泥水平衡式機(jī)械頂管施工工法

泥水平衡式機(jī)械頂管施工工法編制單位:中建五局土木工程有限企業(yè)同意單位:中國(guó)建筑第五工程局有限企業(yè)工法編號(hào):GF/3-05-009-編制人:羅桂軍劉平王彰慶陳益馬鴻1序言伴隨都市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，在環(huán)境整改、處理供水、供電等問(wèn)題作設(shè)施配套建設(shè)時(shí)，開(kāi)槽埋管會(huì)導(dǎo)致使市區(qū)繁華的街道、都市主干道、高等級(jí)公路上新的樓房被拆除，車(chē)輛被限速繞道通行，深度開(kāi)挖引起了周?chē)鷺?gòu)筑物不一樣程度的沉降，修復(fù)后的路面幾年后尚在不停下陷。為了防止以上狀況發(fā)生，更好的節(jié)省投資，部分都市在管線穿越公路主干線采用了土壓式頂管施工，因擠壓式短距離頂管施工引起了路面隆起，人工挖掘式頂管施工引起了路面的沉陷。為了處理這些困難，重新研究出一種新型的施工工藝——泥水平衡式頂管施工。在平常所見(jiàn)的頂管措施一般有：1、人工挖掘式頂管法；2、多刀盤(pán)土壓平衡式機(jī)械頂管法；3、泥水平衡式機(jī)械頂管法。第一種措施施工頂管距離短、工期長(zhǎng)、安全隱患多（路面沉陷、涌水、涌砂、有毒氣體等）；第二種措施施工頂管外界影響大（路面隆起、建筑物破壞等）、耗電量大、受土層限制；第三種泥水平衡式頂管法有效的克服了前兩種措施的缺陷，彌補(bǔ)了它們的局限性。泥水平衡式機(jī)械頂管施工最大的長(zhǎng)處是：（1）合用的地質(zhì)范圍比較廣，在地下水壓力很高、地質(zhì)變化范圍大等土質(zhì)的條件下，它都合用。（2）可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定，對(duì)所頂管子周?chē)耐馏w擾動(dòng)比較小，引起地面的沉降比較小。（3）與其他類(lèi)型的機(jī)種相比，泥水頂管的切削力矩小，最合適于砂礫及硬土里頂管。（4）工作坑內(nèi)的作業(yè)環(huán)境很好，作業(yè)比較安全，由于它采用泥水輸送棄土，沒(méi)有搬運(yùn)土方及吊土等較易發(fā)生危險(xiǎn)的作業(yè)。可以在多種環(huán)境下作業(yè)。且挖掘面穩(wěn)定，不會(huì)導(dǎo)致地面沉降而影響交通及多種公用管線的安全。（5）泥水輸送棄土為持續(xù)作業(yè)，因此大大提高了推進(jìn)速度，最合適于長(zhǎng)距離頂管。2特點(diǎn)泥水平衡式機(jī)械頂管施工的四大功能：頂管機(jī)頂進(jìn)、破碎處理一體化，無(wú)需任何輔助工藝；機(jī)內(nèi)旁通裝置原則化，大大縮短安裝時(shí)間和防止泥水管道的阻塞；激光反射型方向誘導(dǎo)裝置能使操作簡(jiǎn)樸而精確；合用土層范圍廣、頂管距離長(zhǎng)。對(duì)水質(zhì)量規(guī)定低，泥水通過(guò)泥水分離后可循環(huán)使用。水拌和泥土通過(guò)輸送管道排入凈化池，整個(gè)管道保持干燥，施工檢查以便。管頭采用機(jī)械掘進(jìn)，有效的防止了塌方、涌水、涌砂及有毒氣體等。3合用范圍本工法合用于人工挖掘困難，危險(xiǎn)性大的圓礫層、涌水涌砂、易塌方、具有毒氣體以及路面與建筑物輕易遭到破壞的土層。大中都市中，該工法尤其合用于穿越道路、橋梁以及建筑物的管道（雨污水管、自來(lái)水管、煤氣管等）的施工。4材料性能頂管為玻璃鋼夾砂管，相鄰兩節(jié)管由特制接頭承插連接，采用見(jiàn)水膨脹橡膠圈和契型密封圈防水密封。5工藝原理泥水平衡式機(jī)械頂管是一種專(zhuān)業(yè)的非開(kāi)挖施工技術(shù)，它重要是將具有一定量粘土的且具有一定相對(duì)密度的泥漿水充斥掘進(jìn)機(jī)的泥水艙，并對(duì)它施加一定的壓力，以平衡地下水壓力和土壓力。泥漿水在挖掘面上形成一層泥膜，加上一定的壓力就可以平衡地下水壓力和土壓力，從而防止地下水的滲透，借助主頂油缸的推力將掘進(jìn)機(jī)頭推入洞口的止水圈，穿過(guò)土層往接受井的方向，電動(dòng)機(jī)提供能量，轉(zhuǎn)動(dòng)切削刀盤(pán)，通過(guò)切削刀盤(pán)進(jìn)入土層，最終掘進(jìn)機(jī)和工具管被推到接受井內(nèi)吊起，同步把緊隨掘進(jìn)機(jī)和工具管后的管道埋設(shè)在兩坑之間，設(shè)計(jì)管道鋪設(shè)完畢（如下圖）。工藝原理圖6工藝流程及操作措施工藝流程泥漿泥漿泥漿凈化池水池一節(jié)管道完畢泥水水泥漿排放三通一平工作井的設(shè)計(jì)及開(kāi)挖頂管設(shè)備安裝頂管施工泥土運(yùn)送接受坑機(jī)械設(shè)備清理隱蔽工程驗(yàn)收整個(gè)工程驗(yàn)收管道吊裝泥漿分離器管道鋪設(shè)完畢管縫處理閉水試驗(yàn)工程竣工操作措施6.2.1施工方案工作井完畢后，將調(diào)試合格的液壓系統(tǒng)和頂管掘進(jìn)機(jī)安裝到導(dǎo)軌上，準(zhǔn)備掘進(jìn)。掘進(jìn)開(kāi)始，微型掘進(jìn)機(jī)被主頂油缸向前推進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)頭進(jìn)入工作井預(yù)留洞口的止水圈，嚴(yán)格按照在設(shè)計(jì)圖紙線路（軸線和標(biāo)高符合設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定）穿過(guò)土層抵達(dá)接受井。在穿過(guò)土層時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供能量轉(zhuǎn)動(dòng)切削刀盤(pán)，通過(guò)切削刀盤(pán)進(jìn)入土層。挖掘的土質(zhì)、石塊等在轉(zhuǎn)動(dòng)的切削刀盤(pán)內(nèi)被粉碎，然后進(jìn)入泥水艙與泥漿混合，最終通過(guò)泥漿系統(tǒng)的排泥管由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過(guò)程中，運(yùn)用平衡原理，采用復(fù)雜的土壓平衡裝置來(lái)維持水土平衡，以至一直處在積極與被動(dòng)土壓之間，到達(dá)消除地面沉降和隆起的效果。掘進(jìn)機(jī)完全進(jìn)入土層后來(lái)，電纜、泥漿管被拆除，吊下第一節(jié)頂進(jìn)管，它被推到掘進(jìn)機(jī)的尾套處，電纜、泥漿管被連接，液壓系統(tǒng)重新開(kāi)始工作，管道頂進(jìn)后來(lái)，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節(jié)管道又吊入井內(nèi)，套在第一節(jié)管道后方，連接在一起，重新頂進(jìn)，這個(gè)過(guò)程不停反復(fù)，直到所有管道被頂入土層完畢，完畢一條永久性的地下管道。掘進(jìn)過(guò)程中，采用先進(jìn)的激光導(dǎo)向控制系統(tǒng)來(lái)控制管道的軸線和管內(nèi)底標(biāo)高。位于工作后方的激光經(jīng)緯儀發(fā)出激光束，調(diào)整好所需的標(biāo)高及方向位置后，對(duì)準(zhǔn)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到機(jī)內(nèi)攝像機(jī)的影像內(nèi)，并輸送到控制系統(tǒng)的電腦顯示屏內(nèi)。操作者可以根據(jù)需要啟動(dòng)位于掘進(jìn)機(jī)內(nèi)置式油缸進(jìn)行伸縮，調(diào)整切削部分頭部上下左右高度，到達(dá)糾偏的目的。在整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程中，甚至可以獲得控制整個(gè)管道水平、垂直向3cm泥水平衡式頂管的管材采用鋼筋混凝土鋼插口管，它一端由一種凹形接口、鋼環(huán)套、木質(zhì)墊圈，另一端為一種凸接口、密封圈。當(dāng)兩者連接在一起時(shí)，形成一種密封永久的管接口。整個(gè)管材外表面光滑（使用前，在鋼插口管的外壁涂上一層潤(rùn)滑油或打蠟），在穿越土層時(shí)減少摩阻力，通過(guò)夾木墊圈緩沖兩管端之間的負(fù)荷，以減少局部擠壓所形成的壓力差。主頂液壓系統(tǒng)提供所需的推進(jìn)力來(lái)移動(dòng)頂管，頂管所需的推進(jìn)力均由這個(gè)系統(tǒng)提供。主頂液壓系統(tǒng)位于工作井的后方，當(dāng)一段頂管被安裝到導(dǎo)向軌上后來(lái)，油缸開(kāi)始工作，緩緩?fù)七M(jìn)，由位于地面的液壓動(dòng)力站提供動(dòng)力，加壓到油缸，使推進(jìn)速度與微型頂管機(jī)同步，推進(jìn)管與油缸的分壓環(huán)保證了油缸的頂力傳遞到頂管；同步，頂管的反作用力通過(guò)受壓板將頂管的反力作用于后背墻上。為了節(jié)省成本，盡量減小工作井的長(zhǎng)度和縮短管材的長(zhǎng)度，主頂液壓油缸系統(tǒng)采用短沖程的千斤頂，一次推進(jìn)長(zhǎng)度為0.0m～1.0m，采用短程千斤頂與可移位的頂鐵相結(jié)合，到達(dá)一種使頂推背有較小的推力和減少工作井的目的。推進(jìn)頂管需要一定的推進(jìn)力，這種推力取決于諸多原因（例如：管徑、土層、管道長(zhǎng)度等）。一般地質(zhì)（粘土）條件的狀況，可根據(jù)管道的外表面積來(lái)計(jì)算頂管的推力（也是摩阻力），當(dāng)頂管掘進(jìn)長(zhǎng)度增長(zhǎng)，管道與土層的摩阻力也會(huì)增長(zhǎng)，頂管的推力也隨之增大。施工過(guò)程中，盡量的減小推力。為了到達(dá)這樣的目的，我們?cè)诠懿耐獗谕繚?rùn)滑油，頂管過(guò)程中在管道內(nèi)向管道外側(cè)注觸變泥漿，使整個(gè)管道的外表面與土層之間形成一層起滑潤(rùn)作用的漿套。觸變泥漿通過(guò)預(yù)設(shè)在管壁上規(guī)定間距（一般狀況下，每4米預(yù)留2個(gè)注漿孔）的注漿孔注入于管材表面，通過(guò)這種措施可大大減少了摩阻力，提高頂管的頂進(jìn)長(zhǎng)度。施工過(guò)程中，如管道的摩阻力超過(guò)千斤頂頂力、管材自身的承受力、后背墻所能承受的推力極限等任何一種，管道仍未頂?shù)筋A(yù)設(shè)的井位時(shí)，我們可以采用增設(shè)一種（或者多種）中繼間的措施，通過(guò)中繼間提供額外的頂力來(lái)滿(mǎn)足整條管道所需的推力6.2.2技術(shù)措施1）頂管進(jìn)洞技術(shù)措施為了防止掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞時(shí)機(jī)頭下沉，可采用機(jī)頭固定或洞口處注漿加固的措施。①機(jī)頭進(jìn)洞時(shí)，將機(jī)頭與背面的五節(jié)管用拉桿連接起來(lái)，使之成為一種整體，并在導(dǎo)軌上用兩個(gè)手拉葫蘆間隔一米拉緊，從而使機(jī)頭沿著導(dǎo)軌方向順利頂進(jìn)。②對(duì)洞口進(jìn)行注漿，注漿完畢后，對(duì)洞口的磚縫處鉆洞做試驗(yàn)，檢查與否有水涌出，出現(xiàn)水涌，我們重新增長(zhǎng)注漿排數(shù)，直到不再出現(xiàn)水涌為此，這樣就保證了掘進(jìn)機(jī)頭順利進(jìn)洞。2）安裝洞門(mén)止水裝置頂進(jìn)前，為了防止洞口處的水土沿掘進(jìn)機(jī)頭外壁與洞門(mén)的間隙涌入工作井，在工作井內(nèi)洞口處安裝一道環(huán)形橡膠止水圈。在頂進(jìn)施工過(guò)程中又可防止減摩漿（觸變泥漿）從洞口流失，保證泥漿套的完整，以到達(dá)減小頂進(jìn)阻力的效果。3）管節(jié)運(yùn)送根據(jù)施工場(chǎng)地狀況，管節(jié)可由吊車(chē)（或龍門(mén)吊）卸到指定位置后，再由吊車(chē)（或龍門(mén)吊）將地面管節(jié)吊運(yùn)至井內(nèi)的軌道上。4）管節(jié)頂進(jìn)管節(jié)頂進(jìn)過(guò)程中，必須做好頂進(jìn)軸線偏差的控制和糾偏量的控制，不僅根據(jù)控制臺(tái)顯示屏激光點(diǎn)及時(shí)調(diào)整糾偏油缸，使其能持續(xù)控制在軸線范圍內(nèi)，并且還要對(duì)管道內(nèi)的軸線和標(biāo)高進(jìn)行檢測(cè)。5）頂管頂進(jìn)與地層形變控制頂管引起地層形變的重要原因有：掘進(jìn)機(jī)頭開(kāi)挖面引起的地層損失、機(jī)頭糾偏引起的地層損失、機(jī)頭背面管道外周空隙因注漿填充局限性引起的地面損失、管道在頂進(jìn)中與地層摩擦而引起的地層擾動(dòng)、管道接縫及中繼間滲漏而引起的地層損失等。因此在頂管施工中要根據(jù)不一樣土質(zhì)、覆土深度和地面沉降的狀況，配合測(cè)量報(bào)表的分析，及時(shí)調(diào)整泥水與土壓平衡值，同步規(guī)定坡度保持相對(duì)的平穩(wěn)，控制糾偏量（出現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)整，不能出現(xiàn)大偏差時(shí)才一次調(diào)整到位），減少對(duì)土體的擾動(dòng)。根據(jù)頂進(jìn)速度，控制排泥量和地層變形的信息數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)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)。6）頂管進(jìn)接受坑階段技術(shù)措施①頂管機(jī)出洞前洞口土體加固根據(jù)頂管進(jìn)展?fàn)顩r，為保證掘進(jìn)機(jī)能順利進(jìn)入接受坑，防止掘進(jìn)機(jī)出洞后水土沿工具管與井圈之間的建筑空隙涌入接受坑內(nèi)，保證井內(nèi)接頭能順利施工。在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭抵達(dá)接受坑前，可參照條的措施，對(duì)洞口土體進(jìn)行注漿加固，加固范圍洞口前5m范圍內(nèi)，洞口四面距管道外側(cè)2～3②掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)的復(fù)核測(cè)量掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入接受坑前的復(fù)核應(yīng)測(cè)量頂管機(jī)所處的方位，是確認(rèn)頂管狀態(tài)、評(píng)估掘進(jìn)機(jī)出洞時(shí)狀態(tài)和確定施工軸線及施工方案等的重要根據(jù)，使掘進(jìn)機(jī)在此階段的施工中一直按預(yù)定的方案實(shí)行，以良好的狀態(tài)、精確無(wú)誤地進(jìn)入接受坑內(nèi)。③鑿除磚墻掘進(jìn)機(jī)進(jìn)接受坑前，當(dāng)接受坑磚墻封門(mén)破壞后掘進(jìn)機(jī)頭應(yīng)迅速、持續(xù)頂進(jìn)管節(jié)，盡快縮短出洞時(shí)間。掘進(jìn)機(jī)整體出洞后應(yīng)盡快把機(jī)頭和混凝土管節(jié)分離，并把管節(jié)和接受井的接頭按設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行處理，減少水土流失。7）泥漿的排放及處理泥漿處理裝置將沉淀的泥漿通過(guò)排泄管排出至泥漿池，通過(guò)處理反復(fù)運(yùn)用。如管道鋪設(shè)所有完畢，直接將其排入廢漿池，然后由汽車(chē)運(yùn)至指定地點(diǎn)廢棄，保證生態(tài)環(huán)境保護(hù)衛(wèi)生。8）壓漿孔的處理頂管頂進(jìn)完畢后，對(duì)管節(jié)上的壓漿孔清洗潔凈，并用一般水泥、麻絮等材料對(duì)壓漿孔進(jìn)行封堵措施。9）頂管施工測(cè)量①測(cè)量及控制指標(biāo)為了保證頂進(jìn)軸線控制在設(shè)計(jì)軸線容許偏差范圍內(nèi)，在頂進(jìn)過(guò)程中親密注意激光點(diǎn)的偏向。軸線測(cè)量的控制系統(tǒng)設(shè)在工作井內(nèi)液壓主頂裝置中間。施工中需常常對(duì)控制臺(tái)進(jìn)行復(fù)測(cè)，以保證測(cè)量精度，控制臺(tái)基礎(chǔ)應(yīng)用混凝土澆筑在沉井底板上。按獨(dú)立坐標(biāo)系放樣后用測(cè)量控制臺(tái)使它精確地移動(dòng)至頂管軸線上，用它對(duì)的指揮頂管的施工方向。②施工頂管測(cè)量在后頂觀測(cè)臺(tái)架設(shè)一臺(tái)經(jīng)緯儀，通過(guò)后視測(cè)機(jī)頭的光靶及后標(biāo)點(diǎn)的水平角和豎直角各一測(cè)回，編排程序計(jì)算頂管的頭部及尾部的平面及高程。③注意問(wèn)題頂管施工初次放樣及頂進(jìn)尤為重要，此外由于頂管后靠頂進(jìn)中要產(chǎn)生變化，后臺(tái)的布置應(yīng)保持一直不變形、移位來(lái)保證頂管施工測(cè)量的對(duì)的性。7機(jī)具設(shè)備頂管機(jī)主機(jī)由驅(qū)動(dòng)裝置、糾偏裝置、切削刀盤(pán)和泥水倉(cāng)等構(gòu)成，詳細(xì)構(gòu)造如下圖。主機(jī)構(gòu)造圖頂管系統(tǒng)設(shè)備重要裝置包括操縱室和遙控臺(tái)，液壓裝置，后方主油泵，泥水循環(huán)裝置，激光定位裝置，減摩劑攪拌注入裝置，泥水處理裝置。輔助裝置包括起重機(jī)、發(fā)電機(jī)、卡車(chē)、電焊機(jī)等。附屬裝置包括基坑導(dǎo)軌等。8勞動(dòng)組織泥水平衡式機(jī)械頂管施工管理，應(yīng)設(shè)置如下人員：施工總負(fù)責(zé)1名、技術(shù)負(fù)責(zé)1名、機(jī)電管理員1名、機(jī)電操作員2名、質(zhì)量監(jiān)督員1名、資料員1名、材料員1名、后勤管理員1名、安全管理員1名、測(cè)量管理員1名。操作工人：實(shí)行三班制，每班8人。9質(zhì)量原則及檢查原則嚴(yán)格按照《市政排水管渠工程質(zhì)量檢查評(píng)估原則》CJJ3—90進(jìn)行施工。頂進(jìn)管段的施工質(zhì)量應(yīng)符合《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268-97原則第6.4.21條的規(guī)定（見(jiàn)下表）。頂管管道容許偏差（mm）6.4.21表項(xiàng)目容許偏差軸線位置50管道內(nèi)底高程D﹤1500＋30－40D≥1500＋40－50相鄰管間錯(cuò)口鋼管道≤2鋼筋混凝土管道15%壁厚且不不小于20對(duì)頂時(shí)兩端錯(cuò)口50注：D為管道內(nèi)徑（mm）。10安全措施嚴(yán)格遵守各項(xiàng)操作規(guī)程，精心組織施，以專(zhuān)檢和監(jiān)督方式為主，實(shí)行安全生產(chǎn)一票否決制。做好臨時(shí)用電和施工機(jī)械安全工作。根據(jù)施工特點(diǎn)編制安全操作的注意事項(xiàng)及詳細(xì)施工安全措施，并在項(xiàng)目編制安全獎(jiǎng)罰制度，每月或者每季度進(jìn)行安全評(píng)比。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境保護(hù)衛(wèi)生。頂管施工過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)10.4.110.4.210.4.310.4.410.4.511效益分析社會(huì)效益泥水平衡式機(jī)械頂管施工的實(shí)行有著巨大的社會(huì)意義，不僅能減少工程造價(jià)、縮短施工工期、防備安全，并且對(duì)大中都市雨污管網(wǎng)改造，改善都市水環(huán)境有著重要意義。該施工工藝先進(jìn)，為新型工藝，對(duì)都市的破壞綠化、道路破壞小。經(jīng)濟(jì)效