长距离人工顶管施工工法.docx
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长距离人工顶管施工工法
长距离人工顶管施工工法
1前言
胜利油建公司广东天然气管网一期项目部施工的广东天然气管网惠州段位于广东省惠州市惠城区和惠阳区。
始于东江大呗，经潼湖军垦区，沥林镇工业园区，终止于惠州市工业园。
线路实长约47.9公里，设计压力10MPa，管径为Φ914mm，壁厚分别为16mm、17.5mm、22mm。
区域地貌主要有低山、丘陵、山间盆地、山间峡谷等。
其中管线在沥林镇凤凰岗村穿越凤凰岗山体后沿惠莞高速向镇隆镇方向延伸。
原方案采用开挖山体沟下焊接，但考虑到山体地势陡峭，受地形限制，大型设备无法进入，土方量较大，山体开挖后需要支护等因素，并且开挖施工影响居民正常生产生活，由于南方地区，特别是广东境内居民风水意识强烈，业主、监理及项目部联合多次处理工农关系未果，严重影响了我项目部施工进度。
根据相关部门提供的资料及经过现场勘探，最后决定采用采用人工顶管方式，即利用两台320吨千斤顶并结合中继间技术及注浆技术，完成284m的山体穿越，顶管用钢筋混凝土套管DRC1800×2000mmGⅢAJC/T640。
2工法特点
2.1长距离人工顶管施工与机械顶管相比，其显著特点如下:
设备简易，技术难度低，易于推广，施工成本低；
工作井及接收井占用场地小；
容易发现对下障碍物，清楚的做出判断，防止不必要的损失。
2.2与大开挖穿越相比，对周围环境影响小，可有效保护环境，不影响人们生活秩序。
3适用范围
本施工工法适用于能自立的土中，如粘土、亚粘土、强风化岩层，在采取注浆或降水的辅助施工后，可适用于砂性土，砂砾土等。
本施工工法可敷设穿越地面构（建）筑物、山体、公路、铁路等，管径在1.0~2.5m，长度在300m以内的给水管道、排污管道、工业地下管道等。
4工艺原理
长距离人工顶管施工就是利用人工挖土，借助于主顶油缸、管道中继间等的推力及注浆减摩辅助措施，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接受坑内吊起；与此同时，也就把紧随工具管后的管道埋设在两坑之间。
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工流程
5.2施工准备
5.2.1顶管工程开工前，建设单位组织设计单位、施工单位、监理单位等相关方进行设计交底。
当施工单位发现施工图有错误时，应及时向设计单位提出设计变更申请，变更申请应得到建设方和设计单位确认。
5.2.2顶管工程开工前，施工单位应根据施工范围进行现场调查，绘制现状调查平面图，并应掌握现场以下资料：
1）现场地形、地貌、建筑物、各种地面地下管线和其他设施情况；
2）工程地质和水文地质资料；
3）地区气象资料；
4）工程用地、交通运输及排水条件；
5）施工供水、供电条件；
6）工程材料、施工机械供应条件；
7）结合工程特点和现场条件的其他情况和资料。
5.2.3顶管工程施工前，施工单位应编制实施性施工组织设计、基坑开挖及支护专项方案、用电施工组织设计等。
5.2.4顶管工程施工前，施工单位应接受建设单位组织的有关单位向施工单位进行的现场交桩，并办理交桩手续。
5.2.5临时水准点和管道轴线控制桩的设置应便于观测且必须牢固，采取保护措施并经常校核。
5.2.6对已建管道、构筑物等与新建管道衔接的平面位置和高程，开工前应进行校对复核。
5.3工作井及后靠背制作
以广东天然气管网惠州段凤凰岗山体顶管穿越为例。
根据现场情况，在穿越山体GHHY0012桩一侧开挖工作井，平面尺寸为Ф7m。
（1）因管径较大，穿越长度较长，施工季节在雨季，工作井在山坡下极易形成滑坡等地质灾害。
为保证顶管穿越安全顺利进行，工作井距离山体边20米位置制作，工作井采用钢筋混凝土结构，圆形沉井。
外形尺寸为Ф7m×5m（井深），壁厚0.5m，后靠背钢筋混凝土尺寸3m×2m×2m（壁厚）。
采用的钢筋网片纵向为Ф16钢筋，环向采用Ф12钢筋。
井深方向上每隔2m做一排注浆孔，环向上每隔2m做一个注浆孔，在沉井过程中不断由注浆泵向井壁与土层接触面注浆，以防止砂层将下沉井壁抱死。
沉井的下沉采用挖掘机并结合人工清渣的方式。
沉井到位后浇筑0.2m厚的混凝土垫层作为井底，并在轨道的位置上预埋两排预埋件。
在沉井前方预留2.2m圆孔，以便套管进入。
（2）集水井排水
沉井施工完成后，在井中部两侧砖砌2座1m深、直径Φ600的集水井明排水。
5.4导轨及顶管设备安装
5.4.1导轨安装
工作坑导轨选用采用重型钢轨，长度以管材长度1.5-2倍为宜；两导轨距离控制在管径的0.45-0.6倍之间，安装导轨时，应首先利用垂球和直尺确定导轨间距和平面位置，然后根据放样高程调整导轨高程，两导轨应顺直、平行、等高，，其纵坡与管道设计坡度相一致；安装后的导轨应当牢固，不得在使用中产生位移，并经常检查校核。
5.4.2主顶设备安装
顶管采用的主顶装置由主顶油缸、主顶油泵、操纵台及油管等四部分组成。
主顶油缸是管子推进的动力，主顶油缸的压力油由主顶油泵通过高压油管供给，主顶油缸宜固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。
5.4.3工作坑防护
工作坑周围必须安装护栏，护栏应用钢管制作（钢管Φ40mm），当在基坑四周固定时，可采用钢管并打人地面500～700mm深。
钢管离边口的距离，不应小于500mm。
当基坑周边采用板桩时，钢管可在板桩外侧进行焊接。
工作坑四周采用1.0m×1.2m封闭围挡。
工作坑上下应配有梯子，梯子必须有扶手，其跨度尺寸不大于30cm，工作坑在二步框架处应设置二次平台，作业人员应从规定的通道上下，不得从非通道进行攀登。
5.4.4顶管工作坑验收标准
顶管工作坑允许偏差应符合下表的规定：
序号
项目
允许偏差
（mm）
检验频率
检验方法
范围
频率
1
混凝土抗压强度
符合设计要求
按坑检验
2
中线位移
15
每座
2
经纬仪检测或挂中心线钢尺检查
3
后背
垂直度
1%H
1
垂线与钢尺检查
水平线与中线偏差
1%L
4
导轨
高程
+3，0
水准仪检测
中线偏位
3
经纬仪检测
注：
表中H为后背的垂直高度，L为后背的水平长度。
5.5顶进施工
5.5.1顶力计算
中继间前所受最大顶力，根据总顶力经验计算公式
F＝n×G×L
L=60m
其中n为土质粘度系数本地质取n=1.5（由于属于山体顶管，管顶可适当超挖，实际值远小于1.5）
G＝每米套管自重
主顶镐受力：
F＝1.5×60×2.45×103kg/m3×3.14×（1.8+0.18）×0.18m3＝246t＜300t，故安全。
顶进前180m后，采用主顶搞（QYS320液压千斤顶）将剩余100m顶进。
主顶镐受力：
F＝1.5×100×2.45×103kg/m3×3.14×（1.8+0.18）×0.18×1m3
＝411t
顶力达411t，为安全、稳妥的完成此项顶管任务，用两台最大顶力为320T的QYS320型顶镐顶进，即可满足顶进要求。
5.5.2套管顶进
（1）套管就位
下管前先对管子外观进行检查，主要检查管子是否有破损、纵向裂缝，管径符合规范要求，管口无破损，若修补合格处宜在正上方。
检查合格的管子方可用起重设备吊至工作坑的导轨上就位。
下管时工作坑内严禁站人。
当所下管子距导轨小于500mm时，操作人员方可进前工作。
管子就位，第一节管子下到导轨上，测量管体中心及前后端的管底高程，确认高程合格后方可顶进。
第一节管作为工具管，顶进方向与高程的准确，是保证整段顶管质量的关键。
（2）管前挖土与顶进
管前挖土是控制管节顶进方向和高程、减少偏差的重要作业环节，是保证顶管质量及管上构筑物安全的关键。
因此对管前挖土顶进的规定是：
在一般顶管地段，若土质良好，可超越管端300-500mm；在铁路道轨下方不得超越管端以外100mm，并随挖随顶，在道轨以外最大不得超过300mm，同时应遵守其管理单位的规定；在不允许基土下沉的顶管地段，管子周围一律不得超挖；在一般顶管地段，上面挖弧面允许超挖15mm，但在下弧面135°范围内不得超挖，一定保持管壁与土基表面吻合；在土层松散或有流沙地段顶管时，为防止土方坍落，保证安全便于操作，在首节管前端可安装管帽（帽檐伸出长度取决于土质）将帽檐顶入土中后，方可在帽檐下挖土。
顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进；顶进中若发现油路压力突然增高，应停止顶进，检查原因并经过处理后方可继续顶进，回镐时，油路压力不得过大，速度不得过快；挖出的土方要及时外运，及时顶进，使顶力限制在较小的范围内。
（3）顶进测量
在顶第一节管（即工具管）时，以及在校正偏差过程中，测量间隔不应超过30cm，以保证管道入土的位置正确；管道进入土层后的正常顶进，测量间隔不宜超过100cm，测量应在管前挖土后进行，根据偏差量修整管前土弧。
中线测量：
顶进长度在60cm范围内，可采用垂球拉线的方法进行测量，要求两垂球的间距尽可能地拉大，用水平尺测量头一节管前端的中心偏差。
一次顶进超过60cm应采用经纬仪或激光导向仪测量。
高程测量：
用水准仪及特制高程尺，根据工作坑内设置的水准点标高（设两个），测第一节管前端与后端管内底高程，以掌握第一节管子的走向趋势。
测量后应与工作坑内另一水准点闭合。
激光测量：
用激光经纬仪安装在工作坑内，并按照管线设计的坡度和方向调整好，同时在管内装上标示牌，当顶进的管道与设计位置一致时，激光点即可射到标示牌中心，说明顶进质量无偏差，否则根据偏差量进行校正。
全段顶完后，应在每个管节接口处测量其中心位置和高程，有错口时，应测出错口的高差，以衡量全段高程与纵坡，高程与中心偏差应在允许值之内。
（4）校正纠偏
顶进纠偏操作要坚持“小纠”、“勤测”、“勤纠”的工艺原则。
纠偏必须遵循两个原则，一是每次纠偏量不要过大，而且要注意发展趋势。
二是有高低与左右均发生偏差时，先纠高低，后纠左右。
常用的方法有以下三种：
①、超挖纠偏法：
偏差量1-2cm时，可采用此法，即在管子偏向的反侧适当超挖，而在偏向侧不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在顶进中向阻力小的超挖侧偏向，逐渐回到设计位置。
②、顶木纠偏法：
偏差大于2cm，在超挖纠偏不起作用的情况下，可用圆木或方木的一端顶在管子偏向的另一侧内管壁上，另一端斜撑在垫有钢板或木板的管前土壤上，支顶牢固后，即可顶进，在顶进中配合超挖纠偏法，边顶边支。
利用顶进时斜支撑分力产生的阻力，使顶管向阻力小的一侧校正。
③、千斤顶纠偏法
方法基本同顶木纠偏法，只是要顶木上用小千斤顶强行将管慢慢移位校正。
5.6长距离人工顶管措施
5.6.1中继间使用
因穿越管段较长，管径较大。
为保证本次穿越施工的顺利进行，拟采取三道中继间措施。
顶进一段60m后，利用壁厚δ=20mm钢板制作成千斤顶底座，并将其安装在31节水泥涵管的前端，6个50t液压千斤顶均匀布置在千斤顶固定座上，预制中继间工具管安装即完成。
利用320T的QYS320型顶镐将带有中继间的第31节套管与已顶的前30节水泥套管顶实。
利用壁厚δ=10mm的钢板卷制Φ2.3m×2m钢套桶，将钢套筒加装在第30节与31节套管外部，防止顶进时上部土体塌方，保护中继间的安全。
在顶进120m，180m后采用同样的方式制作安装第二道、第三道中继间（在顶管开始前，预先预制一套中继间，根据地质情况，如遇不良地质则安装在15、16节作为第一个中继间作为前15节套管的顶进动力及调向器使用，则中继间数量增加为4个）。
开始顶进阶段利用320T的QYS320型做主顶镐，顶进60m后加装中继间。
然后利用中继间液压千斤顶顶进前60m水泥套管一个行程，再利用主顶镐顶进下一节水泥套管与液压千斤顶紧实，再利用中继间液压千斤顶将前60m水泥套管顶进一个行程，主顶镐再继续顶进下节水泥套管与液压千斤顶紧实，如此循环，形成接力，顶进至120m、180m处时再分别加入第二道、第三道中继间。
为方便弃渣外运，需在加放中继间的两根套管之间安装Φ1.8m的半圆形钢板。
5.6.2注浆减摩
注浆减摩是长距离顶管施工中的一个重要环节，由于随着管子的不断推进，推力会随之增加，而降低顶进阻力最有效的方法是注入膨润土泥浆，使之在管外壁与土层之间形成一个完整的环状泥浆润滑套，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，减小地面沉降。
泥浆具体成分及配比如下表：
名称
膨润土
烧碱
水
质量（kg）
100
3
524
考虑采用膨润土触变泥浆进行减摩，注浆浆液是在地面注浆系统配制后，经过充分搅拌发酵，再通过液压注浆泵进入输浆总管及管节上的环形分管，压入管节上的注浆孔形成管节外围泥浆套。
注浆压力控制在0.15mpa以内，达到压力后注浆孔封堵密封。
顶进施工中，减阻泥浆的应用是减少顶进阻力的重要措施。
顶进时，通过工具管及混凝土管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，减少管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。
泥浆套的好坏，直接关系到减阻效果。
为了保证压浆的效果，在工具管尾部环向均匀地布置了4只压浆孔，顶进时及时进行压浆。
工具管后面的3节混凝土管节上都有压浆孔，以后每隔2节设置1节有压浆孔的管节。
混凝土管节上的压浆孔有4只，呈90°环向交叉布置。
压浆总管用φ50mm白铁管，除工具管及随后的3节混凝土管节外，压浆总管上每隔6m装1只三通，再用压浆软管接至压浆孔处。
顶进时，工具管尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。
混凝土管节上的压浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。
由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送，因此在管道内共设置5个压浆接力站，平均每隔60m左右设1站。
压浆接力站的作用有两个，一是运输作用；二是承担至前面压浆接力站管道部分的补压浆。
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，又要有一定稠度，顶进过程时要不断地观测泥浆流量，使流量控制在需用量的1.2～1.5倍内，随时检查泥浆是否到位，是否渗漏，并及时处理。
5.7竣工验收
目测直顺、无反坡、清洁、不积水、管节无裂缝；钢筋混凝土管道内接口填料饱满、密实，且与管节接口内侧表面齐平；内套环接口应对正管缝，填料密实、均匀，每侧凹进套环边缘1-2mm；顶管中如遇塌方或超挖空隙必须进行处理。
顶进管道允许偏差：
序号
项目
允许偏差（mm）
检查频率
检验方法
范围
点数
1
中线位移
D＜1500
≤30
每节管
1
测量并查阅
测量记录
2
D≥1500
≤50
3
管内底高程
D＜1500
+30~-40
每节管
1
用水准仪测量
4
D≥1500
+40~-50
5
相邻管间错口
混凝土管
d15%且不大于20
每个接口
1
用尺量
6
钢管
＜2
对顶接口
1
用尺量
7
相顶时管节错口
≤30
注：
D为管径，d为管壁厚。
6机具设备
本工法使用的主要机具设备见下表：
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
备注
1
油泵站
YBZ16-50
台
2
配主顶镐及中继间千斤顶
2
主顶镐
QYS320
台
2
3
卷扬机
5T
台
1
出土
4
汽车吊
30T
辆
1
卸管、下管
5
发电机组
50kw
台
1
施工用电
6
发电机组
30kw
台
1
施工用电
7
水准仪
S3
台
1
测量
7
经纬仪
台
1
测量
8
千斤顶
50T
台
24
中继间
9
千斤顶
25T
台
4
纠偏
10
电动出土小车
台
2
出土
11
空压机
W28
台
2
凿岩用
12
气镐
个
4
凿岩用
13
污水泵
3寸
个
2
排水
14
搅拌机
台
1
搅拌混凝土
15
振动棒
个
1
沉井制作
16
农用运输车
台
4
弃土外运
17
工程车
长城皮卡
台
1
值班
18
注浆泵
套
1
19
鼓风机
4kWHC601S
台
2
管内通风
20
逃生梯
个
1
21
通风专用皮管
Φ200
m
350
22
有毒气体检测仪
ExiadⅡCT6
台
1
23
对讲机
台
4
7劳动组织
序号
工种（职务）
数量
1
机组长
1人
2
顶管队长
2人
3
技术员
2人
4
质量员
2人
5
安全员
2人
6
测量工
4人
7
顶管技工
16人
8质量要求
8.1本工法应执行的标准规范
8.1.1《工程测量规范》GB50026
8.1.2《油气长输管道工程施工及验收规范》GB50369-2006
8.1.3《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424-2007
8.1.4《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》JC/T640-1996
8.2质量保证措施
8.2.1顶管施工前编制顶管组织设计，提交监理和业主审定才能进行施工。
8.2.2顶管前，项目部向作业班组进行详细的技术交底工作，每道工序开工和员工上岗前进行简短的质量要求和技术交底，由各专业工程人员负责实施，使每个员工上岗前做到人人心中有数，以确保工程质量。
8.2.3摸清施工沿线的地下管线的详细情况，并制定详细的技术措施。
8.2.4做好施工资料管理工作，及时填写原始记录和隐蔽工程记录（含照片），及时完成竣工资料。
8.2.5认真做好施工计划，保证施工作业连续均衡、紧凑，从而有效可靠地控制质量，保证工程质量。
8.2.6顶进过程中，应严格控制顶力在允许的范围内，并留有足够的安全系数。
8.2.7顶管控制在质量标准范围以内，如果在顶进过程中，发现方向失控，应该立即停止顶进，逐级上报，经研究同意后，方可以继续顶进。
8.2.8作好地质勘察及资料整理工作，认真编制好施工方案和通过不同土层的技术措施及纠偏措施，确保管道的顺利顶进。
8.2.9加强操作控制，使顶管均匀平稳，受力均匀，尽可能减少顶进过程中的倾斜、偏移、扭转，防止管壁出现裂缝、变形。
8.2.10混凝土管吊装、对接，就位时，应注意密封环，传力衬垫和管口的完好，防止发生人为的损坏，而影响管口的密封。
9安全措施
9.1沿工作井四周设置1.2m高的固定护栏，护栏上挂安全网，工作井四周要挂相应的警示标语。
9.2挖土施工时工作井必须设置爬梯，供人员上下井用。
使用的卷扬机等应安全可靠并配有自动卡紧保险装置。
9.3挖出的土石方应及时运离工作井，不得堆放在工作井四周1m范围内。
9.4顶管作业人员必须佩戴安全帽。
9.5顶管施工区域沿线采用标准围蔽。
9.6严格遵循土方开挖程序，控制均匀挖土，防止发生偏位，严重倾斜或管涌等现象，做好作业前和施工中的通风换气工作，每次进入管道时，保证管内通风，以免导致人身事故。
9.7吊车、起重设备由专人操作和专人指挥，统一信号，预防发生碰撞。
吊车靠近工作井边坡行驶时，加强对地基稳定性检查，防止发生倾翻事故。
吊管下工作井时，注意安全。
9.8加强机械设备维护、检查、保养。
机电设备由专人操作，认真遵守用电安全操作规程，防止超负荷作业。
9.9开挖前详细了解沿线管线资料，做好沿线管线保护措施。
9.10作业人员轮换制。
每个作业人员在管内作业时间不得超过1h，避免劳动强度过大引起危险。
9.11顶进过程中，施工人员必须使用安全带，洞口必须有施工人员照应，洞内用不大于12v照明灯照明，每班作业时必须有合格的电工当班。
9.12利用轴流式抽水泵在工作井设置的集水井内进行抽水，保持井内无积水，抽水时，施工作业人员不得站立在积水范围内。
9.13采用卷扬机垂直牵引出土时，井下不能站人，工作井上平台的作业人员出土时必须使用安全带。
9.14自制木板小车，用于放置压缩空气呼吸器和运载进管人员，并在车尾部拴上绳子，在万一发生意外的情况下由管外监护人员迅速将管内人员拉出管外进行抢救。
9.15利用鼓风机并购买350米长的软管，用于输送空气进入管道，加强管内空气的流动和循环。
工作挖掘面的工人要佩带含氧量探测仪，经常检查该处含氧量必须超过18％。
9.16管外配备专职监护人员，密切注意入管作业人员状态，每一分钟对管内人员进行呼喊，或用一条绳子每隔一定时间拉一下作业人员，在得不到安全的反馈情况下立刻采取相应应急措施。
9.17井上配备相应药品。
作业前要对施工人员进行紧急救援的培训，使全体人员懂得使用呼吸器和含氧量探测仪，懂得救人步骤，并进行实地现场考核合格后才施工。
9.18在人员进管前要用含氧量探测仪进行管道内氧气浓度的探测，利用毒气探测仪进行管道有毒气体浓度的探测。
9.19电动卷扬机必须设置防冲顶装置。
9.20施工过程中使用的有关机械设备必须严格按照各机械的安全操作规程进行操作，全部用电设施必须符合《施工现场临时用电安全技术规范》。
10环保措施
10.1控制噪声，顶管设备施工作业、施工运输车辆特别是夜间施工所造成的对附近居民的影响，由于顶管进行连续顶进施工，采取必要的减噪措施，同时报经主管部门批准。
10.2加强环境保护，控制空气污染，对施工作业机械，运输车辆作业时所产生粉尘进行控制，并定期对施工现场周围地面进行淋水，减少灰尘对周围环境的污染，同时做好对城市绿化、地下管线、地下文物的保护。
10.3保持每天24小时对工地区域进行维护、清扫。
工地范围与各主要通道加强照明设施，保证车辆司机、行人能充分看清路况、警示标志以及施工围栏。
10.4当天的余泥尽量当天运走，避免污染环境。
11效益分析
由胜利石油化工建设有限责任公司施工的广东管网工程凤凰岗山体穿越，采用人工掘进顶管方式完成山体顶管穿越284米。
同盾构法顶管施工工艺（机械顶管），该施工工法可节约资金189万元人民币。
具体的经济效益分析见下表：
1、
人工掘进顶管284米：
23+113.6+12=148.6万元
1.1
沉井制作：
23万元
1.2
人工风镐掘进：
0.4万元/米*284米=113.6万元
1.3
中继间制作安装：
4级中继间4级*3万元/级=12万元
2、
盾构法顶管284米：
165+172.7=337.7万元
2.1
沉井制作：
23万元
2.2
盾构顶进：
1.12万元/米×284米=318.08万元
3、
整体效益
337.7-148.6=189.1万元
我分公司采取此工法成功实施了284m山体顶管的施工，创造了胜利油建单次顶进长度的记录。
该施工工法具有先进、完善的施工工艺，施工成本低，遇复杂地质情况可控，并且HSE各项指标能达到要求，其施工工艺必将成为今后各种复杂地质条件下长距离人工顶管施工的典范。
近年来，随着南方长输管道的建设数量逐年递增，该工法推广应用后，对进一步提高我局乃至中石化集团的长输管道施工的配套服务能力、拓宽施工市场、创造经济效益必将产生积极的影响，因此具有广阔的推广应用前景，具有明显的社会效益。
12应用实例
我公司应用本工法的有代表性的工程是：
广东省天然气管网惠州段凤凰岗顶管和西气东输二线平顶山-泰安支干线G015国道顶管穿越。
广东省天然气管网
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