CN111928014A - 一种顶管工程施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶管工程施工方法，包括如下施工步骤：测量放样、工作坑施工、始发基座安装及顶管机吊装、后背墙及油缸支架安装、洞门双帘幕橡胶安装、洞门破除施工、管节预制及运输、管节翻身及下井、顶管顶进、减阻施工、中继站施工、合金钢刀具跟换、置换注浆、顶管机进出洞。本发明的施工方法可以克服现有技术施工管前开挖安全防护、管内的排水等难题，而且能够实现管内新鲜空气的循环及有毒气体的排出和管道位置纠偏控制，采用该施工方法能够提高施工效率，节约工程成本，安全高效推进工程进度。

Description

一种顶管工程施工方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体为一种顶管工程施工方法。

背景技术

近年来，随着旧城改造的推进，很多建筑工程都是位于市区房屋 密集、人口流动大、交通情况复杂的区域。设计为暗挖隧道。因该类 工程地质复杂，老旧管网较多、岩石坚硬，地下水丰富，考虑隧道暗 挖施工工期太长、危险性较大，因此采用顶管施工的方案是可行的。 但是该类工程采用顶管施工存在如下技术难点：

首先，由于管道位于素填土层，夏秋季雨水较大，在雨期管前开 挖素填土容易坍塌，因此，管前开挖安全防护是重点，也是难点。素 填土层雨期管前开挖可能造成管内积水，将影响工人在管内施工。

而且，每段长管线两端设置工作井(始发井)，中部设置有一个 接收井，因此，长管道从两端向中部顶进，必然会造成某段管线从高 处向低处顶进，这样容易造成管内积水，因此，做好管内的排水是 关键，是重点。

另外，地下可能存在未探明的某些管线，因此顶进施工时不能采 取机械出土工艺，只能采取人工管前掘土，管内新鲜空气的循环及有 毒气体的排出是施工时的重点。

最后，管内照明时安全用电也是施工时考虑的重点。管道位置纠 偏控制是工作重点，也是难点。工作井及接收井作为检查井是永久结 构，其井壁接缝防水是重点。

现有的技术在面临上述问题时难以取得较好的技术效果，对现有 施工方法进行改进十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶管工程施工方法，以克服现有施工 方法的不足。

本发明的技术方案如下：

一种顶管工程施工方法，包括如下施工步骤：测量放样、工作坑 施工、始发基座安装及顶管机吊装、后背墙及油缸支架安装、洞门双 帘幕橡胶安装、洞门破除施工、管节预制及运输、管节翻身及下井、 顶管顶进、减阻施工、中继站施工、合金钢刀具跟换、置换注浆、顶 管机进出洞。

其中，管节翻身、下井包括：管节在下井前竖向堆放在场地上， 在下井前，提前在地面翻身90度，将管节平放在地面，然后再进行 下井作业；吊车平稳将管节从车厢吊到地面后，采用抬吊方式在地面 进行管节翻身吊装；管节翻身时，汽车吊的主吊钩将管节平衡吊起， 管节吊至1～2m高时，副钩吊住管节下部插口处，并慢慢起钩，同 时主钩慢慢下钩，直至管节旋转90度，横向摆放在地面上，管节下 井时，钢丝绳横穿管节内部，在承口部位安装保护装置，采用汽车吊 下井作业，并保证插口方向为顶管顶进方向。

进一步的，顶管顶进的测量方法包括：

1)在工作井内管道顶进轴线方向上架设一台苏光LT402L，长 距离500m激光经纬仪，并使底座平台只能与工作井结构底板单独 连接，仪器高度要与顶管机内测量光靶的零位一致；除此之外不能与 其它任何设备有接触；

2)激光经纬仪经过人工的测量和计算发出一束与管道设计轴线 和管道坡度一致的激光直接打到顶管机内测量光靶上，后视点用 50*50mm反射片贴在侧墙上；这束激光在机头和管节移动的同时是 稳稳的跟踪测量光靶，在顶推过程中，在测量光靶上直观的看出机头 的前进方向是否按照管道设计轴线和坡度顶进，若发现有偏差，顶管 司机及时依据测量光靶上的偏差数据来进行反向纠偏。

进一步的，减阻施工包括：管节打蜡减阻，其步骤为：将石蜡倒 入电热熔蜡锅→加热熔化并加热至沸腾→用毛刷在管节的表面→晾 干→用煤气喷加热石蜡，使管节表面石蜡均匀光滑→晾干→存放→ 下井运输→管节安装。

与现有技术相比，本发明的施工方法可以克服现有技术施工管前 开挖安全防护、管内的排水等难题，而且能够实现管内新鲜空气的循 环及有毒气体的排出和管道位置纠偏控制，采用该施工方法能够提高 施工效率，节约工程成本，安全高效推进工程进度。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

某工程的顶管施工包括如下施工步骤：测量放样、工作坑施工、 始发基座安装及顶管机吊装、后背墙及油缸支架安装、洞门双帘幕橡 胶安装、洞门破除施工、管节预制及运输、管节翻身及下井、顶管顶 进、减阻施工、中继站施工、合金钢刀具跟换、置换注浆、顶管机进 出洞。

1测量放样

采用经测量监理工程师批复的测量控制网进行施工放样，固定保 护好控制点，并经常复核。工作坑定位采用全站仪，管道中线控制采 用经纬仪，标高控制采用水准仪。

地面坐标点导入井下采用直接导入法，利用坑口埋设的坐标点和 测量控制网控制点，以支导线的形式，建立井下顶管掘进使用控制点。

在安装测量装置时，所用的测量仪器应和工作坑的坑底和坑壁分 开，避免这些位置在施工由于顶进力的施加产生位移，从而和起始位 置不一致，则很容易产生误差。

顶管始发前测定掘进机头的轴线和标高，并将测量数据及时反馈 进行调整。顶进施工中的原始数据记录必须连续、真实、完整，记录 表格填写清楚。

每节管道顶进结束，进行复测，绘制管道顶进轨迹图(含管道高 程、方向、顶进力曲线等)。

2工作坑施工

(1)工作坑是顶管施工的工作场所。其位置可根据以下条件确 定:

1)单向顶进时，应选在管道下游端，以利排水；

2)考虑地形和土质情况,有无可利用的原样土做后背；

3)工作坑与可能穿越的管线，建筑物要有一定安全距离；

4)距水、电源较近的地方；

5)工作井不影响地面交通等。

(2)工作坑的尺寸

工作坑应有足够的空间和工作面，保证下管、安装顶进设备和操 作间距，坑底长、宽尺寸为净空尺寸8m×6.5m，深度比顶管底深1m。

3始发基座安装及顶管机吊装

顶管机主机尺寸较大，整机重量达到75t。顶管机主机可以整机 直接吊装，不需翻身，主机顶部有四个吊装吊耳，出厂已加工好，质 量符合规范要求。

4后背墙及油缸支架安装

(1)后靠背设计情况

后靠背分成两块，单块后靠背尺寸为3440mm宽×6300mm高× 450mm厚；后靠背主要由加劲板和四周面板满焊而成，后靠背全部 采用20mm钢板满焊。加劲钢板纵、横向间距均为200mm。

(2)主要技术参数

钢制后靠背技术参数

①焊接材料采用Q345B型钢；

②内置加劲板采用20mm钢板，纵、横加劲板中心间距均为 200mm；

③包裹钢板采用20mm钢板；

④连接处全部进行满焊。

后背墙及油缸支架均采用QYU80t履带吊安装就位，安装过程 中，由测量人员精确定位、调平；顶进油缸轴线与隧道轴线必须高度 一致，后期顶进时，对管节、基座受力状态以及顶推力大小影响很大。

后背墙需要先行安装，为顶管推进提供反力，采用2台200t油 缸将顶管机推入洞门，给油缸支架安装提供空间。

5洞门双帘幕橡胶安装

洞口止水环安装在工作井预留洞口，具有防止地下水、泥砂和触 变泥浆从管节与止水环之间的间隙流到工作井。可以采用双帘幕橡胶 止水圈+压环。

6洞门破除施工

土体加固采用三轴搅拌施工，加固取芯效果较好，取芯孔位无地 下水，洞门桩体由上而下破除。

7管节预制及运输

管节预制采用委外的方式，在预制厂内，管节钢筋笼采用滚焊机 进行加工，采用整体钢模现浇混凝土施工，人工***式振捣，蒸汽养 护。夜间采用平板托车运输管节，每3节管装一车，管节平放于拖 车上，保证管节的运输安全。

8管节翻身、下井

为了运输和堆放方便，管节在下井前竖向堆放在场地上，在下井 前，需提前在地面翻身90度，将管节平放在地面，然后再进行下井 作业。吊车平稳将管节从车厢吊到地面后，需采用抬吊方式在地面进 行管节翻身吊装。管节翻身时，汽车吊的主吊钩将管节平衡吊起，管 节吊至1～2m高时，副钩吊住管节下部插口处，并慢慢起钩，同时 主钩慢慢下钩，直至管节旋转90度，横向摆放在地面上，管节下井 时，钢丝绳横穿管节内部，在承口部位安装保护装置，防止钢丝绳 被损坏，采用汽车吊下井作业，并保证插口方向为顶管顶进方向。

9顶管顶进

(1)激光导向***

①测量***的主要设备：苏光LT402L激光经纬仪(500m)、 测量靶和监示器组成。

②测量***的作用：监示顶管施工过程中顶管机头推进的轴线偏 差。

(2)测量方法

1)在工作井内管道顶进轴线方向上架设一台苏光LT402L，长 距离500m激光经纬仪，并要求底座平台(长1m、宽1m、高0.8m) 只能与工作井结构底板单独连接，仪器高度要与顶管机内测量光靶的 零位一致。仪器支架也可用直径180～220mm钢管(钢管中线与隧 道中线一致)。除此之外不能与其它任何设备有接触，以免其它设备 的震动或移动导致底座平台的震动，这样会间接导致激光经纬仪的不 稳定从而导致测量数据的不准确。

2)激光经纬仪经过人工的测量和计算发出一束与管道设计轴线 和管道坡度一致的激光直接打到顶管机内测量光靶上，后视点用50*50mm反射片贴在侧墙上(反射片零位与隧道中心一致)。由于 机头和管节在顶进时都在不断的向前移动，这束激光在机头和管节移 动的同时是稳稳的跟踪测量光靶，在顶推过程中，可以在测量光靶上 直观的看出机头的前进方向是否按照管道设计轴线和坡度顶进，若发 现有偏差，顶管司机可以及时依据测量光靶上的偏差数据来进行反向 纠偏。

(3)顶管机纠偏

①主要设备：纠偏千斤顶、油泵站、位移传感器和倾斜仪组成。

②作用：控制顶管施工中的顶管机头推进的方向。

(4)土压掘进泥水出渣

顶管为土压平衡方式掘进，渣土通过螺旋输送机闸门进入搅拌箱 后，再经过泥浆泵和管道泵送到地表分离***，泥渣经过分离后，一 部分泥浆由进浆管用于泥水输送循环，另一部分泥浆通过离心机分离 成渣土和清水。

10减阻施工

(1)管节打蜡减阻

为了减少顶管顶进管周边摩擦阻力，需要对管道通身打蜡来减少 阻力，以增加顶进距离。施工采用管道通身打蜡，采用颗粒状工业石 蜡(采用54号半精炼石蜡)对管道外侧通体打0.5mm厚的石蜡操 作。

(2)管节打蜡施工步骤

将石蜡倒入电热熔蜡锅→加热熔化并加热至沸腾→用毛刷在管 节的表面→晾干→用煤气喷加热石蜡，使管节表面石蜡均匀光滑→ 晾干→存放→下井运输→管节安装。

(3)润滑减阻泥浆

1)同步注浆减阻

对顶管机头尾端的同步压浆材料要求粘滞度高失水量小稳定性 好；对补充管道外周泥浆损失的补浆材料要求粘滞度较小，流动性较 大。顶管中触变泥浆采用单液注浆，其施工现场配制的组成材料为膨 润土、纯碱、CMC、水。

顶推过程中，需要经常进行压注触变泥浆工作，以减少顶进的阻 力。注浆孔的形状及布置：在管节的前端布置一道触变泥浆注浆孔， 数量为4个，注浆孔为Dg25钢管，呈90度布置，经过不断压浆， 在管外壁形成一个泥浆套。

触变泥浆管设置在顶管机后面4节管每节管都设置触变泥浆 管，在管节外壁形成完整的浆套。后续管节每2节，即每间隔1节 管节设置一道，用来对浆套进行补浆。

(4)注浆施工

a注浆压力

同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水土压力 之和，尽量做到填补而不宜劈裂地层。注浆压力过大时，浆液扰动管 节外壁地层，造成地表***并会出现浅埋段跑浆的情况；而注浆压力 过小时，浆液注入速度过慢，填充不充分从而破坏泥浆套的完整性， 极易出现阻力增大和地表沉降过大。根据计算和经验，该工程管节注 浆孔口理论注浆压力取值为0.12～0.15MPa。考虑在顶推过程中，注 浆压力和注浆量可根据地面变形的监测数据做适当调整。

b注浆量

一般压浆量为管道外周环形空隙2～3倍，根据计算和经验，每 节管道外注浆量为1.2～1.8m3；

补浆数量：补浆的数量控制在建筑间隙的0.15倍，根据计算和 经验，每节管道***补浆0.1～0.12m3。

c注浆时间及速率

同步注浆速度宜与顶进的速度相匹配，根据顶管机顶进速度，每 循环的总注浆量宜匀速、均匀地注入。注浆泵采用BW-250型泥浆 泵，最小流量为35L/min。根据相关盾构隧道的施工经验，预测顶 管机顶推速度为40mm/min左右，顶管机顶进一环需要约60分钟， 按每节管壁后注入1200L泥浆计算，注浆泵需要连续注入34分 钟，即按73mm/min的顶进速率进行同步注浆。但实际注浆速度以及 掘进速度需要根据现场情况不断地进行调整确定。

d注浆结束标准

采用注浆压力和注浆量双控标准，即当注浆压力达到设定值，或 注浆量达到计算量时，视为注浆满足要求，但在实际操作过程中宜以 注浆量控制为主。

e注浆效果检查

①注浆压力达到设计压力值后，停止注入；

②注浆压力未达到设计压力值，但注浆量达到设计注浆量；

③根据监测情况判断是否需要继续注浆；

④可根据顶推力变化数据的统计结果，判断是否补浆，对未满足 要求的，应进行二次补强注浆。

补浆的顺序必须保持由后向前。在顶进一百米范围以后的补浆断 面上可每天进行补浆一次。具体方法：通过洞内技术员开关阀门以及 注浆时间来进行补浆。

11中继站施工

(1)中继站主要设备及作用

由小千斤顶、液压泵站、外壳体组成。

中继站的作用将整段管道分段推进，减少主推顶力。中继站由10 台300KN千斤顶组成，推力为2400KN。

(2)中继站工作原理及布设距离

通过中继站的小千斤顶的伸出动作，推动外套往前推出，外套向 前推动管节一段距离后，又通过后部主顶或下一个中继站推动管道运 动，使小千斤顶缩回复位不断往复运动推进管段，使整段管道向前推 进。

中继站工作原理：中继站安放时，第一个中继站应放置在比较前 一些，当后座总推力达到中继站总推力的40～60％时，就应放置第 一个中继间；理论上总推力达到中继站的总推力的70～80％时安置 一个中继站，当总推力达到主顶千斤顶的总推力的90％时，应启动 中继站接力顶进。

由于顶管在岩石中顶进顶力巨大，为了防止管材损坏，实际施工 过程中安装四个中继站，第一个中继站，即机头后20m处，第二个 中继站放在60米处，第三个中继站放在100米处，第四个中继站 放在120米处。

(3)洞内中继站处理

①拆除中继站内千斤顶；

②焊接单层φ8间距200×200mm钢筋网片；

③喷射C30混领土。

(4)置换洞内中继站

1)置换中继站的准备工作

置换中继站是一项极具风险的施工作业，在进行置换中继站前必 须做好相应的准备工作，为置换中继站作业有条不紊地进行创造必要 的条件。其要点如下：

①置换中继站前，应将接收井口垂直吊装通道范围内无障碍，确 保作业场地可控。

②准备好80t汽车吊1台、气割设备、电焊设备、电镐、葫芦 及千斤顶等拆除所用设备，并进行必要的检查与调试，确保设备工作 正常，做到设备可控。

③准备好钢丝绳、卸扣等材料，确保其强度、拉力等满足拆除作 业安全进行，并取得厂家的合格保证，做到材料可控。

④将管节每节的吊装孔中砂浆凿除，并将孔内砂浆块等清理干 净。

⑤准备拥有完成置换中继站作业的组织与劳动力资源，该人力资 源应具有置换中继站的相关经验，良好的安全意识及集体观念，确保 人员可控。

2)置换中继站方法

①当顶管机完全顶出接收洞门时，安装作业人员将首节管与顶管 机连接螺栓及时拆除，安排专业的吊装队伍将顶管机吊出接收井。

②顶管拆除完毕后，继续将管节往前顶进，直至第二节管节顶出 1/3时，暂停顶进作业。

③在管节两侧对称焊接拉耳，将手拉葫芦一端固定在接收基座 上，另一端固定在拉耳上，对称用力拉手拉葫芦直至首节管与第二节 管节完全分离。可以使用吊机配合管节的分离操作。

④将钢丝绳穿入管节，用80t的汽车吊将管节吊出，发在提前 准备的平板车上，并用手拉葫芦固定好。运至始发工作井以备置换使 用。

⑤在工作井将拆出的管节适当的清洗，如楔形密封圈有破损的情 况，及时安排作业人员进行更换工作。

⑥以此类推，进行2～5节管节的拆除工作。

12合金钢刀具跟换

由于该段顶管地质坚硬并且情况复杂，100m左右需要更换一次 道具，包括：滚刀、刮刀、边刮刀、撕裂刮刀等。

13置换注浆

(1)置换注浆施工方案

1)安装注浆；

2)调试注浆设备：压浆设备安装完毕后，由专人进行检查，然 后作压水试验；

3)浆液拌制：浆液拌制采用顶管机转场期间内，利用搅拌桶在 地面人工进行拌制，边拌边用。浆液为水泥净浆。

4)浆液质量检查：用婆美度度比重计检测浆液的质量，若不满 足要求则重新调配。

5)注浆：采用地面顶管泥浆注入***进行管壁后置换注浆；将 注浆软管取下，注浆孔全部更换为对丝和注浆球阀，注浆前球阀全部 打开，待置换为水泥净浆后关闭球阀，置换由低处向高处进行。

6)注浆效果检查：

①注浆压力控制：一般情况下置换注浆压力控制1.0～1.5bar； 若置换注浆效果不好，可适当增加注浆压力。

②注浆数量控制：置换注浆量到达0.24m3/延米或观察到管节预 留孔排出的由泥浆基本上全部为水泥浆时，即可关闭注浆孔球阀，并 继续下一管段置换。

14顶管机进出洞

(1)顶管机出洞前洞口土体加固

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。如果发现地质较差，在掘进机到达接收井前，可 对洞口土体进行注浆加固，加固范围洞口前5m范围内，洞口四周 距管道外侧2～3m。

(2)顶管机状态的复核测量

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、评估掘进机出洞时状态和拟定施工轴线及施工方案等的重要 依据，使掘进机在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好的 状态、准确无误地进入接收井内。

(3)凿除砖墙封门

(4)顶管机进接收坑

在接收井砖墙封门破坏后掘进机头应迅速、连续顶进管节，尽快 缩短出洞时间。掘进机整体进洞后应尽快把机头和混凝土管节分离， 并把管节和接收井的接头按设计要求进行处理，减少水土流失。

操作要求：

掘进机进入土层后的管端处理应符合下列规定：进入接收坑的 顶管掘进机和管端下部应设枕垫；管道两端露在工作坑中的长度不得 小于0.5m，且不得有接口；钢筋混凝土管道端部应及时浇筑混凝土 基础。

在管道顶进的全部过程中，应控制顶管掘进机前进的方向，并应 根据测量结果分析偏差产生的原因和发展趋势，确定纠偏的措施。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术 人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这 些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权 利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种顶管工程施工方法，其特征在于包括如下施工步骤：测量放样、工作坑施工、始发基座安装及顶管机吊装、后背墙及油缸支架安装、洞门双帘幕橡胶安装、洞门破除施工、管节预制及运输、管节翻身及下井、顶管顶进、减阻施工、中继站施工、合金钢刀具跟换、置换注浆、顶管机进出洞。

2.根据权利要求1所述的顶管工程施工方法，其特征在于：所述管节翻身、下井包括：管节在下井前竖向堆放在场地上，在下井前，提前在地面翻身90度，将管节平放在地面，然后再进行下井作业；吊车平稳将管节从车厢吊到地面后，采用抬吊方式在地面进行管节翻身吊装；管节翻身时，汽车吊的主吊钩将管节平衡吊起，管节吊至1～2m高时，副钩吊住管节下部插口处，并慢慢起钩，同时主钩慢慢下钩，直至管节旋转90度，横向摆放在地面上，管节下井时，钢丝绳横穿管节内部，在承口部位安装保护装置，采用汽车吊下井作业，并保证插口方向为顶管顶进方向。

3.根据权利要求1所述的顶管工程施工方法，其特征在于：所述顶管顶进的测量方法包括：

1)在工作井内管道顶进轴线方向上架设一台苏光LT402L，长距离500m激光经纬仪，并使底座平台只能与工作井结构底板单独连接，仪器高度要与顶管机内测量光靶的零位一致；除此之外不能与其它任何设备有接触；

2)激光经纬仪经过人工的测量和计算发出一束与管道设计轴线和管道坡度一致的激光直接打到顶管机内测量光靶上，后视点用50*50mm反射片贴在侧墙上；这束激光在机头和管节移动的同时是稳稳的跟踪测量光靶，在顶推过程中，在测量光靶上直观的看出机头的前进方向是否按照管道设计轴线和坡度顶进，若发现有偏差，顶管司机及时依据测量光靶上的偏差数据来进行反向纠偏。

4.根据权利要求1所述的顶管工程施工方法，其特征在于：所述减阻施工包括：管节打蜡减阻，其步骤为：将石蜡倒入电热熔蜡锅→加热熔化并加热至沸腾→用毛刷在管节的表面→晾干→用煤气喷加热石蜡，使管节表面石蜡均匀光滑→晾干→存放→下井运输→管节安装。