機械式泥水平衡頂管施工工法1

1、機械式泥水平衡頂管施工工法1.前言機械式泥水平衡頂管掘進機從結構原理上能夠保證安全、優(yōu)質、高效地完成在砂土、粉質粘土及兩層土體之間的頂進施工任務。該類掘進機的構造是在掘進機的前部設置一隔板，形成泥水壓力倉；能夠預設刀盤壓力、可根據(jù)土體壓力大小自動伸縮、極限位置能夠自動報警的切削刀盤，安裝在掘進機的前端；刀盤切土口的增減具備手動或根據(jù)刀盤的伸縮量自動增大或減小，可隨時調節(jié)切削量。2.工法特點2.1可有效保持挖掘面的穩(wěn)定，對管體周圍的土體擾動較小，因此施工引起的地面沉降也較小。2.2與其它頂管方法比較，施工時總推力較小，且可長距離輸送泥土。2.3不影響地下各類管線，不影響道路交通及地面建筑物安全；

2、可長距離頂進，無環(huán)境污染。3.適用范圍本工法適用于粘土、粉質粘土、砂質粉土、中細砂、砂礫的地層中頂管施工，也適用于地表沉降要求嚴格的部位頂管施工。4.工藝原理4.1土體的平衡原理頂管掘進機正常工作時，刀盤按預先設定的壓力緊貼在被切削的土體斷面，在后方頂力作用下一方面旋轉切削土體，一方面向前推進維持土體的平衡。頂進中如果土體硬度增大，頂速不變時，刀盤受到迎面阻力大于預設定的刀盤壓力，刀盤漸漸向后縮回，保持刀盤對土體的壓力不變。在刀盤縮回時，刀盤的切土口自動增大，切削土體的量增大，土體對刀盤的壓力減小，土體壓力增大，刀盤仍然以預設定的土壓力與土體在新位置保持平衡。配合手動調節(jié)刀盤切土口和預設壓力大

3、小的調節(jié)功能，可以使土體側壓力得到非常精確的平衡。停機時手動關閉切土口，刀盤仍然保持預定壓力緊貼土體，并且將泥水倉與開挖面隔離。無論土體過軟或過硬，當自動調節(jié)范圍到達極限值時，刀盤報警裝置報警，提醒操作人員注意，通過調節(jié)頂速，重新設定刀盤壓力等手段，使土體維持新的平衡。4.2土層中地下水的平衡原理。向開挖倉注入一定壓力的泥漿，該泥漿除能夠將土層中的顆粒帶走外，通過控制出泥流量的大小，就可以簡單而準確地控制泥水倉中的水壓力，平衡地下水。5. 施工工藝5.1工藝流程測量放線工作井施工裝配式后背墻安裝導軌安裝主頂千斤頂安裝油泵安裝頂鐵安裝進出洞施工及密封管道頂進出土。5.2測量放線布設臨時水準點和管

4、道軸線控制樁，施工放線時，可每隔20m設中心樁，另外在檢查井處應設置中心樁，必要時應設置控制樁。5.3工作井施工5.3.1在工作井上口預留槽口內安裝鋼筋砼預制板，槽口內要座漿飽滿，板縫要按規(guī)定勾縫。在預制板預留口處砌磚墻，所有磚要浸透水，砌筑時應滿鋪、滿擠，上下搭砌，水平灰縫厚度和豎向灰縫寬度應均勻，不得有豎向通縫。5.3.2在砌筑檢查井時，應同步安裝踏步，位置要準確，踏步安裝后在砌筑砂漿未達到規(guī)定抗壓強度前不得踩踏。5.3.3井內壁設計規(guī)定要求封面時，應分兩層抹成，第一道抹成后刮平并使表面造成粗糙紋；第二道砂漿抹干后，應分兩次壓實抹光。漿與基層之層間應粘結緊密牢固，不得有空鼓及裂紋等現(xiàn)象。5

5、.3.4抹面平整度不應大于15mm。抹面砂漿凝固后，應保持濕潤養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于14d。5.4裝配式后背墻安裝5.4.1裝配式后背墻采用方木、型鋼和鋼板等組裝，組裝后的后背墻應有足夠的強度和剛度；后背土體必須均勻密實，壁面應平整，并與管道頂進方向垂直；后背土體壁面應與后背墻緊貼，有孔隙時應采用砂石料填塞密實。5.4.2裝配式后背墻的底端在工作坑底以下500mm，從而使后千斤頂著力中心高度不小于后背方木高度的1/ 3，這樣能使著力點與墻后被動土的合力點保持一致，有助于減少后背的傾斜。5.4.3裝配式后背墻垂直度允許偏差為0.1%裝配式后背墻高度，水平扭轉度允許偏差為0.1%裝配式后背墻長度。5

6、.5導軌安裝5.5.1導軌安裝時和工作井底板預埋鋼板焊牢，并用型鋼支撐或用混凝土圍牢。導軌安裝前要先復核管道中心位置，確保導軌的高程、軸線位置準確。導軌定位必須穩(wěn)固，在頂進中承受各種負荷時不位移、不變形、不沉降。5.5.2導軌必須符合中線、高程的要求，且在安裝后和頂管前，其軸線位置、高程等必須進行驗收，軸線位置偏差不超過3mm，頂面高程偏差不超過3mm，兩軌內距偏差不超過2mm。5.5.3導軌端不能距工作壁太遠，一般應控制在500mm左右，導軌安裝時預留縫高度以100150mm為宜，導軌以水平安裝為佳，特別在軟土中頂進，不能帶坡操作。5.5.4每進完一節(jié)管子應校對導軌高程、中線及水平，并隨著管

7、道頂進荷載的變化及時校正導向軌。5.6主頂千斤頂安裝。5.6.1千斤頂必須符合中線和水平要求，且要以管道中心線為軸對稱布置。主頂油缸架安裝要定位準確，保證油缸受力點的位置正確，其高程和平面安裝誤差應控制在3mm以內。安裝在油缸架上的油缸中心誤差控制在3mm以內。5.6.2千斤頂固定在支架上，其合力的中心點在管道中心線上；千斤頂?shù)挠吐窇⒙?lián)，每臺千斤頂應有進油、退油的控制系統(tǒng)。5.6.3千斤頂?shù)奈恢靡宋挥诠艿来怪敝睆降?/31/4處，使千斤頂合力位置和頂進抗力的位置在同一軸線上，避免產生頂力偶，使管道發(fā)生高程誤差。5.7油泵安裝5.7.1油泵設置在千斤頂附近，油管宜順直、轉角少；油泵應與千斤頂相

8、匹配，并有備用油泵；油泵安裝完畢，進行試運轉。5.7.2頂進開始時緩慢進行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進速度頂進；頂進中若發(fā)現(xiàn)油壓突然增高，立即停止頂進，檢查原因并經處理后方可繼續(xù)頂進；千斤頂活塞退回時，油壓不得過大，速度不得過快。5.8頂鐵安裝5.8.1頂鐵應有足夠的剛度，宜采用鑄鋼整體澆鑄或采用型鋼焊接成型；當采用焊接成型時，焊縫不得高出表面，且不得脫焊。5.8.2單行縱向頂鐵中心線與管道軸線一致；雙行縱向頂鐵的兩條中心線要平行，并與管軸線距離相等，且要垂直于管端平面。5.8.3頂鐵的相鄰面互相垂直，頂鐵上有鎖定裝置，頂鐵放置時應能保持穩(wěn)定。5.8.4縱向頂鐵與管端面相接觸時，必須使縱

9、向頂鐵著力點高度位置位于外直徑1/ 31/ 4 處，以防止著力點太高造成前管低頭。5.8.5當頂力較大時，管端面應加弧形頂鐵鋼板，以增大管端的受力面積，改善其受力情況，防止管子在頂力過大時損壞。5.8.6更換頂鐵時，先使用長度大的頂鐵，頂鐵拼裝后應鎖定。5.8.7頂鐵與管口之間應采用緩沖材料襯墊，當頂力接近管節(jié)材料的允許抗壓強度時，管端應增加環(huán)形頂鐵。5.8.8頂進時，工作人員不得在頂鐵上方及側面停留，并隨時觀察頂鐵有無異常跡象。5.9進出洞施工及密封5.9.1設備安裝完畢后應對全套頂進設備做一次系統(tǒng)調試，在確定頂進設備運轉情況良好后，開始頂進工作。5.9.2長距離頂進時，為減少頂進阻力，在洞

10、門處制作密封圈以使灌入的觸變泥漿發(fā)揮減阻效果。5.10管道頂進5.10.1在拆除封門后，應立即開始頂進機頭，頂進300mm以后，開啟加泥系統(tǒng)注入泥漿，以便調節(jié)渣土的塑流性和保持土壓平衡。機頭初入土時，因機頭在軌道上沒有足夠抵抗力矩，使刀盤轉動時機頭易產生旋轉，故在入土的初始2m時，頂進速度控制在5mmmin以下，以防止機頭旋轉，并不間斷地觀測機頭傾角和旋轉角，傾角發(fā)生變化用糾偏千斤頂調正，旋轉角大于50，刀盤開反轉調正；在頂進2m后機頭不旋轉的情況下，逐漸加大頂進速度。機頭尚未完全入土時，土倉壓力控制在0.10.15mpa。機頭全部入土后，下第一節(jié)管做后封閉。后封閉完后，向機頭殼體注漿孔注1：

11、2水泥砂漿充填機頭外超挖的空間，注漿壓力控制在0.4mpa。為防止機頭初出洞時洞口土質不穩(wěn)定而產生塌方，在洞口處內置剛性漲圈。后封閉采用環(huán)形橡膠板緊貼土體，洞口側墻用環(huán)形鋼板覆壓，防止加注觸變泥漿時發(fā)生跑漿現(xiàn)象。5.10.2頂進時按照預定參數(shù)控制土倉壓力，遇有砂礫石層、距離建筑物較近時，土壓設定適當加大，提高安全系數(shù)。在一些復雜地段，如地質情況較差且距民房較近時，通過機頭殼體注漿孔注漿，對土體進行加固。加固漿液采用水泥漿或酸性水玻璃。5.10.3觸變泥漿減阻：觸變泥漿減阻是長距離頂管施工經常采用的減阻方式，能有效減小阻力，最大限度地加長頂距。在機頭尾部設有觸變泥漿注漿孔，每節(jié)鋼筋混凝土管設注漿

12、孔，頂進時隨時注漿。5.10.4在前14節(jié)管頂進的過程中如果停機，則有可能出現(xiàn)頂進管段回彈，這時需要在回鎬下管時加方木支撐，或在回鎬之前多頂100200mm，可保持前幾節(jié)管回彈而不影響后節(jié)管的安放。5.10.5頂進速度控制在3050mmmin，前30m和糾偏時用低速，之后視出土攪拌、刀盤扭矩情況適當加快頂進速度。下管時，在機頭停止頂進狀態(tài)下，刀盤空轉35min，在停機時關閉螺旋輸送機排泥液壓門，并斷電以保證土壓倉土壓。5.11出土頂管機工作過程中所挖掘的土，先經螺旋輸送機輸送到皮帶運輸機上，再經皮帶運輸機輸送到電瓶車中，電瓶車運送至工作井，最后垂直吊運至地面存土場，定期外運。5.12測量初始頂

13、進時每300mm測量一次，并做記錄。正常頂進時在工作井可隨時用全站儀測量，每頂進0.5m做一次記錄。遇有糾偏時每300mm做一次記錄。測量記錄上分別繪制高程、中心曲線圖，隨時掌握機頭頂進趨勢。5.13糾偏5.13.1當頂管機頭尚未全部進洞前，在機頭中心、高程偏差不大于20mm時，不考慮糾偏，因為此時軌道在控制前進方向，若糾偏不但沒效果反而會使第一節(jié)管道偏離軌道。若中心、高程偏差大于20 mm，則要立即停止頂進，糾偏校正應緩慢進行，使管節(jié)逐漸復位，不得猛糾硬調。其中糾偏高程時，軌道上的管子要加配重；糾偏中心時，軌道上的管子要加兩側支撐。5.13.2當機頭全部入洞后，且高程、中心偏差大于10mm時

14、，要及時采用機頭糾偏設備進行糾偏，中心控制在5mm以內，高程控制在10mm以內，校正方法采用工具頭自身糾偏法。這種糾偏方法可有效控制工具頭上下左右四個方向的狀態(tài)，每次糾偏幅度以5mm為一個單元，根據(jù)工具頭的測斜儀及激光經緯儀測量偏位判斷，如果趨勢沒有減少時，增大糾偏力度；如果趨勢穩(wěn)定或減少時，應保持該糾偏力度，繼續(xù)頂進；當偏位趨勢相反時，則需要將糾偏力度逐漸減少。5.13.3在管道頂進過程中，如果在粉細砂土層中頂進速度偏低，可調低進泥的泥漿濃度，減小頂進速度。當遇到軟硬程度不同的土層時，通過刀盤的轉矩判斷地質條件。若突然變硬，則應向土倉內加入水或泥漿。如果對地質勘察資料掌握比較準確時，且當穿越

15、的軟弱地層長度小于15m時，入洞前可以采取機頭與管道、管道與管道間加接連接桿的方式進行固定，以增加其剛性，并輔以適當糾偏方式，防止機頭和管道“叩頭”現(xiàn)象發(fā)生。此外，當穿越含水比較豐富的地層，且軟弱地層長度大于15m時，施工前必須要進行抽排水，降低水位，待場地沉降穩(wěn)定后再進行頂進施工。6.主要材料及施工機具6.1主要材料頂管、泥漿6.2主要施工機具全套設備包括：掘進機(工具管)、糾偏裝置、中繼間、300t液壓千斤頂、油泵、基座導軌、頂鐵、控制系統(tǒng)、皮帶運輸機、螺旋輸送機、加泥系統(tǒng)、測斜儀、激光經緯儀。配套設備有：電瓶運輸車輛、泥土卸載系統(tǒng)、拌漿注漿系統(tǒng)。6.3勞動力組織（見表1）。7. 質量控制

16、7.1做好后封閉，減少頂進阻力。封閉效果好可充分發(fā)揮觸變泥漿的作用，使頂進距離加長。7.2根據(jù)土質情況調整加泥量。機頭前方加泥可改變土體性質，增加其流動性以利土壓平衡，出泥順暢。在亞砂土、粉砂土的土質條件下，加泥量為總出土量的30為宜，而對于粘土質可適當減少加泥量。7.3頂進鋼承口管道時，將注漿孔位置放在插口處，讓漿液直接注入鋼承口縫隙之間，漿液再由縫隙向管身外注入土與管壁的縫隙，形成很好的減阻環(huán)，加大管外壁觸變泥漿的飽滿度。7.4頂進前應將千斤頂逐臺調試好，采用同種規(guī)格的油缸，并使液壓泵到各千斤頂之間的距離相等，管徑一致。7.5頂管施工前應對管道通過地帶的地質情況認真調查，設置測力裝置指導糾

17、偏。嚴格控制頂管軸線偏差，糾偏應按照勤測量、勤糾偏、小量糾的操作方法進行。7.6采用同種規(guī)格的千斤頂，使其頂力、行程、頂速相一致，保持頂力合力線與管道中心線相重合。7.7加強頂管后背施工質量的控制，確保后背不發(fā)生位移，并應使后背平整，以保證頂進設備的安裝精度。7.8當掘進機停止作業(yè)時，一定要防止泥水從土層或洞口及其他地方流失。不然，挖掘面就會失穩(wěn)，尤其在出洞這一段時間內更應防止洞口止水圈漏水。7.9在掘進過程中，應注意觀察地下水壓力的變化，特別是有壓力水頭出現(xiàn)時，需及時采取相應的措施，保持挖掘面的穩(wěn)定。7.10在頂進過程中，隨時要注意挖掘面是否穩(wěn)定、進排泥泵的流量及壓力是否正常。防止排泥泵的排

18、量過小而造成泥漿的淤積和堵塞現(xiàn)象。8. 安全措施制定詳細的頂管作業(yè)人員的安全規(guī)章制度，要求頂管作業(yè)人員嚴格執(zhí)行制度的有關規(guī)定。在項目內部落實安全管理責任制，建立考核制度，具體技術措施如下：8.1在頂管施工前必須了解土層的變化情況，對于要經過的回填土地段，需要提前加固處理，以防頂管施工后地表有過大的下沉。8.2頂管施工的地層可能會遇到有毒氣體，對施工人員的健康和生命構成危害；同時由于頂管深度和長度會造成內部空氣含氧量降低，對人員造成窒息；所以有人員在頂管內操作的情況下，需要定時監(jiān)測管內氣體含量，采用通風裝置予以解決。 8.3對每一個進入管道內的施工人員做詳細的身體健康檢查， 并同時對每個施工人員

19、進行安全教育，對操作人員進行救護知識、急救用品使用、內套環(huán)安裝方法的培訓，使職工了解毒氣對人體的危害性及突發(fā)情況下的急救和自救知識。8.4施工現(xiàn)場配備足夠的急救物資和防護面具，對管內作業(yè)人員要保證每人一個防護面具，防止人員中毒。8.5對于進入管道內的施工人員，進行出入登記，每個施工人員進入管道前必須將自己工作卡掛于進出牌上，讓地面管理人員詳細了解管道內施工人數(shù)和人員名單。8.6進入管內作業(yè)人員，必須穿著項目部統(tǒng)一發(fā)放的全棉工作服，防止靜電產生。必須將防毒面罩掛在脖子上，在發(fā)現(xiàn)毒氣濃度較高時及時佩戴。9.環(huán)保措施9.1管道施工完畢后，剩余的材料隨即運出現(xiàn)場，做到施工結束，場地干凈。9.2要掌握過

20、路各種管線位置，調查研究有可能存在的其它管線位置，在施工過程中采取對管線的保護措施，保證沿線水、電、通訊等暢通。9.3施工現(xiàn)場材料堆入必須做到散材成方，型材成線。10.效益分析本工法社會效益和經濟效益顯著，主要有以下：10.1頂距長一般土層可頂進5060m左右，加設中繼間可頂進90m左右。10.2減少拆遷量在城區(qū)內施工可有效減少拆遷量和工作井，節(jié)約投資。10.3無須降水能有效實現(xiàn)開挖面的土壓平衡，維持土體穩(wěn)定，同時有效平衡了地下水，故在地下水位高的地區(qū)施工，除工作井位置外，頂進過程中無須降水，有效避免地下水資源的破壞與浪費。10.4施工進度快泥水輸送棄土的作業(yè)連續(xù)不間斷，故施工進度較快。11應

21、用實例11.1工程實施例1某污水管工程采用頂管施工方法。頂管全長為163 m，共分二個頂段施工：第一頂段直徑為1200mm，頂進長度為78m；第二頂段直徑為1500mm，頂進長度為85m。該工程穿過的地層區(qū)域大部分為粉質土層，該土層凝聚力小，加之地下水位高，形成卸力拱的能力較差，故頂進過程中容易包裹混凝土管，增加阻力；管道埋設深，土層摩擦力大。采用本工法施工，確保長距離頂管的順利實施。11.2工程實施例2某污水管工程管長510m，直徑分別為900、1200、1400mm，埋深為2.02.5m，地質土層為雜填土、粉質粘土夾淤泥層。采用手掘式頂管施工時，地面沉降量和誤差都較大。采用本工法施工，有效

22、保持挖掘面的穩(wěn)定，對管體周圍的土體擾動較小，施工引起的地面沉降也較小。泥水平衡頂管施工工法一、工法特點本工法主要是泥水壓力來平衡地下水壓力，同時它也平衡掘進機所處土層的土壓力。其主要特點有以下幾個方面：1.適用的土質范圍比較廣，如在地下水壓力很高以及變化范圍較大的條件下，它也能適用。2.可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定，對所頂管子周圍的土體擾動比較小。3.與其他類型頂管比較，泥水頂管施工時的總推力比較小，尤其是在粘土層變現(xiàn)的更為突出。所以它適宜于長距離頂管。4.工作坑內的作業(yè)環(huán)境比較好，作業(yè)也比較安全。由于它采用泥水管道輸送棄土，不存在吊土、搬運土方等容易發(fā)生危險的作業(yè)。它可以在大氣常壓下作業(yè)，也不存

23、在采用氣壓頂管帶來的各種問題及危及作業(yè)人員健康等問題。5.由于泥水輸送棄土的作業(yè)是連續(xù)不斷地進行的，所以它作業(yè)時的進度比較快。6.泥水平衡頂管施工還具有噪音以及震動都很小等特點。二、適用范圍1.適用的土質范圍比較廣，而且在許多條件下不需要采用輔助施工措施。不適用在巖土及有機土中施工。2.適用小口徑頂管施工。由于小口徑頂管掘進機內部空間狹小，不允許操作人員進入機頭內部工作，而且在機內工作安全性差，勞動強度高。采用地面遙控操作，不僅可克服上述弊端，而且可提高施工質量。三、工藝原理1.泥水平衡頂管機工作原理泥水平衡頂管機施工以泥水平衡原理為基本，通過改變泥水倉的送、排泥水量和頂進速度來控制排土量，使泥水倉內的泥水壓力值穩(wěn)定并控制在所設定的范圍之內，從而達到開挖面的穩(wěn)定。2.泥水平衡功能泥水平衡輸送系統(tǒng)有兩項主要功能，一是通過泥水