污水管道顶管施工-施工方案与工艺流程(纯方案,29页)

1.施工方案与工艺流程
1.1.顶管段总体施工流程
施工准备
围蔽施工
清理施工作业
工作井及接收井施工
顶管施工
检查井施工
闭水试验
覆土回填
图 1 顶管段总体施工
流程图
1.2.工作井及接收井（沉井）施工
1.2.1.工作井及接收井结构形式
本段顶管工程设工作井、接收井各1座，成型后井深分别为11.12m、11.03m，采用由钢筋砼沉井的工艺施工。

平面图及立面图见图2。

图2作业井平面图
1.2.2.工作井、接收井施工
工作井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机的始发场所。

接收井是接受掘进机的场所。

因此，顶管施工前必须首先在顶管线路上按设计标高修建工作井和接收井。

根据设计图纸要求，在本次工程施工中，全线采用钢筋砼沉井法。

在沉井施工工程中，采用先进的机械设备长臂挖掘机，有效保证了沉井施工的进度和安全性。

1.2.3.沉井测量、质量控制及注意事项
1.沉井下沉测量要求
①在凿除砖砌斜面和砼垫层前，必须在井顶及井壁上画出沉井的纵横中线，中线用于沉井垂直度与位移的监测。

②凿除斜面底模和砼垫层时，要加强垂直度，下沉量测量，发现倾斜立即纠正。

③沉井初沉时，每班至少作两次监测，（中线位移、垂直度、下沉量），每开挖一层土均应作一次下沉量、垂直度测量。

④挖土下沉时，视下沉速度，每两班测l-2次，发现异常现象及时采取相应技术措施。

⑤在纠偏过程中要增加监测次数。

⑥沉井接近设计标高时，应放慢下沉速度，沉井沉至距设计标高100mm时停止挖土下沉，并加强监测直至稳定。

2.下沉注意事项
①沉井下沉时，井内除土应先从中间开始，均匀、对称地逐步向刃脚处分层取土，使沉井均匀下沉，防止偏斜，特别是下沉初期，沉井入土较浅，土层对沉井的平衡稳定作用差，容易产生偏斜，尤应注意。

在挖土下沉过程中，不应偏除土，避免沉井发生偏斜。

②下沉中随时掌握土层变化情况，分析和检验土壤阻力与沉井重量的关系，控制其除土部位及除土量，使沉井平衡地下沉。

③下沉过程中，应做好标高、下沉量、倾斜和位移的测量工作、随时注意纠正沉井的偏斜。

④当第一次沉井接近预定标高时，应调平沉井，准备接高。

此时应特别注意除土部位及深度，防止沉井下沉量过大或产生较大偏斜，增加接高工作的困难。

⑤沉井下沉至设计标高以上2m前，控制井内除土量，注意调平沉井，防止因除土量过大及除土不均，而使沉井突然大量下沉并产生较大的偏斜，增加准确下沉至设计标高的困难。

⑥在工作井沉井开始下沉前，在其周围构筑物及地面设置一定数量的沉降、位移观察点，随时观测沉井周围地面的塌陷、开裂情况和构筑物沉陷、位移的情况，以便迅速采取措施，确保附近设施的安全。

3.施工偏差的处理
由于工作井和接收井是本顶管工程的基础，因此在沉井施工过程中一定要加强控制，确保沉井准确下沉到位，并且要制定尽可能详细的处理措施，为施工过程中可能出现的问题做好准备工作。

①倾斜处理
沉井下沉过程中倾斜率要控制在1/150～1/200，超过1/200时就要进行纠偏，纠偏方法是在倾斜的相反一侧刃脚偏除土，在井壁外侧射水冲刷，井顶施加
水平力予以纠偏。

②水平位移处理
纠正位移时，可先有意偏除土使沉井向偏位的方向倾斜，然后沿倾斜的方向下沉，直至沉井底面中心与设计中心位置相合或接近时，再将倾斜纠正或纠至向相反方向倾斜一些，最后调整至使倾斜和位移都在容许偏差范围内为止。

③沉井位置扭转的纠正
在两对角偏除土，在另两对角偏填土，借助于刃脚下不相等的土压形成的扭矩使沉井在下沉过程中逐渐纠正其位置。

4.沉井下沉中特殊情况的处理
①沉井突沉的处理
为了确保施工顺利进行，防止由于挖土过快或地质骤变等使下沉失控，产生突沉，在施工前一定要对施工地点进行实地考察，详细了解土质情况，做到心中有数。

在下沉过程中如遇到突沉采取如下处理措施：
a.沉井下沉速度过快时，首先要放慢挖土速度，始终保持刃脚以上有较厚的土，使井壁内侧亦承受一定的摩阻力，刃脚下土的阻力和井壁内、外侧摩阻力之和与沉井自重处于极限平衡状态，沉井徐徐“穿刺”下沉。

b.采用井壁外回填，以增强井壁外摩阻力。

②超沉的处理
a.在刃脚处回填土，垫加石块，增加阻力。

b.向井内灌水，增加沉井所受的浮力。

③遇障碍物的处理
沉井下沉发现障碍物，应立即停止下沉，根据障碍物的性质、大小、位置等情况决定处理办法。

刃脚下如遇较小的孤石，可将四周土掏空后取出；较大孤石，可用风动工具破成小块后取出。

5.质量要求
沉井施工质量按国优标准确保优良，质量控制标准如表所示；
质量控制标准表（表1）
1.2.4.施工过程中降排水措施
本项目两个作业井（工作井及接收井）考虑到在作业井施工过程地下渗水量不大，所以在作业井开挖施工过程中拟在井内开挖一个长宽各为50cm集水井，井底比作业面深50cm，再通过水泵抽吸至地面上排走，保证了在施工时沟底的干作业。

并在作业井口外围砌筑一道20cmx20cm的截水沟以防止地面上的水流入作业井内。

1.2.5.工作井、接收井的沉降及位移监测
1、监测目的
通过监测可获得基坑水平位移和沉降、支护结构变形、地表沉降、地下水等参数，并结合周边建筑物沉降、倾斜、裂缝情况进行基坑每周安全性分析，将其成果及时提供给业主、设计、监理，做到信息化施工，保证工程结构及周边环境的安全，减少施工对周边建（构）筑物、路面及管线等周围环境的影响，从而有效地将施工控制在安全范围之内。

2、监控量测
基坑开挖支护施工期间及基坑使用期间，应按《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）的有关规定对基坑支护及临近地面等进行变形监测工作。

边坡顶部水平位移及沉降超过规范规定的限值时,应及时通知设计人员。

3、监控量测方案及测站点布设
（1）监控量测采用整体控制和局部监测相结合、定期监测与连续监测、开
展沉降监测、水平位移监测、倾斜监测和现场巡视。

监测控制网主要用于支护顶的位移、基坑周边地表沉降、地下水位、支护深层位移监测等方面的监测。

监测控制网分两部分：
1）、平面控制网：用于各水平位移监测项目平面控制基准；
2）、水准控制网： 用于各垂直位移监测项目（即沉降监测）的高程控制基准。

平面控制点计划布设4个，编号为P1～P4，控制区域为整个监测区，为使测距、测角误差在横、纵坐标上均匀分布，网形为闭合导线网，引测外方向为施工用平面控制网。

点位设在稳定、安全的地方，通常在地面埋设钢钉点，顶上刻划“+”字。

建立闭合环与施工高程控制点，每个月联测一次。

控制点布设在工作井及接收井沿四周。

4、监控量测内容及频率
为确保周边的地下管线和建构筑物的安全，施工时应严格控制地表沉降和支护结构的变形，同时加强监控量测工作，主要监测内容如下：
1）支护结构水平位移监测
2）周边建筑物、地下管线变形监测
3）地表沉降监测
采用全站仪，水准仪，对每个控制点每天早晚测量，并记录统计成表。

5、监测成果信息反馈与报警值 工作井、接收井边水平位移报警值为累计位移20mm 或每天位移速率2mm/d 连续两天以上，控制值为累计位移30mm 或每天位移速率3mm/d 连续两天以上；沉降变形报警值为为累计位移20mm 或每天位移速率2mm/d 连续两天以上，控制监测成果
是否超过安全值 是否超过警戒值 是否超过危险值 继续施工 综全判断 采
取
应急
措施 暂停施工 否 否
否
是
值为累计位移25mm或每天位移速率2.5mm/d连续两天以上；；超过控制值即为危险值，应暂停施工。

1.3.顶管施工
1.3.1.泥水平衡式顶管施工简介
本工程拟采用NPD-1000（800）泥水平衡顶管机，该顶管机一般工作步骤为：顶管掘进机被主顶油缸向前推进，掘进机头进入止水圈，穿过土层到达接收井，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。

挖掘的土质，石块等在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，在那里与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。

在挖掘过程中，采用复杂的土压平衡装置来维持水土平衡，以至始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面的沉降和隆起的效果。

掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，它被推到掘进机的尾套处，与掘进头连接管顶进以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。

掘进机在掘进过程中，采用了激光导向控制系统。

位于工作后方的激光经纬仪发出激光束，调整好所需的标高及方向位置后，对准掘进机内的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到机内摄像机的影像内，并输送到挖掘系统的电脑显示屏内。

操作者可以根据需要开启位于掘进机内置式油缸进行伸缩，为达到纠偏的目的，调整切削部分头部上下左右高度。

在整个掘进过程中，甚至可以获得控制整个管道水平、垂直向30cm内的偏离精度。

当工作井完成以后，经调试完毕的液压系统，顶管掘进机便通过运输至工地，并安装就位至导轨上，微型掘进设备还包括，操纵室和遥控台、液压动力站、后方主顶、泥水循环装置，激光定位装置，减摩剂搅拌注入装置，泥水处理装置；其他辅助装置包括起重机，发电机、卡车、电焊机等。

随后，微型掘进装置上。

泥水平衡式顶管突出的优点：
1、适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高，以及变化范围很大的条件下，它都适用。

2、可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，因而由顶管引起的地面沉降较小。

3、与其他类型的顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其在粘土层这种表现得更为突出，所以特别适用于长距离顶管。

4、工作坑内的作业环境较好，作业比较安全，由于它采用泥水管道，输送弃土，不存在吊土，搬运等危险的作业。

5、泥水输送弃土为连续作业，因此进度比较快。

图3泥水平衡式顶管施工示意图
主要设备参数：
本工程使用的主要设备江苏镇江宏宇制造的NPD1000（800）型泥水平衡顶管机。

主要参数如下：
1、尺寸
内径（mm）：1000 外径（mm）：1020
全长（mm）：3000 重量（T）：2.5
2、切削刀盘
电机功率（KW）：30 转矩（KN.m）：20
转速(r/min)：5.0 偏心次数（次/min）：50
可破碎砾石最大直径(mm)：250
3、纠偏油缸
数量（个）：2 每个推力（KN）：1072
纠偏角度：上下1.7°, 左右1.2°
4、液压站（KW）：22
顶力（T）：200×4 行程（MM）：1200
5、泥水系统
排泥泵（KW）：22 送泥泵（KW）：15 送排泥管：4”
6、测量系统：用J2激光经纬仪导向
1.3.
2. 施工工艺流程 图4泥水平衡式顶管施工工艺流程图 顶管机出洞
顶管设备就位
机头刀盘运转
顶管机进洞 送排泥泵开启
顶进出土 泥水分离 主顶推进到位 回缩主顶
拆除管内管线
管节安装
安装管内管线
弃土出运 顶管机转场
进洞密封器安装 出洞密封器安装 放样、复核
井施工 顶管井回填 顶管井施工
1.3.3.顶力计算、最大顶距确定和准备工作
本工程顶管单元长度根据设计图纸的井室位置、地面运输和开挖工作坑的条件、顶管需要的顶力、后背与管口可能承受的顶力等因素确定单元长度。

本工程土质参数基本相同，顶力计算时分不同管径取一个最大管径和最大单元长度进行计算。

1、顶力的计算
最大推力计算，采用经验公式，按设计最大顶距78米计算：
F=F1+F2
上式中：F—总推力；
F1—端阻力；
F2—侧壁摩阻力；
F1=π/4×D×P＝3.14/4*1*8.88＝6.97t
式中D—管外径；
P—控制土压力；
P=Ko·γ·Ho＝0.55*1.9*8.5＝8.88t
式中：Ko—静止土压力系数，一般取0.55
Ho—地面至掘进机中心的高度，取值8.5m
γ—土的重量，取1.9t/m3
F2=πD·f·L＝3.14*1*0.4*78＝98.0t
式中：f—管外表面综合磨擦阻力，根据地质勘察报告，取值0.40t/m2 D—管外径
L—顶距
F=F1+F2 =6.97+98.0=104.97t
工作井内设备顶进能力可达到500t，采用4个100t的千斤顶完全满足要求（本工程顶管采用触变泥浆，顶力将远小于理论计算值，因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足设计图纸顶距为78m要求。

2、管材受力计算
本顶管工程按设计要求拟采用三级钢筋混凝土管，F型钢承口，混凝土强度为C50抗压强度为50Mpa，外压缝荷载为89KN/m，钢筋混凝土管外径为1m，内
径为0.8m，承受顶力的截面积为0.345m2。

根据F=PS公式
其中P为管材抗压强度此项取50Mpa
S受力截面面积取0.345m2
则F为17250KN ，根据上述计算顶管最大顶力为258.17t，换算单位对比后为管材能承受最大顶力为1759t＞104.97t，该管材完全能满足最大顶力要求。

3、地面准备工作
（1）、在顶管顶进施工前，按要求进行施工用电，用水，通道，排水及照明等设备的安装。

施工用电采用市电，并另配备1台套150KW的发电机组。

水接城市生活自来水管。

现场设备摆放空间至少需长45米，宽10米的平整封闭区域详见顶管施工平面布置图5。

（2）、施工材料，设备及机具必须备齐，以满足本工程的施工要求。

管节等准备要有足够的余量(30～40m)。

（3）、井上，井下建立测量控制网，并经复核报验监理认可。

图5顶管施工平面布置图
4、井下准备工作及井内布置
工作井井内布置主要是后靠背、导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯等。

顶管基座为钢结构预制构件，顶管基座位置按管道设计轴线准确进行放样，安装时按照测量放样的基线，吊入井下就位安装固定。

基座上的导轨按照顶管设计轴线并按实测洞门中心居中放置，并设置支撑加固，保证基座稳定不变形。

5、技术交底，岗位培训
在顶管施工前，对参加施工的全体人员分阶段进行详细的技术交底，对各技术工种进行岗位培训，经考核合格后，才能上岗。

1.3.4.后座墙
1、后座墙的形式和类别
后座墙形式虽然多种多样，但就其使用条件来讲，基本上有以下三种：
（1）、覆土较薄或穿过高填方路基的顶管，无土抗力可利用时修建的人工后座墙；
（2）、覆土较厚时可以充分利用土抗力的天然后座墙；
（3）、在混凝土或钢筋混凝土竖井内建筑的现浇钢筋混凝土后座墙。

《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268—2008）中对装配式后座墙作出了如下规定：
①.装配式后座墙宜采用方木、型钢或钢板等组装，组装后的后座墙应有足够的强度和刚度；
②.后座墙土体壁面应平整，并与管道顶进方向垂直；
③.装配式后座墙的底端宜在工作坑底以下（不宜小于50cm）；
④.后座墙土体壁面应与后座墙贴紧，有间隔时应采用砂石料填塞密实；
⑤.组装后座墙的构件在同层内的规格应一致，各层之间的接触应紧贴，并层层固定。

顶管工作坑及装配式后座墙的墙面应与管道轴线垂直，其施工允许偏差应符合表表2中的规定。

表2 工作坑及装配式后座墙的施工允许偏差（mm）
注：H——装配式后座墙的高度（mm）；
L——装配式后座墙的长度（mm）。

本顶管工程后座墙采用现浇钢筋混凝土后座的施工方法，在顶管施工以前，利用已有的沉井混凝土壁作为后座底墙，在沉井壁预留洞口位置周边使用现浇C35钢筋混凝土与该弧形井壁形成平整的竖墙，并在该混凝土顶面预埋15mm厚的钢板作为后座墙的表层。

在施工中，要求后座撑墙必须保持稳定，一旦后座墙遭到破坏，顶进工程就要停顿。

后座墙设计要通过详细计算，其重要程度不亚于顶进力的预测计算。

2、后座墙主要有功能要求
后座墙主要功能是在顶进过程自始至终地承担主顶工作站顶管前进时的后坐力。

后座墙的最低强度应保证在设计顶进力的作用下不被破坏，要求其本身的压缩回弹量为最小，以利于充分发挥主顶工作站的顶进效率。

在设计和安装后座墙时，应使其满足如下要求。

（1）、要有充分的强度
在顶管施工中能承受主顶工作站千斤顶的最大反作用力而不至破坏。

（2）、要有足够的刚度
当受到主顶工作站的反作用力时，后座墙材料受压缩而产生变形，卸荷后要恢复原状。

如压缩回弹量大，会导致大量行程消耗在后座墙压缩变形土，从而大在降低千斤顶的有效冲程，使顶进效率降低。

故后座墙必须具有足够的刚度。

（3）、后座墙表面要平直
后座墙表面应平直，并垂直于顶进管道的轴线，以免产生偏心受压，使顶力损失和发生质量、安全事故。

（4）、材质要均匀
后座墙材料的材质要均匀一致，以免承受较大的后从力时造成后座墙材料压缩不匀，出现倾斜现象。

（5）、结构简单、装拆方便
装配式或临时性后座墙都要采用普通材料、装拆方便。

3、后座墙的强度及其影响因素
后座墙的强度取决于千斤顶在顶进过程中施加给后座墙的最大后从力，后从力的大小与最大顶力相等。

影响顶力的因素甚多，可分为客观因素及主观因素两类。

客观因素包括管材种类、管径大小、顶距长短、覆土厚度、土的种类、地下
水位、管节重量等；主观因素包括操作误差、顶进方法、中途停工与否、是否采用润滑剂等。

影响顶进力的客观因素在其他章节已经作了介绍。

现在主要讨论影响后座墙强度的主观因素。

（1）、顶进误差
在顶进过程中，由于土质、设备的操作等原因，导致管子的方向或高程出与偏差，这种偏差称为顶进误差，简称误差。

这种误差将导致顶力增加。

技术熟练的工人应既能采取措施防止误差的出现，又能及时发现误差的趋势而加以校正，使误差发展不致过大，并保持在容许范围以内，顶力即使增加也不显著。

否则，当误差出现时，校正易操之过急而造成管线上出现折线段、错口等现象，从而导致顶力不断增加，使后座墙遭到破坏。

（2）、中途停工
顶进作业一开始，中途就不能停顿。

如果停止一段时间后再顶进，其起始顶力要大大超过停工前的顶力。

这主要是由于停工时间过长，使管顶土层坍落的缘故。

在地下水位以下顶进时，因停顶而使液化的粉细砂将管周围包裹起来，顶力也会大大增加，如果顶力增加至后座墙的设计强度，此时就不能再顶进，必须对后座墙进行加固后方可再顶进。

另外，在顶进过程是否采用注浆润滑措施，对顶力的影响甚大。

如采用注浆润滑，施工中的顶进阻力将减小很多。

由于主观因素对顶力的影响是人在操作过程中造成的，或者是事先未预计到的情况，所以对主观因素的影响不能事先计算，只能在施工过程中加强管理，防患于未然，以其不使顶力增加。

因此，在计算所得顶力的基础上，适当增加安全系数，作为防止主观因素影响的储备力量，并严格遵守操作规程，就能保证后座墙在设计强度以内，不致受超负荷顶力的影响而导致破坏。

4、后座墙的刚度要求
顶管时要求后后座墙具有充分的刚度，以避免往复回弹，消耗能量。

要保证受最大顶力时不变形，或只有少量残余变形，后座墙应尽量采用弹性小的材料。

如果后座墙弹性过大，顶进的后从力先压缩后座墙，直到后座墙被压紧而不能再压缩时顶力才向前发挥作用使管段前进，千斤顶卸荷，后从力解除后，后座墙虽然有残余变形但不大，甚至可以恢复到未受荷载的状态，可是下一次顶进时，仍
要先压缩后座墙，因而每次顶进都要浪费一段千斤顶行程于压缩后座墙。

用短行程千斤顶，行程一般为200mm，而后座墙压缩量为20～30mm，这样就可使千斤顶行程在顶管前进时的利用率只有70%～80%，每顶进2m长的管节，需12～14个行程。

若再考虑到传力工具的压缩，需要的行程数还要增加。

所以，要提高顶进效率，除采用长行程的千斤顶外，还应设法增加后座墙的刚度。

5、后座的验算
后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致。

当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。

这种弹性变形即象是正常的，顶管中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。

后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。

否则，千斤顶在余面后背上，造成顶进偏差。

为了保证顶进质量和施工案例，施工时应对后背的强度和刚度计算
图6 靠背受力分析图
后靠背受力计算公式
式中：
R-总推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）
a－系数（取1.5－2.5之间），此处取2
B－后座墙的宽度（M）此处取2.5米
γ－土的容重（KN/M3)，此处取1.9（KN/M3)
H－后座墙的高度(m) ，此处取2.5米
Kp-被动土压系数取1.52
c-土的内聚力（kPa) 一般情况下取10
h-地面到后座墙顶部土体的高度（M），此处取5.5米
按上式计算，圆形工作井加现浇混凝土化加预埋钢板后能承受893.1T顶力＞实际顶力258.17T。

完全能满足要求。

1.3.5.泥水系统、水压控制、注浆量的计算
1、泥水系统
泥浆系统有二个作用：送走被挖掘机的渣土和平衡地下水。

泥浆系统是由密封的管道组成，通过机头循环，形成泥浆混合物，由排泥管送走，最后沉淀在地面上的泥浆池内，泥浆通过众多的排泥泵被排出。

再由进水泵进水送入机头，排泥由变速的排泥泵进行控制。

机坑旁通装置可控制进排泥浆的速度、方向，以防止泥渣堵塞管道，淤积现场。

当挖粘土时，可能使普通粘土，有一定的粘合度，可以直接将泥浆排入泥浆池内，但是当挖沙土时，泥浆中必须添加一定的粘合剂（诸如膨润土等）以增加泥浆粘度，以达到排渣的最终目的。

夹带泥砂的泥浆，可通过振动筛、循环沉淀器、干燥器等，处理分离渣质，泥浆被再用，渣质被积累后处理。

处理渣土用翻斗车，泥浆用罐车运出场区，堆置于郊外，处理时注意不得污染路面等环境。

进排泥水系统起着第二个作用：在有地下水存在的地方，掘进机表面的压力可以降低到小于水中的压力。

这样避免了抽地下水的需要。

进排泥水系统中的压力感应器可测出地下水的压力。

机内泥水循环系统，电磁阀，旁通装置及载水阀可以起到调节水压的作用。

机内电磁阀和旁通系统，可以阻止水压的变化，保持水压，在加管道时，不至于减小机头的水压，保证内部压力平衡。

2、注浆量的计算
1）注浆量计算
本工程每1米注浆量计算如下：
V＝πDwtL＝3.14×1×0.015×1＝0.047 m3
（1）按照地质条件。

一般压浆量为计算的150％～200％，本工程在粉质粘土顶进，按照160％进行注浆量控制。

（2）为防止路面沉陷和地上、地下构筑物不受扰动，顶管结束后，应及时对管体四周的缝隙充填水泥浆，使其密实坚固，填充水泥所用设备与触变泥浆设备相同。

逐孔注浆，水泥浆液需搅拌均匀，无结块，无杂物，注浆结束后，要及时清理注浆设备，以防堵塞。