泥水平衡顶管施工工法

泥浆平衡顶管施工方法

1 简介

随着管道建设的发展，当管道经过高速公路、铁路、建筑物等特殊区域时，传统的人工挖土顶管施工越来越不适合存在易塌、效率低、以及周围环境的限制。现场施工，泥水平衡顶管施工是一种机械化、长距离顶管施工技术，近年来在我国逐步推广应用。、环境污染等传统顶管技术存在的问题。这种工法对施工技术和操作要求较高，主要表现在顶管设备、排泥系统和注浆系统的操作更加严格。

泥水平衡顶管的主要设备有：泥水平衡顶管机、主顶进设备、测量设备、电气控制系统、泥水处理设备、注浆系统等。

二、施工方法特点

2.1施工方法层次清晰，操作简单，运行可靠，易于掌握，能快速应对复杂的地下工况。

2.2顶管在地面上作业，安全、直观、方便。

2.3适用土壤广，软土、粘土、砂土、砾石土、硬土均可施用。

2.2施工精度高，可上下左右纠偏，最大纠偏角度可达2.5°，可用于长距离顶升。

2.3对管体周围土壤的扰动小，地面沉降小，道路交通和构筑物相对安全。

2.4作业坑施工环境良好，采用泥水运弃土，无土方吊运土方，施工无安全隐患。

2.5施工噪声小，对周围环境影响小。

三、适用范围

泥水平衡顶管施工方法适用于各种高渗透系数的粘土、粉砂、沙子和卵石，也适用于恶劣地质条件下的输油管道、室外给水、排水、电力等应用比如强烈风化的岩石。顶管施工的管道工程。

由于泥水平衡顶管顶部距离长，只要控制好降水措施，就能很好地控制地面隆起，施工安全，可适用于各种复杂地质条件.泥水平衡顶管施工方法在特殊工程断面，通过砂层、粉质土等特殊地质构造断面，可取得良好的效果。

四、工艺原理

泥水平衡顶管机利用泥水压力平衡顶进工作面的水压和土压力，采用机械掘进技术。其工艺原理是：打开刀头刀盘电机电源开关，带动刀盘匀速切割土壤。开挖面的作用是保持开挖面的土压力。通过刀头切割，将与管道等体积的土壤推入泥水仓，与管道推入土壤等体积的土壤进入泥水仓机头，供水管供给泥浆池，泥土在泥浆仓内。与泥浆和水混合形成泥浆后，通过排泥管道排入泥浆池。泥浆沉淀或分离后，泥水可回用，残渣运出；在开挖过程中，调节循环水的压力以平衡地下水压力。切土排泥时，利用等压油缸不断推动套管，同时通过机头上设置的4个纠偏油缸进行纠偏。在顶进过程中，加入触变泥浆填充管道周围的空隙，形成泥浆保护套，起到支撑地层、减少地面沉降、降低顶进阻力的作用。

五、施工流程及操作要点

5.1 施工工艺流程见图5.1-1。

图5.1-1施工工艺流程图

测量放线 工作坑施

工

后背墙施工 导轨安装 主顶油缸安装 顶管设备就位 地貌恢复

5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

5.2.1.1 施工前，熟悉施工图纸，掌握道口沿线的地形、地貌、建筑物、各种管线和设施，掌握道口深度和地质构造。

5.2.1.2 应编制施工方案，由施工技术负责人向施工人员提供安全、质量和技术交底。

5.2.1.3 施工前应对顶管机、发电机、千斤顶等施工设备和设备进行检查。

5.2.1.4 顶管用钢筋混凝土套管施工前应复验，强度必须符合设计和有关标准的要求。

5.2.1.5 施工前，根据施工现场的地形地貌，在工作坑附近选择合适的位置开挖泥浆池，安装泥浆分离系统和注浆系统。泥浆池尺寸为10m*8m，泥浆池尺寸以顶管施工为准。将根据具体情况进行适当调整。

5.2.1.6 施工前做好警示标志，在顶管坑、泥浆池周围设置警示带。

5.2.2 顶力计算

推力理论计算：【以Φ1800mm计算】

F=F1+f2

其中F——总推力

Fl - 迎面阻力F2 - 顶升阻力

F1＝π*(D/2) 2 *P (D—管道外径1.8m P—控制土压力)

P=Ko*γ*Ho

式中Ko——静土压力系数，总则取0.55

Ho——从地面到掘进机中心的厚度，取最大值5m

γ——土壤湿重，取1.9t/m3

P=0.55*1.9*5=5.255t/m2

F1=3.14*0.9*0.9*5.255=13.365t

F2=πD*f*L

式中，f为管道平均外表面（按顶进距离平均砂石土）综合摩擦阻力，取0.8t/m2

D——管子外径1.8m

L——顶距

F2=3.14*1.8*0.8*80=361.7t。

因此，总推力F=13.365+361.7=375.065t。

主顶油缸选用2个300t级油缸。每个油缸顶力控制在240t以下，可由油泵压力控制，千斤顶总推力为480t。主顶油缸采用双冲程[3m]油缸，可避免频繁增加顶铁的弊端。施工时无需更换顶铁，保证连续施工，提高效率。

5.2.3计量和支付

基站式GPS[RTK]用于轴定位，水平仪用于高程定位，在定位轴外的征地周围设置永久性测控桩。

5.2.4 工作坑钢板桩支护施工

泥水平衡顶管穿越高速公路，顶管深度总则为5-6m。由于土壤为粉质砂土，作业坑开挖后会出现空地，周围土壤容易塌陷，影响施工安全和质量。为防止作业坑开挖后坑壁坍塌，加快施工进度，工作坑坑壁采用拉森钢板桩支撑。其过程是在开挖的基坑周围沿外轮廓预先打入钢板桩，实现钢板桩的相互啮合，最后将它们连接成一个整体结构，以达到挡土的目的。

首先根据设计的顶升位置设置顶升作业坑。工作坑长6m，宽5m。钢板桩为拉森Ⅲ型，桩长9m ；;钢板桩采用分离式打桩方式，即将第一根钢板桩吊起，准确对准桩位，振动打入土中；操作至基坑板桩帷幕完成。为保证基坑安全，在钢板桩上设置连续工字钢或槽钢檩条，加强刚度和整体性。作业坑土方开挖必须在钢板桩支架整体凝固完成前进行。在挖掘过程中，挖掘机的机械臂不得接触支架。

顶进坑底：开挖深度达到顶进坑底标高后，施底板，底板用30厘米厚的C20混凝土浇筑到位，采用Φ20双层肋钢，间距为200×200。为底板预留了一个500×500×500 mm 的油底壳。

支架：采用30#工字钢作为支架，与钢板桩焊接而成。两个垂直支架之间的距离不超过2米，最后一个支架距离坑底3.2米。

5.2.5 后墙施工

在施工过程中，钢背壁用于支撑油缸顶入套管的反作用力。钢背墙直接放置在已经支撑牢固的钢板桩整体结构上，顶油缸的反作用力均匀分布到钢板桩整体结构上，钢后墙应垂直于顶进路径轴线安装，钢后墙与钢板桩整体支撑结构之间的间隙应填满钢板垫片。对位后，钢板桩的钢垫板、钢背墙和整体支撑结构全部焊接牢固。钢板后壁厚度为40mm，尺寸为2.5m × 1.5m。

5.2.6 导轨安装

导轨安装时，应与工作井底板上的预埋钢板焊接牢固，并用型钢支撑。安装导轨前，检查管道的中心位置，确保导轨的标高和轴线位置准确。导轨的定位必须稳定，在顶升过程中承受各种载荷时不会发生位移、变形或下陷。各段套管顶升完成后，检查导轨的标高、中线、水平，如有变化应及时纠正。

导轨应满足顶管中心线和标高的要求。导轨轴线位置偏差不超过3mm，顶面标高偏差不超过3mm，两个量规偏差不超过2mm。两条导轨应平直、平行、等高，纵向坡度应与管道设计坡度一致。

5.2.7 顶管机就位

用25吨起重机吊起顶管机，将顶管机放在顶进坑的导轨上，顶管机前端距井壁约250mm。吊装完成后，调整顶管机底盘和机头的位置、仰角、中心线、俯仰角、旋转角等，确保顶管机轴线、机台轴线坑内，导轨轴线与主顶升油缸轴线一致。

5.2.8 主要顶部设备安装

主要顶部设备采用两个300T双节等压油缸。油缸底盘的安装应有支撑力且牢固，以防受力变形或位移。底盘调整的定位是在顶管机吊装到底盘导轨上后进行的。

主顶筒必须满足中心线和水平要求，并应以管道中心线为轴线对称布置。主顶缸架的安装应定位准确，保证缸受力点位置正确，其标高和平面安装误差应控制在3mm以内。安装在气缸架上的气缸中心误差控制在3mm 以内。主顶油缸的油路应并联，每个油缸应有进油和回油的控制系统。

主顶油缸及后背钢板泥水平衡顶管机就位

5.2.9浆料系统和灌浆系统的安装

泥水分离系统和注浆系统应靠近工作井一侧，并安装在地面的适当位置，以满足方便进出料所需落差的工艺要求，可减少管道造成的摩擦阻力。由长排泥管道。注浆系统应尽量使用螺杆泵，以减少脉动现象，浆液搅拌均匀，系统应配备减压系统。

5.2.10 其他配套设备的安装

1、工作井的主电源锁箱和电气设备必须实行三相五线制，并安装漏电保护装置。工作坑和管道使用36V以下的照明设备；

2、顶管机机头应配备应急照明电源，顶管机机头与工作坑与地面设备之间应设置通讯设备。

3、工作井测量仪的底座不能固定在主顶装置的底盘、工作井的背面或其他在顶升过程中可能变形或移位的基础上，应安装在独立的固定底座上减少重复移动和调整的次数；

4、利用安装在顶管机上的激光经纬仪或激光笔与激光靶组成方位误差测量系统，全程监控顶管标高轴误差进度。

5、由于管道顶进距离长，埋设深度较深，管道内空气不新鲜，土壤中会产生有害气体。因此，必须设置供气系统。通风设施采用9m 3柴油空压机将压缩空气输入空气滤清器，通过空气压力调节阀，将压缩空气输送至管道前端，将空气在管道前端排出。空气循环管道。

5.2.11 设备试运行

1、所有设备安装合格后，进行顶管机回路、油路、灌浆系统的安装调试。

2、设备试运行前，检查设备的安装情况，各种管线、电缆的连接进度，确认安装连接无误后再接通电源。

3、设备试运行应按照设备说明书的进度进行。通过试运行发现并消除设备的所有可能问题，以确认其状况良好。主要包括以下内容：1）在空载情况下，检查电源电路开关的通断情况测试。

2）液压系统控制阀动作灵敏正确。特别注意控制电路是否有反接，控制台上显示的动作与实际动作是否一致。

3）设备润滑密封系统供油正常，油路通畅，供油压力可在设定范围内调节。

4）刀盘正反转正确，无异响。

5）纠偏千斤顶伸缩动作正常。试验完成后，将千斤顶缩回工作零位。

6）千斤顶伸缩动作正常。试验结束后，千斤顶缩回到工作零位。

7) 泥水处理系统和注浆系统的输送泵试运行符合设备手册的规定。

8）对注浆管道进行试压检查，确保管道畅通无泄漏。

5.2.12 顶升施工

1、安装顶升环并紧固管道后端，检查顶升系统是否安装好，检查管道的标高和方向，为前端进行各方面顶升作业做准备。

2、接通电源，机头刀盘开始转动，速度由慢到快。待设备参数稳定后，启动泥浆泵进出，启动泥浆循环。

3、调整泥浆泵进出流量。机头刀盘的操作由管道外的控制台控制。一名操作员实现刀头刀具的旋转、校正控制、压力显示和持续监控（刀头装有摄像头，控制台安装电视）。

4 、千斤顶，观察工作仓土压表，调整渣浆泵流量，使工作仓内泥水平衡，待给吸泥泵工作稳定后，调整泵进泥量和吸泥量使料仓保持一定的压力，料仓内的泥水压力应与地下水压力平衡。泥水压力过大，地面会升高；如果泥水压力太小，地面就会下沉。然后操作油缸前进，直到推入一根管子。拆除给水和排泥管道，用吊车将下一段套管安装到操作坑，在套管接口处设置止水胶圈，减少套管接触位置的应力集中。胶合板缓冲垫片，重新安装排泥和供水管道，检查设备和设备是否正常，启动顶管机机头和千斤顶，继续顶进，再次顶进，重复以上步骤，直到顶管完成完成了。

双行程〔3m〕油缸顶管顶进完成泥水平衡顶管机内部构造

5 、泥浆水处理系统，通过向刀盘内注入一定浓度的泥浆，通过大刀盘切割刀盘前的原状土，与注入的泥水一起搅拌，泥水排至地表泥水处理系统通过吸泥泵进行处理，可以对泥浆进行处理。反复循环利用，处理后的泥沙由泥车运出。

撤除排泥管止水胶圈安装

6、为纠正量具头的偏差，将量具底座设置在工作井的后座上。测量底座从地面引入地面，以防止工作井变形造成的误差。全站仪放在上面进行调平后，全站仪发出的激光沿顶升方向水平射出，击中工具头的测量目标，通过仪器读出工具头的偏差。望远镜。每0.5m 记录一次。

纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在机头后部的纠偏千斤顶改变机头端面的方向，以减少偏差，其目的是沿设计轴线推动管道。机头矫正的好坏将直接影响顶管施工的质量。千斤顶纠偏为调整4台80T纠偏千

斤顶的方法，进行分组作业。如果管道向左，则千斤顶采用左伸右缩的方式，反之亦然。如果同时有仰角和方向偏差，应先修正较大的偏差。一方面，顶进时必须严格控制机头方向，随时纠正偏差，控制好管线的对位。纠偏时，应在顶升过程中进行纠偏，并以小角度逐步纠偏，并应经常调整，精细纠偏。修正工作应在模拟分析的指导下进行。顶管过程中顶管头转动时，采用与管子相反方向加配重块或在中间站提供转动校正力矩等方法，直至正常，以防止挠度增大而影响开挖。和测量工作。

操作台视频显示偏差情况偏差数据显示上部纠偏顶缸向下纠偏下部纠偏顶缸向上纠偏

7 、充填触变泥浆：顶管机外径应比顶管外径大2~6cm。灌浆后在土与管之间形成厚度为10~30mm的泥圈。在顶进过程中，加入触变泥浆填充管道周围的空隙，形成泥浆保护套，支撑地层，减少地面沉降，降低顶进阻力。

触变泥浆触变泥浆系统由搅拌、注浆和管道三部分组成。注浆过程：表示注浆、注浆、顶管（注浆）、停止顶管、停止注浆。灌浆是将灌浆料与水混合，然后搅拌成所需的浆液（灌浆后）。使用前应静置24 小时）。注浆由注浆泵进行，注浆泵可根据压力表和流量计控制注浆压力（压力控制在水深的1.1～1.2倍）和注浆量（由计量筒控制）。管道分为主管和支管。主管安装在管道的一侧，支管将主管送来的浆液输送到各个注浆孔。注浆孔布置方式如下：工具头后部的3根管子各1个，每4m注浆孔1个（2根混凝土管间隔）。每次顶升同时进行注浆，并根据注浆孔断面的位置依次进行。

注浆系统设备包括：①注浆泵【螺杆泵，排量1000L/min，压力3MPa】；

②搅拌器；③注浆管道【主管φ50mm钢管、支管φ25mm胶管】；④管道连接；⑤控制阀；⑥压力表。

触变泥是由膨润土、水和外加剂按一定比例混合而成。施工现场触变泥浆的重量比例为：

水：膨润土= 8:1 膨润土：CMC = 30:1

8 、顶起一段管道后，停止供电，关闭进出泥系统旁通，将油回千斤顶，缩回活塞，拆下所有管道（电源线、信号线、油管）、进出泥管、触变泥管），吊起下一段套管，待所有管线、管线、电源安装完毕后继续顶进。

9、操作人员交接班时需办理交接手续，将记录的设备运行状态表交给下班操作人员，并口头进行设备运行状态交接。泵、管道、测量系统、工具头等进行例行检查。

10、填缝灌浆。顶管完成后，应及时对管道外壁进行填充加固，并更换原注入的膨润土浆液，以确保通过的地面构筑物的安全。灌浆应满足以下要求：

采用的泥浆置换材料为水泥和粉煤灰浆，配比为水：水泥：粉煤灰=5：1：3，通过管道部分的注浆孔，注浆应与地面监测协调，并应应采用多点注浆将管道与土层之间的缝隙充分填满，注浆量应控制在计算空隙体积的150%。

每两段混凝土管编成一组，分为注浆孔和注浆孔。清洗注浆泵，将吸水龙头放入砂浆池中，打开注浆泵，打开第一组注浆孔。，依此类推，直到线路完成。换泥完成后，应及时封闭注浆孔。

六、材料与设备

本方法中不需要特别说明的材料，所用设备见表6。

表6 材料设备清单

7. 质量控制

7.1 顶管施工人员技术质量进展情况应逐层公开，向群众公开，落实到位，提高从业人员的质量意识和责任感。

7.2 认真落实三检制度，实行班组自检、互检、专检相结合的检查制度，做好各项检查记录。

7.3 施工前重新检查钢筋混凝土套管的进度，确保混凝土套管的强度符合设计要求和相关标准、规定。

7.4 顶升工程期间，作业人员应随时监测监视器各项数据的变化，及时记录，并在分析记录数据的基础上及时修正，确保顶升轴线与中心线符合要求。设计和相关的标准和法规。

7.5 施工人员应实行轮班制，在施工过程中做好交接记录和施工工艺资料的交接工作。

八、安全措施

8.1 制定安全操作规程，遵守施工用电、机械设备安全规程，建立完善的安全保障体系，要求顶管作业人员严格执行，加强施工过程中的安全检查，及时发现隐患。

8.2 施工技术负责人应公开顶管作业人员的进度和安全技术。

8.3 施工前应识别顶管轴线位置的地下障碍物和地下构筑物、建筑物，标明地下障碍物的进展情况，并制定相应的保护措施。

8.4 进入施工现场的人员应按规定穿戴劳保用品，与施工无关的人员不得进入施工现场。

8.5施工现场周围设置警示挡板，悬挂警示标志，作业井四周设置护栏。

8.6顶升过程中，不得站在顶铁两侧，以防顶铁塌陷伤人。

8.7 顶铁或套管吊装时，严禁停在拨杆回转半径处；下管至工作坑时，穿上安全钢丝绳，将管子慢慢送入导轨，防止滑落或撞击导轨。下一个人应该站在安全的角落。

8.8 电线电缆、管道、信号控制线的连接必须牢固可靠，并应牢牢卡在管壁上。严禁将其置于压力下或用于悬挂物件。

8.9 作业面遇到不明构筑物或异常情况时，应立即停止作业，并向施工技术管理人员报告。处理确认后，可继续操作。

8.10 顶管作业必须实行轮班制，保持记录完好。

8.11 工作坑内应设置安全梯。施工人员必须乘坐安全梯上下工作坑。安全梯应设有扶手并固定牢固。

9. 环保措施

9.1 施工前进度课前教育，施工现场环保进展情况交底；

9.1 合理规划和使用施工场地，按照施工计划安排设备、设施和材料。

9.2 设置围栏，设置围栏，使标志清晰完整，各种标志醒目，施工现场清洁文明。

9.3 施工过程中，尽量保护道路、铁路、构筑物附近的植被、树木等；

9.4 在施工过程中，掌握人行道上地下障碍物的资料和资料，随时采取保护措施，防止损坏；9.5施工现场油料、设备应堆放，防止污染；

9.6 施工期间，采取有效措施控制施工扬尘和噪声，尽量减少对周边居民的干扰

9.7 泥浆池底部采用防渗彩条保护，施工完毕后及时回收处理泥浆；

10. 效益分析

工程实践证明，泥水平衡顶管施工施工噪声低，对道路、交通及周边土层影响小，可保持开挖面相对稳定，施工后地面沉降极小。小的。更短，施工人员更少，施工精度高，技术先进，可节省各种成本，施工面积小，减少大量征地拆迁工作，并采取减少降雨、土壤加固等措施，工作坑作业环境好，工作相对安全。采用机械顶管，保证了顶进位置公路、铁路和构筑物的安全，提高了管道施工的整体质量，大大提高了顶管施工的进度，节省了大量的人工和设备租赁费用，节省了巨额资金处理因地质条件恶劣导致的顶管坍塌事故的成本是非常可观的。

11.工程实例

1、2006年西气东输至济宁干线工程，采用顶管方式穿越徐苏宁高速。穿越点土壤为粉质砂土，土壤拱形较差，地下水丰富。采用这种施工方法，该地段的高速公路为粉质砂土。顶升过程仅用了3天就完成了。工程施工质量各项指标均达到质量验收要求，效果良好。;

2、2010年，在高速公路顶管施工中，辽河石油勘探局石油建设公司承建的施工段也采用了该工法，工程竣工验收质量安全达到优良。标准；

3. 2012年——输油管道施工期间，在昌图县马中河镇和开元市金沟子镇鄞州区区域交通运输办公室用这种方法完成了哈尔滨高速3处顶管施工。

通过该工法的实施和应用，解决了人工开挖土方在穿越高速公路、铁路、建筑物等特殊路段时坍塌、效率低、受周边环境限制等缺点。施工安全、质量、进度。