泥水平衡式機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:中國建筑第五工程局有限企業(yè)工法編號: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)進程，在環(huán)境整改、處理供水、供電等問題作設(shè)施配套建設(shè)時，開槽埋管會導(dǎo)致使市區(qū)繁華的街道、都市主干道、高等級公路上新的樓房被拆除，車輛被限速繞道通行，深度開挖引起了周圍構(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。在平常所見的頂管措施一般有：1、人工挖掘式頂管法；2、多刀盤土壓平衡式機械頂管法；3、泥水平衡式機械頂管法。第一種措施施工頂管距離短、工期長、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，彌補了它們的局限性。泥水平衡式機械頂管施工最大的長處是：（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，對所頂管子周圍的土體擾動比較小，引起地面的沉降比較小。（3）與其他類型的機種相比，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，沒有搬運土方及吊土等較易發(fā)生危險的作業(yè)?？梢栽诙喾N環(huán)境下作業(yè)。且挖掘面穩(wěn)定，不會導(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速度，最合適于長距離頂管。2特點泥水平衡式機械頂管施工的四大功能：頂管機頂進、破碎處理一體化，無需任何輔助工藝；機內(nèi)旁通裝置原則化，大大縮短安裝時間和防止泥水管道的阻塞；激光反射型方向誘導(dǎo)裝置能使操作簡樸而精確；合用土層范圍廣、頂管距離長。對水質(zhì)量規(guī)定低，泥水通過泥水分離后可循環(huán)使用。水拌和泥土通過輸送管道排入凈化池，整個管道保持干燥，施工檢查以便。管頭采用機械掘進，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械頂管是一種專業(yè)的非開挖施工技術(shù)，它重要是將具有一定量粘土的且具有一定相對密度的泥漿水充斥掘進機的泥水艙，并對它施加一定的壓力，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機頭推入洞口的止水圈，穿過土層往接受井的方向，電動機提供能量，轉(zhuǎn)動切削刀盤，通過切削刀盤進入土層，最終掘進機和工具管被推到接受井內(nèi)吊起，同步把緊隨掘進機和工具管后的管道埋設(shè)在兩坑之間，設(shè)計管道鋪設(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)計及開挖頂管設(shè)備安裝頂管施工泥土運送接受坑機械設(shè)備清理隱蔽工程驗收整個工程驗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)和頂管掘進機安裝到導(dǎo)軌上，準(zhǔn)備掘進。掘進開始，微型掘進機被主頂油缸向前推進，掘進機頭進入工作井預(yù)留洞口的止水圈，嚴(yán)格按照在設(shè)計圖紙線路（軸線和標(biāo)高符合設(shè)計規(guī)范規(guī)定）穿過土層抵達接受井。在穿過土層時，電動機提供能量轉(zhuǎn)動切削刀盤，通過切削刀盤進入土層。挖掘的土質(zhì)、石塊等在轉(zhuǎn)動的切削刀盤內(nèi)被粉碎，然后進入泥水艙與泥漿混合，最終通過泥漿系統(tǒng)的排泥管由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過程中，運用平衡原理，采用復(fù)雜的土壓平衡裝置來維持水土平衡，以至一直處在積極與被動土壓之間，到達消除地面沉降和隆起的效果。掘進機完全進入土層后來，電纜、泥漿管被拆除，吊下第一節(jié)頂進管，它被推到掘進機的尾套處，電纜、泥漿管被連接，液壓系統(tǒng)重新開始工作，管道頂進后來，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，這個過程不停反復(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。掘進過程中，采用先進的激光導(dǎo)向控制系統(tǒng)來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，對準(zhǔn)掘進機內(nèi)的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到機內(nèi)攝像機的影像內(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)需要啟動位于掘進機內(nèi)置式油缸進行伸縮，調(diào)整切削部分頭部上下左右高度，到達糾偏的目的。在整個掘進過程中，甚至可以獲得控制整個管道水平、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，形成一種密封永久的管接口。整個管材外表面光滑（使用前，在鋼插口管的外壁涂上一層潤滑油或打蠟），在穿越土層時減少摩阻力，通過夾木墊圈緩沖兩管端之間的負荷，以減少局部擠壓所形成的壓力差。主頂液壓系統(tǒng)提供所需的推進力來移動頂管，頂管所需的推進力均由這個系統(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，油缸開始工作，緩緩?fù)七M，由位于地面的液壓動力站提供動力，加壓到油缸，使推進速度與微型頂管機同步，推進管與油缸的分壓環(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度和縮短管材的長度，主頂液壓油缸系統(tǒng)采用短沖程的千斤頂，一次推進長度為0.0m～1.0m，采用短程千斤頂與可移位的頂鐵相結(jié)合，到達一種使頂推背有較小的推力和減少工作井的目的。推進頂管需要一定的推進力，這種推力取決于諸多原因（例如：管徑、土層、管道長度等）。一般地質(zhì)（粘土）條件的狀況，可根據(jù)管道的外表面積來計算頂管的推力（也是摩阻力），當(dāng)頂管掘進長度增長，管道與土層的摩阻力也會增長，頂管的推力也隨之增大。施工過程中，盡量的減小推力。為了到達這樣的目的，我們在管材外壁涂潤滑油，頂管過程中在管道內(nèi)向管道外側(cè)注觸變泥漿，使整個管道的外表面與土層之間形成一層起滑潤作用的漿套。觸變泥漿通過預(yù)設(shè)在管壁上規(guī)定間距（一般狀況下，每4米預(yù)留2個注漿孔）的注漿孔注入于管材表面，通過這種措施可大大減少了摩阻力，提高頂管的頂進長度。施工過程中，如管道的摩阻力超過千斤頂頂力、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，我們可以采用增設(shè)一種（或者多種）中繼間的措施，通過中繼間提供額外的頂力來滿足整條管道所需的推力6.2.2技術(shù)措施1）頂管進洞技術(shù)措施為了防止掘進機進洞時機頭下沉，可采用機頭固定或洞口處注漿加固的措施。①機頭進洞時，將機頭與背面的五節(jié)管用拉桿連接起來，使之成為一種整體，并在導(dǎo)軌上用兩個手拉葫蘆間隔一米拉緊，從而使機頭沿著導(dǎo)軌方向順利頂進。②對洞口進行注漿，注漿完畢后，對洞口的磚縫處鉆洞做試驗，檢查與否有水涌出，出現(xiàn)水涌，我們重新增長注漿排數(shù)，直到不再出現(xiàn)水涌為此，這樣就保證了掘進機頭順利進洞。2）安裝洞門止水裝置頂進前，為了防止洞口處的水土沿掘進機頭外壁與洞門的間隙涌入工作井，在工作井內(nèi)洞口處安裝一道環(huán)形橡膠止水圈。在頂進施工過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，以到達減小頂進阻力的效果。3）管節(jié)運送根據(jù)施工場地狀況，管節(jié)可由吊車（或龍門吊）卸到指定位置后，再由吊車（或龍門吊）將地面管節(jié)吊運至井內(nèi)的軌道上。4）管節(jié)頂進管節(jié)頂進過程中，必須做好頂進軸線偏差的控制和糾偏量的控制，不僅根據(jù)控制臺顯示屏激光點及時調(diào)整糾偏油缸，使其能持續(xù)控制在軸線范圍內(nèi)，并且還要對管道內(nèi)的軸線和標(biāo)高進行檢測。5）頂管頂進與地層形變控制頂管引起地層形變的重要原因有：掘進機頭開挖面引起的地層損失、機頭糾偏引起的地層損失、機頭背面管道外周空隙因注漿填充局限性引起的地面損失、管道在頂進中與地層摩擦而引起的地層擾動、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，配合測量報表的分析，及時調(diào)整泥水與土壓平衡值，同步規(guī)定坡度保持相對的平穩(wěn)，控制糾偏量（出現(xiàn)偏差及時調(diào)整，不能出現(xiàn)大偏差時才一次調(diào)整到位），減少對土體的擾動。根據(jù)頂進速度，控制排泥量和地層變形的信息數(shù)據(jù)，及時調(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）頂管進接受坑階段技術(shù)措施①頂管機出洞前洞口土體加固根據(jù)頂管進展?fàn)顩r，為保證掘進機能順利進入接受坑，防止掘進機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。在掘進機機頭抵達接受坑前，可參照條的措施，對洞口土體進行注漿加固，加固范圍洞口前5m范圍內(nèi)，洞口四面距管道外側(cè)2～3②掘進機狀態(tài)的復(fù)核測量掘進機進入接受坑前的復(fù)核應(yīng)測量頂管機所處的方位，是確認頂管狀態(tài)、評估掘進機出洞時狀態(tài)和確定施工軸線及施工方案等的重要根據(jù)，使掘進機在此階段的施工中一直按預(yù)定的方案實行，以良好的狀態(tài)、精確無誤地進入接受坑內(nèi)。③鑿除磚墻掘進機進接受坑前，當(dāng)接受坑磚墻封門破壞后掘進機頭應(yīng)迅速、持續(xù)頂進管節(jié)，盡快縮短出洞時間。掘進機整體出洞后應(yīng)盡快把機頭和混凝土管節(jié)分離，并把管節(jié)和接受井的接頭按設(shè)計規(guī)定進行處理，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排泄管排出至泥漿池，通過處理反復(fù)運用。如管道鋪設(shè)所有完畢，直接將其排入廢漿池，然后由汽車運至指定地點廢棄，保證生態(tài)環(huán)境保護衛(wèi)生。8）壓漿孔的處理頂管頂進完畢后，對管節(jié)上的壓漿孔清洗潔凈，并用一般水泥、麻絮等材料對壓漿孔進行封堵措施。9）頂管施工測量①測量及控制指標(biāo)為了保證頂進軸線控制在設(shè)計軸線容許偏差范圍內(nèi)，在頂進過程中親密注意激光點的偏向。軸線測量的控制系統(tǒng)設(shè)在工作井內(nèi)液壓主頂裝置中間。施工中需常常對控制臺進行復(fù)測，以保證測量精度，控制臺基礎(chǔ)應(yīng)用混凝土澆筑在沉井底板上。按獨立坐標(biāo)系放樣后用測量控制臺使它精確地移動至頂管軸線上，用它對的指揮頂管的施工方向。②施工頂管測量在后頂觀測臺架設(shè)一臺經(jīng)緯儀，通過后視測機頭的光靶及后標(biāo)點的水平角和豎直角各一測回，編排程序計算頂管的頭部及尾部的平面及高程。③注意問題頂管施工初次放樣及頂進尤為重要，此外由于頂管后靠頂進中要產(chǎn)生變化，后臺的布置應(yīng)保持一直不變形、移位來保證頂管施工測量的對的性。7機具設(shè)備頂管機主機由驅(qū)動裝置、糾偏裝置、切削刀盤和泥水倉等構(gòu)成，詳細構(gòu)造如下圖。主機構(gòu)造圖頂管系統(tǒng)設(shè)備重要裝置包括操縱室和遙控臺，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、發(fā)電機、卡車、電焊機等。附屬裝置包括基坑導(dǎo)軌等。8勞動組織泥水平衡式機械頂管施工管理，應(yīng)設(shè)置如下人員：施工總負責(zé)1名、技術(shù)負責(zé)1名、機電管理員1名、機電操作員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、測量管理員1名。操作工人：實行三班制，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)量檢查評估原則》CJJ3—90進行施工。頂進管段的施工質(zhì)量應(yīng)符合《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50268-97原則第6.4.21條的規(guī)定（見下表）。頂管管道容許偏差（mm）6.4.21表項目容許偏差軸線位置50管道內(nèi)底高程D﹤1500＋30－40D≥1500＋40－50相鄰管間錯口鋼管道≤2鋼筋混凝土管道15%壁厚且不不小于20對頂時兩端錯口50注：D為管道內(nèi)徑（mm）。10安全措施嚴(yán)格遵守各項操作規(guī)程，精心組織施，以專檢和監(jiān)督方式為主，實行安全生產(chǎn)一票否決制。做好臨時用電和施工機械安全工作。根據(jù)施工特點編制安全操作的注意事項及詳細施工安全措施，并在項目編制安全獎罰制度，每月或者每季度進行安全評比。加強現(xiàn)場環(huán)境保護衛(wèi)生。頂管施工過程中應(yīng)注意的事項10.4.110.4.210.4.310.4.410.4.511效益分析社會效益泥水平衡式機械頂管施工的實行有著巨大的社會意義，不僅能減少工程造價、縮短施工工期、防備安全，并且對大中都市雨污管網(wǎng)改造，改善都市水環(huán)境有著重要意義。該施工工藝先進，為新型工藝，對都市的破壞綠化、道路破壞小。經(jīng)濟效