大直径长距离泥水平衡顶管综合标准施工标准工法.doc

天津市市级工法申报资料

大直径长距离泥水平衡顶管施工工法

天津三建建筑工程
8月

目 录

1、 申报表…………………………………………………1
2、 工法内容………………………………………………8

天津市建设领域工程建设施工工法申报书
( )

工法名称大直径长距离泥水平衡顶管施工工法

申报单位 天津三建建筑工程

主管单位 天津市建工集团（控股）

申报时间 8月31日

天津市城镇建设和交通委员会

二〇一三年印制

工法名称
大直径长距离泥水平衡顶管施工工法
关键完
成单位
天津三建建筑工程
通讯地址
河东区八纬北路17号
邮编
300170
联络人
宋红智
电话
24142423
主
要
完
成
者
姓名
职务
职称
所在工作单位
李锦春
总工
高工
天津三建企业
赵淮伟
技术经理
工程师
天津三建企业
何志宏
项目经理
助工
天津三建企业
徐双燕
技术责任人
工程师
天津三建企业
郭岩川
技术责任人
助工
天津三建企业
本工法应用工程名称立即间
津南污水处理厂（纪庄子污水处理厂迁建）配套进出水管网工程
本工法关键技术名称及判定时间
顶管泥水平衡施工工法关键技术于 年 月 日经过天津市建委组织判定。
本工法关键技术获结果奖励情况

工法内容简述：
本工法为大直径长距离泥水平衡顶管施工工法，原理为：顶管施工中，采取水力输送弃土，同时利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力进行施工。
大直径长距离泥水平衡顶管施工工法理论就是以含有一定量粘土且含有一定相对密度泥浆水充满掘进机泥水舱，并对它施加一定压力，以平衡地下水压力和土压力进行施工，根据该理论，泥浆水在挖掘面上能形成泥膜，以预防地下水渗透，然后再加上一定压力就能够平衡地下水压力，同时也能够平衡土压力。

关键技术及保密点：（有专利法权，请注名专利号）：
泥水平衡式顶管施工最大优点是：
1、适用土质范围比较广，如在地下水压力很高，和改变范围很大条件下，它全部适用。
2、可有效地保持挖掘面稳定，对顶管周围土体扰动比较小。所以，采取此方法顶管引发地面沉降较小。
3、和其它类型顶管比较，泥水顶管施工时总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以尤其适适用于长距离顶管。
4、工作坑内作业环境很好，作业比较安全，因为它采取泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险作业。
5、泥水输送弃土为连续作业，所以进度比较快。
技术水平和技术难度（包含和中国外同类技术水平比较）：

最长顶管长度为400m，管道直径为3m，跨度及直径较大，在天津地域同类工艺中比较少见。

工法应用情况及推广应用前景：

本工程为天津市纪庄子污水处理厂迁建工程，累计10个标段，对此顶管施工做出了专门工法要求，此工法对以后天津市顶管工程中有相当大推广作用，比较利于天津市土层。

经济效益或社会效益：
1．应用本工法达成了设计图纸设计意图，满足了质量要求，同时使工程施工顺利进行下去，避免了明开施工放坡，缩小了施工占地，节省了占地费用和美化了管线周围环境。

工法关键完成单位意见

同意申报市级工法

年 月 日
（公 章）
主管单位
推荐意见

同意申报市级工法

年 月 日
（公 章）

教授评审意见

评审组长：
年 月 日
市建交委审定意见

年 月 日
（公 章）

工法内容

大直径长距离泥水平衡顶管施工工法
天津三建建筑工程

1、 序言

顶管工程分为若干个分部、分项工程，本工程为天津市在施关键工程之一，我企业承建项目标第六标段，标段全长3200m，工程穿越津港公路及南引河，其中WE7～WE8长度400m为工程顶管距离最长部位。
大直径长距离泥水平衡顶管施工工法是利用泥水平衡原理经过设置中继站采取泥水触变减阻等技术方法进行400m管道顶进。

2、 工法特点

2.1

2.1泥水平衡顶管可有效地保持挖掘面稳定，对顶管周围土体扰动比较小。所以，采取此方法顶管引发地面沉降较小。
2.2和其它类型顶管比较，泥水平衡顶管施工时总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以尤其适适用于长距离顶管。
2.3工作坑采取水泥搅拌止水帷幕加冒梁、水平撑支护，坑内作业环境很好，作业比较安全，因为它采取泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险作业。
2.4泥水输送弃土为连续作业，所以进度比较快。
2.5管道直径为3m,是现在天津市污水管道中最大顶管管道，采取NPD3000型顶管机，千斤顶配置6～10个。
2.6

3、 适用范围

适用土质范围比较广，在地下水压力很高，和改变范围很大条件下，全部可适用。

4、 工艺原理

5、 施工工艺步骤及操作关键点

5.1工艺步骤

5.2 操作关键点
5.2.1顶管工作坑采取灌注桩在基坑周围作防护，水泥搅拌桩进行地下水拦截，且基坑开挖后制作冠梁对基坑进行支护加固。水平支撑是什么？几道？
5.2土体加固、洞口破除、止水：
5.2.1土体加固
工作坑进出洞口位置设计增设了三排Φ850@1200三轴搅拌桩，进行土体加固，三轴搅拌桩深度为嵌入基坑地面以下5m。？
5.3.2洞口止水
依据《顶进施工技术及验收规范》相关要求，顶管基坑内进出洞口设置一道止水墙。止水墙和支护灌注桩连接，厚度0.2m；高5m，宽8m，内部设置7Φ25钢筋作为主筋加固并和灌注桩连接，混凝土强度等级C30。止水圈由四部分组成：止水墙、预埋螺栓、橡胶止水圈、压板。

l-止水墙；2-预埋螺栓；3-橡胶止水圈；4-压板 止水墙配筋示意图
5.3.3洞口破除
顶进基坑：顶管导轨及机头安装就位后，用风镐对灌注桩进行破除，破除后洞口应为圆形，圆心和管道中心保持一致，洞口直径大于管道外径10cm。灌注桩破除到位后，顶进。
5.4开机头：
用吊车将现场管道吊入基坑内，当机头就位后，首先接通机头刀盘旋转电源，开动刀盘使其向左或向右旋转，再接通进泥泵和排泥泵电源，泥浆由进泥管进到泥水平衡仓，充满泥水平衡仓，由出泥管回到泥浆池，形成循环泥浆管路。再接通机头刀盘顶进电源，使刀盘主轴向前行进，同时开动基坑内顶镐，推进机头向前行进，当顶进1节管长度后，关闭机头进泥阀门和出泥阀门，并使用排泥泵将管路中泥浆抽闲，若已顶进3节管后，应在顶进时注入触变泥浆。卸掉基坑内多种接头软管和电缆管路，使主顶镐回缩，移走顶铁，用吊车将混凝土管下到位，重新快速连接多种接头软管和电缆管路，使顶管就位，反复以上操作步骤循环顶进。
在顶进过程中预先在确定管道点位向管壁外侧同时注入泥浆，以降低侧壁顶进时阻力，并支撑周围土层。
5.5顶管顶进：
5.5.1顶管机头安装到轨道上，复核管道中心和顶管机头后，顶管机头顶进，顶进机头在没有全部进入洞时，在机头中心、高程偏差小于±20mm，不考虑纠偏，如中心、高程偏差大于±20mm，立即确定纠偏方案，纠偏高程时，轨道上管要加配重，纠偏中心时，轨道管两侧要加支撑。
5.5.2每节顶管吊至坑内导轨上，测量管道中心线及前后端管底高程，检验合格后，顶进至前一节管后端，并和之连接。在安装顶管时，顶管接口胶圈施工，严格根据设计和规范要求实施。
5.5.3试顶：此次施工主顶设备均选择1.0m冲程油缸，前端有环形顶铁连接。在顶管顶进一段距离后，要加设弧形活动顶铁，做一次顶进再下后一节管时，可将其吊移。在正式顶进前，对全部机器、电路、油路及其它设备进行最终一次测试。无误后即开始顶进。
5.5.4洞口封闭安装后，先不转刀盘将机头缓慢平推入洞内。顶进时进泥流量控制在0.4-0.6m³／min。此时泥水分两部分流出，一部分由机头外流出井，另一部分由机头出泥管排出。
5.5.5初始顶进速度控制关键是机头吃土，机头克服刀盘旋转产生扭矩，靠是机头重量产生和轨道摩擦力，假如盘刀吃土太深扭矩大，机头会旋转，所以顶进速度不要太快，第一节管进洞阶段，刀盘速度控制在10-20mm／min，此阶段关键是找正管子中心、高程，偏差控制在±5mm之内；进泥流量控制在0.6-0.8m³／min，泥浆由顶管机出泥管排入砂水分离设备。
机头全部入土后，高程、中心偏差大于±10mm要纠偏，此时纠偏用机头纠偏设备。初始顶进最终把中心控制在5mm以内，高程控制在+10mm以内，为后面掘进打下好基础。
5.5.6当主顶油缸顶进一段距离后，掘进机机头进入止水圈接触到坑外侧土体，机头刀片开始工作，掘进出土体在切削刀盘内粉碎，进入泥浆舱，在那里和泥浆混合，泥浆经过排泥管输送到地面上。掘进机完全进入土层后，电缆及泥浆管拆除，下第一节顶管，将其推到掘进机尾套处和掘进机头连接，顶进，每节顶管顶进均安装前一节顶管后连接进行顶进。
顶管施工中，为了使挖掘面保持稳定，必需在泥水舱中充满一定压力和相对密度在1.2左右泥水，泥水在挖掘面上形成一层不透水泥膜，它能够阻止泥水向挖掘面里面渗透。同时，泥水本身含有一定压力，能够用来平衡地下水压力和土压力。开挖面泥水平衡是使泥水舱内保持一定压力，使其和地下水压力相平衡。泥水压力过大，地面隆起；泥水压力过小，地面沉陷。所以每段顶管施工前依据此段穿越土层及地下水位情况设定泥水舱基准面泥浆压力。
当偏差流量为正值时，顶管机处于“超挖”状态，偏差流量为负值时，顶管机处于“溢水”状态，当发觉掘削量过大时，应立即检验泥水密度、粘度和切口水压，查明原因后应立即调整相关参数，确保开挖面稳定。
5.5.7当掘进机或前面几节工作管进入土体后，在安装下一节管子时，主顶油缸回缩，此时因为主动土压力作用，常会造成掘进机和管子后退，前端土体也随之滑裂，推进方向出现偏差。
5.5.8顶进机头入土后，机头后方连续放置注浆管，顶进时不停注浆充填水泥浆使浆液在管外壁形成比较完整浆套，以后再间隔二节管子放置一节有注浆孔管子用以补浆。

顶进过程中碰到土质变坚硬，向土仓内加水或泥浆，掘进机上设有加泥孔，经过加泥孔向掘进面加泥；顶进过程中碰到土质软，第一节至第三节管及工具头联成一体，以增加整体刚度，从而可避免机头忽然沉陷。
5.5.9因为顶进距离较长，覆土较深，所需顶力较大，须用注浆减摩措施来减小顶进时阻力。此次注浆材料关键采取钠基膨润土，膨润土液含有良好触变性。要使膨润土液更适于注灌，更易成为完整浆套，和管壁之间摩擦力更小，就需添加部分添加剂，通常见纯碱作为分散剂，用CMC作增粘剂，针对不一样土质条件和现场实际情况配制浆液。注浆效果好坏，除和选择注浆材料相关以外，还和注浆泵选择、注浆孔部署，和注浆压力大小全部亲密相关。为确保注浆达成最好效果，顶进前四节顶管全部设置注浆孔，以后每隔二节设有注浆孔管子。注浆时要连续不停地补充，形成一个完好浆套。注浆孔位置设置在管子前端，这么注进浆液先在管外壁和钢环带之间形成浆套，被挤出后，即在土壁上形成较为均匀浆套；顶管内注浆孔按120度部署，共3个，如右侧注浆孔部署图。为预防注出去浆液倒流，每一注浆孔设置单向阀。另外，注浆时要作好对注浆压力控制，不宜过高避免发生冒浆，注浆泵选择脉动很小螺杆泵。

施工中管线部署

5.5.10在长距离顶管中，通风是不容忽略问题。在顶进超出40m以上时，操作人员在管子内要消耗大量氧气，而管内会出现缺氧，还有部分有害气体夹杂其间。为了操作人员健康及安全，必需靠通风设施来处理。我们采取鼓风机和抽风机相结合方法来处理这一问题，将鼓风机和抽风机安装在工作坑上方，以塑料管通入管道内。
5.5.11在管子内有电缆，照明电线，水管，输油管，通风管等多种管线，通常均悬挂在管子顶壁及侧壁上，为确保施工有条不紊，预先在管子内壁上设置固定装置。做这些管线时，一定要作好接头，弯头处理，并常常检验。管内采取12V低压照明。
5.5.12顶管施工过程测量，采取激光导向控制系统，测量仪器在顶进后方，在主顶设备后方底板砼上，预埋钢板，做托架，调整到所需标高及管线轴线方向后，对准掘进机内定位光靶上，并使其在监控显示器上反应出来。操作人员依据投影影像判定顶进偏差情况。顶进刚进入土层时，每顶进0.3m测量一次，顶进3—4节后，正常顶进，每顶进1m测量一次，在进入接收井前30m范围增加测量频率，每顶进0.3m测量一次。
5.6组合密封中继间和自动控制系统
5.6.1组合密封中继间
本工程中继间采取组合式密封中继间。其关键特点是可调整、可组合、可在常压下对磨损密封圈进行调，从而克服了在高水头复杂地质条件下中继间密封圈磨损而造成中继间技术难题，在水压0.2MPa下施工。
5.6.2中继间部署
第一个中继间部署于管道20m处，第二道中继间部署于管道70m处。
每道中继间安装6～10只1000kN油缸，每个油缸行程为500mm，最大顶力为10000KN，额定顶力为8000KN，中继环设计许可转角为1度，中继间止水橡胶可经过径向调整螺丝自由调整，在圆角方向能够依据需要局部或整体调整，含有良好止水性能。每道中继环安装一套行程传感器及限位开关和DK-20自动控制台相连。
5.6.3中继间启用条件
当设备顶力达成许可最大顶力或顶管工作坑后背墙许可最大顶力55%（二者取最小值）时，开启第一个中继间，后续中继间在设备顶力达成许可最大顶力或工作坑后背墙许可最大顶力65%时启用。
5.6.4自动控制台
中继环自动控制采取ZD-20中继控制台进行程序控制，在顶管过程中按摩擦力大小，由控制台自动发出信号自动控制中继环，中继环控制台经过控制电缆、中继箱、远程传感器及限位装置和中继环油泵自控箱连接。按顶进程序自动控制中继环工作。
中继环自动控制台含有以下功效：
能够控制各中继环按程序要求自动/手动进行顶管；能够按要求改变顶进程序；能够按受力情况调整每环顶进距离；计算机能够从自动控制台自动取样，设置中继环自动/手动工作，并适时打印各类数据，供技术人员分析。
5.7中继间开启次序
从顶管机头向后按次序将每段管节向前推移，当一组中继间伸出时，其它中继站应保持不动，在全部中继站依次完成作业后，主顶工作站完成该顶进循环最终顶进作业。

6、 关键材料和设备

6.1砼管材：品种、强度等级符合设计要求，并有出厂合格证、出厂检验汇报，材料进场后，按规范要求进行复检。
6.2商品砼：为了确保基坑强度，选择含有一定业绩及生产规模厂家，在砼运至现场后，进行塌落度试验，而且留置砼试件。

6.3关键机具：
设备名称
数量

设备名称
数量
25T/70T/160T吊车
各1台

液压千斤顶 200t
30台
150Kw发电机
3台

液压站
3部
ZL50装载机
2辆

顶铁
3套
挖掘机
2台

注浆泵
3台
4”潜水泵
20台

空气过滤、除油装置
3套
5T/10T装卸汽车
各2辆

加长臂挖掘机
3台
电焊机
6台

顶管机NPD3000
3套

6.4设备照片：

顶管机头 液压设备

油缸 泥浆泵

7、 质量控制标准

7.1《给水排水工程顶管技术规程》 CECS246-
7.2《给水排水管道工程施工及验收规范》 GB50268-
7.3《纪庄子水厂迁建配套管网工程岩土工程勘察汇报》
7.4《顶管施工技术及验收规范》（试行）
7.5《土压平衡和泥水平衡顶管工程施工技术规程》J10498-

8、 安全方法标准

8.1《建筑施工安全检验标准》 （JGJ59-）
8.2《施工现场临时用电安全技术规范》 （JGJ46-）
8.3《天津市建设工程文明安全施工管理暂行要求》
8.4《天津市建筑施工现场安全防护基础标准》

9、施工常见风险及应急方法

9.1工程风险分析：
9.1.1支撑变形较大或失稳
9.1.2地面沉降、隆起
9.1.3地质发生很大改变，忽然间变硬或变软
9.1.4在顶管施工过程中，假如出现异常偏差或纠偏失效
9.1.5支护桩侧向位移
9.1.6顶进管道渗水
9.1.7注浆方法
9.2应急方法：
9.2.1支撑变形较大或失稳
现场备足钢支撑、型钢、水泥及砂石料，并确保挖掘机、点焊接、搅拌机、喷浆机运转良好，放置在不影响施工地方。
对支撑除按要求频率进行检测外，暴雨后应加强对支撑端头检验，若有脱落或移位迹象应立即整改。加强司机安全教育严防挖掘机和其它工程机械碰撞钢支撑，造成钢支撑脱落。
支撑失稳或脱落后，在设计位置左右及下方立即架设临时支撑，然后再恢复设计位置支撑。
9.2.2地面沉降、隆起
在顶管经过路面设置观察点，发觉沉降超出警戒值应立即停止作业，必需找出原因，立即调整方案并采取对应方法后才可继续施工。如沉降发生得到控制，则按调整方案继续施工。
如沉降发生不能得到控制，应停止顶管作业，立即进行换浆工作，确保地面稳定，确保路面安全。
在顶管施工过程中做好换浆工作，在一段管道顶进完成后，立即换浆，通常以3天为一个周期，将水泥浆从注浆高于膨润土注浆压力注入，把顶管前面第一节注浆孔打开，使膨润土泥浆流出，直到有水泥砂浆压出时，再把注浆孔塞上，换浆后管周围有充足水泥浆，经过一段时间后，水泥浆溶入粉砂土中，最终改变了土质和管壁合成一体，可充足确保塌陷问题产生。
在顶通前应做好出洞前准备工作，在机头出洞后立即将机头和连接管道分离，机头立即吊出井外，在第一时间抓紧处理井内泥浆和进行洞口封门，确保洞内土体和水量不流失，确保管道沉降得到控制。
依据检测数据调整减阻泥浆注浆量，降低管节背土现象，控制地面沉降。
9.2.3地质发生很大改变，忽然间变硬或变软。
能够经过刀盘扭矩来判定，假如忽然变硬了，则像水仓加入水或泥浆，掘进机上设有加浆孔，其目标就是用来加泥。假如太软，可把第一至第三节管子及工具头全部联成了一个整体，以增加它们刚性，从而可避免机头忽然沉陷。
9.2.4在顶管施工过程中，假如出现异常偏差或纠偏失效质量方法
必需在许可偏差标准以内就停下来，分析原因，找出对策再继续顶进，切不可盲目行动。操作人员必需严格遵守这么一条要求：不管何种情况，超出许可偏差一律停下来，而且如实汇报情况，方便分析原因，找准对策。
9.2.5支护桩侧向位移质量方法
基坑开挖过程中，边开挖边架设钢支撑，支撑连接处要可靠，每层开挖深度不超出设计深度，确保支撑体系稳定；施工时严格控制钢支撑各支点竖向标高及横向位置，确保钢支撑轴力方向和轴线方向一致；在基坑开挖期间要加强对支撑观察、每班要有专员巡察、当支撑轴力超出警戒值时，立即停止开挖，分析原因，制订对策；支撑施工要严格按设计要求架设。对支撑材料要严格把关，杜绝使用有缺点支撑材料。
应急方法： 出现险情时，现场人员立即从安全通道有序疏散； 在失稳钢支撑旁加设钢支撑，进行坑底加固，如采取注浆、高压喷射注浆等，提升被动区抗力，同时对周围支撑复查，查找是否有支撑松弛，假如发觉有支撑松弛，应立即采取加固方法； 如因为支撑失稳已经引发基坑坍塌，立即对基坑坍塌处回填土方，并清理基坑周围超载，假如围护结构背土发生土体流失，要立即填充砂或砼，同时对周围支撑复查，查找是否有支撑松弛，假如发觉有支撑松弛，应立即加垫木楔，预防失稳现象扩散。
9.2.6顶进管道渗水
安全预防方法： 顶进过程中地层受力改变、顶进机头忽然出现栽头后进行纠偏造成管口接口错口位置设专员监视； 若发觉出现渗漏，应立即处理。
应急方法：当漏水量较小时，采取在漏水处周围钻孔，向管外注入聚氨酯，利用聚氨酯遇水固化化学特点，进行止水；当漏水较大时，采取高效速凝水泥临时封堵部分漏洞，并加设引流管，控制漏水尽可能少冲刷高效速凝水泥封口，待速凝水泥达成一定强度时，在漏点周围钻孔注入速凝液浆进行堵漏。
9.2.7注浆方法
布孔标准
注浆孔眼位置及数量，则需依据不一样地质情况进行合理安设。打孔方法可视施工条件采取机械（钻岩机）方法。灌浆孔眼小则需依据灌浆嘴或灌浆钢管大小确定，通常钻孔孔径要比灌浆嘴或灌浆管1～2mm.
灌浆是整个化学灌浆中心步骤，须待一切准备工作完成后再进行，灌浆前必需有组织地进行分工，固定岗位，尤其需要有专职熟练人员进行操作，其操作程序以下：
灌浆前应对整个灌浆系统进行全方面检验，在灌浆机具运转正常，管路通畅情况下，方可进行灌浆。
对于垂直裂缝通常自下而上灌浆，水平裂缝（横向缝）由一端向另一端或从两端向中间进行灌浆，对集中漏水应先对漏水量孔洞进行灌浆，在有条件情况下，横缝也能够多个嘴同时灌浆。
将灌浆系统和灌浆嘴牢靠联结，打开排水阀门，使水从排水阀门中流出。
开放灌浆系统全部阀门并起动压力泵，待浆液从排水阀门中流出后，即关闭排水阀门，继续加压进行正常灌浆。

10、环境保护方法

10.1施工垃圾应天天清理，堆放在指定地点。
10.2现场泥浆、污水不得随意排放，应排到甲方指定地点，并常常进行处理，预防对周围环境影响。
10.3注意操作面卫生，工人不得乱扔垃圾、杂物，做到日站日清，活完料净。
10.4做好施工周围绿化工作，对现场树木进行保护。
10.5建立健全环境保护规章制度，确定环境保护管理人员。

11、 效益分析

满足了质量要求，同时使工程施工顺利进行下去，避免了明开施工放坡，缩小了施工占地，节省了占地费用和美化了管线周围环境。

12、 应用实例

本工程坐落于天津市津南区、西青区两个区域，污水进水输送干管。起点为污水WE1井。终点为WE10井，管道流向西北（WE1）至东南（WE10）；管道直径为d3000mm，总长度为2424m，污水管线累计13座基坑，其中主坑主坑6座，副坑7座。项目部组织了3个顶管队伍对本工程实施施工，施工期间不仅进度进展较快，还对周围环境降低了污染，同时在交付当地政府部门占地工程款也降低了投资，有效地节省了资源浪费。

13、 工程照片

～天津市工法关键技术判定意见汇总表
工法名称
泥水平衡顶管施工工法
申报单位
天津三建建筑工程
教授判定意见

教授签字：

年 月 日
市建设交通委核准意见

公 章
年 月 日