泥水平衡施工工法

1、泥水平衡施工工法1 前言 現代化城市的發(fā)展離不開市政管道的建設，越來越多的深埋設管道、過路管道、穿越建筑物的管道、舊城市政改造工程采用頂管施工技術，以減少拆遷的工程量，減少施工對交通的影響，減少施工對周圍居民、行人的影響。 頂管工程施工一般是將整個頂管工程分成若干段進行，在最佳施工條件下，普通頂管法的一次頂進長度為100米左右。但是在城市干管施工中，或管線需要穿越大型建筑群或河道時，普通頂管法的一次頂進長度就不足以頂完全程。因此，需要完善長距離頂管技術。 長距離泥水平衡頂管施工工法就是利用泥水平衡原理通過設置中繼站、采取泥漿觸變減阻等措施達到一次頂管頂進長度在200m以上。 2 工法特點 2.

2、0.1泥水平衡頂管包括：泥水加壓平衡式掘進機由主機、糾偏系統(tǒng)、進排泥系統(tǒng)、主頂系統(tǒng)和壓漿系統(tǒng)組成。如下圖所示：2.0.2 長距離頂管管道與摩阻力隨管道的長度成正比，頂進長度增加，必須加大頂力。當頂進長度達到一定距離時，頂力加大會使管體或后背損壞。長距離泥水平衡式頂管工藝就是通過潤滑劑減阻和中繼接力技術，減少頂進過程阻力，中繼接力頂力，從而達到一次完成長距離頂管的技術。 其特點有：1采取全封閉式頂進，可有效的保持挖掘面的穩(wěn)定，對管道周圍的土體擾動小，能很好的控制地面沉降； 2與其它類型頂管相比，泥水平衡頂管施工的總推力較小，適宜較長距離頂管； 3工作井內的作業(yè)環(huán)境好，頂管自動控制，管內不用人員作

3、業(yè)，安全性高； 4由于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)； 5由于泥水輸送棄土的作業(yè)連續(xù)進行，故其施工速度快，能有效保證工期。 6污染小，噪音小，環(huán)保。采用泥水管道輸送棄土，并經泥水處理系統(tǒng)處理后再進行棄土，環(huán)境污染小。 7節(jié)約工時，提高工效。 8施工工藝簡單,標準化、程序化，便于施工控制和管理。 9頂進長度一次可達200m以上。 10泥水加壓平衡工具管與其他工具管相比，具有平衡效果好，結構緊湊，技術先進，由于出土方式是用水力機械化連續(xù)出土，所以頂進速度快，對土質的適應性強。無論是粘性土還是砂性土，均能收到良好的效果。3 適用范圍 3.0.1與普通泥水平衡式工法相同

4、，適用于： 1各種土壤條件：能適用于地下水壓力高、非堅硬的的地層條件，如砂質土、粘土等；不適合強風化巖、花崗巖的土層。 2管徑：DN600DN3000。 3適用管材：鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼夾砂管等常用頂管管材。 4 工作原理 4.0.1 泥漿形成機理 泥水平衡式頂管機中，刀盤與主軸之間有一個偏心距e，而中心刀、刀排、切削刀頭與主軸是同心的。所以，假設刀頭切削下來的強風化砂巖的顆粒較大，不會直接進入泥水倉，大顆粒的石塊在破碎腔內被破碎成，比隔柵孔小的顆粒，才能通過隔柵進入泥水倉。這樣，使排泥管不會被堵塞。 利用水槍，將土層的強度降低，含水量增大，以利用旋轉刀盤上的刀片將土層切割成為泥漿。 4

5、.0.2 泥水平衡工作原理 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。 4.0.3 觸變泥漿減阻原理 通過在管壁外壓注觸變泥漿，形成一定厚度的泥漿套，使頂管在泥漿套中頂進，以減少阻力。 4.0.4 中繼間接力頂進原理 中繼間接力頂進，也就是在管道中間設置中繼環(huán)，分段克服摩擦阻力，從而解決頂力不足的問題。 中繼間的千斤頂組在高壓油路的作用下，以其后管道為后座支承點，將其前段管道向前推進，采用這種方法，將管道分段逐次推進，從而實現長距離頂管。 4.0.5 長距離制導 通過激光

6、導向，計算機指導糾偏施工，確保頂進線路與高程準確。 5 工藝流程與操作要點 5.1長距離泥水平衡式頂管工藝流程： 5.1.1泥水平衡式頂管一般工藝流程：5.1.2長距離泥水平衡頂管工藝流程如下圖所示：5.2 施工方案編制 泥水平衡頂管施工前應編制詳細的施工組織設計，其中施工方案應包括如下內容：5.2.1 施工依據、內容、范圍 5.2.2 頂管設備的選擇： 重點是頂管機頭選型及各類設備的規(guī)格、型號及數量 5.2.3 施工工藝： 重點是頂進方法的選用和頂管段單元長度的確定，中繼段的劃分與減阻措施，方向控制方案。5.2.4 施工工藝參數的計算：頂力計算、后背設計和洞口的封門設計，中繼接力計算。 5.

7、2.5 垂直運輸和水平運輸布置； 重點是下管、挖土、運土或泥水排除的方法 5.2.6 工作井的設計和施工方法 5.2.7 設備安裝調試的技術措施 5.2.8 施工過程控制的技術措施：包括減阻措施，控制地面隆起、沉降的措施，注漿加固措施 5.2.9 質量安全的技術措施 5.2.10 應對突發(fā)事件的預案 5.3 平面布置 5.3.1在工作井范圍內實行全封閉隔離施工并布置以下必要的設施，地面指揮監(jiān)測中心、辦公室、倉庫、配電間、冷作間等。布局要合理，環(huán)境整潔、衛(wèi)生，并有專職人員進行管理。 5.3.2現場布置采用8t汽吊，設備進場時，采用16t汽車吊車。 5.3.3管道頂進時，起吊設備采用龍門行車，行車

8、導軌與頂管中心線應平行鋪設，并與管中心左右對稱。 5.3.4井內布置 工作井井內布置主要是后靠背、導軌、主頂油缸、油泵動力站、鋼制扶梯等。 5.4工作井（接收井）制作 工作井可采用沉井法施工，如遇地下水較豐富，在沉井施工前可設置雙排攪拌樁止水帷幕。 5.4.1工作井尺寸計算 工作井寬：W=D+（2.43.2）m D：被頂進管子外徑（m） 工作井長：L=L1+L2+L3+L4+L5 L1：管子頂進后，尾端壓在導軌上的最小長度，混凝土管一般取0.3m L2：每節(jié)管子的長度（m） L3：出土工作間隙，根據出土工具確定，一般為1.01.5m L4：千斤頂長度 L5：后背所占工作井厚度 5.4.2沉井下

9、沉力計算 式中G1：需加荷載 Ks：1.15 Tf: 沉井井壁外側的總磨擦阻力 Pfw:地下水浮托力5.4.3工作井（接收井）施工方法 工作井（接收井）采取兩次澆筑成型的方式制作，即刃腳混凝土澆震憾這到一定強度后，再澆筑上部混凝土井壁，每次澆筑均須連續(xù)施工，不留施工縫。 1做好鋼模板設計計算，確保沉井筒體大體積混凝土施工安全。 2腳手架搭設、鋼筋籠制作安裝、模板安裝均應符合規(guī)范要求，特別應注意對拉螺栓定位準確與沉井平面位置準確。 3沉井下沉必須保持垂直，可根據地質狀況采取不排水挖土下沉、鉆吸排土法下沉和帶水下沉等方法。4沉井排土地下沉中，應加強觀測，如下沉困難，及時采取措施。 5.5洞口密封止

10、水 5.5.1安裝洞門止水裝置 出洞前，為防止洞口處的水土沿工具管外壁與洞門的間隙涌入工作井，首先在管子頂進前方的坑內，澆注一道前止水墻，墻體可由級配較高的素混凝土構成，其寬度為2.05.0m，厚度約為0.30.5m，高度約為1.54.5m。然后再在前止水墻的預留孔內安裝橡膠止水圈。洞口止水圈的構造是由混凝土前止水墻、預埋螺栓、鋼壓環(huán)及橡膠圈組成。 在頂進施工過程中又可防止減摩泥漿從此處流失，保證泥漿套的完整，以達到減少頂進阻力的效果。 5.5.2頂管出洞 本工程頂管機出洞洞口外側主要為砂質土、粘土，在封門拔除過程中土體易因其流塑性而發(fā)生坍方事故。應確保頂管快速、順利出洞，防止洞口外側土體涌入

11、井內。5.6后靠墻 在工作坑內，后坐墻是承受和傳遞全部頂力的基礎，必須具有足夠的強度和剛度，并有足夠的安全度。后靠墻內配14120雙向鋼筋,砼標號為C25,待砼強度達到設計強度的75%方可頂進。 后背墻的受力分析反力R應為總推力F的1.21.6倍，以確保安全。 R=aB(H2 KP/2+2cHKP+hHKP) 式中：R-總推力之反力（kn） -系數（取1.5） B-后座墻的寬度（m） -土的容重（KN/m3）19KN/m3 H-后座墻的高度（m） KP-被動土壓系數為tg2（450+/2）（=400 ） c-土的內聚力（取200kPa） h-地面到后座墻頂部土體的高度（m） 5.7頂力估算 頂

12、力計算是頂管的關鍵，依據我司研究的如計算式計算： F=F1十F2 (5.7) 式中F-總頂力 Fl-迎面阻力 F2-頂進摩阻力 5.7.1迎面阻力計算 F1P×/4×D2 (5.7.1-1) PKo*Ho Ko-靜止土壓力系數，一般取0.55 Ho-地面至掘進機中心的厚度 -土的濕重量，取1.9t/m3D-管外徑 5.7.2泥水壓力核算 PPWP (5.7.2-1) 式中： P-表示泥水艙管道基準面泥漿壓力； Pw-表示相對于管道基準面地下水壓力； P-表示泥水艙建立高于地下水壓力，一般設為20Kpa Pw=w×h (5.7.2-2) h-地下水位相對管底基準面水

13、頭高度 粘土層中，由于基滲透系數極小，無論采用的是泥水還是清水，在較短時間內，都不會產生不良狀況，這時在頂進過程中應考慮以土壓力作為基礎。在較硬的粘土中，土層相對穩(wěn)定，這時，即使采用清水而不用泥水，也不會造成挖掘面失穩(wěn)現象。然而，在較軟的粘土中，泥水壓力大于其主動土壓力，從理論上講是可以防止挖掘面失穩(wěn)的。但實際上，即使在靜止土壓力范圍內，頂進停止時間過長，也會使挖掘面失穩(wěn)，從而導致地面下陷。這時應適當提高泥水壓力。 5.7.3頂進摩阻力計算 F2D×f×L (5.7.3) 式中：D管外徑； f一管外表面平均綜合摩阻力，一般為512KPa，采用觸變泥漿減阻時可以取為8KPa。

14、 L頂距。5.8中繼站設置估算 中繼站設置由總頂力決定，滿足以下一個條件時應設置中繼站： 1 在總頂力大于主頂液壓裝置時； 2 在總頂力管子允許的軸向力時； 3 在總頂力大于以及沉井后座最大土抗力時。 根據經驗，在頂管管徑D1000mm時，應著重考慮管子的允許軸向力；而在D1000mm時，則應著重考慮后座最大土抗力。 5.8.1設定控制頂力F控 根據主頂液壓裝置，中繼間的最大推力，管子允許的軸向力以及沉井后座最大土抗力以后，可以確定控制頂力F控。 5.8.2中繼站分段確定 按公式66，管道周邊摩阻力F2=×D×L×f 根據經驗，在1號中繼環(huán)以前，可取f=1.2t/

15、m2，在1號中繼環(huán)以后，取f=0.6t/m2 ，2號中繼 環(huán)以后，取f=0.4t/m2 11中繼環(huán)前長度 L1（F控F1）/(×D×f) 5.8.2-13 其余各段分段長度為： LnF控/(×D×f) 5.8.2-2 5.8.3中繼站的調整 在實際施工過程，應根據頂進施工所獲得的數據計算管節(jié)外壁和周圍土體的摩阻力。并根據計算結果，結合以往的施工經驗，對中繼間的位置作了適當調整，以盡量減少中繼間的投入，并能確保頂進的順利進行。 5.9觸變泥漿減阻 泥漿潤滑減摩劑又稱觸變泥漿，是由膨潤土、CMC(粉末化學漿糊)、純堿和水按一定比例配方組成。不同的土質，應采用

16、不同的配方，才能滿足不同的需要。 觸變泥漿配比，根據不同土質和某些特定的需要通過試驗確定。觸變泥漿可按如下標準設置： 5.9.1 漿液配比 減阻泥漿采用觸變泥漿，該漿液性能穩(wěn)定，且有良好的觸變性，又有一定的稠度（漿液配比見下表）膨潤土的貯藏及漿液配制、攪拌、膨脹時間，聽取供應商的建議但都必須按照規(guī)范進行，使用前必須先進行試驗。一般性能見下表：1對砂性土，含水量高，滲透性強時，采用漿液的粘度要高，失水量要小，并對土層要起一定支承作用。頂管出洞后管節(jié)周圍能迅速形成泥漿環(huán)套。 2對粘性土，采用的漿液相對要小些。 5.9.2 注漿管設置 注漿主管采用50mm鋼管，從泥漿站直通機頭，主管沿線每間隔9m，

17、設一個三通連接注漿支管，每條支管采用25mm橡膠管，沿頂管橫斷面弧形布置，支管上設34個三通，連接管壁上預留的注漿孔。頂管過程中，應專人控制、交替打開注漿孔閥門，不斷地向管外壁注漿。機頭尾端要緊隨管道頂進同步壓漿，后方各注漿點位必須跟蹤補漿。 5.9.3 注漿控制： 1儲漿池內的觸變泥漿由地面上的壓漿泵通過管路壓送至管道內的壓漿總管，并到達連通各壓漿孔的軟管內，通過控制壓漿孔球閥來控制壓漿。 2注漿壓力控制在0.51.0Mpa之間。 3注漿量可視具體頂進過程中摩阻力變化而采取勤注調整。 4在地面壓漿泵的出口處，裝置壓力表，便于觀察和調節(jié)、控制壓漿的壓力。 5.9.4 泥漿接力站設置 在頂進距離

18、長，一次壓漿無法到位，需要接力輸送。為此在管道內設置泥漿接力站，每隔200300m設一站，解決了頂進時同步跟蹤壓漿和沿線補壓漿的難點。 5.9.5 泥漿調整 頂進施工中，減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍的空隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等的作用，泥漿的實際用量要比理論用量大得多，一般可達到理論值的45倍，但在施工中還要根據土質情況、頂進狀況、地面沉降的要求等做適當的調整。 5.9.6 注漿流程圖5.10正常頂進 正常頂進工藝流程見下圖。5.11關鍵技術 5.11.1測量及軸線控制 1機頭配有主頂速度檢測儀、頂管機本體傾斜儀等可對頂進速度、機頭旋轉、水平傾角自動進行測量，隨時進

19、行方向糾偏 2在頂進過程中，經常對頂進軸線進行測量，檢查頂進軸線是否和設計軸線相吻合。在正常情況下，每頂進1節(jié)混凝土管節(jié)測量1次，在出洞、糾偏、到達終點前，適當增加測量次數。施工時還要經常對測量控制點進行復測，以保證測量的精度。 3隨著頂進距離的不斷增長，軸線偏差測量需接站觀測，從而產生接站誤差。 4指示軸線在頂進工程中，必須利用聯系三角形法定期進行復測，以保證整個頂進軸線的一致性。 5為了較好地解決測量用時問題，要盡可能減少測量接站數。 5.11.2糾偏技術 工具管出洞后的軸線方向與姿態(tài)的正確與否，對以后管節(jié)的頂進將起關鍵的作用。實現管節(jié)按頂進設計軸線頂進，做好頂進軸線偏差的控制和糾偏量的控

20、制是關鍵，要認真對待，及時調節(jié)工具管糾偏千斤頂和中繼間千斤頂，使其能持續(xù)控制在軸線范圍內。要嚴格按實際情況和操作規(guī)程進行，勤出報表、勤糾偏，每次糾偏角度不得大于0.22°。即嚴格控制工具管大幅度糾偏造成頂進困難、管節(jié)剪切破裂。 5.11.3頂管頂進與地層形變控制技術 1頂管引起地層形變的主要因素有： 1）工具管開挖面引起的地層損失， 2）工具管糾偏引起的地層損失 3）工具管后面管道外周空隙因注漿填充不足引起的地面損失，管道在頂進中與地層摩擦而引起的地層擾動 4）管道接縫及中繼間滲漏而引起的地層損失。 2在頂管施工中可采取如下措施： 1）及時調整土壓平衡值 根據不同土質、覆土深度和地面

21、沉降的情況，配合測量報表的分析，及時調整土壓平衡值，同時要求坡度保持相對的平穩(wěn)，控制糾偏量，減少對土體的擾動。 2）調整注漿壓力和注漿量 根據頂進速度，控制出土量和地層變形的信息數據，及時調整注漿壓力和注漿量，從而將軸線和地層變形控制在最佳的狀態(tài)。 5.11.4頂管出洞階段技術措施 1頂管機姿態(tài)的復核測量工具管進入接收井前需進行貫通測量復核，復核時應測量頂管機所處方位，用以確認頂管狀態(tài)、評估工具管出洞時姿態(tài)，擬定工具管進洞的施工軸線，使工具管在此階段的旌工中始終按預定的方案實施，以良好的姿態(tài)進洞，使其正確無誤地進入接收井內。 當工具管逐漸靠近洞口時，必須控制好頂進時的土壓力，在工具管切口距接收

22、井11.5m時，停止頂管頂進。并盡可能降低切口正面的土壓力。 2頂管機出洞 在接收井封門被破壞后工具管應迅速、連續(xù)頂進管節(jié)，盡快縮短工具管進洞時間。工具管整體進洞后應盡快把工具管和混凝土管節(jié)分離，并把管節(jié)和接收井的接頭按設計要求進行處理，減少水土流失。 5.11.5頂進過程中的應急措施 1地質發(fā)生很大的變化，突然間變硬或變軟。這可以通過刀盤的轉矩來判斷，如果突然變硬了，則向土倉內加入水或泥漿，掘進機上設有加泥孔，其目的就是用來加泥的。如果太軟，可把第一至第三節(jié)管子及工具頭都聯成了一個整體，以增加它們的剛性，從而可避免機頭突然沉陷。 2在頂管施工過程中，如果出現異常的偏差或糾偏失效，必須在允許偏

23、差標準以內就停下來，分析原因，找出對策再繼續(xù)頂進，切不可盲目行動。操作人員必須嚴格遵守這樣一條規(guī)定：無論何種情況，超過允許偏差一律停下來，并且如實匯報情況，以便分析原因，找準對策。 6材料與設備 6.1材料 膨潤土、CMC、純堿、水等應符合國家現行標準。 6.2頂管用管道依據計算的頂力進行管道厚度、接頭等設計，并委托經驗豐富、信譽好、質量佳的廠家生產管材。 6.2.1 頂管管材要求 1必須對運進現場管子進行嚴格質量檢驗，不合格的管子嚴禁用于頂管施工。 2頂管用混凝土管宜采用鋼承口的接口形式，管材質量應符合下列要求： 1）混凝土管節(jié)表面光潔、平整、無砂眼和氣泡；接口尺寸符合規(guī)定； 2）鋼套環(huán)尺寸

24、符合設計規(guī)定，接口無疵點，焊接接縫平整，肋部與鋼板平面垂直，且應按設計規(guī)定進行防腐處理。 3）密封橡膠圈安裝前保持清潔，無油污； 4）混凝土管接口處加襯墊，防止管口受力不均而被頂壞。 3頂管用鋼管時應符合下列規(guī)定： 1）應根據設計要求進行鋼管防腐絕緣，檢驗合格后，對絕緣防腐層采取保護措施。 2）頂進鋼管接口焊接后，接口處應補作防腐絕緣層及鋼絲網水泥保護層，抹鋼絲網水泥時，宜加速凝劑。 3）采用鋼絲網水泥保護層時，應焊制鋼絲網水泥的保護肋板，頂進設備與管口接觸部位應設特制護口邊圈保護管壁。 6.3機具設備6.4勞動力組織 施工人員包括推進三個班輪轉，每天保證頂管設備的正常運轉，做到均衡施工。 7質量控制 7.0.1 長距離泥水平衡頂管施工質量應滿足給排水管道施工及驗收規(guī)范要求。 1接口必須密實、平順、不脫落，密封材料完好、均勻。 2管內不得有泥土、石子、砂漿、磚塊等雜物。 3管處壁與土體間的空隙，應填充處理完畢。 4有嚴密性要求的管道應經閉水試