泥水平衡顶管施工方案.pdf

泥水平衡顶管施工方案 1、顶管设备的选用及安装 1.1 顶管掘进机的选择 选择好顶管掘进机对顶管施工是至关重要的。根据业主提供的工程地质勘察说明书,根据地质资料显示，本工程顶管穿越地层为粉质粘土及淤泥质粉质粘土，渗透系数大，物理力学性质差。因此,我们选择一种较先进的全封闭机械顶管掘进机TLM 泥水平衡掘进机。该机具有沉降控制精度高，顶进速度快等特点。1。2 主顶进系统设置 主顶进系统由油缸组、顶进环、钢后靠及液压泵站等组成，其主要功能是完成管节顶进，是顶管设备系统的主要组成部份.油缸组 油缸组由 4 只油缸分两列左右对称布置,每列各 2 只油缸叠积而成，并用可分式结构的支座固定，用联接梁连成一体。油缸选用国产的双冲程、双作用等推力液压千斤项，每只油缸最大推力为 2000kN，装备最大推力为 8000kN，满足顶管最大允许顶力的要求。油缸行程 3.5m,因此长度 2。5m 的管节可一次连续顶进完成，无须再设垫块,提高了工效，并减轻了劳动强度。液压泵站 选用 2 台 A2F28RP2 斜轴式柱塞油泵，配备 Y200L6 型电机。通过调速阀可改变油泵的流量，据顶进时的工况要求及时控制主顶油缸的顶速.以满足开挖面土压平衡的条件，从而起到控制地面沉降的作用。钢后靠 管节顶进时油缸的反力，通过钢后靠均匀地传递到工作井井壁上，避免井泥水处理器 泥浆箱 进浆泵 进浆管 排浆管 进浆泵 机内旁通 壁受力不均或局部受力过大造成井壁结构破坏。钢后靠安装时,应与顶进轴线保持垂直，与井壁间的空隙应用素混凝土填实,确保整体接触.主顶进装置主要技术参数 油缸数量：4 只；油缸尺寸：DdL2502203500mm；油缸行程：S=3000m；限定油压：P 额25MPa;限定推力：F 额2000kN；最高油压：Pmax31。5MPa；最大推力:Fmax2000kN；顶进速度：V=0-80mmmin ;油泵型号：A2F28RP2 Pmax=31。5MPa Q=28L/min 电机型号:Y200L6 N=15KW n1000rpm 1.3 中继环设计 本工程1500 顶管最大顶距 159 米,根据以往的施工经验不需要设中继间。1.4 注浆设备系统 对顶管能否及时地有效地向管节外围压注触变泥浆，以形成和维护好泥浆套，起到高效的减摩作用,往往是顶管成败的关键。为确保本工程的顶管外壁能形成良好的泥浆润滑套，共设置二根总管，二套管路系统。一根专门用于掘进机尾部的同步注浆，另一根用于补浆。(见下图)本顶管施工用的膨润土触变泥浆，是在地面压浆站配制后,通过二台液压注浆泵压入二根输浆总管，一根总管压注到机头后的储浆箱内,再由螺杆泵把储浆箱内的浆液压入掘进机尾部的同步注浆口.另一根总管压注到管节上设置的环形分管的各个注浆孔，不断补充管外壁渗透到土层中的泥浆，以便形成管节外围完整泥浆套.地面储浆箱外形尺寸 LBH21.51m=3m3,机内储浆箱外形尺寸LBH20.81m=1。6m3.膨润土泥浆搅拌时间必须大于30 分钟，经过充分搅拌的泥浆抽入储浆箱进行发酵，发酵时间大于 6 小时，再通过液压注浆泵压入管内,在膨润土泥浆压入以前,对储浆箱内径发酵的泥浆再一次搅拌,以减少压浆管道的阻尼.注浆泵站由 SYB5050II型单缸液压注浆泵和液压动力站组成，注浆量Q80Lmin，注浆压力P=0.08 0。1MPa，输浆总管由2”镀锌钢管和球阀、水暖管件等组成，与管节上各压浆孔接通的环形管,采用25 高压软管。注浆设备主要技术参数 单缸液压注浆泵型号:SYB5050II 注浆流量:Q80Lmin 注浆压力：P4MPa 油泵型号：10SCYl4lB Q10mlr p31.5MPa 电机型号:Y112M4 N=4KW N=1450r/min 1。5 泥水出土系统 泥水系统选用二台石家庄水泵厂生产的渣浆泵。一台放在地面上为送泥泵，另一台放在基坑下为排泥泵。进泥管路采用 4“无缝钢管，排泥管路采用 4“无缝钢管，管节接头为卡箍式活络接头.基坑内设有旁通装置等.泥水系统采用 Telemole管路系统。渣浆泵型号：4/3 CAH，电机功率 18。5KW，流量 90m3/h，扬程 21。8m。顶管施工的管内出土是影响工效的关键环节，因为采用泥水管路系统可使顶管实现连续推进。掘进施工中分为四个状态:停止状态、旁路状态、掘进状态及逆洗状态.在“停止状态，切口水压若下降时，可以及时控制蝶阀的开度，使送泥水管道中的泥水补充到泥水仓,让切口水压力上升并稳定在设定值上。此时若送泥水管道中水压力低于设定值就可连动开启压力调节阀和进水泵，以提高管道水压力。在“旁路状态”时，顺利开启电磁比例阀,启动进水泵，开启进水阀截止阀，再逐个启动排泥泵、接力泵、PE 泵。系统启动数分钟后,当送排泥水压油流量趋于稳定，并使送泥水压力和切口水压力基本相同时，再可操作到“顶进状态”。进入“顶进状态”时,顺利开启机头阀，开启进水阀、截止阀，关闭旁通阀。泥水输送系统可逐渐达到泥水平衡，调整送泥水压和排泥流量，使推进过程中一直保持泥水平衡，若在顶进过程中，切口水压值偏离设定值，操作人员应采取措施，使之恢复正常，若切口水压继续偏离，应立即切换到“旁路状态”。如果切口水压的偏离原因是泥水管道堵塞引起的，就应操作至“逆洗状态”，相应转换阀动作,对堵塞管道进行冲洗。管道畅逼后，应再转换到“旁路状态”。顶进结束，应将“顶进状态切换到“旁路状态”，待泥水平衡后，再切换到“停止状态”。图 4-3 顶管施工工艺示意图 1.6 顶管工作坑设施布置 基坑导轨应具有足够的强度和刚度.本工程基坑导轨由型钢和钢板焊接而成。在工作井底板基础上应事先预埋钢板，预埋钢板的位置与基坑导轨相吻合,以便导轨与之焊接.预埋钢板上的锚固钢筋要焊牢并有足够的锚固强度，导轨安放后，还应在二侧用型钢支撑好,必要时再浇筑混凝土，确保导轨在受撞击的条件下，不走动,不变形.导轨安装的允许偏差为：轴线位置：3mm，顶面高程:0+3mm，两轨内距：2mm。在顶进过程中经常进行检查和复核。承压壁是承受和传递全部顶力的后座墙,更应具有足够的强度和刚度，并有足够安全度.本工程的承压壁设计在内衬混凝土上先用钢筋混凝土浇平，后靠钢板用70 钢板，在钢板和混凝土平面之间填满堂素混凝土。顶铁 导轨 千斤顶支架 后垫铁 千斤顶 1.8 顶管主要机械设备及仪器表 序号 机 械 名 称 规格型号 数量 国别产地 制造年份 额定功率 KW 1 D1500 泥水平衡顶管掘进机 1 套 20 3 双冲程等推力油缸 2000KN 4 只 4 20T 汽车吊 1 台 60 5 液压动力站 1 套 15 6 注浆管路设备 1 套 7 泥水管路设备 1 套 40 8 液压注浆泵 SYB50/50 1 台 3 9 电焊机 直流 1 台 9 10 污泥泵 3”1 台 15 11 激光经纬仪 苏光 J2 1 台 12 水准仪 1 台 2、顶管施工工艺流程图 3、工作井平面布置 本工程顶管采用 20T 汽车吊用于工作井起重作业.在工作井实行全封闭隔离，并建筑必要的生产临时设施。要保持施工现场的文明、安全和卫生整洁。（见下图)4、最大顶推力及其限制措施 本工程主顶液压系统最大顶推力根据管材的许用顶力分别设置为 D15002000KN。限制措施为控制液压系统的压力。当液压系统的压力达到 10MPa 时，主顶液压控制台将报警，以满足限制最大顶力的措施.由于限制的系统压力较小，所以液压系统的故障将大大减小,顶管的可靠性也相应提高.4、洞口止水装置 在洞口外侧，要设置钢封门,钢封门采用16槽钢，密排布置，在洞内侧，根据设计要求,先制作钢筋混凝土墙，再砌砖墙，顶进开门时,用风镐破除钢筋混凝土墙和砖墙，不留隐患.在预留洞底部,还应设置延长导轨，以免机头出洞时嗑头。根据设计预留的法兰，我们在法兰上安装工作井洞口止水装置。该装置必须与导轨上的管道保持同心，误差应小于 2cm.工作井洞口止水装置密封为橡胶止水法兰。在橡胶止水法兰之前应预埋注浆孔,以便压注膨润土泥浆。（见下图）在机头将要到达接收井时,要精确测出机头姿态位置，尽量满足橡胶法兰与机头同心的要求。在顶管结束后,顶管首节与尾节通过钢筋环和井壁预埋钢环连接，并浇筑防水砼作密封处理。5、地面沉降计算（派克法)SmaxV1/2.5I(以 D1500 为例）I=R(z/2R)0。8=0.9*(7。50/2*0。9）0.8=2.819（z 为管顶到地面的覆土深度)地表损失量与以下因素有关 1、开挖面引起的损失量 Va=0.5（施工经验值）2、工具管纠偏引起的地层损失量(）VL=1/4DLa%=1/4*3。14*1.8*(0。4*3.14/180)=0。099 3、管道外周空隙引起的地层损失 a.工具管外径与管道外径的差异引起的地层损失 Vc1=Da1K1=3。141。8*0.01*0。2=0。011 b。相邻节不平整度过大引起的地层损失 Vc3=DpapKpn=3.140.990*0*0=0 4、其它因素引起的 Vo0.3(施工经验值）VeVaVLVcVo0.50。099+0.011+0。30。91 则：V1=Ve*A=0。91%（3.140.92)=0。023 SmaxV1/（2。5I）=0。023/（2.52。819)=0。003m=3mm 根据计算和经验值，顶管最大沉降值可控制在 3mm 以内，对地面及地下管线基本没有影响。6、顶进过程中，线形控制及测量设备 本工程顶管，采用水准仪和激光经纬仪以及全站仪进行测量和线形控制。a)测量仪器配备与检验 顶管施工需进行三维动态测量，其精度要求特别高，必须采用精度高,性能优良的测量仪器。为此,特配备了苏光 J2 经纬仪，SOKKIAC32 水准仪等一系列精密高档仪器。顶管施工测量所使用的仪器、附件须及时送质检单位检验，做全面鉴定,并在使用过程中经常进行检查。b）控制测量 1、平面控制 为确保两井间顶管贯通，横向、竖向误差小于 100mm，在两端头井附近埋设地面导线点，利用空导点和地面导线点，以导线测量形式，将平面控制成果引测到施工现场。利用空导点和地面导线点建立平面控制网。导线测量采用苏光 OTS234 全站仪，方向观测 6 测回，测角精度+1”，测距 6 测回，双向观测，测距相对误差1/150000，对观测结果进行平差.井上座标点向井下传递采用联系三角形方式，点位由激光经纬仪垂直投设。井下控制顶进方向的基准点用钢架埋设成固定点，采用激光经纬仪跟踪观测机头平面偏差方向.2、高程控制 利用施工区域附近的已知高级水准点，布设四等水准路线,将高程引测到工作井附近，并设立施工高程控制点。地面高程传递到井下时，可用钢尺垂直悬挂，下系线锤至标准拉力,然后地面、井下两台水准仪同时观测。钢尺应进行尺长、温度两项改正.井下布设 23个地下起始高程控制点.顶管机头高程控制水准仪，每顶进 20cm 测量一次偏差值，做到及时掌握机头姿态和发展趋势，以便及时纠偏 3、顶管姿态测量 为保证顶管机严格按设计轴线推进，必须及时观测顶管动态数据，从而调整顶管各施工参数,指导顶管正确、安全推进。在顶管机头部纵向设一对水平横尺，利用布设的三维坐标控制点，测量各尺读数,经精确计算得顶管转角、顶管中心方向偏差值、顶管坡度、顶管中心高程等数据，从而相应调整顶管机的各个施工参数.7、管壁外优质润滑泥浆的制作和压注 顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效方法是注浆。我们设想在管外壁与土层之间形成一条完整的环状的泥浆润滑套，变原来的干摩擦状态为液体摩擦状态。这样就可以大大地减少顶进阻力.注浆为机头同步注浆和管道补浆二部分。触变泥浆由地面液压注浆泵通过 1 寸管路压送到各注浆孔。在机头处应安装隔膜式压力表，以检验浆液是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置球阀,软管和接头的耐压力 5MPa，支管通径为 G1”.在工作井洞口止水装置前的建筑空隙处设置 4 个注浆孔，当管道外壁进入洞内，未与土体磨擦之前就先浸满浆液.触变泥浆随管外壁向土体渗入。在整个管道中每间隔 2 个管子设 1 个补浆断面共 3 个注浆孔，补浆应按顺序依次进行，每班不少于 2 次循环,定量压注。触变泥浆的配方和性能指标 配方 膨润土 纯碱 CMC 漏斗粘度 (秒）视粘度CP 失水量ml 终切力（达因/mm3)比重 A 浆 15%6 2 42”32.5 6 150 1.073 B 浆 12 4 1。5 36”30。5 9 130 1.063 注浆压力:大于地下水压力，注浆量为建筑空隙的 68 倍.8、地上、地下挖弃土安排及处理 由于本工程采用泥水平衡掘进机施工,地上挖弃土是泥浆经过地面沉泥箱沉淀，由污泥泵抽到罐车内外运。地下挖弃土通过泥水管路系统连续出土。泥水系统选用二台石家庄水泵厂生产的渣浆泵。一台放在地面上为送泥泵,另一台放在基坑下为排泥泵.地面安放 8只沉泥箱，管路采用 4”无缝钢管,管节接头为卡箍式活络接头.基坑内设有旁通装置等。泥水系统利用 Telemole 管路系统。送排泥管路 4 寸钢管：法兰连接(软管耐压 2MPa).送泥泵:15KW 无堵塞泵（长沙水泵厂），放在沉泥池处。工作井基坑内放 1 台，37KW 渣浆泵（石家庄水泵厂），直接垂直提升并送到沉泥箱。土方的外运通过将沉泥池内沉淀的泥浆用 4”污泥泵抽到沉泥池箱，泥浆的外运可以在夜间进行，以尽量减少对交通和环境的影响。泥浆外运必须征得有关渣土管理、交通管理部门的认可并事先办好手续.9、顶管过程中遇到特殊情况的技术措施 9。1 顶管穿越砂土层时的技术措施 1）通过管壁外优质润滑泥浆的制作和压注措施降低顶进阻力。顶进时，利用机头尾部环向均匀布置的四只压浆孔,及时进行注浆，保证在机头后面形成完整有效的泥浆套。机头后面的三节砼管节上都有压浆孔，再往后每三节里有一节管节上压浆孔，砼管节压浆孔均呈斜向 450正交环向交叉布置.顶进时利用砼管节上的压浆孔进行补压浆.2）对于当顶管穿越砂土层而引起泥水管内产生沉淀时，如果排泥泵达不到所需的流量要求时,应更换.停止推进前必须对排泥管道进行较为彻底的清洗。另外在排泥管道与基坑旁通之间加一只沉淀箱,可让土块或砂石在该箱里沉淀下来，过一段时间只需打开箱底把它们排出即可.3）为了对正面的土体进行改良，在机头迎土面的上部布置了注浆管.顶进时,通过注浆管向土体内压注一定量的泥浆并经刀盘搅拌后,可以有效地改良正面的土体，使出土保持顺畅.9。2 管节止转的技术措施 顶进时机头在刀盘及螺旋机的作用下会发生旋转，而机头旋转尤其是转角偏大时会对顶进造成不利影响，因此对工具管要采取纠旋转措施。在机头前方筒的水平二侧焊翼板，长 1。8m，宽 30mm，厚 25mm，以防止机头旋转。对机头的旋转主要采用加压重块的方法.在机头二侧焊压铁支架，1#与 6管二侧亦焊压铁支架。二侧先平均放压铁,共 2t。一旦发现机头有微小偏转，立即将压铁移到一侧.9。3 管道内照明的应急技术措施 管道内的照明采用 36V 安全电压，照明电源由工作井内操作平台上的配电箱供电。工具管和中继间处均安装 lKVA36v 变压器,管道内照明灯每三节管节上装一只，功率为 60w。管道内还设有应急照明系统，因故突然停电时，使用应急照明，保证施工人员安全撤离。9。4 处理顶管机头碰到原有地下障碍物的措施和方法 顶管地下施工有可能会遇到不明障碍物.因为我们是用封闭式泥水平衡掘进机施工，如果有较小的石块或障碍物(是指小于顶管机头截面 1/10 的石块或障碍物),可以采取一定措施,利用刀盘纠偏装置将障碍物排出挖掘面；较大的石块或障碍物（是指超过顶管机头截面 1/10 的石块或障碍物），由于管径较小，无法在机头面板上开排障孔，只能采取在对应地面部位打排桩后降水开挖或小型沉井等措施进行排除；而小块碎石进入机内，能通过排泥管道输出。9。6 顶管过程中方向偏差的控制技术措施 a.适当调整掘进机壳体的长径比，使纠偏过程的承载面积增加，以提高软土中纠偏稳定性。b.适当增加纠偏油缸的行程。c.在掘进机后面紧跟一套中继间，用于辅助纠偏，使原来掘进机的一组纠偏装置娈为二组纠偏装置,增加了方向控制的可靠性.d.施工过程中贯彻勤测、勤纠微纠的原则。e.严格执行方向偏差报警制度，一旦施工中出现偏差值超过 5 cm 时，作业人员应立即停止顶进，并逐级向上汇报，经技术负责人汇同有关施工人员研究分析原因后，方可继续顶进，从而避免盲目顶进。9。7 管道的后期下沉的控制技术措施 a.一俟顶进结束，立即利用原注浆孔向管外壁压注水泥浆，以置换原来的膨润土泥浆，置换浆的容积为原建筑空隙的2 倍，置换体的强度为 0。2MPa.b.管道接缝的渗漏对后期沉降更为重要。为此，顶进结束后应逐一检查管接缝渗漏情。对薄弱环节，应立即从木衬垫处钻孔至根部，对根部环形空隙处压注聚胺脂浆，大量施工经验表明这是一种最有效的堵漏措施.9.8 进出洞口渗漏的控制技术措施 a.在顶管施工前,必须对进出洞口的土体进行预加固，采取双液注浆法加固，加固强度为 0。30.4MPa。b.在顶进过程中，应注意对工作井洞口处的膨润土泥浆的压注.方法可以从沉井预留孔处的注浆点压法。通过完整的浆套形成来避免管道入土后管外壁背土，从而产生土体移动和损失并引起管道下沉的情况。c.洞口止水装置的设计、选材、安装都必须按本公司标准图进行,每个环节都要由专人进行检查，确保洞口不渗不漏.d.顶管进入接收坑后，应尽快对洞口进行封堵，并利用前几节管子底部。预埋注浆孔向管道下部土体压注水泥浆，同时也向洞圈进行压浆。10、使用中间接力顶进技术的措施 10。1 控制顶力的确定 根据设计及管材确定本工程顶管钢筋砼管材最大允许顶力D1500 为 3500KN.最大顶进长度为 159m。10.2 顶力计算与中继间设置 1、机头磨阻力 设定土的容重 19KN/m3，地面至管中心深度 7。5m，土的内摩擦角22o）F1rHtg2(45+/2）*A197。5*tg2(45+22/2）(0.251。82)797KN 2、机头刀盘迎面阻力 因管道平均埋深 7.5m,故设定水压为 75kPa；土压加上地面荷载暂估为100kPa。：F2=D2/4（75+100）=*1。82/4*175=445KN 3、管外壁摩阻力：F3DLf1.8*159 2.52247KN（f 值取 2.5为经验指数）4、总阻力:FF1+F2+F3797+445+2247=3489KN3500KN 所以本工程 D1500 顶管不需要设置中继间。11、顶管施工质量通病及预防措施 通病 原因分析 预防措施及处理方法 顶 管 方 向 失 控 1)工作井出洞口无土体加固措施。2)掘进机长径比不合理。3)掘进机纠偏液压系统遇故障。4)掘进机纠偏行程小，纠偏力不够。5)测量数据有误。6)工作井发生位移和倾斜。7)纠偏不及时，纠偏幅度过大。8)没有给机头轨迹曲线.9)遇到土质变化,开挖面失稳.1)采取可靠的进出洞口地基加固措施。2)机头设计要经充分论证.3)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。4)实行三级测量复核制度。5)定时对工作井的位移进行复测。6)采取勤测、微纠原则。7)施工现场给机头姿态曲线图，以曲线图指导纠偏。8)遇到突发情况，逐级 汇报，确定 偏差报警值，杜绝方 向失控。顶 力 剧 增 1)触变泥浆选材质量不好.2)触变泥浆材料配方不合理。3)现场搅拌不充分，水化时间短。4)注浆孔布置不合理。5)注浆泵耐压低.6)注浆量没有控制好。7)注浆压力不合理。8)管路接头渗漏、9)没有形成完整泥浆套，只是偏心浆套。1)选材应进行测试和论证。2)配方应进行筛分和优化 3)搅拌和水化时间大于 6h。4)科学合理地按设计的管路进行布置.5)采用液压注浆泵，并维修好，确保耐压大于 2MPa 以上。6)注浆量和注浆压力按设计要求控制。7)所有压浆接头用生料带包扎，确保无渗漏现象。8)压浆工艺由当班班长负责，确保整条管道形成完整泥浆套。地 表 沉 降 大 1)顶进速度太快.2)开挖面土压力大。3)开挖面不稳定.4)管道线型不好.5)机头壳体外径比管外径大得过多。6)泥浆套形成不好，管道带土顶进.7)顶进开始阶段没有对 推进参数进 行优化。1)顶进速度应满足开挖面土压平衡条件。2)采用能稳定开挖面水土压力的顶管掘进机。3)机头姿态控制精度好。4)机头壳体比管外径大 20mm 为宜.5)认真做好注浆工艺。应采用信息反馈技术，在初始推进阶段对推进在数进行优化,以指导施工。管 道 渗 漏 1)进出洞口渗漏。2)管接口渗漏。3)中继环渗漏。4)机头主轴密封渗漏.1)进出洞口止水装置与管道的同心度好，误差小，采用精加工制作,采用双道橡胶法兰结构。2)特别重视管材的加工精度,从钢模制作，样品管的验收到橡胶止水带的质量检验，都要从严把头，确保的压缩过盈量.3)采用归先进的中继环设计，经向可调橡胶止水带,双道密封，并且可以更换的结构形式，确保中继环无渗漏现象。4)机头主轴密封采用多道聚胺脂密封，并采用油嘴泵加压以平衡开挖面水土压力。