泥水平衡法顶管施工技术的应用讲解.docx
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泥水平衡法顶管施工技术的应用讲解
中化二建集团有限公司
工程系列专业技术职务任职资格参评论文
论文题目：
单
泥水平衡顶管法在城市燃气
管道施工中的应用
位
中化一建集团有限公司第一分公司
姓
名
刘世华
现专
业
技术职务工程师
申报专业
技术职务高级工程师
绪论:
3
、古交（清徐）至太原煤层气输气管道施工工程穿越大运高速顶管施工4
1、工程概况4
2、编制依据5
3、施工方法6
4、施工工艺6
5、主要工序施工过程及措施7
三、结论14
四、参考文献：
14
【中文摘要】：
顶管施工作为一项非开挖敷设管道的施工方法在市政、长输管道的施工中得到广泛的应用。
顶管施工是一种土层地下工程施工方法，它不需要大面积开挖，可以减少对施工周边环境的影响，缩短施工工期。
顶管施工的适用范围较大，例如：
管道穿越铁路、公路、河流和建筑物时；街道狭窄，两侧建筑物较多；在市区交通量大的街道施工，又不能阻断交通；管道覆土深，开槽土方量大，且需要支撑；河道以下施工等。
泥水平衡顶管法作为一种较新型的顶管技术，具有适用土质广，挖掘面稳定，地面沉降小的优点。
下面就泥水平衡顶管法在城市燃气供气管道的施工过程中的应用作出详细介绍。
【关键词】：
泥水平衡顶管法新型城市燃气供气管道
一、绪论：
顶管施工作为非开挖施工的主要施工方法，其施工过程中常用的施工方法为为人工手掘式顶管，其包含敞开式和气压法式；其中人工手掘法是在顶管的前段装设工具管，施工过程中采用人工手动的方法来破碎工作面的土层，然后利用人工和机械将破碎的土层外运至指定的地方；人工手掘法适用于黏性、砂性或硬质泥岩土层，且无地下水影响，管径要求在1000mm-3000mm且
顶管长度不宜过长，一般不大于30m其优点是工作坑占用场地小，设备简单、技术难度低，设备安装时间短，便于推广。
其缺点是：
对地质条件有局限性，例如对流体性大的土质不适宜；顶进面的土压不能平衡，容易塌方，易引起安全事故；人工的劳动强度大，施工速度慢，且人进入管道内容易产生安全
隐患；顶进的管道不宜过小和过长，因为人员要在管内自有走动。
随着如今管道施工的地层土质情况越来越复杂、管道穿越距离越来越长、管道的埋深越来越深、要求的施工周期越来越短、人工工资的大幅度增长等因素，导致人工手掘法顶管已无法完全满足日新月异发展的施工要求。
故泥浆平衡顶管法作为一项新型的顶管技术应运而生。
泥水平衡式顶管法是采用机械切削泥土，利用压力来平衡地下水压力和土压力，弃土采用水力输送的压力进行弃土作业。
泥浆平衡顶管法的优点：
适用土质范围比较广；可有效的保持挖掘面的稳定，对所顶管道周围的原土扰动很小；与其它顶管方法相比较，其施工时的总推力较小，尤其在黏土层的表现尤为突出，故该方法适用于长距离顶管作业；工作坑内的作业环境较好，且不用大量人工下坑作业，作业安全程度高；弃土采用泥水输送不间断作业，所以其作业的速度比较快。
以上的优点让其在特殊作业环境下逐步取代了人工手掘法顶管施工作业。
二、古交（清徐）至太原煤层气输气管道施工工程穿越大运高速顶管施工
1、工程概况
1.1工程概况：
该工程为太原市煤气公司对古交（清徐）至太原煤层气输气管道施工工程
第四标段，管线全长5.468Km,管径为©813X14.3mm和©813X15.9mn。
管
线设计压力4.0MPa,管材为螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管，材质为
L415。
工程场地复杂程度等级为二级，地基复杂程度等级为二级，管道线路岩土工程勘察等级为乙级。
1.2现场分析和方案选择:
管道在施工过程中需要跨越大运高速公路（X053附近），因为大运高速公路为山西的重要公路枢纽，图纸要求对该段道路进行顶管穿越施工，穿越深度为-5.4m，通过详细的地址勘察报告以及现场的实际现场情况进行取样分析，该段的土质主要为黏土及中粗砂土层，穿越的长度为80m通过与设计单
位、监理单位和建设单位相关人员共同协商，决定对该段工程采用泥水平衡法顶管施工，顶顶管管材采用皿级钢筋混凝土排水管，顶管选用RCP
1500*2000-皿-GB11863,接口采用“『型接口，齿型橡胶止水圈。
2、编制依据2.1《太原市煤气公司对古交（清徐）至太原煤层气输气管道施工工程施工图》
2.2太原市煤气公司对古交（清徐）至太原煤层气输气管道施工工程地质勘察
报告等；
2.3国家现行的施工技术规范、验收标准及质量、安全技术规程
（1）《输气管道工程设计规范》GB50251-2003
（2）《钢质管道焊接及验收》SY/T4103-2006
（3）《混凝土和钢筋混凝土排水管》GB/T11836-2009
（4）《油气输送管道穿越工程设计规范》GB50423-2007
（5）《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424-2007
（6）《油气长输管道工程施工及验收规范》GB50369-2006
（7）《石油天然气钢质管道无损检测》SY/T4109-2005
（8）《关于处理石油管道和天然气管道与公路相互关系的若干规定》（试行）
（9）《顶管工程技术及验收规范》（试行）；
3、施工方法
3.1方法简介
根据现场的实际施工条件，由于管道埋深较深，穿越长度较长，从施工进度、安全及经济技术方面考虑。
该处管道的穿越采用泥水平衡式顶管的施工方法进行穿越。
顶管施工设备主要包括千斤顶机组（500吨）、高压液压站、工具管、U型顶铁、（Dt-1000型）泥水平衡顶管掘进机、送水、泥浆泵、排浆泵、送排泥浆管、泥浆沉淀池、激光测量仪器、触变泥浆输送及泥浆运输车等。
4、施工工艺
4.1施工工艺简介
微型的泥水平衡式掘进机被主顶油缸向前推进，掘进机头进入止水圈，穿过土层到达接收井，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。
挖掘的土质，石块等在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，在那里与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。
在挖掘过程中，采用复杂的泥水平衡装置来维持水土平衡，达到消除地面的沉降和隆起的效果。
掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，它被推到掘进机的尾套处，与掘进头连接管顶进以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕。
掘进机在掘进过程中，采用了激光导向控制系统。
位于工作后方的激光经纬仪发出激光束，调整好所需的标高及方向位置后，对准掘进机内的定位光靶上，激光靶
的影像被捕捉到机内摄像机的影像内，并输送到挖掘系统的电脑显示屏内操作者可以根据需要开对其进行纠偏的，调整切削部分头部上下左右高度。
在整个掘进过程中，通过激光导向控制系统控制整个管道水平、垂直方向上
的偏差。
4.2施工工艺流程
测量放线--沉井制作及接收坑开挖--沉井封底--安装导轨、设置承压壁--安装泥水平衡顶管机进洞（包含进洞密封器安装）--安装泥浆系统--顶进系
统的测量及调试--泥浆平衡系统调试--管道顶进出土（主顶推进）--泥水分离、弃土外运--回缩主顶--拆除管内的泥浆管道等--顶管管节安装--管内泥浆管道等安装--出洞口密封器安装--顶管作业完成（顶管机出洞）--将需要穿越的煤气管道通过混凝土管顶进进行安装--管道施工完成--顶管井回填。
5、主要工序施工过程及措施
5.1施工准备
5.1.1组织施工人员熟悉施工图，并根据施工图纸及施工方案对施工的相关人员进行技术交底，探讨施工质量保证措施，确保施工过程严格按照规范及施工方案进行施工。
5.1.2开工前预先与交通管理部门等相关部门取得联系，按照各个相关部门的
具体要求，要求办理穿越施工手续，并编制顶管穿越专项施工方案，并按专项方案的要求设置相应的警示标志及其它注意事项。
5.1.3向高速公路管理的有关部门了解清楚穿越的路段内地下是否有通讯线路，管道等设施，对于此类设施应请主管部门的有关人员现场指定位置，人工开挖，使之暴露，保护方案应得到主管部门认可。
5.1.4顶管设备、配套设备及各种机具材料准备齐全以满足工程的施工要求。
5.1.5在顶管顶进施工前，按要求进行施工用电，用水，通道，排水及照明等设备的安装。
5.1.6井上，井下建立测量控制网，并经复核报验监理认可。
5.2场地平整、测量放线
5.2.1根据现场情况，对施工范围进行场地平整，在工作坑一侧平整出一块宽30m长30m的施工场地。
5.2.2测量放线
（1）根据设计给定的控制桩位，用经纬仪放出穿越中心轴线，并定穿越中心桩，施工带边线桩，撒上白灰线。
（2）放线同时放出操作沉井坑与接收坑的位置和开挖边线。
（3）保护好中心线上的标志木桩，以便按该桩测量、审核操作坑开挖深度和穿越准确度。
5.3顶力的计算
最大推力计算，采用经验公式，按最大顶距80米计算：
F二F1+F2
上式中：
F—总推力；F1—端阻力；F2—侧壁摩阻力；
F1=n/4®2XP=1/4X3.14Xg7.04=22.11t
式中D—管外径；P—控制土压力；
P=Ko•Y•Ho=0.55X2X6.4=7.04t/m2
式中：
Ko—静止土压力系数，一般取0.55
Ho—地面至掘进机中心的高度，取值6.4m
丫一土的重量，取2t/m3
F2=nD•f•L=3.14X2X0.6X80=301.44吨
式中：
f—管外表面综合磨擦阻力，根据地质勘察报告，取值
0.6T/m2
F二F1+F2=22.11+301.44=323.55T〈500吨，所选的千斤顶进系统可满足施工顶进要求。
5.4作业坑施工
5.4.1根据顶管操作要求，在穿越高速公路的两端各开挖一个工作坑，其中一
个作为作业顶进的沉井工作坑，另一个作为接收首节管和泥浆平衡式顶管掘进机的接收坑。
5.4.2工作井（沉井施工）
（1）该工作井采用方形结构，长*宽=5*6米，深度为8米，壁厚50cm
（2）根据设计图纸的要求以及施工现场的实际，确定沉井采取分两节制作、分两次下沉和排水挖干、干封底的施工方案。
（3）在进行沉井的制作时，必须对预制的底板进行特殊处理，保证其在制作过程中均匀沉降，以确保沉井的预制质量；
（4）沉井按要求制作完成后，下部的主要工作为沉井的下沉；
（5）沉井的下沉是整个工程的基础，故下沉的控制非常重要，一旦发生倾斜就会给后续工序带来困难，故对沉井的下沉必须严格按分段下沉的要求进行；
（6）沉井的分段下沉
a、首次下沉沉井浇筑后，开始首次下沉。
沉井下沉必须由专人指挥。
初沉采用人工配合机械下沉。
初沉是沉井下沉最关键的工序。
沉井重心又高，开挖若不均匀，就可能倾斜位移，沉井入土后，挖土应分层、均匀、对称的进行，分层厚以30cm左右一层为宜。
井内土面高差一般应控制在0.5m以内，为防止突沉，靠近刃脚处尽可能不掏土，发现沉井倾斜，应及时纠偏，如出现突沉，应分析原因，及时采取措施。
b、第二次下沉
第二次下沉在沉井最后浇筑后进行。
沉井下沉过程中，在做好观测、分
析刃脚压力变化、分析挖土深度与沉井下沉量的关系的基础上，确定合理的
开挖深度。
沉井下沉至设计标高后，经观测在8小时内累计下沉量不大于
100mm或沉降速率在规范允许范围内时，即可进行沉井封底。
（7）沉井封底
沉井下沉至设计标高后按图纸及规范要求进行封底。
543接收井施工
（1）接受井沉井为为矩形结构，4mX5.0m米；高度为7m,壁厚50cm
（2）其施工方法同工作井的施工方法，采取分节制作、分次下沉和排水挖干、干封底的施工方法。
5.5顶管设备安装就位
10
36
顶管系统布置图
1—顶铁2—油缸架3—油缸4--测量系统5—后靠背
6—导轨7—止水胶板8—管道9—掘进机10--油泵
11—汽车吊12--泥浆池13--通风机14--管材15--泥浆外运车
5.5.1设备下坑前，首先对工作坑进行详细的检查，以保证安全。
然后对已施工完成的沉井的坑基进行测量找平，保证符合顶管系统轨道安装的技术要求。
5.5.2工作坑处理完毕，用50t吊车将泥浆顶管设备以及其安装轨道安装就位,安装过程中采用激光经纬仪及水准仪测量、校正轨道，以保证泥水平衡式顶管设备的中心线与设计管道的中心线绝对吻合，以保证施工精确度。
5.5.3泥水平衡系统的安装
（1）根据现场的实际情况，将泥浆系统的泥浆输送泵、泥浆排除泵、泥浆送排管、泥浆沉淀池、泥浆循环池分别按平面位置安装就位。
（2）泥浆系统有二个作用：
一是送走被挖掘机切削的渣土和平衡地下水。
泥浆系统是由密封的管道组成，通过机头循环，形成泥浆混合物，由排泥管送走，最后沉淀在地面上的泥浆池内，泥浆通过众多的排泥泵被排出。
二是在有地下水存在的地方，掘进机表面的压力可以降低到小于水中的压力。
这样避免了抽地下水的需要。
5.5.4泥水平衡系统的调试
（1）注浆量计算
本工程每1米注浆量计算如下：
V=nDwT—3.14X2X0.1X1=0.628m3
（2）按照地质条件。
一般压浆量为计算的150%~200%，本工程在黏土层、和细砂层的顶进，故按照170%进行注浆量控制。
（3）注浆压力根据管道深度H和土的天然重度丫而定，经验为2〜3丫H,本工程注浆压力为0.2〜0.3MP&
（4）总注浆量应不小于管外环形空间体积的2倍，考虑到泥浆的漏失，必须经常性地连续补浆，确保泥浆套的完整。
5.5.4顶进系统的安装与调试
该工程的顶进系统采用500吨液压千斤顶系统，其顶进采用集中控制系统控制油压来控制整个顶进系统。
5.5.5测量系统的设置
该测量系统采用激光经纬仪进行测量，将激光经纬安装在永久固定且不易发生位移的位置，用激光经纬仪测定顶管的中心线，确保顶管的中心线与设计中心保持一致。
5.6顶管作业
5.6.1待泥水平衡掘进机、泥水平衡系统、液压千斤顶系统、测量系统均按要求安装及调试完成后，即可以开始管道的顶进作业，顶管作业时必须利用进口密封装置将管道进行密封，以确保泥浆的工作压力。
5.6.2在进行顶进作业时严防偏心，以免掘进机的掘进路线发生偏移。
顶进时
注意油压变化，发现不正常时立即停止顶进，并检查原因。
千斤顶活塞伸展长度应在规定范围内，以免损坏千斤顶结构。
在整个顶进操作中应坚持连续作业，若顶进间隔时间过长，土拱容易下塌，使顶力增大。
5.6.3待掘进机及第一段管道即将进入泥土内时，首先拆除管道进口的密封装置，然后按要求拆除管道内的影响第二节管道安装的送排泥浆管道等装置，利用25吨吊车将第二节管道与第一节管道同心连接并将接口密封胶圈涂抹上防水密封胶后安装在两节管的接口处，以确保其密闭性，待用激光经纬仪检查其安装符合要求后；将拆除的管内管道依次连接，经检查合格后将进口采用密封装置封堵，封堵完成后按第一节管道的施工程序均匀顶进。
按以上施工程序将待顶进的管道逐一进行顶进作业。
5.6.4顶进过程中的注意事项：
（1）当掘进机停止工作时，要防止泥水从土层或洞口及其它地方流失。
防止挖掘面失稳，尤其防止进洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水；
（2）顶进过程中时刻观察顶进系统的油压及顶进速度的变化，如发现较大变化时要停止作业进行观察分析其原因，防止顶进过程中损坏设备；
（3）在顶进过程中，随时要注意挖掘面是否稳定，要不时检查泥水的浓度和相对密度是否正常，还要注意进排泥泵的流量及压力是否正常。
应防止排泥泵的排量过小而造成排泥管的淤泥和堵塞现象。
（4）在顶进过程中要不断的利用激光经纬仪测量顶管的中心，确保与设计中心一致，如发现偏差超标，要及时进行纠偏，保证整个顶进过程的顺利进行。
565顶管进接收坑
（1）顶管机进洞前洞口土体加固根据顶管进展情况，为保证掘进机能顺利进入接收井，防止掘进机出洞后水土沿工具管与井圈之间的建筑空隙涌入接收井内，保证井内接头能顺利施工。
（2）掘进机进入接收井前的复核应测量顶管机所处的方位，是确认顶管状态、保证掘进机以良好的状态、准确无误地进入接收井内。
（3）在接收井的接收点墙破坏后掘进机的进口应迅速、连续顶进管节，尽快缩短出洞时间。
566设备的吊装拆除
（1）当套管顶进至对面接收坑时，套管穿越完毕；
（2）将掘进机的机头、泥浆平衡系统等设备利用吊车拆除工作坑及接收坑内
的管道及设备；
（3）利用输送水泵将管内的剩余泥浆清除，进行顶管的误差测量。
准备进行主管的穿越施工工作。
5.6.7主管的穿越准备
（1）穿越管预制：
在穿越套管之前，根据设计要求，选择主管，进行布管，
然后用外对口器对管道进行组装，其组装管道长度应大于套管长度4m以上。
（2）组装焊接技术要求应同一般地段相同。
（3）组焊完毕后进行100%X寸线探伤及100%超声波探伤，质量达到规范和设计要求。
（4）探伤合格后，按设计要求进行防腐补口。
（5）按设计和规范要求，对组焊完的管道进行单独试压。
在管段两端加封头、进水阀、放空阀和压力表，进行水压试验。
568主管的穿越
（1）主管穿越前先开挖穿管发送沟，发送沟长60米，宽2米，深6米。
将已试压合格的管段用两台50t吊车吊入发送沟内，按设计图纸要求安装好套管与主管之间的支撑管卡和绝缘支架；
（2）将管道安装在已经顶管完成的套管内；
（3）按设计要求进行套管与主管之间的封堵工作；
569回填、恢复地貌
（1）在穿越主管工程完毕后，应进行回填，回填土应夯实，并恢复至原地貌。
（2）将穿越施工中留下的废钢铁、防腐材料、油迹及其它废弃物等全部清除。
三、结论
该工程通过采用泥水平衡式顶管技术代替常用的人工掘进顶管施工后，比原计划提前4天时间，且节约了大量的人工，在该工程的施工中取得了很大的成功，通过该工程的成功施工，后又在太原西北环城市燃气供气管道以及太原市中环路的城市供热、供气管道上的施工中得到了更广泛的应用。
但在施工过程中也发生了顶管掘进机头不能最终到达接收井的现象，后通过处理后完成施工，但耽误了时间，故在下步需要把泥水平衡式顶管技术的工艺更加完善，以确保咼质、咼效完成顶管作业。
四、参考文献：
《顶管工程技术及验收规范》（试行）中国非开挖技术协会2006年12月
浙江华业电力工程股份有限公司企业标准（HYDBP318-2004）
浅谈泥水平衡顶管施工沧州市市政工程公司吴卫
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