上海某污水处理厂排海管道顶管施组设计方案Word格式.docx
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9）《市政道路、排水管道成品与半成品施工及验收规程》DGJ-87-2000；
10）《市政排水管道工程施工及验收规程》DBJ-220-96；
11）《市政排水构筑物工程施工及验收规程》DBJ-224-96；
12）《钢筋焊接及验收规程》JGJ18-96；
13）《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001
14）《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》GB50212-1991；
15）《工业金属管道工程施工及验收规范》GB50235-97
第二章出海顶管施工
一、顶管设备的选择
1.1、选择顶管掘进机
根据本工程地质条件及现场情况，本工程采取大刀盘泥水平衡顶管法施工。
（参见附图03《泥水系统示意图》）
泥水平衡顶管机的工作原理是利用具有一定压力的泥水与土的混合体作用在顶管开挖面上，在开挖面上形成一层泥浆层（泥浆护壁）。
泥水压力透过泥浆层与开挖面上的水、土压力相平衡，保持开挖面不会发生坍塌与沉降。
作用在开挖面上的泥浆压力一般设定为：
泥浆压力=土压+水压+附加压（0.2kgf/cm2）
泥浆压力一般根据渗透系数，开挖面松驰状况、渗水量决定。
如果加压过大而顶管机顶力及泥浆对开挖面的渗透量会加大，加快泥浆流失；
相反会造成开挖面坍塌、失稳。
泥浆是通过设置在地面上的调整槽将泥浆调整到适合地层状态后，用泥浆输送泵加压后经输送管道送至开挖面和土压力舱，调整泥水压力，使泥水压力与开挖面上的水、土压力与开挖面上的水、土压力保持平衡，达到稳定开挖面的目的。
在管道系统中设置了旁通回路，当管道被堵塞或后续设备发生故障，需要排堵及维修，长时间停机时，由于泥浆的渗漏，开挖面的泥浆压力将下降，此时打开旁通回路，通过送泥泵（P1泵）向开挖面补充输送泥浆，这样可以确保开挖面的泥浆压力与水、土压力保持平衡。
顶管机顶进时为了确保开挖面的稳定，对以下方面进行严格管理：
送泥浆、开挖面土压力、顶管机推进速度、送泥泵的转速、掘削土量、钢顶管背后注触变泥浆。
1.2、主顶进系统
主顶进系统共有8只2000kN双冲程（或单冲程）等推力油缸，总推力16000kN，根据设计沉井结构，最大顶力控制在1200KN，8只双冲程（或单冲程）油缸组装在油缸架内，安装后的8只油缸中心位置必须与设计图一致，以使顶进受力点和后座受力都保持良好状态。
安装后的油缸中心误差应小于5mm。
主顶液压动力机组由二台大流量斜轴式轴向柱塞泵供油，采用大通径的电磁阀和系统管路，减小系统阻尼，8只油缸可以单动，亦可联动。
参见附图04《工作井设施示意图》
1.3、注浆系统（参见附图05《注浆系统示意图》）
顶进施工中，减阻泥浆的运用是减少顶进阻力的主要措施，顶进时通过管节上的压浆孔，向管道外壁注入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆环套，减小管节外壁和土层间的摩擦力，从而减小顶进时的顶力，泥浆套的好坏，直接关系到减阻的效果。
为了做好压浆工作，顶进施工时采用我公司特制配方的优质膨润土进行减摩注浆施工。
该优质膨润土在其它类似工程和类似土质条件下取得了很好的效果。
在工具管尾部环向均匀地布置了四只压浆孔，用于顶进时跟踪注浆。
混凝土管节上布置有四只压浆孔，其后每两节到三节管节里有一节管节上有压浆孔，压浆总管用2"
耐压橡胶管，除工具管及随后的三节混凝土管节外，压浆总管上每隔6M装一只三通，再用压浆软管接至压浆孔处，顶进时，工具管尾部的压浆孔要及时有效地跟踪压浆，确保能形成完整有效的泥浆环套，混凝土管节上的压浆孔是供补压浆用的，补压浆的次数及压浆量根据施工时的具体情况确定。
减阻泥浆的性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水，不沉淀，不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。
减阻泥浆的拌浆制度要严格按操作规程进行，催化剂，化学添加剂等要搅拌均匀，使之均匀化开，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化。
泥浆拌好后，放置一定的时间才能使用，压浆是通过储蓄池处的压浆泵将泥浆压至管道内的压浆总管，然后经由压浆孔压至管壁外，施工中，在压浆泵，工具管尾部等处装有压力表，便于观察，控制和调整压浆压力。
在压浆支管处的浆液压力一般应控制略高于土体静止土压力。
顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特征，一般按管壁空隙的5CM计算理论压浆量，由于泥浆的流失及地下水的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达理论值的3-5倍，但在施工中根据土质情况、顶进情况而定。
顶管注浆系统分为机头同步注浆和管道补浆。
机头同步注浆由地面液压注浆泵通过Φ50管路压送到机头处储箱内，再由螺杆泵定量压入机头壳体外，在机头处应安装隔膜式压力表，以检验液是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置单向阀和球阀，软管和接头的耐压力5MPa，支管通径为Φ25。
在整个管道中每间隔2个管子设1个补浆断面共4个注浆孔，补浆由总管（Φ50）压送至各补浆断面上的注浆孔。
补浆应按顺序依次进行，每班不少于2次循环，定量压注。
同步注浆和补浆分别选用A浆和B浆二种不同配方的浆液。
浆液配置技术指标参数表
配方
膨润土
纯碱
掺加剂
漏斗粘度
（秒）
视粘度
CP
失水量
ml
终切力
（达因/mm3）
比重
稳定性
A浆
12％
6‰
CMC
适量
塞流
30.5
9
130
1.073
B浆
8％
4‰
36”
21
12.6
80
1.048
0~0.001
注浆压力：
大于地下水压力，注浆量为建筑空隙的3～5倍。
1.4、供电系统
地面以及工作井内设备供电分别采用75mm2电缆，380V常压输电，且分别用一只250A电箱控制；
管道内动力电采用120mm2电缆，380V常压输电。
详细供电方方案请参见《用电施工组织设计》。
考虑到1#、2#排海顶管顶程长，动力线路的降压较大，顶管工具管前设置升压器一台。
1.5、通讯系统、监控系统
长距离顶进必须保证信息交换渠道的畅通，同时对施工操作人员要进行监护，防止发生安全事故，因此需要设置通讯、监控系统。
通讯采用数字程控交换机，各联络点之间可以通过电话联系，由于管道内空气潮湿，现场配备移动便携式烘干设备，随时能够处理交换机遇潮故障，以保证通话安全畅通。
监控采用了一台监视器，对工具管仪表盘、光靶进行监控。
这样地面人员能及时了解施工情况，发生问题可以及时解决。
为了解决传输信号长距离输送衰减的问题，将信号通过放大器放大后再送上地面，保证图像清晰。
1.6、照明系统
照明采用36V安全电压，用16mm2电缆供电解决照明供电。
管道内每6M安装一个6W行灯，每200M放设一个变压器提供36V电源升压，每只变压器连接33只行灯进行照明。
工作井及龙门吊位置设置三盏1000W卤素灯供晚上顶管及管材吊放时照明。
1.7、通风系统（参见附图06《通风系统示意图》）
为了改善管道内的工作环境，施工时对管道进行强制通风，由地面空压机提供的经过滤清、除湿、降温的新鲜空气利用大功率鼓风机通过Φ300mm进气管送到顶管机头，并在通风管道上100M、250M、500M三处开设排风孔，管道内一氧化碳、二氧化碳、沼气等有害浑浊气体及微粒由轴流鼓风机排放出管道外。
。
管道内放置有害气体检测仪，派专人巡视检测有害气体，一旦有害气体超标，当即命令管道内所有人员撤离。
二、工作井平面布置
（详见附图07《顶管工作井平面布置图》）。
三、顶管的施工工艺流程
四、土压力值设定、总推力估算及中继间设置
1#排海管全长L=853.6m，2#排海管全长L=746.3m，应急排管全长L=203.8m，1#、2#排海管埋设深度为管中心标高为-8.00～-18.00m，应急排管埋设深度为管中心标高-8.00～-10.00m。
4.1、泥水压力设定泥水压力设定、总推力估算
4.1.1、1#排海管
泥水压力设定：
本工程地下水位为浅部土层潜水水位，随着季节、气候等影响而变化，根据地质资料反映，设计时地下水水位埋深可按0m考虑。
泥水舱内压力大于地下水压力，泥水舱泥水向地层空隙渗透，在泥水舱、泥水于土层之间形成泥膜，且泥水舱压力托住土层，使切削面稳定不塌陷。
P≥PW+ΔP
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20Kpa；
管中心最大埋深标高：
-18m；
地下水位设计考虑标高水位：
0m；
地下水位相对管底基准面水头:
HW=18m。
地下水位相对管底压力：
PW＝HW*γ水=180Kpa；
泥水舱压力：
P≥PW+ΔP＝180Kpa＋20Kpa＝200Kpa
泥水舱压设定暂按P≥200Kpa，施工时要随时测地下水位，当地下水位提高时，要按上式公式及时调整泥水舱泥水压力。
对泥水舱压力控制在顶管机泥舱设有压力传感器。
顶管总推力值估算如下：
掘进机迎面阻力F0
F1=
D2Pmax
=
×
4.142×
200=2652.3KN
管道的综合阻力F1
F2=μπDL
=3×
π×
4.14×
853.8=33297.18KN
总推力F
F=F1+F2=35950KN
本标段高位井所能承受的最大顶力为12000KN，根据计算该顶程须要设置中继间。
4.1.2、2#排海管
掘进机迎面阻力F1
746.3=29104.8KN
F=F1+F2=31757.1KN
4.1.3、应急排管顶管
-10m；
HW=10m。
PW＝HW*γ水=100Kpa；
P≥PW+ΔP＝100Kpa＋20Kpa＝120Kpa
泥水舱压设定暂按P≥120Kpa，施工时要随时测地下水位，当地下水位提高时，要按上式公式及时调整泥水舱泥水压力。
120=1615.4KN
203.8=7948KN
F=F1+F2=9563KN
本标段高位井所能承受的最大顶力为12000KN，根据计算该顶程无须设置中继间。
4.2、顶力控制与中继环设置
4.2.1、1#排海管中继间的设置估算
在综合分析了主顶液压装置，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，我们先确定控制顶力F控＝1200t
顶进阻力由二部分组成F=F1+F2；
工具管迎面阻力为：
F1=265.23t
管道周边摩阻力F2=π×
D×
L×
f
D---管外径L---顶进长度f---单位面积周边阻力。
在1号中继环以前，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/m2这样可得：
L1=[（F控-F1）]/πDf＝（1200-265.23）/（π×
1.2）=60m
对1号中继环以后的长度L2
L2=F控/πDf=1200/（π×
0.8）=155m
对2号中继环以后的长度L3
L3=F控/πDf=1200/（π×
0.4）=230m
对3号中继环以后的长度L4
L4=F控/πDf=1200/（π×
顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效方法是注浆。
我们设想在管外壁与土层之间形成一条完整的环状的泥浆润滑套，变原来的干摩擦状态为液体摩擦状态。
这样就可以大大地减少顶进阻力。
要达到这一目的，就必须严格执行顶管注浆操作规程，由专人操作，质量员检查严格把好质量关。
结合我公司多年施工经验，采取必要减摩措施，对中继间进行合理调整后，中继环的设置计划如下：
1#排海管：
L1＝30m，L2＝150m，L3＝200m，L4＝230m，共需4套中继环。
（L1指1号中继环以前的长度，L2指1号中继环以后的长度，L3指3号中继环以后的长度，L4指最后一段长度）。
4.2.2、2#排海管中继间的设置估算
L1=[（F控-F1）]/πDf＝（1200-265.23）/π×
1.2=60m
L2=F控/πDf=1200/π×
0.6=155m
L3=F控/πDf=1200/π×
0.4=230m
考虑到曲线顶管的影响，经调整后，中继环的设置计划如下：
2#排海管：
L1＝30m，L2＝150m，L3＝230m，共需3套中继环。
（L1指1号中继环以前的长度，L2指1号中继环以后的长度，L3指指最后一段长度）。
4.2.3、中继环设计
为提高工程的可靠性，每套中继环安装25只800KN单作用油缸，总推力20000KN，油缸行程为300mm，由于中继环的实际总推力是顶进阻力引起的，所以在正常顶进条件下，中继环液压系统工作压力较低，设备故障率小，可靠性高。
中继环的结构形式是经过立车切削加工的，尺寸精度高。
由于中继间启动伸缩次数很多。
密封圈极易磨损失效而发生漏水、漏泥砂、漏浆等现象，给工程带来严重后果，甚至发生工程事故。
为此本工程中继间结构采用径向可调密封形式，并设二道密封圈。
在二道密封圈之间设置4只可以压注润滑油脂的油嘴，以减轻顶进时密封圈的磨损。
还设置有4只注浆孔，顶进时可进行同步注浆，以减少顶进阻力。
中继环的结构形式是采用特殊管的形式，根据我单位类似工程成功施工经验（综合考虑经济、技术因数）1#、2#排海顶管第一套中继环采用钢结构形式，其他后续中继环采用混凝土结构形式。
五、初始顶进
顶管机初始顶进是顶管施工的关键环节之一，其主要内容包括：
出洞口前地层降水和土体加固、设置顶管机始发基座、顶管机机组装就位调试、安装密封胀圈、顶管机试运转，拆除洞临时墙、顶管机机贯入作业面加压和顶进等。
5.1、准备工作
（1）洞门止水设施安装完毕；
（2）轨道、基座安装完毕；
（3）主顶、后背设施的定位及调实验收合格；
（4）顶管机吊装就位、调实验收合格。
5.2、顶管机出洞
在顶管机出洞前，需重点对洞圈外部土体的加固效果进行检查，只有在确认出洞口土体达到止水效果后，方可进行顶管出洞施工。
对顶管机、主顶进装置等主要设备进行一次全面的检查、调试工作，对存在问题及时解决；
同时，充分准备好顶管出洞施工所需材料，并在各相关位置就位。
仔细检查好洞口第二道橡胶衬压密效果，以确保顶管机正常出洞。
工作井洞口止水装置应确保良好的止水效果。
根据设计预留的法兰，我们在法兰上安装两道工作井洞口止水装置。
该装置必须与导轨上的管道保持同心，误差应小于2mm。
钢封门打开后，顶管机迅速靠上开挖面，并调整洞口止水装置，贯入工作面进行加压顶进，尽量缩短开挖面暴露的时间。
5.3、试顶
顶管机在出洞后顶进的前20m作为顶进实验段。
通过实验段顶进熟练掌握顶管机在本工程地层中的操作方法、顶管机推进各项参数的调节控制方法：
熟练掌握触变泥浆注浆工艺：
测试地表隆陷、地中位移等，并据此及时详细分析在不同地层中各种推进参数条件下的地层位移规律和结构受力状况，以及施工对地面环境的影响，并及时反馈调整施工参数，确保全段顶管安全顺利施工。
5.4、顶管机出洞注意事项
顶管机出洞前要根据地层情况，设定顶进。
开始顶进后要加强监测，及时分析、反馈监测数据，动态地调整顶管机顶进参数，同时还应注意以下事项：
（1）出洞前在基座轨道上涂抹油，减少顶管机推进阻力。
（2）出洞前在刀头和密封装置上涂抹油脂，避免刀盘上刀头损坏洞门密封装置。
（3）出洞基座要有足够的抗偏压强度，导轨必须顺直，严格控制其标高、间距及中心轴线。
（4）及时封堵洞圈，以防洞口漏浆。
（5）端头砼墙拆除前的确认：
出洞前确认墙拆除后的形状是否有碍于顶管机的通过，另外，检查衬垫的安装状况，如衬垫与围岩之间较远，则设置延伸导轨，防止顶管机前倾。
（6）防止顶管机旋转、上飘。
顶管机出洞时，正面加固土体强度较高，由于顶管机与地层间无摩擦力，顶管机易旋转，宜加强顶管机姿态测量，如发现顶管机有较大转角，可以采用刀盘正反转的措施进行调整。
顶管机刚出洞时，顶进速度宜缓慢，刀盘切削土体中可加水降低顶管机正面压力，防止顶管机上飘，同时加强后背支撑观测，尽快完善后背支撑。
（7）在顶管机靠上正面土体后，需立即开启刀盘切削系统进行土体切削，以防顶管机对正面土体产生过量挤压，使切削刀盘扭距过大。
（8）由于顶管初出洞处于加固区域，为控制顶进轴线。
保护刀盘，顶进速度不宜过快。
（9）在顶管初出洞段顶进施工过程中，对顶管机姿态要勤测勤纠，力争将出洞段顶管轴线控制到最好，为后阶段顶管施工形成一个良好的导向。
（10）顶管机完全贯入地层，管外注浆还未实施之前，顶管机以及出发的各设备均处于极不稳定状态，顶进中要经常检查，发现异常，立刻停止顶进，进行妥善的处理。
六、泥水平衡顶管顶进施工
6.1、顶进主要参数
在顶管机顶进中，泥浆的压力、浓度对保持挖掘面的稳定性起着关键作用。
泥浆浓度根据土质变化及时调整。
泥水舱泥浆压力取决与地下水、土压力，施工过程及时测得数据，确定泥水压力，使泥水舱压力始终大于水压力。
泥水出定参数：
顶进速度100mm/min
泥水比重1.15t/m3
泥水舱压力p=160～200Kpa（根据实际地质情况动态优化控制）
泥水流量Q1≤0.65m3/min
排泥流量Q2≤1.07m3/min
6.1.1、顶进速度
机头顶进速度设定100mm/min。
如要加大顶进速度，在保证泥水舱泥压的条件下，要先加大泥浆流量，再计算顶进速度，否则排泥管会堵塞。
6.1.2、泥水压力
（1）泥水压力值P的选定：
P值应能与地层土压力和静水压力相抗衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，则P一般控制在P=P0＋20（Kpa），并在地层顶进过程中根据地质和埋深情况以及采取的相应技术措施进行反馈和调整优化。
（2）地表沉降与开挖面保持平衡稳定关系以及相应措施对策。
地表沉降信息表工作面状态P与P0关系措施与对策备注
下沉超过基准值工作面塌陷与失水Pmax<
P0增大P值Pmax，Pmin分别表示P的最大最小峰值
隆起超过基准值支撑土压力过大，土舱内水进入地层Pmin>
P0减少P值。
（3）泥水压力P的保持主要通过维持开挖土量与排泥量的平衡来实现。
可通过设定顶进速度、调整排泥量或设定排泥量、调整顶进速度两条途径来达到。
6.2、泥浆管理
泥浆管理就是对泥浆质量的控制，即对泥浆四大要素的调整。
四大要素为：
最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆水密度和泥浆水压力。
泥浆控制除保持开挖面稳定外，对泥浆稳定、泥浆中土粒保持也很重要。
随着粘土矿物质组成和氯离子浓度的不同，泥浆物理特性有很大的不同。
因此，使用前先进行泥浆实验，了解其主要特性，根据管理标准值进行控制以保持适当泥浆压力。
6.3、顶进工序
6.3.1、顶进
启动刀盘系统：
启动输泥管和排泥管泵，泥路循环。
机头顶进：
工作井顶进千斤顶设定顶进速度100mm/min，再计算机控制下，千斤顶以100mm/min速度顶进。
同时，流量计测量流量，使排泥管流量保持在1.07m3/min，保持泥水舱压力。
6.3.2、下管时的操作程序
保持泥水舱压力；
机头刀盘停转；
待排泥管路冲洗干净后，停止输泥泵、排泥泵；
关闭触变泥浆、输泥管、油管、排泥管阀门。
拆除工作井管接口各种管线、电缆、管内应急灯工作。
6.4、触变泥浆系统
只要管开始出洞，触变泥浆只有在下管时不补浆，其他时间全部补浆。
触变泥浆以顶管机头的同步加浆非常重要，机内人员在机头顶进时要观察注浆压力和流量，并作记录。
每次下管后顶进前，机头操作人员要开启触变泥浆与排泥管联通阀门5～15秒，以使管内触变泥浆有凝胶变成胶体，减少压力损失。
6.5、排风系统
通风由地面的11KW送风机经Φ300管道送风至掘进机处。
地面和井内的水平，垂直和弯头处的管道均采用硬管（=1mm白铁皮）
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