时，须对管道内通风30min后，并对管道内进行毒气监测，明确安全后才能进入管道内作业；3、管道钢管顶进施工时，焊接过程中应对管道内进行通风，减少烟雾进入管道内，减少烟雾对测量激光束的影响；2021/5/92310、管内照明

1管内照明电源应与动力电源分开，设置独立电源控制；2管内照明电压应采用低压，电压一般采用36V、24V、12V、6V，管道内气体严重潮湿时宜采用6V电源；3管道内照明应能清淅地看清管道内的环境。2021/5/924顶管施工扰动分区,并将受顶管施工扰动的土体分为7个扰动区2021/5/925二、顶管施工重难点分析2.1机头及管节旋转:(1)原因分析：1）顶管机出洞时，由于机头与导轨之间摩擦力较小，难以平衡刀盘切入土体时的反力矩，机头产生偏转。出洞后，虽然机头后有管节，但是还不能平衡反力矩，还会带着管节一起偏转。2）纠偏量过大，纠偏频繁，往往也使管节产生偏转力矩，引起管节偏转。3）主顶油缸安装不平行同样会使管节产生偏转。（2）应对措施1）顶进中尽量避免过大及频繁的纠偏。2）主顶油缸安装要平行于轴线，控制油路要使油缸动作同步。3）顶进中可利用刀盘反力矩纠正偏转，适当加大刀盘切土深度，然后将刀盘回转方向切换到与机头偏转方向一致。4）在机头一侧加配重，调整机头偏转。2021/5/9262.2顶管方向失控:(1)原因分析：a、工作井出洞口无土体加固措施。b、掘进机纠偏液压系统遇故障。c、掘进机纠偏行程小，纠偏力不够。d、测量数据有误。e、纠偏不及时，纠偏幅度过大。f、遇到土质变化，开挖面失稳。（2）应对措施a、采用可靠的进出洞口地基加固措施。b、施工前，掘进机进行维修、保养、调试和验收，施工过程加强检查，遇故障立即停止顶进修理。e、实行三级测量复核制度。d、采取勤测、微纠原则。f、遇到突发情况，逐级汇报，确定偏差报警值，杜绝方向失控。。2021/5/9273.3顶力急剧增大:(1)原因分析：a、触变泥浆选材质量不好。b、触变泥浆材料配方不合理。c、现场搅拌不充分，水化时间短。d、注浆孔布置不合理。e、注浆泵耐压低。f、注浆量没有控制好。（2）应对措施a、选材应进行测试和论证。b、配方应进行筛分和优化。c、科学合理的按设计的管路进行布置。d、采用液压注浆泵，并维修好，确保耐压大于2bPa以上。e、注浆量和注浆压力按设计要求控制。f、所有压浆接头用生料带包扎，确保无渗漏现象。2021/5/9282.3顶进过程中蛇行和滚动控制:(1)原因分析：1）由于在顶进过程中对土体的扰动，使土体和顶管机的周边握裹力减弱，纠偏过大，产生蛇行。2）由于压注润滑泥浆方法欠佳或局部注浆过量时，使浆液不能形成箍套，而在管道底部不断积聚浆液造成钢管上漂。（2）应对措施1）加强润滑泥浆压注的科学管理，确保注浆和顶进的同步性，使浆液能及时填充到顶进出现的空隙。2）补压浆要遵守“全线、平均、及时”的原则，使管节周围能均匀形成泥浆套，尽量避免局部超量超压。3）在特别严重区域，采用上注下放和压重的补救措施，减少出现曲线驼峰。2021/5/9293、顶管施工事故案例2021/5/930一、事故经过（N08~N07砼顶管倒退事故）N08~N07区间东线顶管为DN4000砼顶管（内径4000mm，外径4640mm），顶进距离20米，穿越土层主要为⑤1粘土层，覆土深度约10.58米。顶管设备采用泥水平衡顶管机。2014年10月19日凌晨4点，3N2-1（N08-N07）东线第八节管道顶进完成；5点，东线开始下管道，准备开顶；当管道下放距导轨5米处，东线管道整体后退，后退长度约2.9米。顶管后退影响范围：润虹路北侧半幅，靠近申虹路；路面塌陷呈漏斗型，影响2幅机动车道及1幅非机动车道，塌陷最深约1.2m，东西向长10.7米，南北向10.1-12.9米，面积约117平方。2021/5/9312021/5/932二、应急抢险路面塌陷事故发生后，施工单位现场第一时间通知各参建单位、各相关管线单位、道路管理单位及交警。施工单位立即启动紧急抢险预案；对润虹路进行交通引导、车辆绕道，并对N08工作井内顶管管道进行加固，防止再次后退。收集现场路面相关数据，判断塌陷路面范围管线分布及破坏情况；结合顶管相关数据；分析后，确定现场抢修方案并执行。1、针对顶管整体后退2.9米，路面塌陷；分两步同时实施：2、路面：将塌陷路面凿开，主要管线完全暴露，确认管线破损情况，对管线进行修复（在相对应管线单位指导下实施）；管线修复完成后，将路面进行回填恢复。经与道路管理单位洽商后，道路结构层如下：黄砂（回填至管线顶以上30cm）、素土掺7%水泥（作土路基）、砾石砂、混凝土（夹钢筋网）、沥青（面层）。3、顶管：因管道后退2.9米，机头刀盘直径4.665米，空隙空间为：49.54立方。必须要求将后退的2.9米管道重新顶至后退前；避免塌陷进一步扩大。从19日早上5点开始交通组织开始，至20日凌晨1点左右，管线、路面修复完成，路面沥青因混凝土养护时间限制，经交警、道路管理单位同意，待混凝土养护至强度85%，进行路面沥青摊铺。从19日早上9点开始焊接管道止退措施，至20日凌晨2点左右，N08-N07东线第八节管道顶进至原位。至20日凌晨5点，抢修施工结束。2021/5/933三、事故原因该事故，从收集的相关数据、分析，与各参建单位人员多次探讨后，认为如下：1、总包及分包夜班管理人员未尽到管理职责，分包单位现场操作人员未按规定流程操作。2、通过前6节管节顶进及处理，第7节管节顶进时未设置有效的止退防退措施，仅凭类似工程的施工经验控制。3、在⑤1粘土层中，顶管顶进里程近20米、顶力不大的情况下，注入触变泥浆，导致顶管管道管身与土层接触摩阻力骤减，迎面土压力远大于摩阻力；从而造成顶管后退。2021/5/934四、吸取教训积累经验1、加强现场管理，项目部及分包施工管理人员管理到位，止退装置专人管理，严格按要求执行，且做好过程记录。2、根据顶力情况适时压注减摩泥浆。单节管道顶进至最后50cm时，放慢顶进速度，适当降低前仓泥水压力。3、止退采用管节与基座焊接固定。4、顶进到位后，油缸先不要完全缩回；缩回3cm，密切观察管道后退趋势后再进行完全缩回，油缸缩回后，及时拼装管节。

2021/5/935一、事故经过（N08~NY04地表沉陷事故）N08-NY04区间顶管为DN3500砼顶管（内径3500mm，外径4140mm），顶进距离39.92米，穿越土层主要为④灰色淤泥质粘土，上部部分穿越③灰色淤泥质粉质粘土，覆土深度约7.18米。顶管设备采用泥水平衡顶管机。本次顶进从2015年3月25日开始，截止至29日上午顶进里程为27.5米，各监测点变化较小，最大累计沉降点NY04-7为6.5mm，在可控范围内。

29日下午，顶进里程达到30米，管线监测点RQ12、RQ13、RQ14、SS6、SS11、SS12、SSX11、SSX12、SSX13、TX6、TX16、TX17、WS8-2、WS8-3、YS8、YS18、YS19、YS20、YS21，地表监测点NY04-1、NY04-2、NY04-3、NY04-4、NY04-5、NY04-6、NY04-7、NY04-8日变化量均已达到或超过警值，TX11被破坏，其中单次变化最大值;-43.7mm(NY04-5)，最大累计值：-47.2mm（NY04-6）。地面沉降趋势稍有减缓，但地面沉降还在继续，造成N08井围档外侧人行道局部塌陷，并未对管线造成大的影响。2021/5/9362021/5/937二、应急措施（N08~NY04地表沉陷事故）

塌陷事故发生后，施工单位现场第一时间通知各参建单位、各相关管线单位、道路管理单位。施工单位立即停止顶进施工，即时封索塌陷区域，收集现场塌陷的相关数据，判断塌陷范围管线分布及破坏情况；结合顶管相关数据；分析后，确定现场抢修方案并执行。

1、将塌陷区域凿开，相关管线完全暴露，确认管线破损情况，对管线进行修复（在相对应管线单位指导下实施）；管线修复完成后，将塌陷区域进行回填恢复。经与道路管理单位洽商后，进行人行道修复2、对顶管轴线范围内围档进行加固，防止出现倒塌情况。3、放缓顶进速率，防止地面沉降影响范围进一步扩大；减少出土量，在机头前部重新建立起泥水平衡状态，采取同步注浆的方式增加顶管自持力，保持顶管上部土体的承载力；2021/5/938三、事故原因（N08~NY04地表沉陷事故）

该事故，从收集的相关数据、分析，与各参建单位人员多次探讨后，认为如下：1、总包及分包夜班管理人员未尽到管理职责，分包单位现场操作人员未按规定流程操作。2、在顶管进加固区时，未对顶管系统参数进行相应的调整，且补浆量不足，未能达到足够的泥水压力，造成地层损失率超出控制范围，从而引起地面塌陷；3、从地质报告上来看，顶管穿越土层含有第③层灰色淤泥质粉粘土，呈流塑状，高压缩性，高灵敏度，分布较稳定，厚度约0.7～7.8m，局部夹粉（砂）性土较多。2021/5/939四、吸取教训（N08~NY04地表沉陷事故）1、根据施工方案及现场经验，应适当调整注浆量，控制好泥水压力，特别是对于顶管管节进出加固区时应及时对顶进参数进行调整；

2、总包及专业分包单位应加强安全和技术交底工作，交底工作必须到班组并留有记录。特别对于顶管下穿道路的技术交底，施工班组应严格按照交底内容实施；

3、分包单位应引起足够重视，提高现场管理人员责任心，举一反三，加强自身管理；

4、现场施工过程中，应按照方案的内容做好施工记录，特别是对于前舱压力、进排泥量等推进参数做好施工记录；2021/5/9404、顶管施工安全分析序号施工工序常见风险因素危害类型工程质量或安全人身安全建构筑物管线安全交通安全1顶管进出洞加固质量或效果不佳，导致洞口封门拆除时坍方，影响工程及人身安全●●●●2洞口密封装置安装质量不佳，导致渗漏，严重者可导致坍方●●●●3正常段顶进施工触变泥浆压注不当，引起地面沉降●●●4参数设置不当，相关参数不匹配，致使产生超挖或欠挖，引起地面过度沉降、或隆起以及管线变形，周边构建筑变形●●●5管节接缝发生渗漏，引起地面沉降●●●2021/5/9414.1危险有害因素辨识根据事故发生的可能性和暴露于危险环境的频繁程度，对事故可能发生的风险进行评价