大直径钢管顶管施工组织设计.docx

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大直径钢管顶管施工组织设计

8.大直径钢管顶管施工组织设计

8.1.概述

拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定区域，地理环境复杂，是国内第一座采用曲线管幕法施工的隧道。

曲线管幕施工时拱北隧道暗挖段成功的关键。

工程暗挖段采用“管幕+冻结法”施工，管幕平均长度257.927m/根。

目前在国内是最长，位于曲率半径R=885.852m～906.298m的缓和曲线和圆曲线上，Φ1620mm管幕37根。

每节管长4m，采用F型承插口连接，其中壁厚24mm的管幕19根，壁厚20mm的管幕18根；一个断面共36根管幕组成的管幕群，国内首创，世界罕见。

试验管分布范围标高约-1.02m～-3.9m，埋深约为7～8m。

8.1.1试验管设计

8.1.1.1依据

（1）设计图纸要求；

（2）试验大纲；（3）已批复的试验管施工方案。

8.1.1.2概况

0#、5#为试验管。

其中0#管长度255.88m、5#管长度256.224m。

管节采用Q235BZ钢制作，壁厚20mm，接头形式采用F型接头。

承插口之间设置木质垫块，管节之间采用螺栓连接，管幕接头采用两道鹰嘴橡胶圈进行止水。

8.1.1.3内容

本次试验施做0#、5#管。

8.1.1.4目的

（1）确定曲线顶管施工工艺及参数。

（2）初步确定顶管施工进度指标。

（3）研究管幕施工对周围环境的影响。

（4）中继间的使用功效、测量方案的可行性等。

（5）AVN1200TC设备系统性能的验证。

（6）了解顶管顶进过程中的各个工序。

（7）顶管顶进精度控制。

（8）顶管顶进过程中地表沉降控制。

（9）培养一批顶管技术过硬的人才。

8.1.2设备性能

（1）AVN1200TC泥水平衡顶管机，曲线顶管，自带导向纠偏系统。

（2）泥水分离器，分离泥浆与弃渣。

（3）膨润土分配器，可以对管节任意一个部位进行补充注浆。

8.2.施工组织安排

8.2.1总体施工组织方案

试验管采取双向顶进，先施做0#管（1#顶管机），东工作井始发，西工作井接收；0#管完成后在施做5#管（2#顶管机），西工作井始发，东工作井接收。

8.2.2资源配置

8.2.2.1试验管施工人员安排

图1管幕队组织机构图

8.2.2.2机械、设备配置

表1主要施工机械、设备配置表

序号

设备名称

规格型号、产地、功率

单位

数量

1

顶管机

海瑞克AVN1200TC

台

2

2

中继间

10×60t

个

2

3

接收舱

5.2×1.9m

套

2

4

主要设备

洞口止水装置

海瑞克配置设备

套

2

5

管刹

海瑞克配置设备

个

1

6

泥水分离器

45Kwh+55Kwh

套

2

7

离心机、絮凝机

海瑞克配置设备

套

1

8

膨润土站

23.5Kwh

台

2

9

主要设备

泥浆泵

55Kwh

台

8

10

泥浆搅拌站

自制

台

2

11

吊车

100t

台

1

12

龙门吊

20t

台

2

13

施工平台

5×12.7m

个

2

14

装载机

柳工CLG855N

辆

2

15

辅助设备

通风机

9-19A型高压离心式11Kw

台

2

16

电焊机

BI-500

台

8

17

污水泵

7.5KW

台

2

18

注浆泵

SYB50-45

台

2

19

滤油机

台

1

8.2.2.3材料配置

表2主要材料配备表

序号

材料名称

规格型号

单位

数量

1

膨润土

易钻

t

14

2

非开挖专用膨润土

DW-HDD

t

10

3

泥浆系统

水解聚丙烯酰胺

HPAM

t

5

4

氢氧化钠（片碱）

t

3

5

碳酸钠（纯碱）

t

3

6

管节

20mm厚

节

123

7

木质垫块

20mm厚

套

123

8

顶进系统

橡胶圈

鹰嘴型

个

246

9

螺铨

M33

套

2500

10

支架

3mm角钢

个

738

11

膨润土管

DN322.8m

个

32

12

DN321.2m

个

64

13

电缆

3×240+2×120铜芯电缆

m

300

14

辅助系统

泥浆管

DN125

m

600

15

通风管

200PVC管

m

540

16

导丝管

Φ40管

个

1476

17

球阀

Φ40

个

1476

8.2.3平面布置

8.2.4施工准备

8.2.4.1地连墙的破除

表3地连墙破除情况一览表

序号

区域

地连墙破除方法

优点

缺点

持续时间

1

东侧工作井

采用周边取芯（80mm）形成一定的临空面，内部钻孔安装膨胀炸药，依靠其膨胀性挤压四周混泥土，尔后人工风镐处理局部混泥土，氧气焊切割钢筋的方法

轮廓线控制比较规则，有利

孔口管密封

膨胀炸药膨胀效果耗时较长，功效低，工期不可控，工人劳动强度较大

7天

2

西侧工作井

采用破碎锤配人工风镐

处理

功效高，工期控，用机械破除可降人工劳动强度

轮廓线不规则，不利于密封模板的安装

3.5天

总结：

下一步地连墙的破除，采取人工周围钻孔取芯，控制轮廓线型，中心采取人工风镐配合破碎锤破除混泥土。

8.2.4.2孔口管安装

孔口管由16mm钢板制作，孔口管安装控制包括以下三个方面：

精度控制、制作控制、密封控制。

表4孔口管安装事项汇总表

序号

名称

主要方面

注意事项

1

精度控制

1.轴线控制的关键是控制孔口管的轴线同试验管设计轴线一致，平面偏差不超过3cm；

2.高程控制的关键是控制孔口管轴线高程与设计高程偏差不超过3cm，管道内辅助滑板的高程宜高于设计高程2cm，防止机头下垂，有利于顶管机始发。

直接在不规则的孔洞内定位孔口管不宜控制，需在孔洞内安装3根定位钢管来加以限制，使孔口管外壁顺着定位钢管滑进孔洞内，此方法安装精度达到±5mm。

2

制动控制

顶管机始发时，由于机头紧贴着孔口管内滑板，挤压滑板向前顶进，同时机头进入始发密封圈后要保持一定的压力，为防止孔口管沿轴线方向移动、垂直轴线旋转，在孔口管内部布设两环Φ32限位钢筋，每环3根，每根0.5m。

限位钢筋采用锚固剂锚固牢固，钢筋尾部焊接在孔口管管壁上，钢筋头打磨光滑，与孔口管同一平面。

3

密封控制

孔口管固定完成后，周边采用锚固剂密封，然后进行回填注浆。

首先在孔口管的顶部预留一个排气孔，排气孔采用Φ32钢管，钢管顶部紧贴混泥土面；在孔口管的底部或者侧面预留一个注浆孔，采用Φ32钢管。

浆液采用0.8:

1水泥浆液，当浆液从顶部排气孔流出时，关闭排浆孔，继续注浆，直至压力表显示注浆压力达到0.5Mpa可停止注浆。

8.2.4.3施工平台的安装

（1）牛腿安装

在顶进面及后背墙螺栓孔预定位置钻孔，孔深60cm，孔径Φ42mm，每组10个，顶进面及后背面各两组。

采用植筋埋置长50cm的Φ39mm螺栓，埋深40cm，外露10cm。

（2）平台搭设

平台由2根HN800×300型钢作为主梁，主梁上方用20a工字钢焊接骨架并覆盖防滑钢板。

平台搭设在四个牛腿上，坡度同管幕设计坡度。

8.2.4.4顶管机就位

8.2.4.5附属设备安装

（1）始发井内附属设施安装

主要包括：

泥浆泵、支撑板、顶进轨道、顶进油缸、各种管件及通风设施的安装等。

（2）始发井外部附属设施安装

主要包括：

泥水分离系统、离心机絮凝系统、泥浆配置装置、泥水浆制备装置、井外管线布置等。

（3）设备连接后，对设备进行调试运行，验收合格后方可进行始发工作。

8.2.4.6其他附属设施准备

（1）雨棚为现场提供半工厂化的良好施工环境

（2）龙门吊提供垂直运输和管节吊装连续施工条件

（3）设置步行铁梯工人员及小型机具材料安全方便到达施工平台

（4）设置工作井周边护栏做临时安全防护。

8.2.4.7试验管施工技术协调会议一览表

试验管阶段技术协调会议一览表见附表1

8.3.始发阶段

8.3.1始发阶段概述

从顶管机推进油缸推动机头出发，直至启动纠偏油缸，属于始发阶段。

受轨道、地连墙、加固土体的影响，考虑始发段曲线顶管操作方便，始发段采用曲线直顶，本试验段曲线直顶长度为12.8m（3.4m+1.0m+4.2m+4.2m），

8.3.2配套设备安装

（1）为了保证密封效果，始发端与孔口管连接部位采用始发密封圈。

（2）在管节安装时，为了防止管节后退，安装管刹。

8.3.3线型控制

始发段采用曲线直顶的方式，轨道、孔口管、设计轴线均须处在同一条轴线上。

8.3.4泥浆

泥浆分为两类：

泥水平衡泥浆与触变泥浆，具体作用及控制指标见表5。

表5泥浆作用于控制指标一览表

序号

名称

作用

控制指标

1

泥水平衡泥浆

1.泥水平衡：

在顶进施工中，刀盘不断切削岩土体，打破地层的原有平衡，在泥水平衡顶管施工中，刀盘前端土体平衡的维持是通过往刀盘前端注入合适的浆液来实现。

浆液在注入刀盘后，维持其一定的压力，在章子面形成泥浆护套，维持泥水平衡，保证土体稳定。

面形成泥浆护套，维持泥水平衡，保证土体稳定。

面形成泥浆护套，维持泥水平衡，保证土体稳定。

2.悬浮、携带土渣：

泥浆作为松散土渣的介质，把顶进过程形成的泥渣通过泥浆携带至泥浆处理系统

粘度和比重

泥水平衡泥浆粘度根据不同地层进行适当的调整，试验管阶段泥浆粘度不小于40s，泥浆比重

控制范围1.03～1.27。

根据地层变化做动态调整

2

触变泥浆

减阻润滑：

触变泥浆要求具有优良的触变性能，即在流动过程中阻力小，利于泥浆迅速分布在环空格格部位；在注浆停止后，泥浆可以快速变成凝胶状，流动阻力瞬间提高，从而减少泥浆漏失，使环空能长时间充满泥浆，降低推进油缸推力，更好的控制掘进精度。

触变泥浆参数：

本试验漏斗粘度控制位不少于50s。

8.3.5始发段姿态控制

（1）始发时为防止机头悬空下坠，在孔口管内铺设一滑板，以便机头平滑过渡到掌子面。

（2）在破碎素混凝土墙的过程中，由于机头扭矩较大，为防止盾体产生较大的偏转，在顶进环后推支座处加设一防偏转装置。

8.3.6初始参数设置

初始参数设置分三个部分：

激光标靶参数设置、高度传感器设置、激活陀螺仪。

通过ELS参数设置可以确定机器的状态，与设计理论值比较，如有偏差进行及时的调整；HWL高度传感器实时的反应顶进过程中高程的变化，指导操作进行及时的调整操作；通过GNS系统输入管道曲线要素，确定管道走向，指导顶进操作。

8.3.7顶进参数

表6始发段顶进参数分析表

序号

累计进度（m）

推进速度

（mm/min）

自然水

土压力

（bar）

开挖仓

泥水压

（bar）

刀盘的工作压力（bar）

进浆量（m3/h）

排浆量（m3/h）

主顶力（t）

地质

条件

1

1.2

5-23

0.30

0.35

90-100

102

110

20-40

素混

泥土墙

2

6.9

20-80

0.43

0.45

100-130

102

118

30-70

旋喷桩加固段

3

12.5

110-251

0.43

0.65

120-140

98

115

40-70

富水砂层

遵循泥水平衡原理，通过上表分析得出以下结论：

（1）推进速度与开挖仓泥水压力随着地质情况的变化需要进行不断的调整。

（2）顶进时泥水仓压力应大于自然水土压力约0.2bar为宜。

8.4.顶进阶段

8.4.1顶进阶段定义

掘进机头始发完成后，通过建立泥水平衡，依靠推进油缸的顶力，将机头和管节顶进地层中，并使其沿着设计轴线推进，在推进的同时通过携渣泥浆不断处渣。

8.4.2管节连接

8.4.2.1接头形式

管幕纵向接头采用F型接头型式，通过管幕端头焊接20mm厚法兰和40块20mm纵向加劲板的形式形成管幕承口和插口，以适应管节之间偏转的需要，

为了提高受力地均匀性，同时为了保持管节之间的开口度，根据管节之间的张角，在承口与插口法兰之间设置木质垫板。

垫板和管节连接采用扎带绑扎。

垫块设计厚度为4cm，后根据现场需要，调整为2cm，基于以下几点原因：

（1）4cm垫块使得F型接头的第二道橡胶止水圈外露，造成橡胶圈的损坏，易发生渗水现象。

（2）依据经验，在现有顶进工作条件下，垫块压缩厚度达不到2cm。

（3）依据以往经验，如垫块厚度过大，顶进过程中，若前方遇到障碍物，油缸推进过程中，操作面板显示机头正在顶进，而实际是垫块的压缩量，造成里程计算错误，顶进状态不可控。

8.4.2.2鹰嘴橡胶圈

鹰嘴橡胶圈安装完成后，由于橡胶圈较大，原设计承插口打坡口较小，安装时难度较大。

对坡口进行调整，能够满足施工要求。

试验管施工过程中，密封圈无渗水现象。

8.4.2.3螺栓

在承插口法上设置20个螺栓孔，采用M33限位螺栓进行连接。

顶进过程中，螺栓保持松弛状态，预留7mm空隙，从而保证了管节的开口度和管道的曲线轨迹符合设计要求，并在贯通后，逐一拧紧。

8.4.3管内配套部件的安装

8.4.3.1膨润土分配器

膨润土分配器属于膨润土润滑设备的执行元件，用于施工过程中补充触变泥浆，润滑管壁，降低推进油缸推力。

膨润土分配器从第一节管开始，每四节管安装1个，3个注浆口呈1200均布。

顶进过程中，第一个分配器随着进尺同步注浆。

其余分配器，根据推进油缸推力变化，适时启用补充注浆。

根据试验管施工情况来看，能够满足施工要求。

8.4.3.2管线敷设

顶管机运行配套设施管线如下：

管线支架、液压油管、数据线、气压线、进排浆管、膨润土管等管件。

8.4.4不同地质条件下顶进参数及姿态控制

不同地质条件的控制要点见下表7，顶进参数以0#管为例，见表8.

表7不同地质条件下控制要点

序号

地质情况

特点

顶进时控制要点

建立泥平衡难易程度

注意事项

1

素混泥土墙

强度高、稳定性好

顶进速度

容易

控制住顶油缸推理，不宜过大

2

搅拌桩加固区域

强度较高、稳定性好

顶进速度

容易　

建立泥水平衡后正常顶进

3

砂层

强度低、稳定性差

泥水平衡

较容易

控制进排浆量、观察出渣量

4

富水砂层

强度低、稳定性差

泥水平衡

难

控制进排浆量、泥水平衡泥浆粘度变化

5

淤泥、淤泥质

粘土层

强度低、稳定性差

泥水平衡

较难

适时调整泥水平衡泥浆、防止机头被粘土包住

表8试验管顶进参数一览表（0#管）

序号

管节编号

进尺（m）

刀盘的工作压力（bar）

开挖仓泥水压

（bar）

推进速度

（mm/min）

主顶推力

（T）

地质条件

1

0

0～2.438

1.3

0.3

90

25

孔口管

2

1～2

2.438～10.051

90～120

0.43

10～120

40～70

素混凝土、旋喷桩

3

3～14

10.051～60.355

100～130

0.65

147～366

52～74

富水砂层

4

15～36

60.355～153.275

120～160

0.65～0.8

33～190

56～120

中细砂、回填土

5

37～42

153.275～178.996

99～128

0.65～0.75

310～350

90～140

富水砂层

6

43～53

178.996～223.868

120～144

0.65～0.85

90～158

86～154

砂层、粉质粘土、回填土

7

54～59

223.868～248.398

120～140

0.85～0.95

223～330

94～114

淤泥质粘土、砂层

8

60～61

248.398～256.807

127～133

0.65～0.9

11～38

170～210

素混凝土、旋喷桩、粉质粘土

9

62

256.807～259.525

0

0.43

60～85

70～86

接收舱

分析：

（1）地质条件是试验管顶进的主要影响因素。

（2）地层转换时需注意：

砂层进入粘土层时，在砂层中正常推进时，发现刀盘工作压力、开挖舱推进压力持续升高，泥浆流量降低，大幅度的降低推进速度也不能解决，可以判断地层中出现粘土，将泥土循环阀门转换为粘土阀门，冲刷刀盘，调节推进速度和泥浆泵转速维持工作压力稳定即可；

粘土层进入砂层时，在泥土中推进发现刀盘工作压力一直下降，增加了推进速度，还是下降，说明地层中粘土成分减少，过渡冲刷掌子面，应立即关闭粘土阀门，调整推进速度和泥浆泵转速维持工作压力稳定。

8.4.5泥浆

泥浆性能主要的控制指标：

粘度与比重。

8.4.5.1触变泥浆

触变泥浆为一次性消耗浆液，泥浆性能确定后，受顶进距离及地质条件的变化的影响较小，其性能指标：

粘度≥50s，比重1.03～1.05。

8.4.5.2泥水平衡泥浆

泥水平衡泥浆受顶进距离及地质条件的影响较大，需要对控制指标做相应的调整。

（1）粘度

试验管顶进过程中，泥浆的粘度在顶进前与顶进后会随着地质条件的不断变化出现不同的变化，见表9.

表9泥水平衡泥浆粘度统计表

序号

管节编号

泥浆黏度/s

地质情况

泥浆黏度

变化情况

顶进开始

顶进结束

1

1~10

65~50

35~45

富水砂层

降低

2

11~18

46~67

43~90

砂层含少量粘土

增大

3

19~28

37~53

37~56

砂层

基本不变

4

29~35

37~48

48~76

砂层含粘土

增大

5

36~40

52~90

53~135

粉质粘土层、

淤泥层

增大

6

36~46

45~60

47~66

砂层

基本不变

7

47~52

35~58

46~108

粉质粘土层、

淤泥层

增大

8

43~59

38~47

38~45

砂层

基本不变

9

60~61

36~39

41~49

搅拌桩加固层

增大

（2）比重

随着顶进距离的增大，泥水平衡泥浆的比重不断的增加，进而会降低泥浆的携渣能力，特别是黏土层。

如果泥浆比重过大，容易造成进、排泥浆失衡，从而导致顶进面压力过大，引起地表隆起。

泥浆比重大小的适用性还取决于泥浆泵的功率大小，如果泥浆泵的功率够大，而携渣运距又不是很远，泥浆比重偏大，具有一定的经济性。

试验管施工过程中，泥水平衡泥浆的比重控制在1.03～1.3。

8.4.6顶进过程中异常事件

8.4.6.1土压力盒角钢缠绕刀盘

时间：

2013年6月28日16:

05

地点：

3号监测断面

过程：

0#管顶进过程中，顶管机头靠近监测断面，土压力盒频率的读数不断上下变化，但整体呈逐渐增大的趋势。

15:

59土压力盒的频率读数突然增大很多，存在异常；16:

01土压力盒的频率读数消失；16:

05监测人员发现土压力盒被破坏，土压力盒和角钢一起下沉。

分析：

监测断面的土压力盒和分层沉降管破坏时，顶管机机头并未经过监测断面，因此我们猜测可能出现的原因是监测断面附近有障碍物或者孤石。

8.4.6.2分层沉降管机头残骸

时间：

2013年8月27日14:

47

地点：

3号监测断面

事件：

5#管顶进过程中，根据0#管土压力盒时间推测，加强3号断面监测点的监测。

在机头经过3号断面时，分层沉降管诗句监测5-7m范围数据突然无法进行监测，同时机头经过3号断面时，刀盘工作液压油缸压力变化较大，泥水舱压力也出现不稳定变化，经过3号断面后，顶进数据正常。

顶管接收完成后，在机头发现分层沉降管残片。

原因分析：

3号断面处存在不明障碍物。

4#或6#管顶进时注意观察监测数据。

8.4.6.3分层沉降管损坏

时间：

2013年7月10日00:

00~15:

00

地点：

5号监测断面

过程：

监测人员到5号断面发现编号为5F02（即5#管正上方的分层沉降管）的分层沉降孔孔口充满淤泥，监测人员将分层沉降仪放入孔内，发现里面全是淤泥。

同时，沉降孔管被挤出地表约8cm，挤出部分被过往车辆压坏。

分析：

顶进过程中，在泥浆作用和土压波动引起土层中有小型块状物挤压情况使得分层沉降管缓慢向上运动，当其运动到超过地表时被口岸内来往的车辆撞断，由于分层沉降管的底部压力值比较大而使得孔外的淤泥向管内流动。

8.4.6.4监测断面测孔冒浆

时间：

2013年7月20日17:

30

地点：

3号和5号监测断面测孔冒浆

过程：

监测人员接到口岸内的工作人员的通知，得知3号监测断面的土压力计埋设孔往上不断冒水泥浆，大量的水泥浆从3号监测断面的土压力计埋设孔往上冒水泥浆，污染了口岸内的大部分通行面积，导致口岸内的交通和人员过往受阻。

分析：

在接收过程中，由于刀盘前切口水压过大，导致地层内的淤泥从地质勘查孔内往地表冒；3号断面的土压力计破坏，监测人员没有采取措施堵住该断面上的土压力埋设孔。

8.4.6.5贝壳对顶进施工的影响

推进过程中，地层中出现贝壳，刀盘无法破碎贝壳，泥水仓工作压力从0.65bar，开始出现变化，从0.5bar-0.75bar一直不停跳动，贝壳堵住排浆口；此时开启进浆阀门，增加泥水流量，使用高压水流冲刷一会，等压力不再变化，关闭进浆阀门即可。

8.4.7中继间

（1）中继间的作用

试验管平均长度256.025m，中继站安装于机头后50m左右，在推进油缸顶力超过450t时启用，起到传递推进力的作用。

中继站由10个油缸并联组成，可提供的最大推力为650t，

（2）试验管阶段应用情况

在试验管顶进过程中，0#管推荐油缸最大推力210t，5#管推进油缸最大推力只有296t，均为接收段破除素混凝土墙时最大推力，正常推进过程中最大推力约160t，顶进过程中均未启用中继间。

（3）结论

顶管施工属于暗挖工程，存在很大不确定性。

特别是曲线顶管，地处杂填土层，遇到大块孤石等障碍物，如果主顶顶力不足，在没有安装中继站的情况下，会造成该条管道，顶进失败。

所以，虽然中继间的加工、安装拆除均费时、费工，但为了保证顶管施工的顺利进行，作为一个顶力储备，中继间的安装还是必要的。

8.4.8设备的维保

按照生产厂家提供的未报批大纲加强维保；配备专业的维保工班在施工过程中跟踪检查、定期进行维护保养。

在机器运行前，进洞检查机器刀盘润滑油脂数量是否充足，是否存在漏油，泥浆泵油脂数量，是否漏浆等。

接收贯通完成后对机器进行全面检修，维护，

8.5、接收阶段

8.5.1接收阶段定义

曲线顶管在顶头离接收一定距离时，为了精确的进行接收，要求必须进行机头的姿态调整，从进行姿态调整开始至顶进终止属于接收阶段。

8.5.2姿态调整

顶管推进至接收段时，对顶管机的位置进行精确的测量，明确掘进机中心轴线与隧道设计中心轴线的相对位置，同时对接收孔中心进行复核测量，确定顶管机的贯通姿态并制定掘进纠偏计划。

在考虑顶管机的贯通姿态时注意两点：

一是顶管机贯通时的中心轴线与隧道设计轴线的偏差