042.泥水平衡法顶管施工工艺的工程应用

2011年增刊（1）（4月）第29 卷 江苏省宜兴市地处江南，存在大面积水系，地下 水位较高，土质多为软土地基，且原地面下 4 m即有流 砂层出现，地下管道施工不宜采用传统的明开挖施工 方法。 宜兴市经济技术开发区基础设施 EPC-BT 工程 污水管网长度约 3 600 m，管径为 DN1000，管材为Ⅲ 级钢筋混凝土管，管节间采用 F 型橡胶圈接口，管道 埋深 5.2～8.5 m，采用泥水平衡法顶管施工。 本文结合 江苏省宜兴市经济技术开发区基础设施 EPC-BT工程 中雨、污水管道顶管施工实例，阐述了泥水平衡法顶 管施工方法及和常见问题的防治措施。 1 泥水平衡工艺原理[1] 1. 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。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。 1. 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，还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。 2 泥水平衡工艺特点 1）可在各种土质中应用； 2）可有效保持挖掘面的稳定，对管体周围的土体 扰动较小，施工中引起地面沉降较小； 3）施工时总推力较小，可长距离输送泥土，适宜 长距离顶管施工； 4）工作井施工安全； 5）泥水输送弃土的作业连续不间断，施工进度 较快。 3 工程实例 3. 1 水文地质 宜兴市位于长江下游，太湖西侧，属太湖流域冲 积平原的一部分。当地河流、沟塘较多，水源充足。土壤 含水量较高，地下水位较高，现况地面下 1.0 m 即有地 下水渗出。 宜兴地区地层属扬子地层东段南部，地质结构从 上到下分别为耕填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉 砂、粉质黏土夹粉土。 3. 2 泥水平衡法顶管施工 3. 2. 1 施工工艺 施工准备→场地平整→工作井（接收井）制作及 泥水平衡法顶管施工工艺的工程应用 刘冠哲，刘洪宇，曹国书 （北京建工路桥工程建设有限责任公司， 北京 100124） 摘 要：结合江苏省宜兴市经济技术开发区基础设施 EPC-BT 工程中雨、污水管道顶管施工实例，介绍了泥水平衡顶管 施工主要施工工艺，阐述了泥水平衡法顶管施工方法及常见施工问题的防治措施。 关键词：污水管；敷设；泥水平衡；顶管；应用 中图分类号： U 175.5 文献标志码： B 文章编号：1009－7767（2011）S1－0103－04 Engineering Application of Slurry Pipe Jacking Method Liu Guanzhe，Liu Hongyu，Cao Guoshu 隧道与地下工程 Tunnel & Underground Engineering 103 淘宝专业学术杂志店 http://xszz.taobao.com 2011S upplement（1）（Apr .）Vol.29 下沉→机头进工作井→入泥顶进→吊入管、接管→顶 进、 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 、测量、纠偏→竣工测量→机头进接收井、拆 吊→施工结束。 3. 2. 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 每隔 20 m 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。 3. 2. 3 工作井（接收井）制作及下沉 1）水泥旋喷桩施工。 由于该工程顶管工作井均位 于粉砂层；因此，需于工作井两侧布设 2 排水泥旋喷 桩幕墙阻水。 施工工艺流程：测量定位→钻机就位→ 高压钻孔→旋喷成桩→移至下一桩位。 ①先对场地进行平整，将钻机就位，按照测量放 样的旋喷桩桩中心进行对中，使钻杆垂直于地面。 ②旋喷桩采用的高压喷射注浆材料主要为 42.5R 水泥，水灰比为 1∶1.0～1.5，并根据需要可掺入速凝、 早强等外加剂，加入数量根据试验确定。 施工前对浆 液流量、喷浆压力、喷嘴提升速度等进行标定。成桩过 程中钻杆的旋转和提升必须连续不中断，拆卸钻杆续 喷时，注浆管搭接长度不得小于 100 mm。 高压喷射注 浆过程中出现异常情况时，应及时采取措施补救，排除 故障后复喷高度不得小于 500 mm。 ③钻孔下管。 钻孔的目的是将注浆管顺利置入预 定位置，下管过程中，需防止管外泥砂或管内水泥浆 块堵塞喷嘴。 ④高压喷射注浆作业。 高压射浆自下而上连续进 行，注意检查浆液初凝时间、注浆流量、压力、旋转和 提升速度等参数符合设计要求。 ⑤喷浆结束与拔管。 喷浆由下而上至设计高度 后，拔出喷浆管，喷浆即告结束。把浆液填入注浆孔中， 多余的清除掉，但需防止浆液凝固时产生收缩的影响， 拔管要及时，防止浆液凝固后不能拔出。 ⑥浆液冲洗。 喷浆结束后，立即清洗高压泵、输浆 管路、注浆管及喷头。该工程选用单管法旋喷注浆，即： 单独喷射高压水泥浆，使用 覫45 钢管为注浆管，喷射 流为水泥浆液，以 20 MPa 压力从喷嘴中喷出，直接冲 击切削土体，桩体设计直径 600 mm。 2）工作井（接收井）制作。 工作井采用圆形钢筋混凝 土结构，圆形工作井可使顶管施工中机械多方位顶进。 ①工作井制作前应先在设计位置挖好基坑，铺设 砂垫层，且分层洒水夯实，每层厚度 20～30 cm。基坑底 部四周设置排水沟及集水坑。 ②钢筋绑扎、模板支护。钢筋现场加工、现场绑扎。 内、外模板采用外加工定型钢模板，在现场拼装成型， 内涂高效脱模剂。模板拼装缝处加密封条防止漏浆。吊 车吊装就位时，垂直度用经纬仪检测，在墩柱模板 4个 方向分别设 2道（顶端、中端）钢丝绳拉锚，用吊链紧固。 ③混凝土采用分节浇筑。浇筑过程中，混凝土应保 持同步均匀上升，插入式振捣器振实，振捣时掌握快 插慢拔的原则，振捣间距控制在 30～50 cm 范围内，直 至混凝土停止下沉、不冒气泡、泛浆、表面平坦为止。 3）工作井（接收井）下沉。 ①工作井下沉。 采用分节浇筑一次下沉。 用吊车 吊抓斗挖掘井底中央部分的土，使之形成锅底。在砂或 砾石类土中，当锅底比刃脚低 1～1.5 m 时，沉井即可 靠自重下沉，而将刃脚下土挤向中央锅底，再从井孔 中继续抓土，沉井即可继续下沉。 在黏质土或密实土 中，刃脚下土不易向中央坍落，则应配以射水管冲土。 沉井由多个井孔组成时，每个井孔宜配备 1台抓斗。如 用 1 台抓斗抓土时，应对称逐孔轮流进行，使其均匀 下沉，各井孔内土面高差不宜大于 0.5 m。 ②排水封底。 将新老混凝土接触面冲刷干净或打 毛，对井底进行修整使之成锅底形，由刃脚向中心挖 放射形排水沟，并填以卵石做成滤水暗沟。 在中部设 2～3个集水井，深 1～2 m，井间用盲沟相互连通，插入 覫600～800 mm 四周带孔眼的钢管或混凝土管，外包 2 层尼龙窗纱，四周填以卵石，使井底的水流汇集在井 中，用潜水泵排出，保持地下水位低于基底面 0.5 m以下。 封底首先铺 1 层 200 mm 厚碎石或卵石层，然后 在其上浇 1 层厚约 0.5～1.5 m 的混凝土垫层，刃脚下 切实填严，振捣密实，以保证沉井的稳定。 混凝土达到 50 %设计强度后，在垫层上绑钢筋，两端伸入刃脚或 凹槽内，浇筑上层底板混凝土。混凝土采用自然养护， 养护期间应继续抽水。待底板混凝土强度达到 70 %并 经抗浮验算后，对集水井逐个停止抽水，逐个封堵。 封 堵方法是将滤水井中水抽干，在套管内迅速用干硬性 的高强度混凝土进行堵塞并捣实，然后上法兰盘用螺 栓拧紧或四周焊接封闭，上部用混凝土填实捣平。 3. 2. 4 施工机械 采用日本 ISEKI 公司生产的 UNCLEMOLE 型 TCZ 600具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机。 3. 2. 5 出土 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 泥土平衡式顶管出土采用全自动的泥水输送方 式，被挖掘的土通过在机舱内的搅拌和泥水形成泥浆， 隧道与地下工程 Tunnel & Underground Engineering 104 淘宝专业学术杂志店 http://xszz.taobao.com 2011年增刊（1）（4月）第29 卷 表 1 顶管动力配套设备 然后由泥浆泵抽出，高速排出。 在沉井上部砌泥浆池， 沉淀的余土外运至永久堆土点，不得污染沿途道路、 环境。 3. 2. 6 顶力计算[2] 计算理论推力 F（按管径为 1 000 mm计算）： F=F1+F2=274.1 t 式中：F为总推力；F1为迎面阻力；F2为顶进阻力。 3. 2. 7 出洞方案 为防出洞口及顶进过程中泥水压力过大涌入工 作井内，在洞口内预先安装一个单法兰穿墙钢套管，用 于安装橡胶止水圈及止水封板。由于顶进距离长，造成 管材表面及 F型钢套环、砂等对橡胶止水圈的磨损，需 经常更换橡胶圈。因此，需在洞口里侧增加 1道橡胶止 水圈，当需更换外部橡胶止水法兰时，洞口内部的橡 胶止水圈可防止地下水进入井内。 3. 2. 8 泥水系统的安装 泥浆池应尽量靠近工作井边，采取并联法可减少 排泥管路过长而产生的管路摩阻力。 沉石箱的配置可 沉淀块状物，防止块状物直接进入排泥泵引起排泥泵 堵塞和损坏。 注浆系统应尽量使用螺杆泵以减少脉动现象，浆 液应搅拌均匀，同时配置减压系统，在泵出口 1 m外及 机头注浆处各安装 1只隔膜式压力表。 3. 2. 9 顶进中的方向控制 由于 TCZ 机头本身具有方向诱导装置，操作员只 要通过纠偏动作，始终保证激光点位置正确即可。 3. 2. 10 管道接口质量控制[3] 接管前应检查管接头的承插口尺寸，橡胶圈和衬 垫板的外观和质地。 确认合格后可在接口处均匀涂抹 薄层硅油等对橡胶无侵蚀性的润滑材料以减小摩阻 力。承插接管时要保证与上节管的钢套环同轴度，且加 力均匀，应保证橡胶圈不移位，不反转，不露出管外。 顶管结束后，按设计要求在管内间隙处填充弹性密封 膏，并与管口抹成一个光滑的渐变面。密封圈的胶结应 在使用前 2 d完成，并检查其牢固性。 3. 2. 11 顶管动力配套设备（见表 1） 4 施工常见问题及防治措施 4. 1 管道轴线偏差过大 4. 1. 1 现象 管道轴线与设计轴线偏差过大，使管道发生弯曲， 甚至造成管节损坏，接口渗漏。 4. 1. 2 防治措施 1）建立严格的放样复核 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 ，并做好原始记录。 2）测量仪座应避免顶进时移位和变形，必须定时 复测并及时调整。 3）顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度应保 持在 10～20′不得大于 0.5 °，并设置偏差警戒线。 4）初始推进阶段，方向主要由主顶油缸控制；因 此，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调 整油缸编组和机头纠偏。 5）开始顶进前必须制定坡度 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，每 1 m、每 1 节 管的位置、标高需事先计算，确保顶进时正确。 4. 1. 3 治理方法 1）重新调整千斤顶行程、顶力、顶速，或重新调整 千斤顶的安装精度。 2）对顶管后背进行加固，防止位移继续发展，并 确保后背平整。 3）纠偏前应认真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 顶进曲线的发展趋势，采取 适当的纠偏量，循序渐进，不可操之过急。 4. 2 顶力突然增大 4. 2. 1 现象 顶进过程中顶进压力突然增大。 4. 2. 2 防治措施 1）顶进过程中严格执行勤测量、勤纠偏、小量纠的 操作要求，使管道轴线被控制在允许偏差范围之内。 2）按不同地质条件配制适宜的泥浆，并采取同步 注浆的方法，及时足量的注入泥浆。 3）顶进施工前应对施工设备进行认真保养维修。 4）停顶时间不能过久，发生故障及时排除。 4. 2. 3 治理方法 发生顶力过大的情况时，应立即停止顶进，查找 原因，判明情况后采取相应措施进行处理。 4. 3 地质变化大 地质发生很大的变化，突然间变硬或变软。 可以 通过刀盘的转矩来判断，如果突然变硬了则向土仓内 加入水或泥浆。如果太软，可把第 1至第 3节管子及工 具头连成一个整体，以增加管子的刚性，从而避免机 头突然沉陷。 （下转第 108页） 序号 设备名称 总功率/W 1 2 3 4 5 刀盘电动机 螺旋输送泵机 纠偏油泵电机 排水泵 电焊机 122 15.5 14 215 130 隧道与地下工程 Tunnel & Underground Engineering 105 淘宝专业学术杂志店 http://xszz.taobao.com 2011S upplement（1）（Apr .）Vol.29 （上接第 105页） 4. 4 异常偏差和纠偏失效[3] 顶管施工过程中，如果出现异常偏差或纠偏失效， 偏差超过允许范围时，立即停止施工，分析原因，问题 解决后再继续顶进，不可盲目行动。 操作人员应严格 遵守：无论何种情况下，当偏差超过允许偏差时一律 停止施工，如实汇报，以便分析原因，解决问题。 5 结语 1）泥水平衡法顶管施工安全、快捷，对地面及邻 近建筑物影响较小，大大减小了施工风险，提高了施 工效率。 2）该技术在国内软土地层市政管线施工中是一种 常见、成熟的施工工艺，在该地层中使用泥水平衡法 顶管施工，施工的安全性强，应提倡使用。 参考文献： [1] 王业荣. 泥水平衡法顶管施工在市政软基中的应用[J]. 西部 探矿工程，2008（1）：26-30. [2] 中国建筑科学研究院． GB 50007-2002 建筑地基基础设计规 范[S]． 北京：中国建筑工业出版社，2002． [3] 余彬泉，陈传灿. 顶管施工技术[M]. 北京：人民交通出版社： 15-30. 收稿日期： 2011－02－14 作者简介： 刘冠哲（1986-），男，满族，内蒙古通辽人，主要从事路桥工 程施工技术质量管理工作。 工作业，采取初支背后注浆、加快下台阶开挖、初支封 闭及二衬紧跟措施，监测数据显示围岩趋于稳定。 4 改进技术措施与效果 1）控制爆破 南村隧道围岩强度较低，节理裂隙发育，施工爆 破震动所产生的围岩变形不可忽视。监测结果显示，爆 破震动对距离开挖面 20～25 m 范围内的测点有较大 的影响。对于围岩情况较差地带，一次爆破进尺 1.5 m， 将产生大约 3～5 mm 甚至更大的附加变形，药量越大 产生的围岩松动现象越明显，离开挖面越远影响越小。 围岩情况较好地段，爆破震动影响很小。围岩较差段宜 采取短进尺以及“能挖不放炮，需放炮放小炮”的原 则，有效地控制爆破震动对围岩变形的影响。 2）控制步距 南村隧道按照设计要求，二衬与开挖面最大的步 距可为 68 m，但实际施工监控数据显示，围岩在此步 距下稳定较慢，变形发展速度较快。 在不影响机械作 业施工的情况下，施工中二衬与开挖面的步距控制在 45～50 m 范围内以及封闭成环与开挖面距离控制在 20～25 m 范围内，可有效的控制围岩变形。 监控数据 显示，在软弱破碎围岩中，及时封闭成环与二衬紧跟 可有效抑制围岩变形，确保施工安全[3]。 3）增设锁脚锚管 南村隧道围岩软弱，监控数据反映收敛在破碎带 发展速度较快，在上台阶左右两边锁脚锚管上部 1～ 1.5 m 部位，增打 覫50 mm×4 mm 长度为 4 m 的锁脚锚 管并与型钢拱架焊接成整体，可有效控制收敛变形。但 在软弱围岩含水量较大部位，增设锁脚锚管的作用效 果有所减弱。 4）增加垫块 南村隧道在开挖上台阶时，型钢拱架底部落在基 岩上，在软弱破碎围岩地带，对控制沉降极为不利。 施 工中采用锤击方式把强度较大的垫块安设在拱架的 两侧基脚处，监控结果显示该方法可有效的抑制围岩 沉降变形。 5）增打超前小导管 隧道在开挖过程中遇到破碎带时，开挖面拱顶部 位极易发生滑塌，给施工带来极大的安全隐患。在破碎 地带，施工中采取每榀增打 覫42 mm×3.5 mm，长度为 3.5 m的超前小导管，在局部极易滑塌部位小导管间距 由 45 cm加密为 30 cm。 实践效果显示，在破碎带增设 超前小导管与短进尺可有效的控制开挖面的滑塌。 5 结语 南村隧道采用台阶法施工，有利于大型机械的施 工作业，有利于加快初期支护的封闭成环，有利于控 制围岩的沉降收敛变形，在工程质量、安全和进度上 都取得了比较理想的效果。 本文针对南村隧道施工过 程中遇到的问题进行分析，并对所采取的措施进行总 结，希望能对其他类似工程起到借鉴的作用。 参考文献： [1] 关宝树 . 隧道工程施工要点集 [M]. 北京：人民交通出版社， 2003：1-8. [2] 关宝树 . 隧道工程设计要点集 [M]. 北京：人民交通出版社， 2003：304-319. [3] 王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论 [M]. 合肥：安徽教育出 版社，2004：35-49. 收稿日期： 2010-01-19 作者简介： 申国奎（1983-），男，安徽明光人，硕士，主要从事隧道施工 技术管理工作。 隧道与地下工程 Tunnel & Underground Engineering 108 淘宝专业学术杂志店 http://xszz.taobao.com