顶管竖井施工方案.docx
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顶管竖井施工方案
北京雁栖湖生态发展示范区污水干线工程
竖井施工方案
编制
审核
审批
北京有限公司
2013年3月
第一章工程概况
1.1工程概况
1.1.1工程简介
本工程为《北京雁栖湖生态发展示范区污水干线工程》第四标段：
污水干线现状雁栖大街南侧～现状中高路南侧；桩号k=0+000---k=1+903.5段，主管全长1903.5米，主线管径D=1050钢筋混凝土管，管顶埋深4.5～6.5米，穿越雁栖河西路。
本段拟采用人工顶管法施工,根据现有地堪报告提示穿越地层土质为卵石层，且地下稳定水位在施工面以下，特制定本施工组织设计。
1.1.2地质情况
根据地质勘查报告显示，按设计管道底标高相应穿越土层卵石为主，局部有砂质粉土。
详见《工程地质勘查报告》。
1.1.3水文情况
本工程地质勘查报告显示，在岩土工程勘察期间，在20米深度范围内未见地下水，近3～5年最高水位标高为30米左右。
本工程可不考虑地下水的问题。
1.1.4主要工程量
本段穿越管线主线管径Φ1050钢筋混凝土套管，管长度1903.5米。
污水检查井42座。
顶管工作坑42座,工作坑采用锚喷支护法方式。
1.2合作单位
甲方单位：
设计单位：
监理单位：
施工单位：
第二章施工测量
顶管施工测量是顶管施工中一个十分重要的工作环节，为保证施工中管道位置的准确性，结合该工程的特点，采取地面控制测量及井下控制测量。
为满足施工需要，现场组建测量小组由测量工程师负责，专职负责控制测量及日常的施工测量。
2.1地面控制点的布设
根据测绘院提供的测量控制点的坐标和高程，布置现场的测量控制点，并设永久性测量控制桩。
导线两端点依附于高一级的控制点。
在工作井及接收井附近适当加密导线点，以利于井下投点。
2.2平面控制
根据工程实际情况，该工程的平面控制采用地面导线形式控制，导线等级为一级。
各导线点需选择在合适的位置。
导线点埋设要严格执行规范中有关埋点造标的规定。
导线点在使用前要进行复核经确认无误后方可使用。
导线边长选择在500m，导线环上的个点均布设于施工影响范围以外，避免损坏及丢失。
导线的测设在工程开工前完成，地面导线布设采用一级导线。
导线测量依据规范中一级导线的标准进行，并对测量成果用相关软件进行平差。
导线测量精度达到一级导线的主要技术要求：
等级
边长
测角
中误差
测距
中误差
测回数
方位角
闭合差
相对
闭合差
一级
500m
5＂
15mm
2（DJ2）
10n1／2″
1／15000
注：
n—测站数。
2.3地上、井下联系测量
顶管施工的中线及高程控制点，均设在工作井的底板上，这就需要采用地上、井下联系测量的方法，把地面控制点传递到井下。
联系测量采用一井定向的几何方法，即联系三角形法。
为了提高测量精度，由井上向井下投点采用投点仪，或垂线进行垂点，测角使用J2型经纬仪，采用全员观测9测回，测角中误差为±1.8″，半测回归零差限差12″，各测回互差限差为12″。
量边要用检验合格的钢尺，量距时要使用标准拉力，并记录温度，每条边串尺十二次，读数估读至0.5mm，同一边长各次丈量之差不得大于1mm，符合要求后取算术平均值作为丈量结果，并求出算术平均中误差为：
式中：
n——每边丈量自数
v——算术平均值与每次丈量结果之差
2.4井下高程点的设置
井下高程点是由地面控制点经竖井导入的，首先在地面建立近井水准点3个，并在井上向井下悬挂钢卷尺，井上与井下分别架设的两台水准仪同时进行观测，需进行3次独立观测，每次错动钢尺3cm~5cm,当高差误差不大于3mm时，取其平均值使用。
地下水准点可于导线点设在一起。
施工。
2.5施工监测
在顶管工作坑及管道顶进施工过程中，对工作坑周边建（构）筑物及管线沿线穿越的道路、房屋、电线杆等进行监测，防止塌陷事故发生，监测频率为每天早晚各一次，由专人进行负责，沉降量超过30mm，立即上报项目总工，采取措施；沉降量超过50mm立即上报项目经理，停工处理。
第三章顶管竖井施工
3.1竖井施工
3.1.1工作坑施工方法
本工程设主顶工作坑及接收坑42座，采用“逆作法”施工，工作井完成后净空尺寸为4m×6m×7m及4m×4m×7m。
3.1.2顶管工作坑的选择
在选择顶管工作坑时，综合考虑地上和地下的情况，避开高压线、电信电缆、地上建筑物及地下管线和构筑物，根据设计井位及现场实际情况择优确立顶管工作坑和接收坑。
3.1.3顶管工作坑尺寸确定
工作坑底部平面尺寸符合下式要求：
工作坑底部开挖宽度B=D1+S（见下图）
D1——管道外径；
S——操作宽度，可取2.4~3.2。
工作坑底部长度L=L1+L2+L3+L4+L5
L1——工具管长度；
L2——管节长度；
L3——运土工作间长度；
L4——千斤顶长度；
L5——后背墙厚度。
经计算，主顶工作开挖尺寸为6m×4m.
3.1.4竖井施工工艺流程
工作坑及接收坑均采用逆做法施工，采用网构钢架+双层钢筋网片+C20喷射混凝土，混凝土厚度为250；
竖井施工工序分四步施工。
即：
施工准备、井圈施工、井身开挖、竖井封底。
竖井开挖支护施工工艺流程：
施工准备
井圈开挖
井圈锁口砼施工
人工开挖土方
架立格栅钢架、喷砼支护
竖井封底
3.1.5顶管工作坑施工
（1）根据埋深及地质施工要求及沿线状况，顶管工作坑拟采用锚喷混凝土结构，平面净尺寸为6m×4m，坑深约7m，顶管接收坑的平面净尺寸为4m×4m,坑深约7m。
（2）工作坑施工
根据现况土质情况，为确保工作坑的安全稳定，不破坏路面结构层，在路面结构层以下浇筑混凝土冠梁，在冠梁上部砌筑240mm厚挡墙。
工作坑采用逆做锚喷砼护壁。
、冠梁施工
为保证工作坑护壁的稳定性，在施工前对各原材料进行送样检验达到标准后方可使用，为满足顶管施工的需要，做W×H=600×400mm的钢筋砼冠梁，做10mm厚预埋件共6块。
强度等级为C20，冠梁钢筋主筋10Φ18，箍筋Φ8箍筋间距200mm（详见竖井配筋图）；沿冠梁四周向下预埋Φ20插筋作为坑壁四周固定钢筋网片的钢筋骨架,插筋为‘L’形，与冠梁底层钢筋绑扎牢固，间距为0.5m，预留的插筋均为Φ20，长度500-1000mm.在锚喷过程中钢筋骨架顺延设至工作坑底与锁脚钢格栅焊接，冠梁施工在长边处以中间部位设置暗柱主筋与冠梁内锚固顺延设至工作坑底与锁脚钢格栅焊接。
、土方开挖及支撑
竖井土方采用人工开挖，开挖方式为对角分层开挖，对角分层支护；竖井支护方式为网构钢架+双层钢筋网片+250厚C20喷射混凝土+Φ20连接筋+临时支撑；（详见竖井开挖顺序图）：
冠梁施工完毕待混凝土强度达到要求后，即开始开挖基坑内土方，在冠梁下部先挖0.8m深，安装钢格栅，钢格栅断面尺寸为180×180mm，主筋为4Φ22水平主筋连接采用Φ12之字型筋；立面主筋连接采用U型筋（详见配筋图）。
长边钢格栅用竖向钢筋骨架及暗柱与冠梁连接；短边钢格栅采用竖向钢筋骨架与冠梁使之成为一个整体。
然后沿坑壁在钢筋骨架内外两侧焊挂Φ6@100mm的钢筋网片，网片现场加工成型（详见示意图）。
钢筋接头全部采用绑扎，长度不小于一网格。
钢格栅设置距离一般情况下，每0.8米设一道钢格栅，现场开挖后可跟据地质情况特殊处理进行调整。
喷射砼厚度为250mm，等级C20；速凝剂掺量为水泥重量的6%；混合料采用搅拌机搅拌，随拌随用，不掺速凝剂的干料其存放时间不应超过1小时。
喷护作业应分层、分段、分部位进行，喷射顺序应自下向上，沿水平方向螺旋式移动，回旋直径应为300mm左右，一圈压一圈，每次喷射高度不大于0.5m，喷射时不应在一处堆积，要求喷射密实，不得漏筋，要求喷射后的混凝土表面平整、直顺。
喷射前检查工具、设备是否齐全良好，喷射时管道不得有死弯，喷枪在任何情况下严禁对人。
喷射工人必须做到开始时先送风、再开机、再给料，结束时待料喷完后再关风。
向喷射泵供料连续均匀，机器正常运转时，料斗内保持有足够的存料。
喷射机的工作压力满足喷头处的压力在0.1Mpa。
喷头与受喷面保持垂直，宜保持0.6～1.0m的距离，喷射时控制好水灰比。
每次喷射前将前次喷射砼的接茬部位清理，清除表面的泥土，以保障接茬处的密实。
往下逐层开挖，逐层施作钢格栅、暗柱及钢筋网片，与上一层预埋的钢筋焊接后喷射混凝土。
随后逐层重复施工至低于设计垫层底标高250mm位置，且在此处施作一道锁脚钢格栅，其做法与其他钢格栅一致。
在工作坑开挖过程中，随开挖在锚喷护壁增加上下工作坑的爬梯。
爬梯采用φ16钢筋，按塑钢大踏步尺寸预制成型，爬梯在锚喷之前安装，与锚喷钢筋连接牢固，爬梯伸入混凝土内外露100mm，竖向间距为300mm。
、盘撑及土钉设置
为确保工作坑的稳定，工作坑深度在1.5米以下设一道盘撑；随开挖深度进行曾设盘撑，盘撑采用25＃工字钢，四角安放斜撑以提高工作坑的抗倾覆能力及稳定性。
在工作坑深度超过6米时工字盘撑在垂直长边距转角1米处做对顶支撑，增加钢盘撑的钢度和整体性。
在钢格栅位置设盘撑土钉，土钉采用φ20钢筋，呈“L”型，长度为2.5m，以斜向下15°～20°方向打入，间距为1000mm一根，土钉与钢格栅主筋焊接，使锚喷混凝土与后背土体形成整体，确保支撑更稳定。
、工作坑底做法
锚喷施工完毕后，封底标高即设计垫层底标高，工作坑底部为卵石层利于排水，在工作坑一角做500mm深集水坑，集水坑采用φ400无砂管，防止雨季施工时利于坑内排水。
保证坑底平整干燥。
使工作坑形成一个整体。
计算公式
以现在工作坑为计算模型进行计算。
工作坑内空为6×4m矩形结构，深7m，逆做锚喷护壁（见顶管坑剖面图）。
冠梁计算
冠梁上部荷载取值按起重架起吊5T混凝土管（Φ1050mm）计算，平台及起重架荷载约为1.8T。
钢筋混凝土标准值为25KN/m3（见〈荷载规范〉）
恒载分项系数γG=1.2，活载分项系数γQ=1.4，则作用在梁上总荷载设计值为：
G=1.8/4×1.2+6.8/4×1.4=2.92t
故冠梁承受上部荷载为29.2KN，分别由四个支撑传递给冠梁。
因冠梁是一个闭合框架，属于多次超静定结构，为简化计算，本工程以简支梁为基本结构计算冠梁的最大弯距，其结果偏安全。
顶管工作坑的内边缘尺寸为6×4m矩形框架，现以5m为一计算单元，冠梁的尺寸为500×400mm。
计算冠梁的最大计算弯距
Mmax=29.2×6.5/2=94.9KN.m
2）冠梁拟采用C20砼，Ⅱ级钢筋，fcm=11N/mm2，fy=310N/mm2，h=400mm，b=500mm，h0=400-80=320mm。
将各值代入下式：
Mmax=fcm·b·x·（h0-x/2）/γc
94.9×106=11×500×X×（320-X/2）/1.25
可得砼的受压区高度为：
X=72mm
则受压区高度系数ξ=x/h0=72/320=0.1≤ξjg=0.55
3）求所需钢筋面积Ag
将各已知值及x=72mm代入下式：
Ag=fcm·b·x/fy，可得所需钢筋面积为：
Ag=11×500×72/340=1164.7mm2
4）选择并布置钢筋
现取冠梁的受力钢筋为Φ18，需钢筋数为Ag/（18/2）×（18/2）×3.14=4.6根，故需要钢筋数为5根，实际钢筋截面积为Ag＝5×（18/2）×（18/2）×3.14＝1271.7mm2，则截面的实际配筋率为：
μ=Ag/（b·h0）=1271.7/（500×320）=0.79%＞μmin=0.15%
冠梁的箍筋取Φ6，间距200mm。
5）锁口梁水平挠度验算
依据“中国建筑工业出版社”出版的《简明施工计算手册》，吊车支腿对地面的压力，其扩散角度为45度，故锁口梁不在吊车支腿对地面压力的扩散范围之内，因此不必验算锁口梁的水平挠度。
锚喷护壁的结构强度验算
顶坑受力计算
1）垂直方向
A、受力分析
取单位宽度为1m，高度为7m的锚喷结构为研究对象，此结构类似一端固定的悬臂梁结构，其固定端受到的弯矩值最大。
它受到上部土壤及地面荷载带来的竖向压力及土壤沿结构自上而下产生的侧向压力，还受到型钢支撑的支撑反力F1、F2、F3、F4、F5.
B、计算弯矩值
⑴计算土的平均密度
因该地区土层多且分布不均，为简化计算将各土层密度进行加权平均：
ρ=（1.94×6.1+1.97×5.03）/（6.1+5.03）=1.954g/cm3
⑵该地区的土壤侧压力系数为ξ=0.57，土壤的侧压力（顶部、底部及腰梁处）为：
q1=ξγh=0.57×19.15×0.77=8.33KN/M
q2=ξγh＝0.57×19.15×2.77＝30.24KN/M
q3=ξγh＝0.57×19.15×4.77＝52.07KN/M
q4=ξγh＝0.57×19.15×6.77＝73.9KN/M
q5=ξγh＝0.57×19.15×8.77＝95.73KN/M
q6=ξγh＝0.57×19.15×10.77＝117.56KN/M
q7=ξγh＝0.57×19.15×12.77＝139.39KN/M
q8=ξγh=0.57×19.15×13.57＝148.19KN/M
其中g为重力加速度，g=9.8m.s-2。
b为结构的单位宽度，b=1m, h为地面到作用点的垂直深度。
（依据：
库仑土压力计算公式）
⑶型钢支撑的反力为：
F1=ξρgbh2/2=0.57×1.954×9.8×1×1.52/2=12.36KN
F2=ξρgbh2/2=0.57×1.954×9.8×1×（3.52-1.52）/2=54.6KN
F3=ξρgbh2/2=0.57×1.954×9.8×1×（5.52-3.52）/2=98.28KN
F4=ξρgbh2/2=0.57×1.954×9.8×1×（7.52-5.52）/2=141.96KN
F5=ξρgbh2/2=0.57×1.954×9.8×1×（9.52-7.52）/2=185.64KN
受力分析知，最下面一道钢环撑下的一段受力最大，故取此断为研究对象：
公式：
M=-2Pa2b2/L3（依据：
《机械设计手册》中简支梁的计算）
固定端反力Ra=60217.32N
固定端反力Rb=79172.68N
固定端反力矩Ma=-51839.26N·m
固定端反力矩Mb=-62207.11N·m
最大反力矩Mmax=56551.92N·m
最大剪力Qc=-79172.68N
最大挠度fmax=3.977E-05m
2）水平方向受力分析
A、工字钢与腰梁的受力一样，在水平方向都是受均布载荷，由土压力及工字钢受力分析知，最低层的工字钢及腰梁受力最大。
B、腰梁受力计算（依据：
《机械设计手册》中简支梁受均布载荷）：
公式：
Mmax＝ql2/24,Ra=Rb=ql/2
计算结果：
固定端反力Ra=453017.5N
固定端反力Rb=453017.5N
固定端反力矩Ma=-490768.96N·m
固定端反力矩Mb=-490768.96N·m
最大反力矩Mmax=245384.48N·m
最大剪力Qc=-453017.5N
最大挠度fmax=3.702E-02m
C、工字钢受力计算（依据：
《机械设计手册》中简支梁受均布载荷）：
公式：
Mmax＝ql2/24,Ra=Rb=ql/2
计算结果：
固定端反力Ra=235120N
固定端反力Rb=235120N
固定端反力矩Ma=-156746.67N·m
固定端反力矩Mb=-156746.67N·m
最大反力矩Mmax=78373.33N·m
最大剪力Qc=-235120N
最大挠度fmax=1.187E-02m
25#工字钢抗弯截面系数423cm3，抗弯许应应力[σ]=200MPa
25#工字钢的最大抗弯为：
423×200＝84.6KN·m，所以工字钢满足要求。
3）计算截面的抗弯承载力（MU）。
⑴已知条件：
C20混凝土抗压强度设计值为fcm=27N/mm2，Ⅱ级钢筋抗拉强度设计值为fy=340N/mm2，抗压强度设计值为fy＇=340N/mm2。
Φ20受拉钢筋截面积AS=628mm2，Φ20受压钢筋截面积AS＇=628mm2，竖向连接筋为Φ20，其受拉钢筋面积为628mm2，受压钢筋面积为628mm2.矩形截面的有效高度h0=220mm,纵向受拉钢筋的合力点到截面受拉边缘的距离as＇=30mm。
⑵求受压区高度X：
X=（fyAS—fy＇AS＇）/fcmb=52.72
⑶截面的抗弯承载力MU
MU=fcmbx（h0—x/2）+fy＇AS＇（h0—as＇）
=104+340×（628+628+628+628）×（220—30）
=266.28KN·M＞245.4KN·M
所以锚喷混凝土结构截面的抗弯承载力MU大于弯矩的设计值M，其抗弯承载力是能保证截面安全可靠的。
通过以上计算也可知道在型钢支撑处混凝土结构所承受的剪力值最大，最大为372.45KN，而混凝土结构抗剪承载力为：
V=0.07fcmbh0=0.07×27×1000×220=415.8KN＞372.45KN
所以锚喷混凝土结构截面的抗剪承载力是能保证截面安全可靠的（计算依据：
“中国建筑工业出版社”出版的《简明施工计算手册》）。
为提高安全系数，增大基坑纵向及横向支护的刚度，在基坑6米一侧的中间安装一道暗柱，安装位置及尺寸见配筋图，并且6米以下的钢支撑，增加两道（具体见配筋图）。
对钢筋焊接必须进行焊样送检，达到合格后方可焊接。
3.2顶管平台及起重架
工作平台起重架由30#工字钢支搭而成，顶管工程下管、吊运出土的工作支架采用4根定型钢管￠168×8×9000㎜做顶管支架,负责土的吊运，同时安装10t卷扬机及滑轮组负责混凝土管的吊运。
顶管工作平台布置示意图
第四章质量标准
4.1竖井格栅钢架质量要求
序号
项目
允许偏差
检验方法
1
受力钢筋成型长度
+5，-10
用尺量
2
弯起成型钢筋的弯起点位置
±20
3
箍筋尺寸
0，-3
用尺量，宽、高各计1点
4.2喷射混凝土质量要求
序号
检查项目
允许偏差（mm）
检查方法
1
隧道拱顶标高
+20-0
用水准仪检查，30m一个点
2
隧道宽度
+20-0
用经纬仪及钢尺检查，30m一处
3
喷层厚度
不应小于设计厚度
每15m检查一个断面，每个断面从拱部中线起，隔1m而设一个检查点，但每个断面不得少于5个点
第五章成品保护
5.1竖井格栅钢架
1）加工成型的格栅在运输、安装中禁止抛摔，避免变形。
2）成型的格栅构件应归类码放整体，防止变形或安装错误。
5.2喷射混凝土
1）底板喷射混凝土强度未达到1.2MPa前，应在采取保护措施后方可上人作业。
2）注浆管应采取保护措施，防止喷射混凝土堵管。
喷射混凝土后应根据所埋设的厚度标志，及时用铁锹或抹子将超过厚度的部分清楚，严禁拍打。
第六章安全措施
6.1格栅钢架制作、安装
1）卷扬机司机、电焊工、电工等必须持证上岗。
2）在电焊及气焊周围严禁堆放易燃、易爆物品。
3）格栅钢架码放高度不得超过1.5m，并禁止抛摔。
6.2喷射混凝土
1）喷射机、风包、输水管等应进行密封性能和耐压试验，合格后方可使用。
2）喷射混凝土施工作业中，要经常检查出料弯头、输料管和管路接头有无磨损、击穿或松脱等现象，发现问题，应及时处理。
3）处理机械故障时，必须使设备断电、停风。
4）喷射作业中处理堵管时，应先停风，再停止供料，顺着管路敲击，人工清理。
5）喷射混凝土作业人员应穿戴防尘用具。
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