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机械式泥水平衡顶管施工工法


机械式泥水平衡顶管施工工法
1.前言 机械式泥水平衡顶管掘进机从结构原理上能够保证安全、优质、高效地 完成在砂土、粉质粘土及两层土体之间的顶进施工任务。该类掘进机的构造 是在掘进机的前部设置一隔板,形成泥水压力仓;能够预设刀盘压力、可根 据土体压力大小自动伸缩、极限位置能够自动报警的切削刀盘,安装在掘进 机的前端; 刀盘切土口的增减具备手动或根据刀盘的伸缩量自动增大或减小, 可随时调节切削量。 2.工法特点 2.1 可有效保持挖掘面的稳定,对管体周围的土体扰动较小,因此施工 引起的地面沉降也较小。 2.2 与其它顶管方法比较,施工时总推力较小,且可长距离输送泥土。 2.3 不影响地下各类管线,不影响道路交通及地面建筑物安全;可长距 离顶进,无环境污染。 3.适用范围 本工法适用于粘土、粉质粘土、砂质粉土、中细砂、砂砾的地层中顶管 施工,也适用于地表沉降要求严格的部位顶管施工。 4.工艺原理 4.1 土体的平衡原理 顶管掘进机正常工作时,刀盘按预先设定的压力紧贴在被切削的土体断 面,在后方顶力作用下一方面旋转切削土体,一方面向前推进维持土体的平 衡。顶进中如果土体硬度增大,顶速不变时,刀盘受到迎面阻力大于预设定 的刀盘压力,刀盘渐渐向后缩回,保持刀盘对土体的压力不变。在刀盘缩回 时,刀盘的切土口自动增大,切削土体的量增大,土体对刀盘的压力减小, 土体压力增大,刀盘仍然以预设定的土压力与土体在新位置保持平衡。配合 手动调节刀盘切土口和预设压力大小的调节功能,可以使土体侧压力得到非

常精确的平衡。停机时手动关闭切土口,刀盘仍然保持预定压力紧贴土体, 并且将泥水仓与开挖面隔离。无论土体过软或过硬,当自动调节范围到达极 限值时,刀盘报警装置报警,提醒操作人员注意,通过调节顶速,重新设定 刀盘压力等手段,使土体维持新的平衡。 4.2 土层中地下水的平衡原理。 向开挖仓注入一定压力的泥浆,该泥浆除能够将土层中的颗粒带走外, 通过控制出泥流量的大小,就可以简单而准确地控制泥水仓中的水压力,平 衡地下水。 5. 施工工艺 5.1 工艺流程 测量放线→工作井施工→装配式后背墙安装→导轨安装→主顶千斤顶安 装→油泵安装→顶铁安装→进出洞施工及密封→管道顶进→出土。 5.2 测量放线 布设临时水准点和管道轴线控制桩, 施工放线时, 可每隔 20m 设中心桩, 另外在检查井处应设置中心桩,必要时应设置控制桩。 5.3 工作井施工 5.3.1 在工作井上口预留槽口内安装钢筋砼预制板, 槽口内要座浆饱满, 板缝要按规定勾缝。在预制板预留口处砌砖墙,所有砖要浸透水,砌筑时应 满铺、满挤,上下搭砌,水平灰缝厚度和竖向灰缝宽度应均匀,不得有竖向 通缝。 5.3.2 在砌筑检查井时,应同步安装踏步,位置要准确,踏步安装后在 砌筑砂浆未达到规定抗压强度前不得踩踏。 5.3.3 井内壁设计规定要求封面时,应分两层抹成,第一道抹成后刮平 并使表面造成粗糙纹;第二道砂浆抹干后,应分两次压实抹光。浆与基层之 层间应粘结紧密牢固,不得有空鼓及裂纹等现象。 5.3.4 抹面平整度不应大于 15mm。抹面砂浆凝固后,应保持湿润养护, 养护时间不少于 14d。

5.4 装配式后背墙安装 5.4.1 装配式后背墙采用方木、型钢和钢板等组装,组装后的后背墙应 有足够的强度和刚度;后背土体必须均匀密实,壁面应平整,并与管道顶进 方向垂直; 后背土体壁面应与后背墙紧贴, 有孔隙时应采用砂石料填塞密实。 5.4.2 装配式后背墙的底端在工作坑底以下 500mm, 从而使后千斤顶着力 中心高度不小于后背方木高度的 1/ 3,这样能使着力点与墙后被动土的合力 点保持一致,有助于减少后背的倾斜。 5.4.3 装配式后背墙垂直度允许偏差为 0.1%装配式后背墙高度,水平扭 转度允许偏差为 0.1%装配式后背墙长度。 5.5 导轨安装 5.5.1 导轨安装时和工作井底板预埋钢板焊牢,并用型钢支撑或用混凝 土围牢。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。 5.5.2 导轨必须符合中线、高程的要求,且在安装后和顶管前,其轴线 位置、高程等必须进行验收,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。 5.5.3 导轨端不能距工作壁太远,一般应控制在 500mm 左右,导轨安装 时预留缝高度以 100~150mm 为宜, 导轨以水平安装为佳, 特别在软土中顶进, 不能带坡操作。 5.5.4 每进完一节管子应校对导轨高程、中线及水平,并随着管道顶进 荷载的变化及时校正导向轨。 5.6 主顶千斤顶安装。 5.6.1 千斤顶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。 5.6.2 千斤顶固定在支架上,其合力的中心点在管道中心线上;千斤顶

的油路应并联,每台千斤顶应有进油、退油的控制系统。 5.6.3 千斤顶的位置宜位于管道垂直直径的 1/3~1/4 处, 使千斤顶合力 位置和顶进抗力的位置在同一轴线上,避免产生顶力偶,使管道发生高程误 差。 5.7 油泵安装 5.7.1 油泵设置在千斤顶附近,油管宜顺直、转角少;油泵应与千斤顶 相匹配,并有备用油泵;油泵安装完毕,进行试运转。 5.7.2 顶进开始时缓慢进行,待各接触部位密合后,再按正常顶进速度 顶进;顶进中若发现油压突然增高,立即停止顶进,检查原因并经处理后方 可继续顶进;千斤顶活塞退回时,油压不得过大,速度不得过快。 5.8 顶铁安装 5.8.1 顶铁应有足够的刚度, 宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型; 当采用焊接成型时,焊缝不得高出表面,且不得脱焊。 5.8.2 单行纵向顶铁中心线与管道轴线一致;双行纵向顶铁的两条中心 线要平行,并与管轴线距离相等,且要垂直于管端平面。 5.8.3 顶铁的相邻面互相垂直,顶铁上有锁定装置,顶铁放置时应能保 持稳定。 5.8.4 纵向顶铁与管端面相接触时,必须使纵向顶铁着力点高度位置位 于外直径 1/ 3~1/ 4 处,以防止着力点太高造成前管低头。 5.8.5 当顶力较大时,管端面应加弧形顶铁钢板,以增大管端的受力面 积,改善其受力情况,防止管子在顶力过大时损坏。 5.8.6 更换顶铁时,先使用长度大的顶铁,顶铁拼装后应锁定。 5.8.7 顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫,当顶力接近管节材料的允 许抗压强度时,管端应增加环形顶铁。 5.8.8 顶进时,工作人员不得在顶铁上方及侧面停留,并随时观察顶铁 有无异常迹象。 5.9 进出洞施工及密封

5.9.1 设备安装完毕后应对全套顶进设备做一次系统调试,在确定顶进 设备运转情况良好后,开始顶进工作。 5.9.2 长距离顶进时,为减少顶进阻力,在洞门处制作密封圈以使灌入 的触变泥浆发挥减阻效果。 5.10 管道顶进 5.10.1 在拆除封门后,应立即开始顶进机头,顶进 300mm 以后,开启加 泥系统注入泥浆,以便调节渣土的塑流性和保持土压平衡。机头初入土时, 因机头在轨道上没有足够抵抗力矩,使刀盘转动时机头易产生旋转,故在入 土的初始 2m 时,顶进速度控制在 5mm/min 以下,以防止机头旋转,并不间 断地观测机头倾角和旋转角,倾角发生变化用纠偏千斤顶调正,旋转角大于 ±50,刀盘开反转调正;在顶进 2m 后机头不旋转的情况下,逐渐加大顶进速 度。 机头尚未完全入土时, 土仓压力控制在 0.1~0.15MPa。 机头全部入土后, 下第一节管做后封闭。后封闭完后,向机头壳体注浆孔注 1:2 水泥砂浆充填 机头外超挖的空间,注浆压力控制在 0.4MPa。为防止机头初出洞时洞口土质 不稳定而产生塌方,在洞口处内置刚性涨圈。后封闭采用环形橡胶板紧贴土 体,洞口侧墙用环形钢板覆压,防止加注触变泥浆时发生跑浆现象。 5.10.2 顶进时按照预定参数控制土仓压力,遇有砂砾石层、距离建筑物 较近时,土压设定适当加大,提高安全系数。在一些复杂地段,如地质情况 较差且距民房较近时,通过机头壳体注浆孔注浆,对土体进行加固。加固浆 液采用水泥浆或酸性水玻璃。 5.10.3 触变泥浆减阻: 触变泥浆减阻是长距离顶管施工经常采用的减阻 方式,能有效减小阻力,最大限度地加长顶距。在机头尾部设有触变泥浆注 浆孔,每节钢筋混凝土管设注浆孔,顶进时随时注浆。 5.10.4 在前 1~4 节管顶进的过程中如果停机,则有可能出现顶进管段 回弹,这时需要在回镐下管时加方木支撑,或在回镐之前多顶 100~200mm, 可保持前几节管回弹而不影响后节管的安放。 5.10.5 顶进速度控制在 30~50mm/min,前 30m 和纠偏时用低速,之后

视出土搅拌、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度。下管时,在机头停止顶进状 态下,刀盘空转 3~5min,在停机时关闭螺旋输送机排泥液压门,并断电以 保证土压仓土压。 5.11 出土 顶管机工作过程中所挖掘的土,先经螺旋输送机输送到皮带运输机上, 再经皮带运输机输送到电瓶车中,电瓶车运送至工作井,最后垂直吊运至地 面存土场,定期外运。 5.12 测量 初始顶进时每 300mm 测量一次,并做记录。正常顶进时在工作井可随时 用全站仪测量,每顶进 0.5m 做一次记录。遇有纠偏时每 300mm 做一次记录。 测量记录上分别绘制高程、中心曲线图,随时掌握机头顶进趋势。 5.13 纠偏 5.13.1 当顶管机头尚未全部进洞前,在机头中心、高程偏差不大于 ±20mm 时,不考虑纠偏,因为此时轨道在控制前进方向,若纠偏不但没效果 反而会使第一节管道偏离轨道。若中心、高程偏差大于±20 mm,则要立即停 止顶进,纠偏校正应缓慢进行,使管节逐渐复位,不得猛纠硬调。其中纠偏 高程时,轨道上的管子要加配重;纠偏中心时,轨道上的管子要加两侧支撑。 5.13.2 当机头全部入洞后,且高程、中心偏差大于 10mm 时,要及时采 用机头纠偏设备进行纠偏,中心控制在 5mm 以内,高程控制在±10mm 以内, 校正方法采用工具头自身纠偏法。这种纠偏方法可有效控制工具头上下左右 四个方向的状态,每次纠偏幅度以 5mm 为一个单元,根据工具头的测斜仪及 激光经纬仪测量偏位判断,如果趋势没有减少时,增大纠偏力度;如果趋势 稳定或减少时,应保持该纠偏力度,继续顶进;当偏位趋势相反时,则需要 将纠偏力度逐渐减少。 5.13.3 在管道顶进过程中,如果在粉细砂土层中顶进速度偏低,可调低 进泥的泥浆浓度,减小顶进速度。当遇到软硬程度不同的土层时,通过刀盘 的转矩判断地质条件。若突然变硬,则应向土仓内加入水或泥浆。如果对地

质勘察资料掌握比较准确时,且当穿越的软弱地层长度小于 15m 时,入洞前 可以采取机头与管道、管道与管道间加接连接杆的方式进行固定,以增加其 刚性,并辅以适当纠偏方式,防止机头和管道“叩头”现象发生。此外,当 穿越含水比较丰富的地层,且软弱地层长度大于 15m 时,施工前必须要进行 抽排水,降低水位,待场地沉降稳定后再进行顶进施工。 6.主要材料及施工机具 6.1 主要材料 顶管、泥浆 6.2 主要施工机具 全套设备包括:掘进机(工具管)、纠偏装置、中继间、300t 液压千斤顶、 油泵、基座导轨、顶铁、控制系统、皮带运输机、螺旋输送机、加泥系统、 测斜仪、激光经纬仪。 配套设备有:电瓶运输车辆、泥土卸载系统、拌浆注浆系统。 6.3 劳动力组织(见表 1) 。 7. 质量控制 7.1 做好后封闭,减少顶进阻力。封闭效果好可充分发挥触变泥浆的作 用,使顶进距离加长。 7.2 根据土质情况调整加泥量。机头前方加泥可改变土体性质,增加其 流动性以利土压平衡,出泥顺畅。在亚砂土、粉砂土的土质条件下,加泥量 为总出土量的 30%为宜,而对于粘土质可适当减少加泥量。 7.3 顶进钢承口管道时,将注浆孔位置放在插口处,让浆液直接注入钢 承口缝隙之间,浆液再由缝隙向管身外注入土与管壁的缝隙,形成很好的减 阻环,加大管外壁触变泥浆的饱满度。 7.4 顶进前应将千斤顶逐台调试好,采用同种规格的油缸,并使液压泵 到各千斤顶之间的距离相等,管径一致。 7.5 顶管施工前应对管道通过地带的地质情况认真调查,设置测力装置 指导纠偏。严格控制顶管轴线偏差,纠偏应按照勤测量、勤纠偏、小量纠的

操作方法进行。 7.6 采用同种规格的千斤顶,使其顶力、行程、顶速相一致,保持顶力 合力线与管道中心线相重合。 7.7 加强顶管后背施工质量的控制,确保后背不发生位移,并应使后背 平整,以保证顶进设备的安装精度。 7.8 当掘进机停止作业时,一定要防止泥水从土层或洞口及其他地方流 失。不然,挖掘面就会失稳,尤其在出洞这一段时间内更应防止洞口止水圈 漏水。 7.9 在掘进过程中,应注意观察地下水压力的变化,特别是有压力水头 出现时,需及时采取相应的措施,保持挖掘面的稳定。 7.10 在顶进过程中,随时要注意挖掘面是否稳定、进排泥泵的流量及压 力是否正常。防止排泥泵的排量过小而造成泥浆的淤积和堵塞现象。 8. 安全措施 制定详细的顶管作业人员的安全规章制度,要求顶管作业人员严格执行 制度的有关规定。在项目内部落实安全管理责任制,建立考核制度,具体技 术措施如下: 8.1 在顶管施工前必须了解土层的变化情况, 对于要经过的回填土地段, 需要提前加固处理,以防顶管施工后地表有过大的下沉。 8.2 顶管施工的地层可能会遇到有毒气体,对施工人员的健康和生命构 成危害;同时由于顶管深度和长度会造成内部空气含氧量降低,对人员造成 窒息;所以有人员在顶管内操作的情况下,需要定时监测管内气体含量,采 用通风装置予以解决。? 8.3 对每一个进入管道内的施工人员做详细的身体健康检查, 并同 时对每个施工人员进行安全教育, 对操作人员进行救护知识、 急救用品使用、 内套环安装方法的培训,使职工了解毒气对人体的危害性及突发情况下的急 救和自救知识。 8.4 施工现场配备足够的急救物资和防护面具,对管内作业人员要保证

每人一个防护面具,防止人员中毒。 8.5 对于进入管道内的施工人员,进行出入登记,每个施工人员进入管 道前必须将自己工作卡挂于进出牌上,让地面管理人员详细了解管道内施工 人数和人员名单。 8.6 进入管内作业人员,必须穿着项目部统一发放的全棉工作服,防止 静电产生。必须将防毒面罩挂在脖子上,在发现毒气浓度较高时及时佩戴。 9.环保措施 9.1 管道施工完毕后,剩余的材料随即运出现场,做到施工结束,场地 干净。 9.2 要掌握过路各种管线位置,调查研究有可能存在的其它管线位置, 在施工过程中采取对管线的保护措施,保证沿线水、电、通讯等畅通。 9.3 施工现场材料堆入必须做到散材成方,型材成线。 10.效益分析 本工法社会效益和经济效益显著,主要有以下: 10.1 顶距长 一般土层可顶进 50~60m 左右,加设中继间可顶进 90m 左右。 10.2 减少拆迁量 在城区内施工可有效减少拆迁量和工作井,节约投资。 10.3 无须降水 能有效实现开挖面的土压平衡, 维持土体稳定, 同时有效平衡了地下水, 故在地下水位高的地区施工,除工作井位置外,顶进过程中无须降水,有效 避免地下水资源的破坏与浪费。 10.4 施工进度快 泥水输送弃土的作业连续不间断,故施工进度较快。 11 应用实例 11.1 工程实施例 1 某污水管工程采用顶管施工方法。顶管全长为 163 m,共分二个顶段施

工:第一顶段直径为 1200mm,顶进长度为 78m;第二顶段直径为 1500mm,顶 进长度为 85m。该工程穿过的地层区域大部分为粉质土层,该土层凝聚力小, 加之地下水位高, 形成卸力拱的能力较差, 故顶进过程中容易包裹混凝土管, 增加阻力;管道埋设深,土层摩擦力大。采用本工法施工,确保长距离顶管 的顺利实施。 11.2 工程实施例 2 某污水管工程管长 510m,直径分别为 900、1200、1400mm,埋深为 2.0~ 2.5m,地质土层为杂填土、粉质粘土夹淤泥层。采用手掘式顶管施工时,地 面沉降量和误差都较大。采用本工法施工,有效保持挖掘面的稳定,对管体 周围的土体扰动较小,施工引起的地面沉降也较小。

泥水平衡顶管施工工法
一、工法特点 本工法主要是泥水压力来平衡地下水压力, 同时它也平衡掘进机所处土 层的土压力。其主要特点有以下几个方面: 1.适用的土质范围比较广,如在地下水压力很高以及变化范围较大的条 件下,它也能适用。 2.可有效地保持挖掘面的稳定,对所顶管子周围的土体扰动比较小。 3.与其他类型顶管比较,泥水顶管施工时的总推力比较小,尤其是在粘 土层变现的更为突出。所以它适宜于长距离顶管。 4.工作坑内的作业环境比较好,作业也比较安全。由于它采用泥水管道 输送弃土,不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。它可以在大气常 压下作业,也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问 题。 5.由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的,所以它作业时的进度 比较快。

6. 泥水平衡顶管施工还具有噪音以及震动都很小等特点。 二、适用范围 1.适用的土质范围比较广, 而且在许多条件下不需要采用辅助施工措施。 不适用在岩土及有机土中施工。 2.适用小口径顶管施工。由于小口径顶管掘进机内部空间狭小,不允许 操作人员进入机头内部工作,而且在机内工作安全性差,劳动强度高。采用 地面遥控操作,不仅可克服上述弊端,而且可提高施工质量。 三、工艺原理 1.泥水平衡顶管机工作原理 泥水平衡顶管机施工以泥水平衡原理为基本,通过改变泥水仓的送、排 泥水量和顶进速度来控制排土量,使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所 设定的范围之内,从而达到开挖面的稳定。 2.泥水平衡功能 泥水平衡输送系统有两项主要功能,一是通过泥水来平衡顶管机施工时 土体和地下水对其产生的压力,稳定开挖面,其二是将刀盘切削下来的土体 在泥水仓内进行混合后,将其由经过泥水管路输送到地面。 图 1 中右侧为泥水平衡顶管机。 正常顶进过程,MV1 阀、MV2 阀打开,MV3 阀关闭。泥水由泵经送泥管送 入,与进入泥水仓的切削土混合后,通过排泥泵经排泥管送至地面。同时送 入的泥水需在泥水仓内建立一定的泥水压力,此压力需比顶管机处的土层的 地下水压力高 Δp,通常为 0.015~0.02MPa。顶管机上部的泥水平衡压力是 P3,底部的泥水平衡压力是 P5。如果设 γW 为清水比重,γ 为泥水比重,则 有如下关系式: P1=γW×h2 ? P2=γW×(h2+Δh)? P3=γW×hl ? P4=γW×(h1+Δh)

P5=P4+γ×h=γW×(h1+Δh)+γ×h3 3.泥水控制原理 泥水平衡控制运用调节器和执行机构(调节水泵转速和控制阀开度)与被 控制对象构成闭环负反馈。 根据被控参数的测量值与给定值之间的偏差, PID 调节规律,对执行机构进行控制,以达到泥水平衡控制目的。 在停上掘进状态,用切口泥水压调节器控制 CV 阀开度或 PH 泵转速,使 切口水压达到设定值。 在“旁路”状态, 切口水压调节器根据控制 P1 泵的转速, 使送泥水压达 到设定值。 在掘进状态,切口水压调节器根据测得的切口水压与设定值进行比较, 如果泥水仓压力大于设定值, 则切口水压调节器输出值降低, 泵转速下降, P1 进入泥水仓的送泥水量减少,使泥水仓压力降低,反之亦然。同时切口水压 调节器与送泥水压调节器的输出值互为跟踪,是解决过渡状态转换的扰动, 一旦转换完成,切口水压调节器屏蔽跟踪信号,送泥水压调节器仅起信号传 送作用。 在掘进状态,排泥水密度的变化将导致排泥水流量的变化,这种变化会 增加切口水压调节器的泥水平衡控制负担。因此,由排泥水流量调节器稳定 排泥水流量, 起到间接控制泥水平衡的作用。 排泥水流量调节器控制 P2 泵的 转速,使排泥水流量达到设定值。


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