1、第 1 页 共 13 页泥水平衡顶管穿越施工工法冯大永 倪宏源 曾士伟 历明 马鹏程 1.前言随着管道建设的发展，管道在穿越高速公路、铁路、建筑物等特殊地段时，传统的人工掏土顶管施工，因易坍塌、效率低、受周边环境制约等缺点越来越不适合于现场施工，泥水平衡顶管施工属于机械化、长距离顶进施工技术 ，在我国近年来逐步得到推广和应用，泥水平衡顶管施工则切实解决了施工中受地形限制、顶管长度限制、施工安全、环境污染等传统顶管存在的各项问题。本工法对施工技术操作要求较高，主要体现 在对顶管设备操作、排泥系 统 的操作、注浆系统的操作都比较严格。泥水平衡顶管的主要设备有：泥水平衡顶管机、主 顶设备、测量设备、
2、电气控制系统、泥水处理设备、 压浆系统等。第 2 页 共 13 页2.工法特点2.1 该工法层次清楚，操作简 便，运行可靠，便于掌握，可以对复杂的地下情况作出快速反应。2.2 顶管在地面操作，安全、直观、方便。2.3 适用土质范围广，软土、粘土、砂土、砂 砾土、硬土均可适用。2.2 施工精度高，上、下、左、右可纠偏，最大 纠偏角度达 2.5，并可作 较长距离顶进。2.3 对管体周围的土体扰动较小，地面沉降小，道路交通及构筑物相对安全。2.4 操作坑内施工环境较好，采用泥水 输送弃土，没有吊土、搬运土方，施工无安全风险。2.5 施工噪音小，对周围的环境影响小。3.适用范围泥水平衡顶管施工工法适用
3、于各种粘土、粉土、砂土和渗透系数较大的砂卵石，也适应强风化岩等恶劣地质条件下的石油管道、室外 给水、排水、电力及其它适用于顶管施工的管道工程。由于泥水平衡顶管顶距长，只要控制好降水措施，就能很好控制地面隆沉、施工安全等特点，并可适用于各类复杂地质条件，因此像穿越重要公路、铁路、建筑物等特殊工程地段、穿越砂层、淤泥质土等特殊地质构造地段应用泥水平衡顶管施工工法，可达到良好的效果。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，采用机械掘进技术。工艺原理为：当接通机头刀盘电动机的电源开关时，刀 盘就被 驱动并以均匀速度对土体进行切削，刀盘可以根据土压自动前后移动，在
4、 顶进中起机械支撑开挖面的作用，维持挖掘面的土压。通过刀盘切削，将相当于管子顶入土壤同体 积的泥土进入泥水仓，土将相当于管子顶入土壤同体积的泥土进入机头泥水仓内，由供水管向泥水 仓内供水，泥土在泥水 仓内与泥水混合成泥 浆后，再由排泥管道排到泥浆池，泥浆经沉淀或分离后泥水可重复利用，残渣外运；掘进过程通过调节循环水压力用以平衡地下水压力。在切土、排泥时同步采用等压油缸持续顶进套管，同时通过机头内设置的 4 处纠偏油缸进行纠偏，在顶进过程中，加注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少顶进阻力的作用。5.施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程，见图 5
5、.1-1。测量放线 工作坑施工 后背墙施工 导轨安装 主顶油缸安装顶管设备就位套管就位顶进施工顶进完成送水、排泥设备调试机头出洞 泥浆处理 地貌恢复第 3 页 共 13 页图 5.1-1 施工工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 施工准备5.2.1.1 施工前熟悉施工图纸，掌握穿越沿 线的地形、地貌、建筑物、各种管线及设施情况，掌握穿越深度、穿越地质结构情况。5.2.1.2 编制施工方案，施工技 术负责人对施工人员进行安全、质量、技术交底工作。5.2.1.3 施工前对顶管机、发电 机、千斤 顶等施工机具、设备进行检修。5.2.1.4 顶管用钢筋混凝土套管施工前进行复检，强度必须满 足设计及相关
6、标准要求。5.2.1.5 施工前根据施工现场地形地貌情况，在靠近工作坑 选择合适位置开挖泥浆池，用于安装泥浆分离系统和注浆系统，泥 浆池规格为 10m*8m，泥浆池大小根据顶管施工的具体情况进行适当调整。5.2.1.6 施工前制作警示标牌，在 顶管工作坑及泥浆池四周 设置警示带警示。5.2.2 顶力计算推力的理论计算：（以 1800mm 计算）F=F1 十 f2其中 F总推力Fl 一迎面阻力 F2顶进阻力F1*(D/2) 2*P (D管外径 1.8m P控制土压力)PKo*Ho式中 Ko静止土压力系数，一般取 0.55Ho地面至掘进机中心的厚度，取最大值 5m土的湿重量，取 1.9t/m3第
7、4 页 共 13 页P0.55*1.9*55.255t/m2F1=3.14*0.9*0.9*5.25513.365tF2D*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 0.8t/m2D管外径 1.8mL顶距F23.14*1.8*0.8*80361.7t 。因此，总推力 F=13.365+361.7375.065t。主顶油缸选用 2 台 300t 级油缸。每只油缸顶力控制在 240t 以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力 480t。主顶油缸采用双行程（3m）油缸，可有避免频繁增加顶铁的弊端，施工中不必更换顶铁，保证连续施工，提高功效。5.2.3 测量放线采用
8、基站式 GPS（RTK）进行轴线定位，采用水准 仪进行高程定位，并在定位轴线以外，征地范围之内设置永久测量控制桩。5.2.4 工作坑钢板桩支护施工泥水平衡顶管穿越高速公路， 顶管深度一般在 5-6m，因土质为粉质砂土，操作坑开挖后出 现临空面，四周的土壤易发生坍塌 现象，影响施工安全和 质量，为防止操作坑开挖后坑壁塌方，并加快施工进度，工作坑坑壁采用拉森 钢板桩支护。 该工艺是在拟开挖基坑周 围沿外轮廓线预先打入钢板桩，并实现钢桩间相互咬合，最后将其相互 连接而形成一个整体 结构从而达到挡土目的。首先根据设计顶进位置处进行顶进操作坑放线，工作坑 长 度为 6m，宽度为 5m，钢板桩采用拉森 I
9、II 型， 桩长 9m；钢板桩沿基坑四周连续设置成封闭的帷幕；钢板桩采用单独打入法，即吊升第一支钢板桩，准确对准桩位，振动打入土中；吊第二支钢板桩 ，卡好企口，振 动打入土中，如此重复操作，直至基坑钢板桩帷幕完成。为 保证基坑安全， 钢板桩上设置一道 连续的工字钢或槽钢围檩以加强钢度及整体性。操作坑内的土方开挖必须在完成钢板桩支护 整体牢固后方可进行。土方开挖 过程中挖土机机械臂不得触碰内支撑。第 5 页 共 13 页顶进坑底板：在挖深达到顶进坑底标高后施作底板，底板 现浇 30 厘米厚的 C20 混凝土，使用20 双层罗纹钢 ，间距200200。底板预留 500500500 毫米集水坑一个。
10、支撑：选用 30#工字钢做支撑，与 钢板桩焊接在一起，垂直的两道支撑间距不大于 2 米，最后一道支撑，距坑底 3.2 米。5.2.5 后背墙施工施工中采用钢后背墙支持油缸顶进套管的反力， 钢后背墙 直接放置在已经支护牢固的钢板桩整体结构上，油缸顶进的反力通 过钢后背墙均匀的分散到钢 板桩整体结构上，因此 钢后背墙安装时应与顶进路径轴线相垂直，钢后背 墙与钢板桩整体支护结构中 间的缝隙采用钢板垫片填塞，当 钢后背墙垂直度找正后，将钢垫板与 钢后背墙、 钢板桩整体支护结 构满焊牢固。钢板后背墙厚度为 40mm，尺寸为 2.5m1.5m。5.2.6 导轨安装导轨安装时和工作井底板预埋钢板焊牢，并用型
11、 钢支撑围 牢。 导轨安装前要先复核管道中心位置，确保导轨的高程、轴线位置准确。导轨定位必须稳固，在顶进中承受各种负荷时不位移、不变形、不沉降。每节套管顶进完成后校 对导轨高程、中 线及水平，如有变化及时校正。导轨安装应满足顶管中线和高程的要求， 导轨轴线位置偏差不超 过 3mm，顶面高程偏差不超过3mm，两轨内距偏差不超过 2mm。两 导轨应顺直|平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致。5.2.7 顶管机就位用 25 吨吊车吊装顶管机，将顶 管机放入顶进坑内的导轨上，顶管机前端距井壁约 250mm。吊运完成后，调整底盘及顶管机机 头的位置、高程、中线、仰俯角、旋转角等，保证顶管机的轴线机坑轴
12、线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致。5.2.8 主顶设备安装主顶设备采用两台 300T 双节等压油缸，油缸底盘的安装应支撑牢固，防止产生受力变形或位移。底盘的调整的定位在将顶管机吊运至底盘导轨上后进行。第 6 页 共 13 页主顶油缸必须符合中线和水平要求，且要以管道中心线为轴对 称布置。主 顶油缸架安装要定位准确，保证油缸受力点的位置正确，其高程和平面安装 误差 应控制在 3mm 以内。安装在油缸架上的油缸中心误差控制在 3mm 以内。主顶油缸的油路应并联，每台油缸应有进油、退油的控制系统。 5.2.9 泥水系统、注浆系统的安装 泥水分离系统及注浆系统应靠近工作井边，安装在地面上适当的位
13、置，符合便投料和排放所需落差的工艺要求，可以减少排泥管路 过长而产生的管路摩阻力。注浆系统尽量使用螺杆泵以减少脉动现象，浆液应保证搅拌均匀，系统应配置减压系统。5.2.10 其它配套设备安装1、工作井总电源闸箱及用电设备 必须执行三相五线制，且安装漏电保护装置，工作坑及管内使用 36V 以下的照明设备；2、顶管机头内应设有应急照明 电源， 顶管机机头、工作坑及地面设备之间设置通讯联络设备。3、工作井内测量仪器的基座不能固定在主 顶装置底盘、工作井后背或其他可能在顶进受力时产生变形或位移的基础上，应安装在独立的固定基座上，以减少重复移动和调整次数；4、使用激光经纬仪或激光指向 仪与安装在顶管机内
14、的激光目 标靶共同组成方位误差测量系统，对顶进的高程的轴线误差进行全过程的监控。5、由于管道顶进距离长，埋置深度深，管道内的空气不新鲜，加上土体中会产生有害气体，因此，必须设置供气系统。通风设施用一台 9m3 的柴油空压机将 压缩空气输入空气滤清器，经过气压调节阀，将压缩空气传输至管道最前端，并将管道最前端的空气排出，进行空气循环。5.2.11 设备试运行1、所有设备安装就位后检查合格后，进行顶管机电路、油路、注浆系统的安装调试。2、设备试运行之前，应对设备的安装，各种管线、 电缆的连接进行检查，确认安装和连接无误后方可接通电源。主顶油缸及后背钢板 泥水平衡顶管机就位第 7 页 共 13 页3
15、、设备的试运行应遵照设备说 明书进行。通 过试运转查找和消除 设备可能存在的所有问题，确认其处于完好状态。主要包括以下内容：1）不加载的情况下，电源电路开关的接通、切断工况试验的 检查。2）液压系统控制阀件的动作灵敏、正确，特别注意有无控制电路反接的现象、操作台显示动作与实际动作是否一致。3）设备润滑和密封系统供油正常，油路 畅通，供油 压力可在 设定的范围内调节。4）刀盘正反旋转动作正确，无异常响声。5）纠偏千斤顶的伸缩动作正常。 试查完毕将千斤顶回缩到工作零位。6）顶进千斤顶伸缩动作正常， 试查完毕将千斤顶回缩到工作零位。7）泥水处理系统、注浆系统输 送泵的试运转符合设备说明 书的规定。8
16、）对注浆管路进行加压试验和检查，保 证管路畅通、无泄漏。5.2.12 顶进施工1、安装顶压环并卡牢管后端，检查顶进系统的安装是否良好，校核管线标高和方向，各方面都准备好后方可操作顶进。2、接通电源，机头刀盘开始转动，转速由慢到快，当设备的参数稳定后，启动进出泥泵出泥，开始泥浆循环。3、调整进出泥浆泵流量，机头刀盘的操作全部采用在管道外控制台控制，由 1 名操作手实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、时时监控(工具头 安装了摄像头、控制台上安装了 电视机) 。4、顶进千斤顶，观察工作仓的土压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的 泵量，使工作
17、 仓内应保持一定 压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起;泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。然后操作油缸进行顶进，直到 顶进一节管。拆除供水、排泥管路，采用吊车将下一节套管安装到作业坑内，套管接口位置设置止水胶圈，套管接触位置为减小应 力集中，沿套管对接位置安装 5mm 后五合板缓冲垫片，重新安装好排泥和供水管路，检查机具、设备正常后，启动顶管机机头和千斤顶， 继续顶进，再次顶进，重复以上步骤，直至顶管完毕。双行程（3m）油缸顶管顶进完成 泥水平衡顶管机内部结构第 8 页 共 13 页5、泥水处理系统处理，通过向刀盘注入含有一定浓度的泥 浆，通过
18、大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处 理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。6、测量工具头的纠偏，在工作井后座位置设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将全站仪 放置在其上调平后，使全站 仪发 射的激光沿着顶进方向水平射出，打在工具头的测量靶位上，通过望 远镜读出工具头的偏差。每隔 0.5m 记录一次。纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用 设置在机头后部的纠 偏千斤顶组，改 变机头端面的方向，减少偏差，目的是使管道沿设计轴线顶进 。机 头纠偏的好坏，将直接影响顶管施工的质量。顶进纠偏是采用调整 4 台 80T
19、 纠偏千斤顶组的办法，进行编组操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩方法，反之亦然，如果同时有高程和方向偏差，则应先纠正偏差大的一 边，顶进时必须严格控制机头的走向，随时纠偏，控制好管道的线形。纠偏时应做到在顶进中纠偏，采用小角度分次逐步纠偏，勤调微纠。纠偏工作尚应在仿真分析的指导下进行。在 顶进中顶管机 头发生旋转时，可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法，直到正常，以防止偏转增大，影响出土和测量等工拆除排泥管 止水胶圈安装第 9 页 共 13 页作。7、加注触变泥浆：顶管机外径宜比 顶进管子外径大 26cm，注 浆后使土体与管子间形成1030mm 厚的泥浆环。顶进过
20、 程中，加注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少 顶进阻力的作用。触变泥浆触变泥浆系统由拌浆、注 浆和管道三部分组成。注浆流程：造浆静置一注浆一顶管推进(注浆 )一顶管停 顶一停止注浆，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 1.11.2 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。注 浆孔布置 为：工具头后 3 节管各设一道、之后每间距
21、 4m 设一道补浆孔(间隔 2 节砼管)。每次顶进同时灌浆，按灌浆孔断面位置的前后顺序进行依次上部纠偏顶缸向下纠偏 下部纠偏顶缸向上纠偏操作台视频显示偏差情况 偏差数据显示第 10 页 共 13 页进行，灌浆遇有机械故障、管路堵塞、接头渗漏等情况时，经处理后方可继续顶进。注浆系统设备包括： 注浆泵（螺杆泵，排量 1000L / min，压力 3MPa）； 搅拌器； 注浆管道（主管 50mm钢管，支管 25mm 橡胶管）； 管路连接； 控制阀； 压力表。触变泥浆是由膨润土、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比为：水：膨润土 = 8：1 膨润土：CMC = 30：18、顶
22、完一节管后，停止电源，关 闭进出泥系统旁通，千斤顶回油，活塞回缩，拆开所有管线(电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触 变泥浆管)，吊装下一节套管，安装好所有管 线、管路、 电源后，继续顶进。9、操作手在交接班时需要进行交接手 续，将 记录的设备运 转情况表交给下一个班组的操作手，并进行口头的设备运转状况交班， 刚上班的操作手需要对 控制台、各个泥 浆泵、管道、 测量系统、工具头等进行例行检查。10、填充注浆，顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换掉，保障被穿越的地面构筑物安全。注浆应 符合下列要求：使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配比 为水：水泥：粉煤灰 =5：1
23、：3，通 过管道内部的注浆孔压注，注浆应与地面监控相配合，应采用多点注浆将管道与土 层的间隙充分填满，注浆量宜按计算空隙体积的 150%控制。每二节混凝土管编为一组，分 为注浆孔与排浆孔。将注 浆泵 清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆 孔，当第一 组排浆孔冒出灰浆 后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。泥浆置换完成后，及时对注浆孔封闭。6. 材料与设备本工法无需特别说明的材料，采用的机具 设备见表 6序号 名称 型号及产地 数量 备注一、顶管机头1 1800 泥水平衡顶管机 1 台2 机外操纵台 1 台3 动力电缆 100 米4 综合控制电缆TPN1000 型江苏镇江200 米5 综合控制电器柜 江苏镇江 1 台二、基坑主顶设备1 主顶油缸 200T，S=2050mm江苏镇江4 根2 主顶泵站 1.5M江苏镇江1 台3 主顶泵站电缆30 米江苏镇江1 根4 主顶油缸架 江苏镇江 1 套5 基坑导轨 江苏镇江 1 套
