顶管专项施工方案(泥水平衡法)

第一章编制依据和工程概况

一、编制依据

1、广州市净水有限公司所提供设计图纸、招标文件；

2、《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268-2008)；

3、《给水排水构筑物工程施工及验收规范》(GB50141-2008)

4、《市政排水工程质量检验标准》CJJ-90；

5、《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GB/T11836-2009)；

6、《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46-2005

7、《顶管施工技术》余彬泉、陈传灿编著人民交通出版社

8、国家有关法律法规及广东省人民政府、地方人民政府及其所属有关部门在施工安

全、工地治安、人员健康、环境保护及土地租用等方面的具体规定和标准。

9、建设同类及类似工程的施工经验及用于本合同段施工队伍的施工设备和技术力量

情况。

二、工程概况

本工程拟建设污水管道约2.893km,主管管径D500-D1000管道，限流管管径D300〜

D400,管材主要为：DN500采用HDPE管，倒虹管采用钢管，顶管采用HI级钢筋混凝土管,

其余采用n级钢筋混凝土管。施工方案为明挖和顶管结合施工。

顶管工作段为WC22-WC25长113米，WC25-WC29长164米。

顶管矩形工作井尺寸为7米X4.9米，圆形接收井尺寸为7米。

根据设计图纸顶管共2段共设顶管工作井1座，接收井2座，工作井设于WC25,接

收井设于WC25、WC25o

地质情况：根据地质报告中间成果，详见附件：钻孔柱状图

本工程顶管方式采用泥水平衡法。

第二章工程特点和施工前的准备工作

一、工程特点

1、本工程平面位置按排水工程管道走向依次布置，施工线路较长，施工放线及结构

的模板、钢筋施工的方案必须周密，重点控制。

2、由于本工程为全现浇钢筋混凝土结构，因此混凝土质量直接关系到结构的安全和

质量情况，因此必须确保混凝土的工程质量。

3、本工程施工历经雨季，所以抓好雨季施工是重点。

4、本工程施工场地要根据工程施工需要迁移，在每相临两座工作坑之间进行流水施

工是本工程的施工特点。

5、本工程顶管位于挖方区，埋置较深。

二、施工前的准备工作

1、进行施工测量和现场放线工作。

2、确定管线范围内及施工需用场地内所有障碍物，如管线、电线杆、树木及附近房

屋等的准确位置。

3、按施工平面布置图修建临时设施，设置装、运临时用水的设施、安装临时用电线

路，利用工作井内集水井进行机械排水。

4、进行顶管所用设备的加工制作。

5、根据顶进长度，准备好各类管线和所需的辅助物（固定架等）。

三、技术准备

1、进行施工技术交底工作。

2、做好定位点控制，施工测量和现场放线工作。

四、施工流程

1、顶管施工工艺流程

备注：(1)工作井完成后用16号槽钢做顶管导轨确定主轴线。

(2)、各设备就位开始顶进。

2、施工顺序

施工顺序为:工作井施工一顶进设备安装调试一吊装碎管到轨道上一连接好工具管一

装顶铁一开顶进机械一出泥一管道贯通一拆工具管一安检查井。顶管施工工艺流程图见上

图所示。

第三章工作井与接收井施工方案

第一节测量放线

一、平面测量与垂直测量方法选择

本工程±0.00以下平面及垂直测量采用全站仪进行施工测量。

二、测量依据及操作执行标准

所有测量定线依据建设单位给定的书面通知文件，以及设计施工图纸。

测量操作执行国家规范《工程测量规范》。

三、建立测量放线小组

序号职务人数

1测量工程师1人

2专职测量员1人

3测量放线员2人

四、本工程测量仪器、量具精度

序号仪器、量具名称职务型号及精度数量备注

1全站仪ZT20Pro1台鉴定

2水准仪DS323台鉴定

3塔尺5m1条鉴定

4钢卷尺50m1条鉴定

五、测量控制目标

1、测量放线合格率100%,确保达到施工精度和进度要求。

2、平面的控制线测量精度不低于1/10000,其测角精度不低于20〃。

3、标高控制：每连续墙施工段层间测量偏差W±3mm,全高W±10mm。

六、测量放线方法

1、定位及轴线尺寸控制

保证本工程的测量精度，在工作井中心线的延长线上设引桩控制网，控制网的各中心

线桩应控制在距井边15米以上。工作井开挖后用它做为各施工层恢复中线的依据。

外控制桩采用150X150X20mm钢板，底部焊接四只500nlm巾20钢筋作为地脚埋置于混

凝土中保护，保护深度为500mm。

2、高程测量：基坑土方开挖时，以±0.00标高控制点测出各负数整米数的水平点，

并在基坑壁上标记，最后将水平仪移至基坑底，校测基底标高。

3、标高控制

现场建立统一的水准网点，水准网点应根据建设单位（业主）提供的水准点进行引测。

工作坑施工时，根据所建立的水准网点，在坑边上测出T.500m标高线，作为工作坑

施工的依据。高程传递水准仪配合钢卷尺,钢卷尺起始端悬挂15kg线坠,如下图所示：

第二节工作井及接收井施工方案

沉井施工顺序：

泵井沉井井体分节制作，第一节和第二节3米，第三节2米，井体混凝土强度为C25。

工作井下沉至设计标高之后，采用C20素混凝土封底，封底厚度为1.6米，之后制作工作

井底板，底板采用C20钢筋混凝土制作，厚度为0.4米。

1、泵井沉井基坑开挖

根据设计图纸的泵井坐标定出泵井中心及泵井井体外壁四个角点的控制桩，基坑

底四边尺寸比泵井结构外围尺寸沿周边各放宽0.5m,依据设计图纸由泵井平面尺寸确

定基坑底面尺寸，泵井的基坑开挖深度为1m,以基坑底部周边尺寸按1：1放坡至地

面标高，为基坑敞口形，可供立模板、绑扎钢筋搭设外模板。泵井基坑采用人工挖土

并整平基底，土方可随即用车辆外运。

钢管脚手架

下一节沉井

2、沉井基坑铺筑

在人工整平之后，沿沉井壁体中心线铺设碎石垫层，垫层厚度为200mm,铺设宽

度1.25m（比刃脚宽度两侧各放宽0.5米），并用人工机具夯实平整；然后在碎石垫层

上填筑粗砂垫层，厚度为100mm,用平板震动整平、密实。在垫层上沿沉井刃脚四周

浇筑素碎垫层带，厚度为80mm,宽度比泵井壁体厚度内外宽200mm,沿碎垫层带周长

相距1.0m设承垫木条，供内外立模板，绑扎钢筋之用。

3、第一节泵井沉井制作

根据设计要求，确定第一节泵井制作高度，在铺筑的素碎垫层带上，铺设隔离层

（油毛毡或薄板条），然后通过垫层带中相隔1.0m的木条上搭立内模板和泵井满堂内

脚手架，内模板校正后绑扎钢筋，再立外模板和外脚手架，沉井内外模封闭后，串拉

杆螺丝、拉紧、清理井壁冲洗干净，复核验收立模扎筋均符合规范规程要求，放置漏

斗，间距4m,四个转角处均设漏斗，漏斗下挂若干节串筒，碎可直接通过漏斗、串筒

灌入井壁之中，保证砂跌落高度不大于L5m,不会产生碎离析现象，施工人员用电动

振动器，按碎操作规程进行振捣密实，保证泵井碎结构强度达到终凝后进行养生。当

井体碎达到设计要求强度时，依次同步抽除一般承垫木，每根承垫木抽除后，立即用

砂将刃脚下部填实，使沉井的荷重均匀地转移到砂堤上这样既可防止沉井的突沉，又

可以方便顺利地抽除其它承垫木。最后抽除定位承垫木。

4、沉井掏挖及下沉

泵井沉井下沉根据地下水位情况，计划采用不排水挖土下沉方法。

不排水下沉方法时，采用长臂挖掘机挖掘井底中央部分的土，使泵井形成锅底，

在砂类土中，一般当锅底比刃脚低1〜1.5米时，泵井即可靠自重下沉，而将刃脚下

的土挤向中央锅底，然后继续挖土，泵井便可继续下沉。若刃脚下的土不易向中央塌

落，则配以高压射水松土或进行适当排水下沉。由于上步桥净空小，所以挖掘机在施

工过程中，必须安排专人监督指挥，避免挖掘机在施工过程中碰撞上步桥桥梁。

开挖顺序（1

5、第二节的泵井沉井制作

在第一节泵井下沉至预定标高的基础上，停止挖土，泵井井壁外围用砂回填至壁

顶下500mm,泵井内用砂回填1500mm,便于增加井壁的摩擦力、对泵井进行限位和上

一节井壁的顺利施工。开始制作第二节泵井。先将内脚手架接高稳定，沿着第一节顶

面部的拉杆螺丝上立第二节内模板，经校正后，绑扎钢筋，其后再立外模，串拉杆螺

丝和校正，同时接高外脚手架和顶面工作平台铺设完毕，各道工序和复验工作同第一

节井壁制作标准相同进行验收。第二节模板接高，放置漏斗，间距4m,四个转角处均

设漏斗，漏斗下挂若干节串筒，碎可直接通过漏斗、串筒均匀灌入井壁之中，每次浇

注的高度不大于50cm,且保证碎跌落高度不大于1.5m,不会产生碎离析现象，施工

人员用电动振动器，然后拆除内外模进行养生，达到强度后拆除内外脚手架清理井内

垃圾准备下沉。

6、第三节泵井的工艺与第二节基本相同。第三节泵井下沉的过程中，考虑到上

步桥净空只有6.2米的因素，先将泵井周边土降1米后，采用长臂挖掘机挖土下沉，

工艺与第一节相同。若挖掘机由于桥梁净空小的原因不能挖到位，则采用抓斗机进行

抓挖下沉施工。采用抓斗机抓挖井底中央部分的土，使泵井形成锅底，在砂类土中，

一般当锅底比刃脚低1〜1.5米时，泵井即可靠自重下沉，而将刃脚下的土挤向中央

锅底，然后继续挖土，泵井便可继续下沉。若刃脚下的土不易向中央塌落，则配以高

压射水松土或进行适当排水下沉。

7、泵井沉井封底及底板浇筑

泵井下沉至设计标高后观察其稳定性，在8小时内泵井自沉累计量不大于10mm

时，才能进行封底。不排水封底，即在水下进行封底，要求待井体下沉相对稳定后，

将井底整平，将多余的浮泥清除（必要时可派潜水员进行水下检查、处理），铺碎石

垫层30cm,封底混凝土用导管法灌注，灌注水下封底混凝土时，需要的导管间隔及根

数根据导管作用半径和封底面积确定，导管作用半径随导管下口超压力大小而异，其

关系如下：

超压力（kpa）75100150250

导管作用半径（m）<2.53.03.54.0

根据计算确定的导管根根数为2根，导管灌注时的顺序：按照先低处后高处，先

周围后中部为原则，使混凝土保持大致相同的标高。待水下混凝土达到要求的强度后，

方可从井中抽水，按排水封底法施工上部底板。

泵井现在已经下沉到设计标高位置，为保证井底封底质量，混凝土浇注施工时，

须严格按照如下方案进行施工：

（1）基底检查，基底符合下列要求：a、泵井基底面整平，且无浮泥。井壁隔墙及

刃脚与封底混凝土接触面处的污泥、旧碎屑予清除。b、对泵井进行沉降观测，满足

要求后，才能进行封底。c、基底铺设10〜20cm的碎石层，以减少浮砂浮泥。

⑵泵井封底：基底检验合格后，及时封底，采用水下混凝土浇注施工工艺。

(3)混凝土的浇注：

在井面搭设混凝土浇注平台，准备6200钢管导管、漏斗、隔水球、提升设备、

清孔设备、射水设备、抽水设备、震动器。

混凝土塌落度选用150〜200mm，一次对两个点同时进行浇注，采用垂直导管法灌

注水下混凝土。

混凝土浇注下去之前由被铁丝拴住的隔水球导入水中，导管底的面距离泥、砂面

为20cm。混凝土浇注速度要均匀，每个点要保证有6〜8立方米/小时的浇注量。浇注

完混凝土之后，派水下蛙人对浇注质量进行检查，如有漏洞，再对漏洞进行浇注处理。

8、沉井下沉计算

(1)地质情况：路面以下为素填土层，厚度2.0米；素填土以下为淤泥层，厚度

为6.2米；淤泥层以下为粉质粘土，厚度为6米。

(2)第一节沉井计算

①第一节沉井(3米高、总高3米)完成后承载力的计算，验算砂垫层的承载力

能否满足井壁的自重。

根据公式Pz=b(PK-PC)/(b+2Ztg9)

PZ为砂垫层底面的压力

b为刃脚宽度，为0.3米

Z为砂垫层厚度，Z=0.4米

。为砂的扩散角，取30°

PK为砂垫层的所受沉井自重产生的压力，

PK=G3米高沉井自重/S刃脚部分面积

钢筋混凝土井壁自重为30KN/m3.G3米高沉井自重=(8.2X0.6X2+5.2X0.6X2)

X3X30=1447.2KN,

S刃脚部分面积=8.2X0.3X2+5,2X0.3X2=8.04m2

PK=1447.2/8.04=162.71Kpa

PC为砂的容重，为0.4X17.8=7.12Kpa

得出，Pz=39.75Kpa,查地质资料得素填土的承载力大于60Kpa,所以第一节沉井施工

时承载力满足要求。

②第一次下沉时的沉井下沉系数计算

K=(G-B)/(Tf+R刃)

G-井体自重，钢筋混凝土井壁自重为30KN/m3.G=1308.2KN；

B-下沉过程中地下水的浮力；

Tf-井壁总摩擦力；

fk-井周摩阻系数，取fk=10Kpa

R刃-刃脚的反力；

K-下沉系数,宜为1.05-1.25。

B=0,由于现场挖掘基坑时(2.0米深)未见地下水，该值基本可忽略。

Tf=S*fk=(8.2+5.20)X2X3X12=964KN

R刃=12.2X(0.3+0.3/2)X60=336.72KN

得出K=1447.2/(964+336.72)=1.11,满足下沉系数的要求。

(3)第二节泵井沉井计算

采用不排水下沉，用长臂挖掘机均匀对称挖土，使沉井均匀垂直下沉，挖出的土方直

接用载重汽车运走，挖土的同时不断向井内补水，以防泥砂从井底涌入井内，造成井

周地面沉降，下沉到位后，沉井井壁外围用砂回填至壁顶下500mm,沉井内用砂回填

1500mm,便于增加井壁的摩擦力、对沉井进行限位和上一节井壁的顺利施工。

①第二节沉井(3米高、总高6米)完成后下沉系数计算

K=(G-B)/(Tf+R刃)

G-井体自重，钢筋混凝土井壁自重为30KN/m3.G=2854.4KN；

B-下沉过程中地下水的浮力；

Tf-井壁总摩擦力；

fk-井周摩阻系数，取fk=12Kpa

R刃-刃脚的反力；

K-下沉系数,宜为1.05-1.25。

B=25,8*10=258KN

Tf=S*fk=(8.2+5.20)X2X6X12=1929.6KN

R刃=336.72KN

得出K=(2854.4-258)/(1929.6+336.72)=1.14,满足下沉系数的要求。

(4)第三节沉井计算

采用不排水下沉，用长臂液压抓斗机均匀对称挖土，使沉井均匀垂直下沉，挖出的土

方直接用载重汽车运走，挖土的同时不断向井内补水，以防泥砂从井底涌入井内，造

成井周地面沉降，下沉到位后，沉井井壁外围用石屑回填。

①第三节沉井(2米高、总高8米)完成后下沉系数计算

K=(G-B)/(Tf+R刃)

G-井体自重，钢筋混凝土井壁自重30KN/m3.G=3473.2KN；

B-下沉过程中地下水的浮力；

Tf-井壁总摩擦力；

fk-井周摩阻系数，取fk=12Kpa

R刃-刃脚的反力；

K-下沉系数,宜为1.05-1.25。

B=43,5*10=435KN

Tf=S*fk=2572.8KN

R刃=336.72KN

得出K=(3473.2-435)/(2572.8+336.72)=1.05,满足下沉系数的要求。

©下沉稳定系数

下沉到位之后，并按下式验算下沉稳定性：

K0=(G-B)/(Tf+R刃)

此时R刃=12.2X(0.3+0.3/2)X180=988.2KN

K0=(3473.2-435)/(2572.8+988.2)=0.85

K0-沉井下沉过程中的下沉稳定系数，取0.85-0.95

通过计算，沉井下沉到位，刃脚进入粉质粘土可以保证稳定。

9、不排水下沉施工应注意事项：

(1)控制好地下水位，下沉过程中，应根据内外水位、井底开挖几何形状、下沉

量及速率、地面沉降监测资料，结合资料调整井内外的水位差。

（2）废弃土，泥浆应专门处理，不能随意排放。

（3）泵井开挖、出土应根据井内水深、周围环境检测要求等因素选择合理可信的

方式。

10、井体施工

（1）技术措施

a.钢筋绑扎立模，浇筑碎均要求严格按设计文件、规范等进行施工。

b.要求对角线距离相等，沉井尺寸准确。

c.要求钢模板拼装整齐、平直、漏缝嵌密实，防止漏浆。

d.要求模板内清洗干净，才允许浇灌碎。

e.串筒相距3-4m,分层浇灌碎用振捣器振捣密实。

f.为了使沉井尽快达到可供下沉的强度时间，可在第一节泵井沉井制作时，添加

适量的早强剂。

（2）测量控制与观测

泵井沉井平面位置与标高的控制是在沉井四周的地面上设置纵横十字控制线、水

准基点进行控制。泵井沉井的垂直度的控制，是在井筒内按4或8等分标出垂直线，

以吊线锤对准下部标板进行控制。在挖土时随时观测垂直度，当线锤距离墨线大于

50mm,或四面标高不一致时，应及时纠正。泵井沉井下沉的控制，通常在外井壁上的

两侧用白油漆或红油漆画出标尺，可采用水平尺或水准仪来观测沉降。在泵井沉井下

沉中，应加强平面位置、垂直度和标高（沉降值）的观测，每班最少观测两次，并作

好记录，如有倾斜、位移和扭转，应及时通知值班负责人，指挥操作负责人，及时纠

偏，使偏差控制在允许范围之内。

（3）沉井施工的纠偏措施

泵井沉井下沉过程中较容易出现沉降不均匀的情况，对于泵井沉井下沉过程中发

生偏差的情况，根据情况采取以下措施：

a.调整井内的挖土量，对下沉较快的一侧减少挖土，增加下沉慢的一侧挖土量;

b.一旦泵井沉井发生过大的偏差，并且经过一段时间纠偏无效，已形成下沉的轨

道，此时不可运用井内调整挖土量的多少来纠偏，应该人为改变井外两侧的土压力作

用，改变其大小才能将沉井纠偏扶正，可以破坏井壁外的摩阻力，采用射水方式，用

高压水枪冲刷沉井高的一侧土体，减阻后让沉井高的一侧下沉速率加快，低的一侧在

固有摩阻力作用下，下沉速率减慢来达到纠偏扶正沉井。

C.泵井沉井高的一侧顶面加外荷载压重造成高的一侧井壁下沉速率加快来达到

纠偏扶正。

d.结合以上的方法可同时组合运用，也能有效的达到沉井纠偏扶正。

(4)出现下沉过快采取的措施

a.发现下沉过快，可重新调整挖土，在刃脚下不挖或部分不挖土。

b.将排水法改为不排水法下沉，增加浮力。

c.在沉井外壁间填粗糙材料，或将井筒外的土夯实，增大摩阻力。

(5)出现下沉过慢应取的措施

a.如因沉井侧面摩阻力过大造成，一般可在沉井外侧用0.2-0.4MPa压力水流

动水针(或胶皮水管)沿沉井外壁空隙射水冲刷助沉。下沉后，射水孔用砂子填满。

b.在沉井上部加荷载，或继续浇筑上一节井壁混凝土，增加沉井自重使之下沉。

c.将刃脚下的土分段均匀挖除，减少正面阻力；或继续进行第二层(深40〜50cm)

碗形破土，促使刃脚下土失稳下沉。

d.对于不排水下沉，则可以进行部分抽水，以减少浮力，借以加重沉井。

e.遇小孤石或块石搁住，可将四周土挖空后取出；对较大孤石或块石，可用炸药

或静态破碎剂进行破碎，然后清除。如果采用不排水下沉，则应由潜水员进行水下清

理。

f.如因沉井四壁减阻措施被破坏，应设法恢复。

g.采用振动装置(振动锤或振动器)振动井壁，以减低摩阻力，但仅限于小型沉井

使用。

(6)出现瞬间突沉采取的措施

a.加强操作控制，严格按次序均匀挖土，避免在刃脚部位过多掏空，或挖土过深,

或排水迫沉水头差过大。

b.在沉井外壁空隙填粗糙材料增加摩阻力；或用枕木在定位垫架处给以支撑，重

新调整挖土。

c.发现沉井有涌砂或软粘土因土压不平衡产生流塑情况时，为防止突然急剧下沉

和意外事故发生，可向井内灌水，把排水下沉改为不排水下沉。

（7）下沉过程中遇到障碍物应采取的措施

a.遇较小孤石，可将四周土掏空后取出；较大孤石或大块石、地下沟道等，可用

风动工具或用松动爆破方法破碎成小块取出。炮孔距刃脚不小于50cm,其方向须与刃

脚斜面平行，药量不得超过200g,并设钢板、草垫防护，不得用裸露爆破。

b.钢管、钢筋、树根等可用氧气烧断后取出。

（8）底板碎浇筑，防止收缩裂缝和渗漏的措施

底板碎浇筑完毕后用储水养生可防止碎裂缝产生，达到强度后可抽水，也是防止

碎渗漏的措施。底板施工时工作井的集水井要有明显的收水效果，也就是所封底的各

道工序做得完善符合要求。始终让地下水在素碎垫层下面经过砂石垫层的过滤作用后

流入集水井中被抽出井外，碎底板始终不承受水压的作用碎底板达到设计强度后，就

不会发生裂缝渗漏现象。

（9）沉井防拒沉防突沉的措施

A.在土层较软的地基上制作旋流沉淀池时，必须经过仔细计算，即要使浇筑高度

产生的自重大于下沉深度产生的摩阻力，要保证浇筑高度产生的荷重小于经过砂

垫层处理的地基承载力及软弱下卧层的承载力，以免因浇筑时自重过大，造成荷

载大于地基承受载力，使土体发生整体剪切破坏形成突沉，如果需要的井壁浇灌

高度产生的荷载力大于地基承载力应采取加固措施使荷载扩散。

9、后背墙设置

如图所示

,50-mOum/

△

C30钢筋混凝土护壁C30钢筋混凝土护壁

△

△

△

C30混凝土

△■钢桃25@150双向双展

她铁1.5mX1m

"---------------.

uI~.△

预留洞口△千斤顶顶铁012000

在一侧顶完后将全部设备吊出工作井，将原有的混凝土后背墙凿除（风镐）外运，在

已顶完的管道一侧用模板封堵住已顶管道端部，然后浇筑后背墙混凝土（C25）,后背墙混

凝土达到强度后，在混凝土与千斤顶之间设置垫铁1.5mXlmX3cm,以确保混凝土管顶进

时，后背墙不被破坏。

后座反力计算方法:

为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为的总顶进P的1.2-1.6

倍，反力R可采用下式计算:

R=aXBX[rXH2X（KP4-2）+2cXHXVKp+rXhXHXKp]

式中：R-—总推力之反力，KN；

a系数,取a=l.5-2.5；

B--后座墙的宽度，m；

r土的重度，KN/m3；

H--后座墙的高度，m；

Kp被动土压系数;

C--土的内聚力，KPa；

h-一地面到后座墙顶部土体的高度，mo

R=l.5X1.5X(2.73X1.52X(0.24-2)+2X59X1.5XVO.2+2.73X10.5X1,5X0.2)

=330.64KN>P=1.5X127.15=190.73KN,符合要求！

10、顶管后背墙安全稳定性计算

1、顶力的计算

例：按井距最长的一段(L=165m)管径为1000计算顶力，碎管每节长2m,重1.2吨，

土质为粉质粘土。

依据顶力经验公式计算顶力：P=NGL

P=总顶力N为土质系数粉质粘土取2

G：单位管体自重L为顶进总长度

P=2X2X1X9.8X100=3920

则在总顶力3920KN的作用下(弹性平衡状态)后背所需均布荷载最小面积为(后背墙壁

排方木的最小面积)：B=P/F得F=P/B=20.9

EP=土壤的总被动承载力｛郎青的被动土压力理论｝

EP=l/2rh2+tg2(45°+0/2)+2chtg(45°+3/2)

r：为土壤容量(KN/m3)粉质粘土为：20.5KN

B:土壤内摩擦角粉质粘土：27.5

c:为土壤内摩擦角聚力粉质粘土：24

h为挡墙后背土的高度：5m

EP=(1/2)rh2tg2(45°+B/2)2chtg(45°+0/2)

=(1/2)X20.5X(5)2tg2(45°+27.5°/2)+24X5Xtg(45°+27.5°/2)=1192Kn/m

在力的作用点出每水平延米的均布线荷载

那么在总顶力作用下后背所需最小宽度：W=P/EP=3136/1192=2.6米

故该顶管后背墙安全稳定性符合设计规范要求。

11、沉井现场监测

(1)沉井支护结构相关资料

深基坑支护结构施工前应取得以下基本资料：

a建筑场地及其周边，地表至支护结构底面下一定深度范围内地层结构、土（岩）

购物理力学性质及含水层性质。地下水位、渗透系数等资料；

b标有建筑红线、施工红线的地形图及基础结构设计图；

c建筑场地及其附近的地下管线、地下埋设物的位置、深度、结构形式及埋设时

间等；

d邻近的已有建筑的位置、层数、高度、结构类型、完好程度。已建时间以及基

础类型、埋置深度、主要尺寸、基础距基坑上口周边的净距等；

e基坑周围的地面排水情况，地面雨水与污水、上下水管线排入或漏入基坑的可

能性；

f基坑附近的地面堆载及大型车辆的动、静荷载情况；

支护结构最大水平位移允许值

支护结构最大水平位移允许值（mm）

安全等级

排桩、地下连续墙、放坡、土钉墙钢板桩、深层搅拌

一级0.0025/7

二级0.0050/70.0100/)

三级0.0100/70.0200/?

基坑变形控制保护等级标准

保护地面最大沉降量及围护墙

环境保护要求

等级水平位移控制要求

1.地面最大沉降量W0.1%〃；

离基坑10m,周围有地铁，共同沟、煤气管、

2.围护路最大水平位移W

特级大型压力总水管等重要建筑及设施必须确

0.14%〃；

保安全

3.&*22.2

1.地面最大沉降量W0.1%〃；

2.围护墙最大水平位移量W离基坑周围〃范围内没有重要干线、水管、

一级

0.3%H；大型在使用的构筑物、建筑物

3.《*22.2

1.地面员大沉量控制在W0.5%

〃；

在基坑周围〃范围内没有较重要支线管道

二级2.围护堵最大水平位移＜0.7%

和一般建筑、设施

H；

3.&*N2.0

1.地面最大沉降量W1%公

2.围护墙最大水平位移（1.4%在基坑周围30m范围内没有需保护建筑设

三级

H；施和管线、构筑物

3.4*N2.0

本工程基坑安全等级按特级要求保护O

（2）沉井基坑监测

主要进行以下必几方面的监测：

a周边建筑物沉降，周边建筑物在开挖期间的沉降量和不均匀沉降量，采用水准

仪观测，每2天1次，暴雨或其他突发事件，加密观测，沉降稳定后，视情况结束观

测。

b周边地面沉降，周边地面在基坑暴露期间的沉降量及变化率，采用水准仪观测，

每2天1次，暴雨或其他突发事件，加密观测，沉降稳定后，视情况结束观测。

c地下水位观测，周边地区地下水位变化，每3天1次，暴雨或其他突发事件，

加密观测。

d支护结构沉降位移，支护结构变形，采用水准仪、经纬仪测量，基坑开挖和暴

露期间，每1天1次，暴雨或其他突发事件，加密观测。

e周围重要设施（地下管线）的变化和破损，每2天1次，暴雨或其他突发事件,

加密观测

第四章泥水平衡顶管施工主要施工方法

顶管工作井施工完成并达到管道顶进要求后即开始顶管施工。

一、穿墙顶进

顶管进出洞是整个施工过程中的关键环节之一，进出洞成功等于整个顶管工程成功了

一半。本工程是采用地下预埋钢盒作为预留进出洞口，在井出洞口安装可拆式止水钢圈，

再在钢圈上上安装止水胶圈，达到止水效果。并在洞口前方挨着顶进方向的支护桩的外边

线做旋喷桩止水幕墙并加固，旋喷桩为①500mm。

1、工作井出洞处理：在出洞前，割掉预埋钢盒外侧钢板，并将止水钢环焊接到预埋

钢盒的外侧，再将止水橡胶圈安装在止水钢环上。在准备出洞时，在将钢盒内侧挡土钢板

割掉，清理预留孔内的杂物后立即将工具头推进预留孔，缩短停顿时间，这时止水橡胶圈

紧抱工具头外壳，发挥止水作用。顶进工具头到穿墙管内，工具头与第一节混凝土管采用

刚性联结，避免工具头“磕头”。

顶管出洞的施工环节相当关键，顶管穿墙时要防止工具头下跌，在穿墙的初期，因入

土较小，工具头的自重仅由两点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。因此,

工具头穿墙时，一方面要带一个向上的初始角（约5,），另一方面穿墙管下部要有支托,

并且加强管段与工具管、管段与管段之间的联结。止匕外，工具管的推进一定要迅速，不使

穿墙管内的土体暴露时间太长。顶管穿墙位置必须作好止水，防止孔口因为流失减阻泥浆,

造成孔口塌陷，发生安全事故。

2、在出洞施工初期，由于顶管机正面主动土压力远大于顶管即周边的摩擦力和与导

轨间的摩擦力的总和，因此极易产生顶管机反弹，引起顶管即前方土体不规则坍塌，使顶

管机再次推进时方向失控和向上爬高。为此，在洞口的两侧平行地面各安装好一条工字钢,

当主顶千斤顶准备回缩加顶铁时，将两条工字钢分别与第一个顶铁的焊牢，然后回收千斤

顶，防止顶管机反弹。

3、同时，在出洞施工初期顶管机容易发生扭转现象。因为顶管机大刀盘转动时对前

方土体会产生一个扭矩，根据相互作用原理，土体对顶管机同时也会产生一个扭矩。而由

于顶管机周边的摩擦力和与导轨间的摩擦力很小，故摩擦力及顶管机自重所产生的反抗扭

矩小于土体对顶管机产生的扭矩，所以此时顶管机会扭转。为了克服此现象，防止顶管机

发生扭转，分别在顶管机的两侧焊上各一块挡板，挡板底面与导轨面平齐。当顶管机扭转

时，挡板压在导轨上，防止顶管机扭转。

4、穿越旋喷桩止水幕墙：旋喷桩硬度较大，顶进不能过快，否则会使顶管机严重扭

转或使顶管机损坏。因此，要放慢顶进速度，一般顶进速度控制在20mm/min。加大泥水

流量，防止旋喷桩硬泥块堵塞泥浆管道。

二、正常顶进

管道出洞成功后，管道开始正常顶进。

通过后座主顶油泵和主顶千斤顶产生推力，推动管道向前推进。在管节推进的同时,

顶管机大刀盘切削前方土体，切削下来的土体进入顶管机的泥土仓内，经刀盘的搅拌与进

浆管送入的清泥浆搅拌成浓的泥浆，再通过排浆管道将浓泥浆排出机头。通过管节一节一

节向前推进，顶管机不断推进最后到达接收井，形成整段管道。初始顶进时顶进速度一般

控制在20〜50mm/min,正常顶进时顶进速度控制在50〜150mm/min,如遇正面障碍物，应

控制在10mm/min以内。初始顶进时出土量一般控制在理论出土量的95%左右，正常情况

下出土量控制在理论出土量的98%〜100虬

排泥过程是通过后座主顶千斤顶推进，顶管掘进机大刀盘切削前方土体，切削下来

的土体进入顶管掘进机的泥土仓。块石、混凝土或坚硬的土块等大块状物体在内外锥体的

偏心碾压破碎作用下粉碎成为直径小于30mm的颗粒；粘性土在外壳斜锥段4个高压水孔

喷射水流的作用下变成碎块和泥浆，在刀盘和内锥体的搅拌下成为可流动的泥土并被挤入

泥水仓。同时，泥水循环泥浆经进浆管进入泥水仓，在泥水仓与泥土充分混合成为浓度更

大的泥浆，经排浆管排出机头，再经泥水分离器处理泥沙等固体颗粒被分离外运，泥浆循

环使用，实现了连续掘进作业，见图4-18。

图4-18泥水平衡顶管排泥系统

循环泥浆的浓度控制在L09,压力比地下水水头增加20Kpa±10Kpa。泥水除了对泥

沙起悬浮和携带作用外，同时对开挖面起平衡稳定作用，泥水压力由泥土仓的流动土体传

到开挖面，防止开挖面坍塌，而且通过泥土仓的缓冲作用，即使泥水压力不正常，也不至

于产生较大的地面沉降，泥土仓的土体与开挖面处于主动平衡或被动平衡状态。

在工作前须制作一定浓度的清泥浆储放在泥浆箱内，工作时清泥浆经进浆泵和进浆进

入顶管机的泥水仓，与顶管机刀盘切削的土体搅拌成均匀的浓泥浆，经排泥浆管和排浆泵

管排出井外，经泥水处理装置把浓泥浆的砂土一般在0.4mm以上的颗粒分离出来。泥浆再

经过沉淀池的过滤，把较细的颗粒再分离出来，这样可以把浓泥浆过滤成清泥浆。泥水经

过不断循环，把顶管机前方的泥土排出井外。

三、测量、纠偏

（一）、顶管顶进中的测量工作

激光经纬仪安置在观测台上，它发出的激光束为管道中心线，又符合设计坡度要求,

实为顶管导向的基准线。施工开始时将顶管机的测量靶的中心与激光斑点中心重合。当顶

管机头出现偏差，相应激光斑点将偏离靶中心，测量靶图像通过视频传送到操作台的监示

器上，从而观察出激光斑点将偏离靶中心偏离图像，通过控制纠偏千斤顶的伸缩量，进行

顶进方向的纠正，使顶管机始终沿激光束方向前进。

顶管施工中测量工作的主要任务是掌握好管线的中线方向、高程和坡度O

1、高程控制

（1）根据设计坡度要求，沿

线路布设四等水准路线，并在各井

口处埋设临时水准点以供顶管高

程放样。

（2）根据顶管线路所布设的

导线点及水准点，标定出井的平面

位置及测定其深度，以指导工作井

的开挖施工；定出始发井与接收井

的管道中心点，并将其投设于地面

（以下简称投点），作好标记，由

于投点处于井的边缘,事先作好投

点的支架搭设与焊接标志工作。

（3）以布设的线路导线点中

的一个导线点及一条边的方位角，重新精密测定二井间的导线，即贯通导线，并联测二井

投点，在有条件的地方，最好将投点作为导线点，以便获得投点的精确坐标，所有导线点

应埋设牢固标志，以备复测。根据贯通导线及井口投点，在始发井边缘放样出顶进方向的

坐标点，而后与井口投点一起向井下投设方向线，并将高程从井上传至井下，埋设临时水

准标点，如图4T9所示。

（4）在工作井下建立控制观测台，在其上配置有强制对中的仪器基座，并设有上下

左右可调节的装置，能使架设于其上的仪器调整到中线（或与中线偏离一定距离）的位置,

并使仪器横轴调整到中线（或与中线偏离一定距离）的高度上。

（二）、纠偏

顶管机的测量靶网格为10mm,根据顶管机测量靶激光点的偏移量计算顶管机的斜率,

伸出相应的纠偏千斤顶组，使顶管机推进改变方向，从而实现顶进方向的控制。纠正偏量

应缓慢进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。由于顶管机头附有测量靶见图2-27,激

光经纬仪安置在观测台上，在工作中，已使它发出的激光束既为管道中心线，又符合设计

坡度要求，实为顶管导向的基准线。施工开始时使测量靶中心与激光光斑中心重合，当掘

进机头出现偏差，相应测量靶中心将偏离光斑中心，从而给出偏离信号，通过通过视频传

送到操作台的监示器，进行顶进方向的纠正，使工具头始终沿激光束方向前进。

校正千斤顶

接受靶

激机头

激光束

后背

观测台

图4-20顶进施工中的测量示意图

工具头开始顶进5〜10m的范围内，允许偏差应为：轴线位置50mll1,高程30mlli,当超

过允许偏差时，应采取措施纠正。纠正偏差应缓慢进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。

工具头前方有纠偏节，纠偏节中安装有纠偏千斤顶，顶进过程中，根据测量反馈的结

果，调整纠偏千斤顶，使工具头改变方向，从而实现顶进方向的控制。如果工具头的方向

偏差超过10mm,即应采用纠偏千斤顶进行纠偏。

管顶出穿墙管及在长度30〜40m范围内的偏差是影响全段偏差的关键,特别是出墙洞

时，由于管段长度短、工具头重量大，近出洞口土质易受扰动等因素的影响，往往会导致

向下偏，此时，应该综合运用工具头自身纠偏和调整千斤顶的作用力合力中心来控制顶管

方向。

纠偏应贯穿在顶进施工的全过程，必须做到严密监测顶管的偏位情况，并及时纠偏,

尽量做到纠偏在偏位发生的萌芽阶段。

如果根据顶管机的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势没有减少，增大纠偏力度，如果

根据顶管机的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势稳定或减少时，保持该纠偏力度，继续顶

进，当偏位趋势相反时，则需要将纠偏力度逐渐减少。

顶管施工的顶进管道允许偏差：

表4-4顶进管道允许偏差表（mm）

项目允许偏差

顶进长度〈300m50

轴线位置

300mW顶进长度〈1000m100

管道内底高顶进长度ZK1500+30,-40

程<300m层1500+40,-50

300mW顶进长度<1000m+60,-80

相邻管间错

钢管<2

口

对顶时两端错口50

注：D为管道内径（mm）

四、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。

1）触变泥浆系统设置：

顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力。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4个，孔的大小呈90度布置（图5-28）,

经过不段压浆，在管外壁形成一个泥浆套。

图4-21

触变泥浆管设置在顶管机后面4节管每节管都设置触变泥浆管，在管节外壁形成完整的浆

套。以后的管节间隔3节管设置一道，用来对浆套进行补浆。

2）浆液配置：

触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需

的浆液（造浆后应静置24小时后方可使用）。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流

量表，它可以控制注浆的压力（压力控制在水深的1.1—1.2倍）和注浆量（计量桶控制）。

管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个

注浆孔上去。

触变泥浆由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成。施工现场按重量计的触变泥浆配合

比为：水：膨润土=8：1,膨润土：CMC=30：lo本工程拟购置膨润土袋装复合材料，在

现场施工加水拌和。

3）注浆流程：

造浆静置一一注浆一一顶管推进（注浆）一一顶管停顶一一停止注浆。

4）数量和压力

压浆量为管道外围环形空隙的1.5倍，压注压力根据管顶水压力而定。

五、中继环接力顶进

在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大，主顶推力也随之增大,

管节强度和工作井的结构强度不能满足顶力时，需采取中继环接力顶进。中继环是长距离

顶管中不可缺少的设备，中继环是经机械加工的内外套组合。中继环内均匀地安装有许多

台小千斤顶，通过中间的小千斤顶的伸出动作，推动外套往前推出，外套向前推动管节一

段距离（如300mm）后，又通过后部主顶推动管道运动，使小千斤顶缩回复位。不断往复运

动推进管节，使整段管道向前推进。在长距离顶进时，把长距离的管道分成几段。可分段

减少主顶的压力，它可以与其他中继环和后座通过程序连动，一环接一环，自动切换。中

继环的设计必须满足刚度大、安装方便和加工精确，并在使用中具有水密性。中继环的结

构如下图所示。

图4-22中继环结构大样图

其主体结构主要由以下部分组成：

①推力油缸（总推力小于或等于主顶站总顶力，均为单项作用小千斤顶，行程30cm）,

其规格、性能要求一致。②钢壳体和千斤顶紧固件、止水密封圈。③液压管道、电器和

操纵系统。

中继环的壳体应与管节外径相等，并使壳体与管节中的滑动面之间具有良好的水密性

和润滑性。滑动端应与特殊管节相接。

（2）推进流程：

第一个中继环推进一一第一个中继环停顶一一第二个中继环推进一一第二个中继环

停顶一一如此类推到最后一个中继环一一主顶推进一一主顶停顶(如此循环)

(3)中继环的配置

中继环在安放时，第一只中继环应放在比较前面一些。因为掘进机在推进过程中推力

的变化会因土质条件的变化而有较大的变化。所以，当总推力达到中继环总推力40%〜

60%时，就应安放第一只中继环，以后，每当达到中继环总推力的70%〜80%时，安放

一只中继环。而当主顶油缸达到中继环总推力的90%时，就必须启用中继环。中继环设

计允许转角1。，每道中继环安装一套行程传感器及限位开关。中继环在管道上的分段安

放位置，可通过顶进阻力计算确定。

图4-23中继环系统

六、顶管机顶入接收井

顶管机顶入接收井是一项关键的施工环节。在顶进接近接收井前，先将接收井施工好

等待顶管机的接收。当顶进到接收井边13排旋喷桩时，须放慢顶进速度，等顶管机慢慢

切削旋喷桩体，形成一个较完整的止水孔，否则会因推进过快使预留孔前的旋喷桩体破坏

不能形成止水孔，严重时损坏顶管机或顶力剧增使管节破裂而无法完成接收顶管机。

同时，必须先复测本段管道的长度与设计长度相符，然后通过测量得知顶管机出口的

具体位置，将接收井工具头出洞位置的混凝土护壁凿除。当顶管机进入接收井边时，顶管

机要快速顶进，直至顶管机完全顶出接收井。如遇地下水丰富时，用棉纱堵塞住管和洞口

间的空隙，等顶管机完全出洞后即用水玻璃或水泥浆压住止水。

管道埋深较深时，水压力大，而且洞口周边是流塑状淤泥，承载力低，在深层做水泥

旋喷桩出洞止水效果不是很理想，费用高。针对此情况，改进穿墙止水环的结构，在井体

侧墙施工时，先预埋圆台形（喇叭形）钢盒（图4-24）,上圆（背土）直径比管径大20cm,

下圆（靠土）直径比管径大60cm,采用单边封板（上圆口），内填重量比为1：5的水泥

黄粘土拌和料。为了增加钢盒内填充物与环向钢板的粘结力，在环向钢板用钢筋焊上两道

竹片压板，为达到止水防流砂效果，在压竹片的同时也压上稻草和膨胀土，然后与拌和料

一起填充。当顶管机穿越预留孔时，顶管机外壳带到穿墙钢合内的土体及周边的土体往喇

叭口挤压，使到管壁与预留口间的缝隙挤实土体，防止泥水从缝隙喷涌。穿墙是顶管施工

中的一道重要工序。穿墙时，要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流砂，因此必

须做好洞口止水环节。首先在预埋钢盒上焊接钢套环（法兰），然后在套环上安装25mm

厚橡胶法兰，用10mm厚钢压板通过M20螺栓压紧。当发现有地下水和泥砂流入工作井内

时，可以收紧橡胶法兰和压板上的螺栓，达到止水效果。

图4-24接收井穿墙管

七、顶力计算

1、推力的理论计算：（以中1200mm计算）

F=F1十f2

其中F—总推力

F1一迎面阻力F2一顶进阻力

Fl=n/4*D2*P（D—管外径1.44mP一控制土压力）

P=Ko*y*Ho

式中Ko—静止土压力系数，一般取0.55

Ho一地面至掘进机中心的厚度，取最大值10m

Y一土的湿重量，取2.73t/m3

P=0.55*2.73*10=15.02t/m2

Fl=3.14/4*1.44*2*15.02=24.45t

F2=nD*f*L

式中f一管外表面平均（根据顶进距离平均沙砾土）综合摩阻力，取0.6t/m2。其取

值可按表6.4.8-1所列数据选用；

D一管外径1.44m

L一顶距

顶进管道与其周围土层的摩擦系表6.4.8-1

土类湿干

粘土、亚粘土0.2~0.30.4〜0.5

砂土、亚砂土0.3-0.40.5〜0.6

F2=3.14*1.44*0.6*100=271.3to

因此，总推力F=24.45+271.3=295.75t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力

及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作井（①1000mm顶管）设

计允许承受的最大顶力为400t,管材轴向允许推力300t,主顶油缸选用2台200t（2000KN）

级油缸。每只油缸顶力控制在180t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力360t。

因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求。

八、顶管施工质量控制措施

一、顶管进出洞口的质量控制措施

在顶管施工中，把顶管机从顶进井中经过洞口渐渐顶到土中的这一过程称之为出洞。

顶管施工中出洞工作十分重要，如果出洞安全，止水效果很好，可以说顶管施工已经成功

了一半。

1、安装止水圈

洞口止水圈主要由预埋钢环、压板、橡胶圈和安装钢环组成。为了使预埋钢环能牢固

地预埋在洞口井壁上，在它与混凝土接触的一面焊接数根开叉的锚杆，预埋钢环的内径同

预留洞口一样大小；安装钢环是焊在预埋钢环上的，在安装钢环上焊数根螺栓用来安装橡

胶圈和压板。

安装位置要根据出洞轴心位置进行调整，由于顶管出洞时不可避免有一定偏离出洞轴

线位置，止水圈允许机头有2cm轴线位置，若机头偏差超过2cm,止水圈的安装位置必须

根据实际偏差进行调整。

机头的直径一般比管外径大2cm,使得管与洞之间有2cm的空隙，容易形成泥浆套，

便于减少管壁与土之间的摩擦阻力。

2、加固机头出洞口

若出洞处管下部为砂性土，施工时在洞口采用门式加固，所谓门式加固，就是穿墙时

为防止工具头流水流泥导致地面塌陷，发生安全事故，或者顶进方向失去控制，对所顶管

道外径的两侧和顶部的一定宽度和长度的范围内进行加固，对穿墙管前方土体采用化学浆

液进行灌浆加固，以提高这部分土的强度，从而使工具管在出洞时土体不发生坍塌现象。

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gu

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图4-25顶管进出洞止水平面图

二、顶管轴线控制措施

顶管要按设计要求的轴线、坡度进行。主要是掘进机头部测量与纠偏的相互配合。纠

偏是完成管道线型的主要手段。纠偏原则如下：

1、勤测勤纠：即每顶进一段距离，测量一次工具头轴线及标高偏差情况。通知工具

头纠偏人员，纠偏人员再将工具头现在纠偏角度、各方向上千斤顶的油压值、轴线的偏差

等报给中控室，输入微机。微机将显示出纠偏方法、数据，再按此进行纠偏。

2、小角度纠偏：每次纠偏角度要小，微机每次指出的纠偏角度变化值一般的都不大

于0.5°,当累计纠偏角度过大时应与值班工程师联系，决定如何纠偏。

三、地下管线及地下障碍物的探测

探测范围为井体外边线外围3m及管道沿线的范围，探测深度至管底或井底以下2m

的范围。

探测要求：探明现有地下管线的分布情况，包括管线管线的中线位置、管线类型、埋

深、管外径、现场所有管线及检查井的位置。提供相关管线变形的警戒值，探明有无孤石

等障碍物和临近建筑物的基础形式及其标高。

对于沿线地下管线，在施工前应熟悉其具体位置及里程，虽然图纸所示管线并未与地

下管道线路相交，但实际施工时可能会发生地表沉降现象，所以施工到该位置时，应放慢

顶进速度，出现涌水流沙等会导致地表沉降的现象时，及时处理，以妥善保护沿线地下管