泥水平衡式大中型口径顶管施工工法_secret

泥水平衡式大中型口径顶管施工工法

1 前 言

随着城市建设的发展，市政管网施工的问题日益突出，传统的开槽施工，因破坏道路、影响交通、污染环境等，越来越不适合于城区施工，小口径拖拉管的施工也逐渐不能满足社会高速发展、城市扩张的需求，而顶管施工则切实解决了存在的问题，在市政管网施工中得到了越来越多的应用。我司在采用泥水平衡式顶管施工技术的过程中，经过多年的施工实践，总结出了复杂地质条件下大中型口径泥水平衡式顶管施工工法，取得了明显的社会效益和经济效益。

2 工法特点

2.0.1 本工法是一种非开挖施工技术，地下穿越能力强，施工工作面不大，可方便在繁华市区施工，对顶进管道周围地层扰动少，能维持不同土质挖掘面上的稳定平衡；土层损失小，产生的地表面变形小。

2.0.2 本工法顶进施工时的连续作业性能好，施工进度快。

2.0.3 采用本工法施工时的总顶力较小，尤其在黏性土层中的长距离顶进，优于其他类型的顶管工法。

2.0.4 在工作井内的作业环境较好，能够安全地实现顶进作业。

2.0.5 施工噪音小，不破坏道路、不影响交通，环境污染小，施工精度高，技术先进。

3 适用范围

3.0.1 本工法适应于各类大中型地下管道施工（管径大于1200毫米），通常包括混凝土管道、钢管、玻璃钢夹砂管、球墨铸铁管道等等。

3.0.2 本工法适应于各种不同的土质条件，尤其对地下水位很高，地下水压力变化较大的地层更具有优越性。

4 工艺原理

泥水平衡式顶管机是利用泥水压力来平衡顶进工作面上的水压力和土压力，通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面，弃土以泥水方式排放出顶管机，在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作

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站从工作坑将铺设的管道顶入，从而在顶管机之后直接铺设管道。工艺原理参见图4。

图 4 工艺原理图

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 工艺流程

当顶管线路选定，各标段的工作井和接收井位置确定后，各标段开始施工的工艺流程可参照图5.1进行。

设备进场 安装洞口止水装置 安装泥浆沉淀池 测 量 放 样 沉井施工 2

操纵台就位 图5.1 工艺流程图

安装导轨 安装后座墙 安装顶进油缸、油泵 机头吊装就位 安装进泥泵、排泥泵 安装进排泥管、旁通阀 安装泥浆搅拌筒及泥浆泵 安装激光仪、 测量仪、摄像仪 接通电路、油路 试 车 接通电源 顶进施工 顶进到位 5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

1 施工资料准备

1) 工程施工前应由设计单位进行设计交底及图纸会审，发现问题及时向设计单位提出变更修改。

2) 工程施工前应掌握管道沿线的地形、地貌、建筑物、各种管线及设施情况，熟悉工程地质勘察报告、水文地质资料、气象资料。

3) 结合工程实际，编制施工组织设计，制定保证安全质量的措施。

2 施工测量：根据测量控制点的坐标和高程，布置现场的测量控制点，并设永久性测量控制桩。 3 工作井与接收井施工：工作井必须满足在顶力和周边水土压力作用下的强度和变形要求，结构形式应根据顶力大小和地下水情况因地制宜地选择。

4 顶力估算

1) 施工前，应对总顶力进行估算，以验算设备及材料承受力和确定工艺。 2) 顶力计算参考《给水排水工程顶管技术规程》CECS 246:2008

F=πDLfk+NF

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F——总顶力标准值（KN）； D——管道的外径（m）； L——管道设计顶进长度（m）；

Fk——管道外壁与土的平均摩阻力（KN/m²）（参考表5.2.1） NF——顶管机的迎面阻力（KN） NF=（π/4） Dg²rsHs Dg——顶管机外径（m）; Rs——土的重度（KN/m³）; Hs——覆盖层厚度（m）;

3）当估算总顶力大于管节允许顶力设计值或工作井允许顶力设计值时，应设中继环。

表5.2.1 管道外壁与土的平均摩阻力（fK）取值（KN/m²）

土的种类 混凝土管 触变泥浆 钢管 3.0～4.0 4.0～7.0 7.0～10.0 10.0～13.0 软粘土 3.0～5.0 粉性土 5.0～8.0 粉细土 8.0～11.0 中粗砂 11.0～16.0 注：玻璃钢夹砂管可参照钢管乘以0.8系数。

5 顶管准备工作

1) 为了顺利完成顶管接收工作，顶管施工之前在进洞口和出洞口位置，应进行洞口土体加固。如果土质不是很软，可采用门式加固法，即对所顶管道两侧和顶部一定宽度和长度范围内的土体进行加固，以提高这部分土的强度，从而使工具管或掘进机在出洞或进洞中不发生坍土现象。如果土质比较软，则必须在管道顶进的一定范围内，对整个断面进行加固。如果土质比较好，比较硬，挖掘面上的土体又能自立，这时也可以不必进行土体加固。土体加固技术一般有高压旋喷技术、搅拌桩技术、注浆技术等。

2) 为保证工作井和接受井顺利到位和顺利实施进出洞口工序，在工作井和接收井进出洞口应设置封门。洞口可用低强度等级水泥砖砌筑砖封门，在掘进机到达接收井时，可将砖封门挤倒或切削掉。有时，也可以用低强度等级的混凝土取代砖头。

3) 安装洞口止水装置：为保证顶管机进出洞时泥浆和地下水不从顶管机外周围涌出，需在顶进方向安装洞口止水装置。洞口止水装置安装在工作井与接收井沿管线方向的侧壁预留洞上，预留洞的直径应比顶管机外径稍大，其由预埋螺栓，钢压环及橡胶圈组成。洞口止水装置见图5.2.1。

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图5.2.1 洞口止水装置图

4) 轨道及顶进后背安装：轨道安装误差在±5mm之内，确保背铁与导轨垂直。 5) 机头安装：机头整体吊至基坑导轨上，调正机头，接通自控系统，检查实际数值与计算机显示数值是否相符。

6) 泥水分离系统调试，检查泥路循环是否正常。 7) 工作井顶进系统调试。 8) 供电系统调试。

9) 工作井内高程、中心桩校正。 5.2.2 顶进施工

1 拆除洞口封门

2 顶进机头：当机头进入土体时，开动大刀盘和进排泥泵。机头入洞阶段速度控制在（3～5）mm／min，此阶段重点是找正管子中心、高程，偏差控制在±5mm之内，所以速度不要太快。

3 机头顶进至能卸管节时停止顶进，拆开动力电缆、进排泥管、进排泥泵、控制电缆和摄像仪连接，缩回顶进油缸。

4 将事先安放好密封环的管节吊下，对准插入就位。

5 接上动力电缆，控制电缆、摄像仪连接、进排泥管路并接通压浆管路。

6 启动顶管机、进排泥泵、压浆泵、主顶油缸，顶进管节。初始顶进后500mm，顶进测量开始，每顶进300mm做一次中心、高程记录，并及时向技术负责人汇报，以便采取措施。

7 管道减阻措施

1) 中大口径顶管（DN1200以上）应采取措施减少管壁摩擦阻力。 2) 石蜡、废油脂等可涂于管外壁减少外部摩擦阻力。

3) 通过在管外壁与土层环状空间注入润滑材料，可以减小施工管道与地层间摩擦力，有利于

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顺利顶进和长距离顶进。

4) 通过润滑减摩，避免跳动顶进，使顶力作用均匀，提高施工效率和质量。 5) 管节应有预留注浆孔，可以在几节管节间加入一节预留注浆孔管节。

8 随着管节的顶进，不断观察机头轴线位置和各种指示仪表，纠正管道轴线方向并根据土压力大小调整顶进速度。纠偏原理是：全站仪发出不可见光到机头中心光靶，光靶把偏移反应到控制台，控制台控制纠偏千斤顶工作，具体方法如下：

1) 在大口径顶管施工中，一般采用激光经纬仪或激光发射器进行顶管位置测量，这样可以保证在管道内黑暗环境中，比较准确地测量位置偏移。

2) 激光经纬仪进行顶管测量时，在工作井内安装激光发射器，并按设计要求，调整好坡度和方向，在机头位置安装接收靶标，靶标上有刻度线，当顶进管位置和设计数量一致时，激光点和靶标中心重合，若不重合即可通过刻度线知道偏移方向和程度。

3) 在操作室内通过摄像机可以清楚地观察到激光靶标的情况，通过激光点偏移中心点的刻度和方向，判断顶管偏离设计要求的位移量，操作顶管机头内置的四只纠偏油缸动作，及时调整至激光点和靶标中心重合。

9 当一节管节顶进结束后，重复以上第2至第8项操作程序，实施继续推进。 5.2.3 顶进到位

1 顶进即将到位时，放慢顶进速度，准确测量出机头位置，当机头到达接收井洞口封门时，停止顶进。

2 在接收井内安放接引导轨。 3 拆除接收井洞口封门。

4 将机头送入接收井，此时刀盘的进排泥泵均不运转。 5 拆除动力电缆、进排泥管、摄像仪及连线和压浆管路等。 6 分离机头与管节，吊出机头。 7 将管节顶到预定位置。

8 按次序拆除中继环油缸并将管节靠拢。 9 拆除主顶油缸、油泵、后座及导轨。 10 清理场地。 5.2.4 泥水控制

1 在不同土质条件下控制好泥水平衡，方能建立起挖掘面上的压力平衡。其控制泥水相对密度如表5.2.4：

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表5.2.4 不同土质条件下控制的泥水相对密度

土质名称 粘土及粉土 粉砂及细砂 砂 粗砂及砂砾 砾石 渗透系数(cm/s) 1×10-9～1×10-7 1×10-7～1×10-5 1×10-5～1×10-3 1×10-3～1×10-1 1×10-1以上 颗粒含量（%） 5～15 15～25 25～35 35～45 45以上 相对密度 1.025～1.075 1.075～1.125 1.125～1.175 1.175～1.225 1.225以上 2 在顶进过程中，机头密封舱中流入含泥量的泥水，使泥水保持一定压力，这样泥水起到平衡地下水压的作用，且泥水带走切削下来的泥土。泥土压力应高于地下水压。 3 在掘进过程中，应经常注意排泥处水头变化，观察水头可以看出地下水压力变化。如果出现排出泥水压力水头大增，应及时采取调整顶进压力，增减泥水泵压力，或控制阀门大小等措施，保持挖掘面的稳定。

4 要经常检查排出泥水浓度和密度，还有所含物质，对照检查排泥泵的流量及压力是否正常，防止排泥量过小造成排泥管淤积和堵塞，过大造成挖掘的失衡。

5 当掘进停止或者排泥管清淤时，应关闭排泥阀门，防止泥水流出，也应防止泥水从洞口或其他地方流失，防止挖掘面失稳。

6 泥水分离：对顶进过程中排放出来的泥水进行泥水分离，最常采用的是沉淀池法，就是把排出的泥水排入沉淀池，一定时间后，颗粒较大的自然沉淀于底层，抽去上层清水，下层既是分离出来的泥浆，上层清水可重复使用，泥浆可以处理，这是一种简单而又经济的处理方法。

5.2.5 管节连接：顶完一段（接收井和工作井之间）距离后，检查完每一节项完整性和密封性符合设计要求后，对管接口处进行连接密封，根据管材不同材料采取不同的连接方式，确保接口质量及密封要求。

5.2.6 在整个顶管施工过程中应及时测量并记录各项工艺参数。

5.3 劳动力组织

顶管施工一般需要三班制连续作业，每班人员的配备见表5.3

表5.3 顶管施工每班人员配备表

序号 1 2 3 人 员 技术人员 班 长 顶管机操作员 数 量 1 1 1 职责分工 施工技术管理、质量管理、数据收集与分析，发现问题并提出解决措施 在技术人员指挥下进行指挥、调度、计划安排、质量控制 操纵机头运转、顶进、进排泥泵运转、纠偏等 7

4 5 6 起重机驾驶员 压 浆 工 辅 助 工 1 1 2 操作起重机械 拌浆、压浆 接管、拆管、挂钩等

6 材料与设备

6.1 材 料

6.1.1 顶管材质应根据管道用途、管材特性等选用混凝土管道、钢管、玻璃纤维加强管等，所用管材必须满足如下基本要求：

1 能够抵抗管道内外的侵蚀。 2 能够承受一定的静、动荷载。 3 能够承受管道内外部的压力。 4 具有良好的过流性能。 5 较低的成本。 6.1.2 所用管材除了满足上述基本要求之外，还应符合以下要求：

1 较高的轴向承载能力。 2 紧密的配合尺寸。 3 端部要平整、垂直。

4 管道长度方向上应保证平直度。

5 防水接头应设置在管道壁内，不允许突出于管道的内外壁。

6 管道接头应具有传递轴向荷载的能力，同时在发生一定角度的偏斜时应仍具有防水能力。

6.2 设 备

主要机具设备见表6.2。

表6.2 主要机具设备表

序 设备名称 号 1 2 3 4 5 6

泥水加压平衡顶管掘进主机 后座顶进装置 起重机械 进排泥浆设备（泵） 泥水管路及旁通阀 压浆设备 位 台 套 台 台 套 套 8

量 1 1 1 1 1 2 包括操纵台 包括油缸、油泵、顶铁 吊车 相应配套设施 包括搅拌筒、压浆泵管路 单 数 备 注 7 8 9 10 11 中继顶进装置 污泥泵 管道激光导向仪 管材接缝专用焊枪 定向测距仪 套 台 台 台 台 1-5 1 2 3 2 视顶程距离而定 井内降水用 管道连接 测量控制

7 质量要求

7.1 质量控制标准

7.1.1 顶管施工执行《给水排水工程顶管技术规程》CECS 246:2008、《给水排水管道工程施工及验收规范》GB 50268-2008等规程、规范。

7.1.2 顶管施工贯通后管道的允许偏差应符合表7.1.2的规定。

表7.1.2 顶管施工贯通后管道的允许偏差

检查项目 直线 1 顶管 水平 轴线 直线 2 顶管 内底 高程 顶进长度＜300m 300m≤顶进长度 ＜1000m 顶进长度≥1000m 顶进长度 ＜300m Di＜1500 Di≥1500 允许偏差 （mm） 50 100 L/10 +30，-40 +40，-50 +60，-80 +80，-100 150 150 200 150 150 150 +100，-150 +150，-200 ±200 +100，-150 +100，-150 ±200 ≤2 15%壁厚，且≤20 用钢尺量测 用水准仪测量 每 管 节 1 点 用经纬仪测量 检查数量 范围 点数 检查方法 用经纬仪测量 或挂中线 用尺量测 用水准仪或 水平仪测量 300m≤顶进长度 ＜1000m 顶进长度≥1000m 水平曲线 用水准仪测量 曲线 3 顶管 水平 轴线 R≤150 Di 竖曲线 复合曲线 水平曲线 R＞150 Di 竖曲线 复合曲线 水平曲线 曲线 4 顶管 内底 高程 R≤150 Di 竖曲线 复合曲线 水平曲线 R＞150 Di 竖曲线 复合曲线 5 相邻管 间错口 钢管、玻璃钢管 钢筋混凝土管 钢筋混凝土管曲线顶管 6 相邻管间接口的最大 间隙与最小间隙之差 7

钢管、玻璃钢管道竖向变形 ≤0.03Di 9 ≤ΔS 8 对顶时两端错口 50 注：Di为管道内径（mm）；L为顶进长度（mm）；ΔS为曲线顶管相邻管节接口允许的最大间隙与最小间隙之差（mm）；

R为曲线顶管的设计曲率半径（mm）。

7.2 质量保证措施

7.2.1 对进场的管材和配件进行外观等方面的检验，各项指标均应符合规范及设计要求，并应有产品出厂标记。

7.2.2 管道的焊接、止水圈的安装及接头密封处理，应符合设计要求及有关标准的规定，并应有材料出厂合格证明。

7.2.3 顶管竣工后管道应进行闭水试验或渗水检验。

8 安全措施

8.0.1 顶管施工中，应遵照国家、省市颁发的有关安全操作规程，及施工用电、机械设备安全规程，建立完善的安全保证体系，加强施工中的安全检查，发现隐患及时排查，确保作业标准化、规范化。 8.0.2 顶管施工前，应查明顶管沿线地下障碍物的情况，对管道穿越地段的管线及上部建构筑物等做好安全保护措施。

8.0.3 在施工现场周围有警示挡板，悬挂警示牌。工作井上部设安全平台，周围设护栏杆，井下作业戴好安全帽。

8.0.4 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，方可顶进。顶进过程中，不得站在顶铁两侧操作，以防止崩铁伤人。

8.0.5 吊装顶铁或管道时，严禁吊臂工作半径内停留。往工作坑内下管时，应穿保险钢丝绳，并缓慢的将管子送入导轨就位，防止滑脱坠落。

9 环保措施

9.0.1 工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。 9.0.2 施工中采取有效措施控制施工过程中的扬尘、噪声，尽量减少对周围居民的干扰。 9.0.3 合理规划使用施工场地，按施工平面布置图布置设备、设施和材料。规范围挡，设置围栏，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。

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9.0.4 定期清运沉淀泥砂，做好泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。

10 效益分析

10.0.1 本工法施工不破坏道路，施工噪音低，对道路、交通、周边环境影响小，工期短，真正实现了环境保护目标，根本改变了先破路后建设的传统施工模式，是一项环保型的施工技术，社会效益非常高。

10.0.2 采用本工法施工，工期较短，投入施工人员少，可节约各项成本，同时减少了降水、土体加固等措施，也避免大面积拆迁工作，避免了交通绕行，减少了大量的场地占用，所带来的经济效益十分显著的。

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