机械顶管施工工艺标准[王远峰]

'泥水平衡机械顶管施工工艺标准1.适用范围1.1本标准适用于穿越城市道路、高速公路、立交桥、铁路、河流及其他不宜进行大开挖施工地段的钢筋混凝土管、钢管的机械顶进施工。1.2适用于各种地质条件，不受地下水位限制。1.3穿越管道直径宜为Φ400mm—Φ3000mm。2.施工准备2.1材料准备2.1.1钢筋混凝土管（加强型）、钢管2.1.2滑动橡胶圈、膨润土、石蜡、油麻、石棉、密封胶2.1.3进排泥管(直径通常为110mm)2.1.4电缆（音频线、视频线、控制线、信号线、动力线）2.1.5钢筋、水泥、工字钢、方木、大板2.2机具设备2.2.1主要设备：2.2.1.1顶管机头、主顶油缸、主顶泵站、主顶后靠背、中继间2.2.1.2工具管、圆型顶铁、U型顶铁、主顶导轨2.2.1.3注润滑浆设备、洞口止水装置2.2.1.4进泥泵、排泥泵、启动柜、基坑旁通（泥水配流装置）、泥浆分离器、倒浆泵、调浆设备2.2.2辅助设备：2.2.2.1泥浆检测仪、流量检测计、密度检测计、激光经纬仪、全站仪、水准仪2.2.2.2电焊机、气焊设备、卷扬机、电动葫芦、通风设备、照明设备2.2.3主要机械：汽车吊、自卸汽车178- 2.2.4工具：手电钻、扳手、管钳、手推车、铁锹、塔尺、水平尺、钢尺、锤球、小线等。2.3技术准备2.3.1认真做好现场调查，详细了解地质资料及地下管线情况,确定施工方案。2.3.2完成测量交接桩，校测控制点、坐标点、水准点，进行拴桩、补桩等工作。2.3.3施工前向作业人员进行施工技术和安全交底。2.4作业条件2.4.1施工占地范围内拆迁到位，工作坑位置地下管线已采取改移或加固措施。2.4.2场地平整，临时道路畅通，临时用水、用电已安装完毕。2.4.3工作坑的地下水位低于坑底0.5m。2.4.4全部设备经过检查，并经试运转确认正常。3操作工艺3.1工艺流程3.2操作方法178- 3.2.1测量放线：使用全站仪或经纬仪放出工作坑开挖边线，用水准仪测出工作坑现况地面标高，并在工作坑附近测设施工水准点，计算开挖深度。3.2.2工作坑制作3.2.2.1工作坑坑底尺寸底宽B=D１+2S（3.2.2.1-1）底长L=L１+L2+L3+L4+L5（3.2.2.1-2）式中B—工作坑底宽（m）；L—工作坑底长(m)；S—管两侧操作宽度（m），一般为每侧1.2~1.6m；D1—管外径（m）；L1—管子顶进后，尾部压在导轨上的最小长度，通常取0.3~0.6m；L2—取管节和机头长度较大者(m)；L3—圆型顶铁厚度（m）；L4—主顶设备长度；L5—后背长度，约为0.85m。工作坑深度应符合下式：H=h1+h2+h3（3.2.2.1-3）式中：H—工作坑（接收坑）地面至坑底的深度（m）；h1—坑地面至管道外缘底部（m）；h2—管道外缘底部至导轨底面的高度（m）；h3—基础及垫层的厚度（m）。3.2.2.2工作坑支护1)根据开挖断面、挖深、土质条件、地下水状况及总顶力等进行施工设计，确定工作坑支撑形式。　178- 2)工作坑支护方式包括：钢板桩、沉井、地下连续墙、SMW工法、锚喷支护等。3)工作坑支护宜形成闭合式框架，矩形工作坑四角应设斜撑。4)工作坑采用锚喷混凝土护壁时，如有上层滞水，在面墙上每隔2-3m设一泄水管，管径50-70mm，长300-400mm。3.2.3底板制作、洞口加固及止水3.2.3.1底板制作1)工作坑开挖支护到设计标高后，底板混凝土浇筑前，用经纬仪将管道中线投测到槽底，根据中线精确测出预埋件位置，并用水准仪将高程引至边壁上，确定底板面标高。2)底板施工时安装导轨和测量基座的预埋件，底板厚度宜为200~300mm。3)底板四周设排水沟，集水坑设在角部。3.2.3.2洞口加固及止水墙1)洞口加固可选用高压旋喷技术、搅拌桩技术、注浆技术。2）采用钢板桩、SMW工法或锚喷混凝土支护时需在工作坑内设置止水墙，在坑壁、止水墙上预留洞口、安装止水装置；采用沉井、地下连续墙作支护时可直接在墙上预埋洞口钢套环，在机头出洞前安装止水装置。3)止水墙与工作坑同宽，紧贴工作坑壁，厚0.5m，高出管上顶1.0~1.5m，卧进底板下至少0.5m，采用C20混凝土浇筑。4)洞口尺寸比顶管机外径大0.15~0.2m。3.2.4后背墙制作3.2.4.1顶进工作坑后背墙为钢筋混凝土结构，宜与工作坑同宽，厚0.5m，高出管上顶1.5~2.0m，内置双层钢筋网片，卧进底板下至少0.7m，后背墙面与管道轴线垂直，宜采用C30混凝土浇筑。3.2.4.2当双向顶进时，止水墙的结构尺寸应满足后背墙的受力要求。3.2.4.3核算后背土受力状态，使土壁单位宽度内受力不大于土壤的总被动土压力。后背每米宽度上土壤的总被动土压力（kN/m）可按下式计算：178- (3.2.4.3-1)式中：P—总被动土压力；r—土壤的重度（kN/m3）；h—天然土壁后背的高度（m）；—土壤的内摩擦角（°）；C—土壤的粘聚力（kN/m2）；后背长度可采用公式3.2.4.3-2核算：(3.2.4.3-2)式中：L—后背不应扰动土体的长度(m)；P—主顶的最大顶力（kN）；B—后背受力宽度（m）；La—附加安全长度（m），砂土可取2；亚砂土可取1；粘土、亚粘土取0。3.2.4.4当工作坑后背不应扰动土体的长度不能满足时，应考虑地基加固或其它措施。3.2.5地面设备安装3.2.5.1掘进机操作柜宜安装在地面操作室内，当工作坑空间较大时掘进机操作柜也可放入坑内。3.2.5.2主顶泵站及其控制柜安装在地面上，当工作坑较深时主顶泵站也可放入坑内。3.2.5.3地面泥水输送系统需安装进泥泵、泥水分离器、泥浆存储罐（池）、泥浆调整（罐）池等。3.2.5.4管外注浆系统需安装搅拌机和注浆泵。3.2.5.5在工作坑施工时龙门架、竖向提升设备应及早安装。3.2.5.6空压机、通风设备在工作坑完成后及时安装。3.2.6工作坑内设备安装3.2.6.1导轨安装178- 1)根据管道直径选择不同型号的型钢作导轨、确定导轨间距，在导轨外侧焊加劲肋，导轨应直顺、平整。2)基础混凝土强度达到1.2MPa时,在基础预埋件上安装导轨，调整导轨标高，与预埋件焊接牢固。3)两根导轨的内距按下列公式3.2.6.1-1计算：(3.2.6.1-1）式中：A0—两导轨中距（mm）；A—两导轨上部的净距（mm）；a—导轨的上顶宽度（mm）；D—管外径（mm）；h—导轨高度（mm）；e—管外底距底板的距离（一般为20～30mm）。导轨安装3.2.6.1-13.2.6.2钢质后靠背安装1)起均压作用的钢质后靠背与导轨焊接为一体，焊接时保证与导轨轴线垂直。2)钢质后靠背与混凝土后背墙紧贴。178- 3.2.6.3主顶油缸安装采用等推力双级主顶油缸，主顶油缸根据所顶管径和顶进长度组合而成，宜安装在油缸架上，对称布置在顶进轴线两侧。3.2.6.4排泥泵和基坑旁通安装排泥泵安装与底板平行，与基坑旁通之间预留足够的维修空间。3.2.6.5掘进机安装用吊车将掘进机吊入工作坑内，在导轨上就位，机头刀盘应距锚喷墙洞口1m左右，放置平稳后复测导轨标高，高程误差不超过5mm，调整后连接动力系统、进排泥系统和操作控制系统。3.2.6.6测量仪器安装1)在工作坑内钢质后靠背前管道中心线上安置激光经纬仪，以便在顶进过程中随时监测。2)仪器底座四周应与工作坑底板分离，在底座上安装仪器防护罩。3.2.7设备试运行对全部设备进行检查并经过试运转合格方可顶进。3.2.8输送泥浆制备、管理3.2.8.1根据土质情况、顶进长度、顶进管径制作输送泥浆，通过泥浆添加剂的掺量调整泥浆的黏度和密度等。3.2.8.2土质条件好、短距离小口径顶管时，可用清水代替泥浆。3.2.8.3根据顶进土质变化情况随时调整泥浆配比、流量、流速、压力及相对密度。3.2.8.4泥水分离根据土的类别采用不同的方法，通常采用沉淀池、振动筛与旋流器结合的泥水分离器和离心式泥水分离器进行泥水分离。3.2.9机头出洞3.2.9.1凿开洞口，在洞口内设置小导轨，小导轨伸进洞内500~1000mm，其中心轴线及高程与工作坑内导轨一致。3.2.9.2橡胶止水环安装178- 在止水钢套环法兰上安装橡胶止水环，一般用螺栓连接，螺栓采用ф16~ф20间距150㎜，橡胶板厚不宜小于10㎜，环的内直径应小于管子外径。3.2.9.3机头就位：联机试运转正常后，启动主顶油缸将机头慢慢推入洞口小导轨上，直至刀盘与土体接触。3.2.9.4根据施工实际情况安装防转装置和止退装置。3.2.9.5启动泥水输送系统各设备，依次进行基坑旁通循环、泥水舱循环，使流量、压力达到设计值。3.2.9.6按下刀盘控制按钮，使刀盘旋转切屑土体。3.2.9.7启动主顶泵站电机，使主顶油缸活塞伸出，这时刀盘扭矩增大，根据刀盘扭矩的大小调整主顶泵站溢流阀，同时调整泥水系统进排泥泵的转速，使机头刀盘驱动电机的电流控制在额定范围内。3.2.10初始顶进3.2.10.1当机头顶入洞内，尾部外露300mm左右时，将工具管吊至导轨上与机头连接，为防止机头下倾，根据管径不同至少采用4根M30的螺栓将工具管与机头连接，顶进两节管后必须拆除连接。3.2.10.2顶进开始时，应控制主顶泵的供油量，待后背、顶铁、油缸各部位接触密合后，加大油量正常顶进。3.2.10.3顶进过程中若发现油路压力突然增高，应停止供油，查明原因及时处理后，方可继续顶进。回镐时速度不得过快。3.2.10.4进排泥管连接宜采用卡箍式，安装在顶进管内底部的两侧，进、排泥泵附近及续接管处用软管连接。3.2.10.5初始顶进时，加大监测次数，当机头超过允许偏差（轴线位置±3mm、高程0～＋3mm）时，必须采取纠偏措施。3.2.10.6根据土质和地下水情况，顶进一段后可拆除止退装置、防转装置。3.2.11续接顶进178- 3.2.11.1当工具管顶入洞内，尾部外露300mm时，将第一节管吊到导轨上，检查管子的中心、前端和后端的管底高程，合格后与掘进机头(或工具管)准备插接。3.2.11.2续接管前将“O”型橡胶圈套到插口上，抹好硅油，将橡胶圈推到位，插接过程中保证钢套环的同轴度，续接管与前管的承口插接好后，橡胶圈不得露出管外。3.2.11.3续接管完成后，重新接好管内进排泥管、机头电缆，启动泥水系统的设备，使泥水先进行基坑循环，调节进排泥压力，使之高于泥水舱压力0.02MPa后再进行泥水舱循环。每顶进1米测量一次，记录相关数据。将管顶到位，续接下一根管。3.2.11.4随着顶进管道里程的增加，泥水系统的输送阻力增大，使机头进泥流量、压力减小，应及时调整管路中流量与压力，使泥水压力满足顶进要求。必要时应增加接力进、排泥泵。3.2.11.5顶进应连续进行，中途不宜停止作业。在顶进过程中遇到下列情况时，应查明原因，及时采取措施，处理好后,再继续顶进。1)管位偏差过大或校正无效2)地面沉降或隆起3)顶力突然增大4)后背倾斜或严重变形5)顶铁扭曲变形6)管口出现裂缝、破碎、漏浆7)油泵、油路出现异常3.2.11.6当采用中继间时，应符合下列规定：1)中继间千斤顶的数量应根据该段单元长度的计算顶力确定，并应有安全储备；2)中继间的外壳在伸缩时，滑动部分应具有止水功能；3)中继间安装前应检查各部件，确认正常后方可安装；安装完毕应通过试运转检验合格后方可使用；4)中继间的启动和拆除应由前向后依次进行；178- 5)拆除中继间时，应有对接接头措施；中继间外壳若不拆除时，应在安装前进行防腐处理。3.2.11.7顶管相关理论计算有多种计算方法，常用以下计算方法：1)管口承载力验算Nmax=［σ］×As（3.2.11.7-1）式中：Nmax——管口最大轴心压力（kN）［σ］——管的轴心设计受压强度（kN/m2）As——管口受压面积（m2）2)总顶力计算F=F0+πBcτaL（3.2.11.7-2）式中：F——总顶力（kN）F0——初始顶力（kN）Bc——管外径（m）τa——管子与土之间的剪切应力（kN/m2）L——顶进长度（m）F0=（pe+pw+Δp）×0.25×π×Bc2式中：pe———挖掘面前土压力（pe=150kN/m2）pw———地下水压力（kPa）Δp———附加压力（一般为20kPa）τa=C΄+σ΄μ΄式中：C΄——管子与土之间的粘着力（kPa）σ΄——管子法向土压力（kPa）μ΄——管与土的摩擦系数μ’=tg（φ/2）σ΄=αq+2W/［π×2（Bc－t）］178- 式中：α——管子法向土压力取值范围q——管子顶上的垂直均布载荷（kPa）W——每米管子的重力（kN/m2）t——管壁厚度（m）q=We+p式中：We——管顶上方土的垂直垂直载荷（kPa）p——地面的动载荷（kPa）We=（γ-2c/Be）Ce式中：γ——土的容重（kN/m3）c——土的内聚力（kPa）Be——管顶土的扰动宽度（m）Ce——土的太沙基载荷系数Ce=［1－e－（2Kμ/BeH）］/2Kμ/Be式中：K——土的太沙基侧向土压系数（K=1）μ——土的摩檫系数（μ=tgφ=tg30°）H——管顶以上覆土深度（m）　　Be=（Bc+0.1）［1+sin（45°-φ/2）］/cos（45°-φ/2）3.2.12测量与纠偏3.2.12.1工作坑内的测量方向控制点、高程点应设在不易扰动、通视的边壁上。3.2.12.2工具管起导向作用，要求质量高，在顶进过程中需加强观测。每顶进300mm～400mm测量一次，顶进第一节时，每200mm左右观测一次，正常顶进时，每顶进1m，观测一次。3.2.12.3每顶进50～60m需对整个管段接口处进行中线和高程复测。178- 3.2.12.4纠偏时，及时调节刀盘旋转方向，消除小转角，调节机头纠偏油缸伸缩量，做到“勤纠、缓纠、慢纠”，顶进过程中及时绘制中线、高程及顶力曲线，以利指导顶进纠偏工作。3.2.13注润滑泥浆3.2.13.1顶进过程中，通过管节预留孔向管外注润滑泥浆，以减少摩擦阻力。3.2.13.2注浆泵选择脉动小的螺杆泵，流量与顶进速度相匹配。输浆管宜用钢管或高压胶管，布设至注浆孔，加装注浆分闸门。3.2.13.3注浆孔数量根据管径确定，每节管宜为3～6个，均匀布置，其布置要有利于浆套的形成。3.2.13.4在每个注浆孔中安装一个单向阀，避免管外浆液倒灌而堵塞注浆孔，影响注浆效果。3.2.13.5注浆压力从0.1Mpa开始加压，注浆量、压力等参数确定应按减阻效果及不使地面变形为原则。3.2.13.6注浆应从顶管前端进行，待顶进数节后，再由后端向中间进行补浆。以同步注浆为主，补浆为辅。3.2.13.7当顶管线路过长时，每隔400m增设压浆泵进行注浆。3.2.13.8注浆设备和管路要可靠，具有足够的耐压和良好的密封性能。3.2.14顶进管内通风及照明3.2.14.1及时监测管内氧气含量，如小于相关标准，需在管内连接2寸通风管将空气输送至机头后。3.2.14.2管内通风有利于改善空气湿度、密度，保证测量的精度。3.2.14.3管内照明每10个灯选用一个照明变压器，照明变压器固定牢固。3.2.15机头进洞3.2.15.1机头距接收坑40米时须进行已顶管线全线联测，机头距接收坑10m时，安装接收坑进洞止水装置、接收导轨及向坑外排水系统。3.2.15.2机头进洞时加强通信联系，操作可靠，顶进迅速。3.2.15.3机头进入洞区后，破碎洞口内素混凝土，调节止水装置，启动排水系统。178- 3.2.15.4将机头顶到接收坑内的接收导轨上。3.2.16设备拆除及洞口处理3.2.16.1设备拆除，一般管内管外同时进行。3.2.16.2接收坑洞口采用注浆止水，在接收坑外壁的顶进管内钻4~6个孔均匀布于管的圆周，在每个孔内安装注浆接头及球阀，接通注浆机，将混合浆液分次注入孔内，直至每个孔无水渗出，方能拆除洞口止水设施。3.2.16.3浆液重量配比——水：水泥：水玻璃宜选1：1：0.15。3.2.17接缝处理顶管结束后按设计要求在管内接缝处填充弹性密封膏。3.2.18润滑泥浆置换可采用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆置换润滑泥浆，填充管外空隙，防止地面沉降。3.3季节性施工3.3.1雨期施工3.3.2.1工作坑应搭设防雨蓬，工作坑内设集水坑，防止雨水进入管道内。3.3.2.2在工作坑四周设临时围堰，采取有效排水设施，防止雨水流入工作坑内。3.3.3冬期施工3.3.3.1为防止泥浆冻结，进入冬季要在坑内增加排水设施，确保施工坑内排水通畅。3.3.3.2在泥浆池及露天设备上部搭设遮风棚，并用草帘覆盖。特别防止电动葫芦及各种泵、输送泥浆的管路受冻。3.3.3.3在泥浆中添加食用盐等防冻剂。4质量标准4.1基本要求4.1.1工作坑应质量检查4.1.1.1工作坑支护牢固，形成封闭式框架。4.1.1.2两根导轨应直顺、平行、等高、安装牢固，其纵坡与管道设计一致。178- 4.1.1.3后背墙壁面与管道顶进方向应垂直。4.1.2管道质量检查4.1.2.1管材的品种、规格、外观质量、强度等级必须符合设计要求，并具有出厂合格证及试验报告单。滑动橡胶圈应符合设计要求，具有出厂合格证。水泥、膨润土应有产品合格证和出厂检验报告，进场后应取样试验合格。4.1.2.2接口必须密实、平顺、内侧表面齐平，滑动橡胶圈中心应对正管缝、不脱落，填塞物应密实。4.1.2.3管内不得有泥土、石子、砂浆、砖块、木块等杂物。4.1.2.4顶铁与导轨、管口、顶铁之间的接触面不得有泥土、油污。4.2实测项目允许偏差4.2.1顶管工作坑及设备允许偏差见表4.2.1顶管工作坑及设备允许偏差表4.2.1项目规定值或允许偏差（mm）检验频率检验方法范围点数工作坑每侧宽度、长度不小于设计规定每座2用尺量后背垂直度0.1%H每座1用垂线与角尺量水平与中心线偏差0.1%L1导轨坡度0.1%L每座1用水平仪测中心位移左3以内；右3以内1用经纬仪测注：1表内H为后背的垂直高度（单位：m）；L为后背的水平长度（单位：m）。4.2.2顶管允许偏差见表4.2.2顶管允许偏差表4.2.2项目允许偏差（mm ）检验频率检验方法国家标准企业标准D＜1500≤30≤30范围1用经纬仪测量178- 中线位移D≥1500≤50≤50每节管管内底高程D＜1500+30-40+10-20每节管1用水准仪测量D≥1500+40-50+20-30每节管1用水准仪测量相邻管间错口D＜1500≤10≤10每个接口1用尺量D≥1500≤20≤20注：1、管内底高程如管径＜1500mm的最大超差超过100mm；管径≥1500mm的最大超差超过150mm时，均应返工重做；2、表内D为管径（mm ）。5成品保护5.1施工过程中保护好现况管线。5.2现场运输、存放和施工过程中严禁磕碰管口，防止管口破损。5.3同一顶坑向相反方向顶进时，先顶距离长管段，后顶距离短管段，用顶完管段做后背时，应在管端加护铁，保护管口。5.4控制注浆压力，以免破坏管道。6应注意的质量问题6.1在顶进过程中及时调节顶进速度、进排泥泵转速使顶力控制在额定范围内。6.2对管道中线、高程监测控制点定期复测，每周不少于两次。6.3顶进过程中对管线高程及中线及时复测，复测前，确保测量仪器对中及前视方向正确。6.4为防止管端破损，顶管纠偏应在顶进过程小角度逐渐纠偏。6.5为防止管接口渗漏，在吊装过程中应采用专用吊具，严禁用钢丝绳直接套入管口吊运，以防损坏管口及钢套环。6.6为防止管节飘移，在软土层中顶管时，可将前3~5节管与工具管连成一体。6.7为防止地面沉降，顶进中要严格控制进排泥管内泥浆的压力，顶进完成后对管道周围及时注浆加固。178- 7质量记录7.1钢筋混凝土管材出厂合格证及检测报告7.2材料出厂合格证和部分材料的取样复试报告单7.3工程定位测量记录和测量复核记录7.4钎探施工记录7.5隐蔽工程检查记录7.6管道顶进施工记录7.7注浆检查记录7.8单位工程质量评定表7.9分部工程质量评定表7.10工序质量评定表8安全、环保措施8.1安全措施8.1.1工作坑四周及工作平台孔口必须安装安全护栏，要设置牢固、安全的钢质爬梯方便工作人员上下工作坑。8.1.2垂直起重运输设备安装前，必须对卷扬机、电动葫芦、手动葫芦等起重设备进行全面检查，设备完好，方可安装，安装后必须进行试吊，吊离地面100mm左右时，检查重物、设备安全后，方可进行吊装作业。8.1.3起重设备必须由专人检验、安装，操作人员必须持证上岗并遵守安全操作规程。8.1.4总电源箱必须安装漏电保护装置，工作坑内一律使用36V以下的照明设备。8.1.5顶进时，顶铁上方及侧面不得站人，并应随时观察有无异常迹象，以防崩铁。8.1.6工作坑支护要有专项施工安全技术方案。8.2环保措施8.2.1施工期间产生的污油、污水、废液等应设置专用回收装置，在油压系统下应设隔油层，以免造成污染。178- 8.2.2采取降噪措施使机械噪声量控制在允许范围之内，防止噪声扰民。8.2.3存储触变泥浆容器的下部需垫砂子，以防渗漏泥浆污染土地。在泥浆配制过程中，优先选用有效、无害的添加剂，减少泥浆中有害成分对土壤的污染。8.2.4采用密闭式车辆运土，在现场出入口处设立清洗设备，对出场车辆进行冲洗，不准带泥上路，以防污染公共道路及扬尘。178-'