泥水平衡施工工法(市政道路,管道施工)

'泥水平衡施工工法1．前言现代化城市的发展离不开市政管道的建设，越来越多的深埋设管道、过路管道、穿越建筑物的管道、旧城市政改造工程采用顶管施工技术，以减少拆迁的工程量，减少施工对交通的影响，减少施工对周围居民、行人的影响。顶管工程施工一般是将整个顶管工程分成若干段进行，在最佳施工条件下，普通顶管法的一次顶进长度为100米左右。但是在城市干管施工中，或管线需要穿越大型建筑群或河道时，普通顶管法的一次顶进长度就不足以顶完全程。因此，需要完善长距离顶管技术。长距离泥水平衡顶管施工工法就是利用泥水平衡原理通过设置中继站、采取泥浆触变减阻等措施达到一次顶管顶进长度在200m以上。2．工法特点2.0.1泥水平衡顶管包括：泥水加压平衡式掘进机由主机、纠偏系统、进排泥系统、主顶系统和压浆系统组成。如下图所示：2.0.2长距离顶管管道与摩阻力随管道的长度成正比，顶进长度增加，必须加大顶力。当顶进长度达到一定距离时，顶力加大会使管体或后背损坏。长距离泥水平衡式顶管工艺就是通过润滑剂减阻和中继接力技术，减少顶进过程阻力，中继接力顶力，从而达到一次完成长距离顶管的技术。其特点有：1采取全封闭式顶进，可有效的保持挖掘面的稳定，对管道周围的土体扰动小，能很好的控制地面沉降；2与其它类型顶管相比，泥水平衡顶管施工的总推力较小，适宜较长距离顶管；3工作井内的作业环境好，顶管自动控制，管内不用人员作业，安全性高；4由于采用泥水管道输送弃土，不存在吊土，搬运土方等容易发生危险的作业；5由于泥水输送弃土的作业连续进行，故其施工速度快，能有效保证工期。 6污染小，噪音小，环保。采用泥水管道输送弃土，并经泥水处理系统处理后再进行弃土，环境污染小。7节约工时，提高工效。8施工工艺简单,标准化、程序化，便于施工控制和管理。9顶进长度一次可达200m以上。10泥水加压平衡工具管与其他工具管相比，具有平衡效果好，结构紧凑，技术先进，由于出土方式是用水力机械化连续出土，所以顶进速度快，对土质的适应性强。无论是粘性土还是砂性土，均能收到良好的效果。3．适用范围3.0.1与普通泥水平衡式工法相同，适用于：1．各种土壤条件：能适用于地下水压力高、非坚硬的的地层条件，如砂质土、粘土等；不适合强风化岩、花岗岩的土层。。2．管径：DN600~DN3000。3．适用管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管等常用顶管管材。4．工作原理4.0.1泥浆形成机理泥水平衡式顶管机中，刀盘与主轴之间有一个偏心距e，而中心刀、刀排、切削刀头与主轴是同心的。所以，假设刀头切削下来的强风化砂岩的颗粒较大，不会直接进入泥水仓，大颗粒的石块在破碎腔内被破碎成，比隔栅孔小的颗粒，才能通过隔栅进入泥水仓。这样，使排泥管不会被堵塞。利用水枪，将土层的强度降低，含水量增大，以利用旋转刀盘上的刀片将土层切割成为泥浆。4.0.2泥水平衡工作原理泥水平衡顶管机施工以泥水平衡原理为基本，通过改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度来控制排土量，使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内，从而达到开挖面的稳定。4.0.3触变泥浆减阻原理通过在管壁外压注触变泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力。4.0.4中继间接力顶进原理中继间接力顶进，也就是在管道中间设置中继环，分段克服摩擦阻力，从而解决顶力不足的问题。中继间的千斤顶组在高压油路的作用下，以其后管道为后座支承点，将其前段管道向前推进，采用这种方法，将管道分段逐次推进，从而实现长距离顶管。。4.0.5长距离制导通过激光导向，计算机指导纠偏施工，确保顶进线路与高程准确。5．工艺流程与操作要点5.1长距离泥水平衡式顶管工艺流程：5.1.1泥水平衡式顶管一般工艺流程： 5.1.2长距离泥水平衡顶管工艺流程如下图所示： 5.2施工方案编制泥水平衡顶管施工前应编制详细的施工组织设计，其中施工方案应包括如下内容：5.2.1施工依据、内容、范围5.2.2顶管设备的选择：重点是顶管机头选型及各类设备的规格、型号及数量5.2.3施工工艺：重点是顶进方法的选用和顶管段单元长度的确定，中继段的划分与减阻措施，方向控制方案。5.2.4施工工艺参数的计算：顶力计算、后背设计和洞口的封门设计，中继接力计算。5.2.5垂直运输和水平运输布置；重点是下管、挖土、运土或泥水排除的方法5.2.6工作井的设计和施工方法5.2.7设备安装调试的技术措施5.2.8施工过程控制的技术措施：包括减阻措施，控制地面隆起、沉降的措施，注浆加固措施5.2.9质量安全的技术措施 5.2.10应对突发事件的预案5.3平面布置5.3.1在工作井范围内实行全封闭隔离施工并布置以下必要的设施，地面指挥监测中心、办公室、仓库、配电间、冷作间等。布局要合理，环境整洁、卫生，并有专职人员进行管理。5.3.2现场布置采用8t汽吊，设备进场时，采用16t汽车吊车。5.3.3管道顶进时，起吊设备采用龙门行车，行车导轨与顶管中心线应平行铺设，并与管中心左右对称。5.3.4井内布置工作井井内布置主要是后靠背、导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯等。5.4工作井（接收井）制作工作井可采用沉井法施工，如遇地下水较丰富，在沉井施工前可设置双排搅拌桩止水帷幕。5.4.1工作井尺寸计算工作井宽：W=D+（2.4～3.2）mD：被顶进管子外径（m）工作井长：L=L1+L2+L3+L4+L5L1：管子顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，混凝土管一般取0.3mL2：每节管子的长度（m）L3：出土工作间隙，根据出土工具确定，一般为1.0～1.5mL4：千斤顶长度L5：后背所占工作井厚度5.4.2沉井下沉力计算式中G1：需加荷载Ks：1.15Tf:沉井井壁外侧的总磨擦阻力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）采取两次浇筑成型的方式制作，即刃脚混凝土浇震憾这到一定强度后，再浇筑上部混凝土井壁，每次浇筑均须连续施工，不留施工缝。1．做好钢模板设计计算，确保沉井筒体大体积混凝土施工安全。2．脚手架搭设、钢筋笼制作安装、模板安装均应符合规范要求，特别应注意对拉螺栓定位准确与沉井平面位置准确。3．沉井下沉必须保持垂直，可根据地质状况采取不排水挖土下沉、钻吸排土法下沉和带水下沉等方法。4．沉井排土地下沉中，应加强观测，如下沉困难，及时采取措施。5.5洞口密封止水5.5.1安装洞门止水装置出洞前，为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井，首先在管子顶进前方的坑内，浇注一道前止水墙，墙体可由级配较高的素混凝土构成，其宽度为2.0～5.0m，厚度约为0.3～0.5m，高度约为1.5～4.5m。然后再在前止水墙的预留孔内安装橡胶止水圈。洞口止水圈的构造是由混凝土前止水墙、预埋螺栓、钢压环及橡胶圈组成。在顶进施工过程中又可防止减摩泥浆从此处流失，保证泥浆套的完整，以达到减少顶进阻力的效果。5.5.2顶管出洞本工程顶管机出洞洞口外侧主要为砂质土、粘土，在封门拔除过程中土体易因其流塑性而发生坍方事故。应确保顶管快速、顺利出洞，防止洞口外侧土体涌入井内。5.6后靠墙在工作坑内，后坐墙是承受和传递全部顶力的基础，必须具有足够的强度和刚度，并有足够的安全度。后靠墙内配φ14@120双向钢筋,砼标号为C25,待砼强度达到设计强度的75%方可顶进。 后背墙的受力分析反力R应为总推力F的1.2～1.6倍，以确保安全。R=aB(γH2KP/2+2cH√KP+γhHKP)式中：R-总推力之反力（kn）α-系数（取1.5）B-后座墙的宽度（m）γ-土的容重（KN/m3）19KN/m3H-后座墙的高度（m）KP-被动土压系数为tg2（450+θ/2）（θ=400）c-土的内聚力（取200kPa）h-地面到后座墙顶部土体的高度（m）5.7顶力估算顶力计算是顶管的关键，依据我司研究的如计算式计算：F=F1十F2(5.7)式中F---总顶力Fl---迎面阻力F2---顶进摩阻力5.7.1迎面阻力计算F1＝P×π/4×D2(5.7.1-1)P＝Ko*γ*HoKo---静止土压力系数，一般取0.55Ho---地面至掘进机中心的厚度γ---土的湿重量，取1.9t/m3D---管外径5.7.2泥水压力核算P≥PW＋ΔP(5.7.2-1)式中： P-----表示泥水舱管道基准面泥浆压力；Pw----表示相对于管道基准面地下水压力；ΔP---表示泥水舱建立高于地下水压力，一般设为20KpaPw=γw×h(5.7.2-2)h----地下水位相对管底基准面水头高度粘土层中，由于基渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，在较短时间内，都不会产生不良状况，这时在顶进过程中应考虑以土压力作为基础。在较硬的粘土中，土层相对稳定，这时，即使采用清水而不用泥水，也不会造成挖掘面失稳现象。然而，在较软的粘土中，泥水压力大于其主动土压力，从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。但实际上，即使在静止土压力范围内，顶进停止时间过长，也会使挖掘面失稳，从而导致地面下陷。这时应适当提高泥水压力。5.7.3顶进摩阻力计算F2＝πD×f×L(5.7.3)式中：D—管外径；f一管外表面平均综合摩阻力，一般为5~12KPa，采用触变泥浆减阻时可以取为8KPa。L—顶距。5.8中继站设置估算中继站设置由总顶力决定，满足以下一个条件时应设置中继站：1．在总顶力大于主顶液压装置时；2．在总顶力管子允许的轴向力时；3．在总顶力大于以及沉井后座最大土抗力时。根据经验，在顶管管径D＜1000mm时，应着重考虑管子的允许轴向力；而在D≥1000mm时，则应着重考虑后座最大土抗力。5.8.1设定控制顶力F控根据主顶液压装置，中继间的最大推力，管子允许的轴向力以及沉井后座最大土抗力以后，可以确定控制顶力F控。5.8.2中继站分段确定按公式6－6，管道周边摩阻力F2=π×D×L×f根据经验，在1号中继环以前，可取f=1.2t/m2，在1号中继环以后，取f=0.6t/m2，2号中继环以后，取f=0.4t/m21．1＃中继环前长度L1＝（F控－F1）/(π×D×f)5.8.2-11．其余各段分段长度为：Ln＝F控/(π×D×f)5.8.2-25.8.3中继站的调整在实际施工过程，应根据顶进施工所获得的数据计算管节外壁和周围土体的摩阻力。并根据计算结果，结合以往的施工经验，对中继间的位置作了适当调整，以尽量减少中继间的投入，并能确保顶进的顺利进行。5.9触变泥浆减阻泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆，是由膨润土、CMC(粉末化学浆糊)、纯碱和水按一定比例配方组成。不同的土质，应采用不同的配方，才能满足不同的需要。触变泥浆配比，根据不同土质和某些特定的需要通过试验确定。触变泥浆可按如下标准设置：5.9.1浆液配比减阻泥浆采用触变泥浆，该浆液性能稳定，且有良好的触变性，又有一定的稠度（浆液配比见下表） 膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间，听取供应商的建议但都必须按照规范进行，使用前必须先进行试验。一般性能见下表：1．对砂性土，含水量高，渗透性强时，采用浆液的粘度要高，失水量要小，并对土层要起一定支承作用。顶管出洞后管节周围能迅速形成泥浆环套。2．对粘性土，采用的浆液相对要小些。5.9.2注浆管设置注浆主管采用Φ50mm钢管，从泥浆站直通机头，主管沿线每间隔9m，设一个三通连接注浆支管，每条支管采用Φ25mm橡胶管，沿顶管横断面弧形布置，支管上设3～4个三通，连接管壁上预留的注浆孔。顶管过程中，应专人控制、交替打开注浆孔阀门，不断地向管外壁注浆。机头尾端要紧随管道顶进同步压浆，后方各注浆点位必须跟踪补浆。5.9.3注浆控制：1．储浆池内的触变泥浆由地面上的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆总管，并到达连通各压浆孔的软管内，通过控制压浆孔球阀来控制压浆。2．注浆压力控制在0.5～1.0Mpa之间。3．注浆量可视具体顶进过程中摩阻力变化而采取勤注调整。4．在地面压浆泵的出口处，装置压力表，便于观察和调节、控制压浆的压力。5.9.4泥浆接力站设置在顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送。为此在管道内设置泥浆接力站，每隔200~300m设一站，解决了顶进时同步跟踪压浆和沿线补压浆的难点。5.9.5泥浆调整顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围的空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的4~5倍，但在施工中还要根据土质情况、顶进状况、地面沉降的要求等做适当的调整。5.9.6注浆流程图5.10正常顶进正常顶进工艺流程见下图。 5.11关键技术5.11.1测量及轴线控制1．机头配有主顶速度检测仪、顶管机本体倾斜仪等可对顶进速度、机头旋转、水平倾角自动进行测量，随时进行方向纠偏2．在顶进过程中，经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进1节混凝土管节测量1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。3．随着顶进距离的不断增长，轴线偏差测量需接站观测，从而产生接站误差。4．指示轴线在顶进工程中，必须利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致性。5．为了较好地解决测量用时问题，要尽可能减少测量接站数。5.11.2纠偏技术 工具管出洞后的轴线方向与姿态的正确与否，对以后管节的顶进将起关键的作用。实现管节按顶进设计轴线顶进，做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制是关键，要认真对待，及时调节工具管纠偏千斤顶和中继间千斤顶，使其能持续控制在轴线范围内。要严格按实际情况和操作规程进行，勤出报表、勤纠偏，每次纠偏角度不得大于0.22°。即严格控制工具管大幅度纠偏造成顶进困难、管节剪切破裂。5.11.3顶管顶进与地层形变控制技术1．顶管引起地层形变的主要因素有：1）工具管开挖面引起的地层损失，2）工具管纠偏引起的地层损失3）工具管后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面损失，管道在顶进中与地层摩擦而引起的地层扰动4）管道接缝及中继间渗漏而引起的地层损失。2．在顶管施工中可采取如下措施：1）及时调整土压平衡值根据不同土质、覆土深度和地面沉降的情况，配合测量报表的分析，及时调整土压平衡值，同时要求坡度保持相对的平稳，控制纠偏量，减少对土体的扰动。2）调整注浆压力和注浆量根据顶进速度，控制出土量和地层变形的信息数据，及时调整注浆压力和注浆量，从而将轴线和地层变形控制在最佳的状态。5.11.4顶管出洞阶段技术措施1．顶管机姿态的复核测量工具管进入接收井前需进行贯通测量复核，复核时应测量顶管机所处方位，用以确认顶管状态、评估工具管出洞时姿态，拟定工具管进洞的施工轴线，使工具管在此阶段的旌工中始终按预定的方案实施，以良好的姿态进洞，使其正确无误地进入接收井内。当工具管逐渐靠近洞口时，必须控制好顶进时的土压力，在工具管切口距接收井1～1.5m时，停止顶管顶进。并尽可能降低切口正面的土压力。2．顶管机出洞在接收井封门被破坏后工具管应迅速、连续顶进管节，尽快缩短工具管进洞时间。工具管整体进洞后应尽快把工具管和混凝土管节分离，并把管节和接收井的接头按设计要求进行处理，减少水土流失。5.11.5顶进过程中的应急措施1．地质发生很大的变化，突然间变硬或变软。这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，掘进机上设有加泥孔，其目的就是用来加泥的。如果太软，可把第一至第三节管子及工具头都联成了一个整体，以增加它们的刚性，从而可避免机头突然沉陷。2．在顶管施工过程中，如果出现异常的偏差或纠偏失效，必须在允许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。操作人员必须严格遵守这样一条规定：无论何种情况，超过允许偏差一律停下来，并且如实汇报情况，以便分析原因，找准对策。6．材料与设备6.1材料膨润土、CMC、纯碱、水等应符合国家现行标准。6.2顶管用管道依据计算的顶力进行管道厚度、接头等设计，并委托经验丰富、信誉好、质量佳的厂家生产管材。6.2.1顶管管材要求1．必须对运进现场管子进行严格质量检验，不合格的管子严禁用于顶管施工。2．顶管用混凝土管宜采用钢承口的接口形式，管材质量应符合下列要求：1）混凝土管节表面光洁、平整、无砂眼和气泡；接口尺寸符合规定； 2）钢套环尺寸符合设计规定，接口无疵点，焊接接缝平整，肋部与钢板平面垂直，且应按设计规定进行防腐处理。3）密封橡胶圈安装前保持清洁，无油污；4）混凝土管接口处加衬垫，防止管口受力不均而被顶坏。3．顶管用钢管时应符合下列规定：1）应根据设计要求进行钢管防腐绝缘，检验合格后，对绝缘防腐层采取保护措施。2）顶进钢管接口焊接后，接口处应补作防腐绝缘层及钢丝网水泥保护层，抹钢丝网水泥时，宜加速凝剂。3）采用钢丝网水泥保护层时，应焊制钢丝网水泥的保护肋板，顶进设备与管口接触部位应设特制护口边圈保护管壁。6.3机具设备6.4劳动力组织施工人员包括推进三个班轮转，每天保证顶管设备的正常运转，做到均衡施工。7．质量控制7.0.1长距离泥水平衡顶管施工质量应满足《给排水管道施工及验收规范》要求。1．接口必须密实、平顺、不脱落，密封材料完好、均匀。2．管内不得有泥土、石子、砂浆、砖块等杂物。3．管处壁与土体间的空隙，应填充处理完毕。 4．有严密性要求的管道应经闭水试验合格。5．顶管允许偏差如表4所示6．地面隆沉值在设计允许范围内。7．具体指标如下表所示：8．安全措施8.0.1高空作业应当满足《建筑施工高处作业安全技术规程》（JGJ80）。8.0.2特种作业人员应当持证上岗。8.0.3现场临时用电，应符合《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ46-2005)。顶管机及管道内照明用电应使用安全电压。8.0.4混凝土管吊运时，管下严禁站人。8.0.5龙门行车设计与安装应符合《龙门架及井架物料提升机安全技术规范》（JGJ88-92）9．环保措施9.0.1为防止泥浆流失污染环境，泥浆经泥水处理系统后及时外运。9.0.2泥水处理的方法可采用沉淀法。在场地允许的情况下可设置沉淀池处理。9.0.3对场地受限的区域，可由振动筛配合旋流器进行泥水处理。由振动筛把较粗的颗粒（1mm以上）的颗粒分离出来，然后由旋流器把较细的颗粒再分离出来。还可以将旋流器串联起来使用，串联个数视分离效果而定。9.0.4及时监测地面，调整工艺参数，防止地面隆起或沉陷。10．效益分析10.0.1该工法通过实现长距离顶管的目标，每段（每次）超过的顶管长度超过150米。10.0.2将顶管的工作井、接收井、顶管管材、减阻措施、降水措施、土体加固措施等所有顶管的施工成本进行核算。长距离顶管的成本比短距离顶管的平均成本降低了105元／米。10.0.3施工进度快，工期短，与短距离顶管相比，可节省工期15%。10.0.4分段长度长，可节省征地拆迁，减少对居民与周边道路交通影响。10.0.5该工法具有显著的经济效益和社会效益。11．应用实例1．工程实例如表11所示 XX区XX山河截污干管第二标段DN1600污水管道施工中应用本工法，一次顶进长度达322m。xx工业区xx大道至xx路顶管W12～W20段DN800污水管道施工，一次顶进长度达361m。以上工程项目均已竣工，质量验收合格。'