市政管道顶进施工-掘进顶管施工

模块8顶管施工单元二

顶管工作坑一、人工掘进顶管法掘进顶管施工操作程序如图2-1所示。1.顶进管段的两端各建一个工作坑（坚井）；2.在工作坑中安装有后背墙、千斤顶、导轨等；3.然后将带有工具管的首节管，从顶进坑中缓缓吊入工作坑底部的导轨上；当管道高程、中心位置调整准确后，开启千斤顶使工具管的刃角切入土层；4.工人可进入工作面挖掘刃角切入土层的泥土，并随时将弃土通过运土设备从顶进坑吊运至地面；5.当完成这一开挖过程后，再次开启千斤顶，则被顶进管道即可缓缓前进。图2-1掘进顶管过程示意图1-后座墙；2-后背；3-立铁；4-横铁；5-千斤顶；6-管子；7-内涨圈；8-基础；9-导轨；10-掘进工作面一）管材与管径掘进顶管常用的管材为钢筋混凝土管、铸铁管、钢管等。分为钢筋混凝土管采用普通管和加厚管，管口形式有平口和企口两种。最小管径：900mm。二）顶管施工方案主要内容：（1）选定工作坑位置和尺寸，顶管后背的结构和验算；（2）确定掘进和出土的方法，下管方法和工作平台支搭形式；

（3）进行顶力计算，选择顶进设备，是否采用中继间、润滑剂等措施，以增加顶管段长度；（4）遇有地下水时，采取降水方法；（5）顶进钢管时，确定每节管长，焊缝要求，防腐绝缘保护层的防护措施；（6）保证工各质量和安全的措施。二、工作坑工作坑是掘进顶管施工的工作场所。

1.位置确定（1）根据管线设计，排水管线可选在检查井下处；（2）单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水；（3）考虑地形和土质情况，有无可利用的原土后背；（4）工作坑与被穿越的建筑物要有一安全距离；（5）距水、电源较近的地方等。2.工作坑的种类及尺寸根据工作坑顶进方向，可分为单向坑、双向坑、交汇坑和多向坑等形式，如图2-2所示。图2-2工作坑类型1-单向坑；2-双向坑；3-交汇坑；4-多向坑

工作坑尺寸是指工作坑底的平面尺寸，它的与管径大小，管节长度，覆盖深度，顶进形式、施工方法有关，并受土的性质、地下水等条件影响，还要考虑各种设备布置位置、操作空间、工期长短、垂直运输条件等多种因素。工作坑的长度如图2-3所示：图2-3工作坑底的长度1-管子；2-掘进工作面；3-后背；4-千斤顶；5-顶铁；

6-导轨；7-内涨圈其计算公式：

L=L1+L2+L3+L4+L5

式中：

L—矩形工作坑的底部长度（m）；

L1—工具管长度（m）。当采用管道第一节作为工具管时，钢筋混凝土管不宜小于0.3m；钢管不宜小于0.6m.。

L2—管节长度（m）；

L3—运土工作间长度（m）；

L4—千斤顶长度（m）；

L5—后背墙的厚度（m）；工作坑的宽度和深度如图2-4所示：图2-4工作坑的底宽和高度1-撑板；2-支撑立木；3-管子；4-导轨；5-基础；6-垫层其计算公式：

W=D+2B+2b

式中：W—工作坑底宽（m）；

D—顶进管节外径（m）；

B—工作坑内稳好管节后两侧的工作空间（m）；ｂ—支撑材料的厚度。支撑板时，ｂ＝0.05m；木板桩时,ｂ＝0.07m。

H=D+h1+h2+h3式中：H—顶进坑地面至坑底的深度（m）；

h1—地面至管道顶部外缘的深度（m）；

h2—基础及其垫层的厚度（m）；

h3—管道外缘底部至导轨底面的高度（m）。

工程施工中，可以根据经验，估算工作坑的长度和宽度。工作坑的长度可以用下式估算：

L=（L4+2.5）m

工作坑和宽度可以用下式估算：

W=D+（2.5-3.0）m。3.工作坑、导轨及基础施工1)工作坑施工工作坑的施工方法有开槽式、沉井式及连续式等。（1）开槽式工作坑工作坑的纵断面形状有直槽式、梯形槽式。工作坑支撑采用板桩撑。如图2-5所示的支撑就是一种常用的支撑方法。工作坑支撑时首先应考虑撑木以下到工作坑的空间，此段最小高度应为3.0m，以利操作。撑木要尽量选用松杉木，支撑节点的地方应加固以防错动发行危险。

图2-5工作坑壁支撑（单位：mm）1-坑壁；2-撑板；3-横木；4-撑杠（2）沉井式工作坑在地下水位以下修建工作坑，可采用沉井法施工。沉井法即在钢筋混凝土井筒内挖土，井筒随井筒内挖土，靠自重或加重使其下沉，直至沉至要求的深度。最后用钢筋混凝土封底。沉井式工作坑采用平面形状有单孔圆形沉井和单孔矩形沉井。（3）连续墙式工作坑连续墙式工作坑采取先深孔成槽，用泥浆护壁，然后放入钢筋网，浇筑混凝土时将泥浆挤出形成连续墙段，再在井内挖土封底而形成工作坑。与同样条件下施工的沉井式工作坑相比，可节约一半的造价及全部的支模材料，工期缩短。2）导轨导轨的作用是引导管子按设计的中心线和坡度顶进，保证管子在顶入土之前位置正确。导轨安装牢固与准确对管子的顶进质量影响较大。安装导轨必须符合管子中心，高程和坡度的要求。导轨有木导轨和钢导轨。常用的钢导轨，钢导轨又分轻轨和重轨，管径大的采用重轨。导轨与枕木装置如图2-6所示。图2-6导轨安装图1-导轨；2-枕木；3-混凝土基础；4-木板

两导轨间净距按公式确定，如图2-7所示。

A={（D/2）2－［D/2－（ｈ－ｅ）］}1/2

＝{［Ｄ－（ｈ－ｅ）］（ｈ－ｅ）}1/2

式中：A—两导轨内净距（mm）；

D—管外径（mm）；

h—导轨高，木导轨为抹角后的内边高度（mm）；

e—管外底距枕木或枕铁顶角的间距（mm）约10～20mm

。 图2-7导轨安装间距一般的导轨都采取固定安装，但有一种滚轮式的导轨，如图2-8所示。具有两导轨间距调，以减少导轨对管子摩擦。这种滚轮式导轨用于钢筋混凝土管顶管和外设防腐层的钢管顶管。

导管的安装就应按管道设计高程、方向及坡度铺设导轨。两轨道平行，各点的轨距相等。导轨装好后应按设计检查轨面高程、坡度及方向。检查高程时在第1条轨道的前后各选6～8点，测其高程，允许误差0～3mm。稳定首节管后，应测量其负荷后的变化，并加以校正。还应检查轨距，两轨内距±2mm。在顶进过程中，还应检查校正。保证管节在导轨上不产生跳动和侧向位移。3）基础（1）枕木基础工作坑底土质好、坚硬、无地下水，可采用埋设枕木作为导轨基础，如图2-9所示。枕木一般采用15×15cm方木，方木长度2～4m，间距一般40～80cm一根。2）卵石木枕基础适用于虽有地下水但渗透量不大，而地基土为细粒的粉砂土，为了防止安装导轨时扰动基土，可铺一层10cm厚的卵石或级配砂石，以增加其承载能力，并能保持排水通畅。在枕木间填粗砂找平。这种基础形式简单实用，较混凝土基础造价低，一般情况下可代替混凝土基础。

（3）混凝土木枕基础适用于地下水位高，地基承载力又差的地方，在工作坑浇筑20cm厚的C10混凝土，同时预埋方木作轨枕。这种基础能承受较大的荷载，工作面干燥无泥泞，但造价较高。在坑底无地下水，但地基土质很差，可在坑底铺方木形成木筏基础，方木可重复利用，造价较低。4.工作坑的附属设施工作坑的附属设施主要有工作台、工作顶进口装置等。1）工作台位于工作坑顶部地面上，由U型钢支架而成，上面铺设方木和木板。在承重平台的中部高有下管孔道，盖有活动盖板。下管后，盖好盖板。管节堆放平台上，卷扬机将管提起，然后推开盖板再向下吊放。

2）工作棚工作棚位于工作坑上面，目的是防风雨、雪以利操作。工作棚的覆盖面积要大于工作坑平面尺寸。工作棚多采用支拆方便、重复使用的装配式工作棚。3）坑进口装置管子入土处不应支设支撑。土质较差时，在坑壁的顶口处局部浇筑素混凝土壁，混凝土壁当中预埋钢环及螺栓，安装处留有混凝土台，台厚最少为橡胶垫厚度与外部安装环厚度之和。要安装环上将螺栓紧固压紧橡胶垫止水，以防止采用触变泥浆顶管时，泥浆从管外壁外溢。工作坑内还要解决坑内排水、照明、工作坑上下扶梯等问题。

模块8顶管施工

单元一

顶管施工准备一、顶管施工技术简介我国顶管施工技术始于1953年，北京市污水管工程采用顶管法施工，管径900mm的铸铁管，穿越白云观西墙外的铁路路基，已有50多年的历史。这种施工工艺在穿越铁路、公路、河流等障碍物有特殊的实用意义，而且对埋设较深、处于城市闹区的地下管道施工具有显著的经济效益和社会效益，广泛应用于管道的施工上。通过50多年，我国顶管施工技术取得了长足进展。1985年上海采用顶管施工法，修建穿越黄浦江的取水工程，钢管管径为3000mm，顶距已达1128m。目前顶管施工已在全国各地广泛采用，不仅可以顶进铸铁管、钢筋混凝土管、钢管、还可以顶进大型的方涵。二、顶管施工适应范围及特点1.顶管施工适应范围1）管道穿越铁路、公路、河流或建筑物时；2）街道狭窄，两侧建筑物多时；3）在交通量大的市区街道施工，管道既不能改线又不能断绝交通时；4）现场条件复杂，与地面工程交叉作业，相互干扰，易发生危险时；5）管道覆土较深，开槽土方量大。2.特点1)施工面占地面积少，施工面移入地下，不影响交通、污染环境；2)穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少拆迁，节省资金与时间，降低工程造价；3)施工中不破坏现有的管线及构筑物，不影响其正常使用；4)大量减少土方的挖填量，利用管底下边的天然土作地基，可节省管道的全部混凝土基础;5)顶管槽施工较开槽施工降低40%左右的工程造价。3.顶管施工的问题1)土质不良或管顶超挖过多时，竣工后地面下沉，路表裂缝，需要采用灌浆处理；2)必须要有详细的工程地质和水文地质勘探资料，否则将出现不易克服的困难；3)遇到复杂的地质情况时，如松散的砂砾层、地下水位以下的粉土，施工困难、工程造价增高。三、顶管施工准备工作1.施工单位应组织有关人员，对勘察、设计单位提供的线路进行工程地质及水文情况，以及地质勘探报告进行学习了解；尤其是对土地种类、性质、含石量及其粒径分析、渗透性以及地下水位等的情况进行熟悉掌握。2.调查清楚顶管沿线的地下障碍物的情况，对管道穿越地段上部的建筑物、构筑物所必须采取的安全防范措施。

3.编制工程项目顶管施工组织设计方案，其中必须制定有针对性、实效性的安全技设措施和专项方案。4.建立各类安全生产管理制度，落实有关的规范、标准，明确安全生产责任制，职责、责任落实到具体人员。四、顶管施工所需物资、机具1.采用的钢筋混凝土管及其他辅助材料均需合格。2.顶管前必须对所有的顶管用油泵、千斤顶进行检查，保养完好后方能投入使用。3.顶管工作坑的位置、水平与深度、支撑方法与材料平台的结构与规模、后背的结构与安装等均应符合要求，后背在承受最大顶力时，必须具有足够的稳定性，必须保证其平面与所顶管道轴线垂直，允许误差±5mm/m。4.一般按照总顶力的1.2倍来配置千斤顶。千斤顶的个数以偶数为宜。五、顶管施工安全知识1．顶管前，根据地下顶管法施工技术要求，按实际情况，制定出符合规范、标准、规程的专项安全技术方案和措施。2．顶管后座安装时。如发现后背墙面不平或顶进时枕木压缩不均匀，必须调整加固后方可顶进。3．顶管工作坑采用机械挖土方：1）现场应有专人指挥装车，堆土应符合有关规定，不得损坏任何构筑物和预埋立撑；2）工作坑如果采用混凝土灌注桩连续壁，应严格执行有关项的安全技术规程操作；3）工作坑四周或坑底必须有排水设备及措施；4）工作坑内应设符合规定的和固定牢固的安全梯，下管作业的全过程中，工作坑内严禁有人。4．吊装顶铁或钢管时，严禁在把杆回转半径内停留；往工作坑内下管时，应穿保险钢丝绳，并缓慢地将管子送入导轨就位，以便防止滑脱坠落或冲击导轨，同时坑下人员应站在安全角落。5．插管及止水盘根处理必须按操作规程要求，尤其待工具管就位(应严格复测管子的中线和前、后端管底标高，确认合格后)并接长管子，安装水力机械、千斤顶、油泵车、高压水泵、压浆系统等设备全部运转正常后方可开封插扳管顶进。6．垂直运输设备的操作人员，在作业前要对卷扬机等设备各部分进行安全检查，确认无异常后方可作业，作业时精力集中，服从指挥，严格执行卷扬机和起重作业有关的安全操作规定。7．安装后的导轨应牢固，不得在使用中产生位移，并应经常检查校核；两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致。8．在拼接管段前或因故障停顿时，加强联系，及时通知工具管头部操作人员停止冲泥出土，防止由于冲吸过多造成塌方，并应在长距离顶进过程中，加强通风。9．当因吸泥莲蓬头堵塞、水力机械失效等原因，需要打开胸板上的清石孔进行处理时，必须采取防止冒顶塌方的安全措施。10．顶进过程中，油泵操作工应严格注意观察油泵车压力是否均匀渐增，若发现压力骤然上升，应立即停止顶进，待查明原因后方能继续顶进。11．顶进或停止，应以工具管头部发出信号为准。遇到顶进系统发生故障或在拼管子前20min，即应发出信号给工具管头部的操作人员，引起注意。12．顶进过程中，一切操作人员不得在顶铁两侧操作，以防发生崩铁伤人事故。13．如顶进不是连续三班作业，在中班下班时，应保持工具管头部有足够多的土塞；若遇土质差、因地下水渗流可能造成塌方时，则将工具管头部灌满以增大水压力。14．管道内照明、电信系统应采用安全电压，每班顶管前要仔细检查各种线路是否正常，确保安全施工。15．工具管中的纠偏千斤顶应绝缘良好，操作电动高压油泵应戴绝缘手套。16.顶进中应有防毒、防燃、防爆、防水淹的措施，顶进长度超50m时。应有预防缺氧、窒息的措施。17．氧气瓶与乙炔瓶(罐)不得进入坑内。

模块8顶管施工单元三

顶进设备安装施工1.计算的通用公式顶管的顶力可按下式计算P=fγDI[2H+(2H+DI)tg²(45°-ø/2)+ω/γDI]L+PF式中:P—计算的总顶力（KN）；γ—管道所处土层的重力密度（KN/m³）；DI—管道直径（m）；H—管道顶部以上覆盖土层的厚度（m）；Ø—管道所处土层的内摩擦角（º）；ω—管道单位长度的自重（KN/m）L—管道的计算顶进长度（m）；f—顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数，其取值可按表3-1所列数据选一、顶力计算土类温干粘土、亚粘土0.2～0.30.4～0.5砂土、亚砂土0.3～0.40.5～0.6表3-1顶进时，管道与其周围土层的摩擦系数PF—顶进时，工具管的迎面阻力（KN）其取值，宜按不同顶进方法由表3-2所列计算。表3-2顶进时，工具管迎面阻力（PF）的计算公式顶进方法顶进时，工具管迎面阻力（PF）的计算公式（KN）手工掘进工具管顶部及两侧允许超挖0工具管顶部及两侧不允许挖π·Daυ·t·R挤压法π·Daυ·t·R网格挤压法a·π/4·D·RDaυ—工具管刃脚挤压喇叭口的平均直径（m）；t—工具管理体制刃脚厚度或挤压喇叭口的平均宽度（m）；R—手工掘进顶管的工具管迎面阻力，或挤压、网格挤压管法的挤压阻力。前者可采（500KN/m²）；a—网格截面参数，可取0.6～1.0。顶管的顶力应大于工具管的迎面阻力，管道周围土压力对管道产生的阻力以及管道自重与周围土层产生阻力之合。即：P≥（P1+P2）L+PF式中:P—计算的总顶力；P1—顶进时，管道单位长度上周围土压力对管道产生的阻力；P2—顶进时，管道单位长度的自重与其周围土层之间产生的阻力；L—管道的计算顶进长度；PF—顶进时，工具管的迎面阻力。

2．估算一种经验公式：P=2πD0Lf式中：P—顶力（KN）；D0—管子外径（m）；L—管子顶进长度（m）；一种经验公式包括两种情况：（1）粘土、天然含水量的砂土、挖土形成打拱顶计算：P=（1.5-3.0）w式中：P—顶力（KN）；w—待顶管段全部重量（KN）。(2)含水量低的砂质土、砂砾、回填土、挖土不形成土拱顶计算：P=3.0w式中：P—顶力（KN）；w—待顶管段全部重量（KN）。二、顶进设备

1.千斤顶（也称顶镐）

顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、下管及运出设备等

千斤顶是掘进顶管的主要设备，目前多采用液压千斤顶。常用千斤顶性能见表3-3。

名称活塞面积（cm²）工作压力（Mpa）起重高度（mm）外形高度（mm）外径（mm）武汉200t顶镐广州200t顶镐广州300t顶镐广州500t顶镐49141461671540.748.348.770.713602402402602000610610748345350440462

图3-1千斤顶布置方式（a）单列式（b）双列式（c）环周列式1-千斤顶2-管子3-顺铁

千斤顶布置与采用个数有关，如图3-1所示。一台千斤顶