顶管施工原理及重难点分析和事故案例分析

预留洞口
导轨
洞口止水环
4、泥水系统
1、泥水式排泥系统的主要设备： 包括进排泥浆泵、泥浆管、泥水 处理装置、泥水箱等。 2、排泥系统有两个作用：一排 土，二平衡地下水。
泥水分离装置
循环管
进、排泥浆泵
5、触变泥浆系统
1、主要设备：由拌浆、 注浆和管道三部分组成。 2、作用：减少顶进过 程中的管节与土体的摩 阻力。降低地面沉降
三、事故原因 该事故，从收集的相关数据、分析，与各参建单位人员多次 探讨后，认为如下： 1、总包及分包夜班管理人员未尽到管理职责，分包单位现 场操作人员未按规定流程操作。 2、通过前6节管节顶进及处理，第7节管节顶进时未设置有 效的止退防退措施，仅凭类似工程的施工经验控制。 3、在⑤1粘土层中，顶管顶进里程近20米、顶力不大的情况 下，注入触变泥浆，导致顶管管道管身与土层接触摩阻力骤 减，迎面土压力远大于摩阻力；从而造成顶管后退。
泥水循环系统安装
触变泥浆系统安装 测量系统安装 照明、通风系统安装
1、出洞
洞口土体加固
洞口止水
2、正常顶进
3、泥水循环
泥水压力表
进、排泥浆管
4、测量
5、纠偏、数据传输
纠偏千斤顶设在顶管机前 后段之间，共4组千斤顶。通 过组合动作，控制顶管机的顶 进方向。
4组纠编千斤顶
当激光点偏移测量 靶中心，表明顶管机偏 移轴线推进，就要启动 纠偏动作。（如激光点 往上移动，说明机头是 往下偏移，必须伸出下 面的2组千斤顶）。
3、顶管施工事故案例
N08~N07砼顶管倒退事故
N08~NY04围墙坍塌事故
一、事故经过（N08~N07砼顶管倒退事故）
N08~N07区间东线顶管为DN4000砼顶管


（内径4000mm，外径4640mm）， 顶进距离20米，穿越土层主要为⑤1 粘土层，覆土深度约10.58米。顶管 设备采用泥水平衡顶管机。 2014年10月19日凌晨4点，3N2-1（ N08-N07）东线第八节管道顶进完成 ；5点，东线开始下管道，准备开顶 ；当管道下放距导轨5米处，东线管 道整体后退，后退长度约2.9米。 顶管后退影响范围：润虹路北侧半幅 ，靠近申虹路；路面塌陷呈漏斗型， 影响2幅机动车道及1幅非机动车道 ，塌陷最深约1.2m，东西向长10.7 米，南北向10.1-12.9米，面积约117 平方。
南片区平面图
北片区平面图
1.1顶管施工原理
顶管施工的基本原理为：从地面开挖两个基坑井，然 后管节从工作井安放，通过主顶千斤顶或中继间的顶 推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿出，穿越 土层到达接收井的预留口边，然后通过接收井的预留 口穿出，形成管道的施工。 现在比较常用顶管施工为泥水平衡顶管施工法，其施 工原理：通过导向头的刀削转动功能将泥土、砂、石 破碎，由一条钢管注入水量，拌成浆液，由另一条钢 管吸出浆液，将浆液置于离心器内离心脱水，再将干 土卸到斗车内运去弃土的地方，分离出的水又回到储 水箱内重复循环使用。施工所采用的主要设备为信息 化及全自动化泥水平衡顶管机
四、吸取教训积累经验
1、加强现场管理，项目部及分包施工管理人员管理到位，止退装置专人管理， 严格按要求执行，且做好过程记录。 2、根据顶力情况适时压注减摩泥浆。单节管道顶进至最后50cm时，放慢顶 进速度，适当降低前仓泥水压力。 3、止退采用管节与基座焊接固定。 4、顶进到位后，油缸先不要完全缩回；缩回3cm，密切观察管道后退趋势后 再进行完全缩回，油缸缩回后，及时拼装管节。
2.1机头及管节旋转: (1)原因分析： 1）顶管机出洞时，由于机头与导轨之间摩擦力较小，难以平衡刀 盘切入土体时的反力矩，机头产生偏转。出洞后，虽然机头后有管 节，但是还不能平衡反力矩，还会带着管节一起偏转。 2）纠偏量过大，纠偏频繁，往往也使管节产生偏转力矩，引起管 节偏转。 3）主顶油缸安装不平行同样会使管节产生偏转。 （2）应对措施 1）顶进中尽量避免过大及频繁的纠偏。 2）主顶油缸安装要平行于轴线，控制油路要使油缸动作同步。 3）顶进中可利用刀盘反力矩纠正偏转，适当加大刀盘切土深度， 然后将刀盘回转方向切换到与机头偏转方向一致。 4）在机头一侧加配重，调整机头偏转。
纠偏动作控制在地面操作室的 操作台远程控制，如何确认操作的 正确性是通过远程数据传输来实现。 1、纠偏量的控制是通过安放在纠 偏千斤顶上的位移传感器来实现。
2、顶管机的状态（水平倾斜、扭 转）由安放在机头的角度倾斜仪来 体现。
数据显 示表
角度 倾斜仪 位移传 感器
6、触变泥浆
在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力 也随之增大。为了提高顶进施工的效率，在施工过程 中尽可能地降低管道外侧的阻力，通常情况下往管外 侧喷谢触变泥浆，降低顶进的阻力。
纠偏千斤顶
纠偏液压泵
1.2主要顶管施工技术
顶管施工的工艺流程图：
后座、导轨安装 掘进机吊装 液压系统、千斤顶安装 包括 穿墙止水环安装
施工准备 地下管线勘察 工作井/接收井施工
设备安装
设备调试 穿墙顶进 下 一 段 顶 管 施 工 下放管节、接管 加中继环 否 否 是 安装中继环 正常顶进、测量 到接收井 是 回收掘进机 全段测量
2.2顶管方向失控: (1)原因分析： a、工作井出洞口无土体加固措施。 b、掘进机纠偏液压系统遇故障。 c、掘进机纠偏行程小，纠偏力不够。 d、测量数据有误。 e、纠偏不及时，纠偏幅度过大。 f、遇到土质变化，开挖面失稳。 （2）应对措施 a、采用可靠的进出洞口地基加固措施。 b、施工前，掘进机进行维修、保养、调试和验收，施工过程加强 检查，遇故障立即停止顶进修理。 e、实行三级测量复核制度。 d、采取勤测、微纠原则。 f、遇到突发情况，逐级汇报，确定偏差报警值，杜绝方向失控。 。
一、事故经过（N08~NY04地表沉陷事故）
N08-NY04区间顶管为DN3500砼顶管（内径3500mm，外径4140mm）， 顶进距离39.92米，穿越土层主要为④灰色淤泥质粘土，上部部分穿越③ 灰色淤泥质粉质粘土，覆土深度约7.18米。顶管设备采用泥水平衡顶管机。 本次顶进从2015年3月25日开始，截止至29日上午顶进里程为27.5米， 各监测点变化较小，最大累计沉降点NY04-7为6.5mm，在可控范围内。 29日下午，顶进里程达到30米，管线监测点RQ12、RQ13、RQ14、 SS6、SS11、SS12、SSX11、SSX12、SSX13、TX6、TX16、TX17、 WS8-2、WS8-3、YS8、YS18、YS19、YS20、YS21，地表监测点 NY04-1、NY04-2、NY04-3、NY04-4、NY04-5、NY04-6、NY04-7、 NY04-8日变化量均已达到或超过警值，TX11被破坏，其中单次变化最大 值;-43.7mm(NY04-5)，最大累计值：-47.2mm（NY04-6）。地面沉降趋 势稍有减缓，但地面沉降还在继续，造成N08井围档外侧人行道局部塌陷， 并未对管线造成大的影响。
10、管内照明
1 管内照明电源应与动 力电源分开，设置独立电 源控制； 2 管内照明电压应采用 低压，电压一般采用36V、 24V、12V、6V，管道内气 体严重潮湿时宜采用6V电 源； 3 管道内照明应能清淅 地看清管道内的环境。
顶管施工扰动分区,并将受顶管施工扰动的土体分为7个扰动区
二、顶管施工重难点分析
1、顶管机：
顶管机的作用①切削土体并搅拌均匀, ②控 制顶进的方向。
泥水平衡顶管机
2、主顶系统：
主顶系统装置由：后座垫铁、 导轨、千斤顶及千斤顶支架、 后座泵站组成，其作用是完成 管道的推进。
U型顶铁 千斤顶
主顶泵站 后座顶铁
3、穿墙止水环
穿墙止水环安装在 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。地下水丰 富、压力大，或管道 埋深较深时，压板可 加工成绞接，防止止 水橡胶因地下水压力 往外翻出。
顶管施工技术及重难点 分析
一、顶管施工原理及主要设备和系统
二、顶管施工重难点及常见问题
三、顶管施工案例分析
四、顶管施工安全管理
工程概况
＊虹桥商务核心区（二期）区域供能管沟工程包括供能管沟、中继泵房以及 与功能项目一期的联通段等。主线管沟长4462m，接用户段管沟长610m，其 中顶管段长4435m，明挖段长637m；管沟工程设顶管工作井共30个，另设中 继泵站两座。 ＊18座主线工作井及南片区中继泵房围护结构采用地下连续墙，工作井基坑 平面尺寸以11m*11m为主，最大工作井基坑尺寸为19.2m*11m，基坑开挖深度 最深达21.26m；10座用户井及北片区中继泵房围护结构主要采用SMW工法桩， 用户井基坑平面尺寸7.9m*5.8m，基坑开挖深度达13.5m。 ＊二期供能管沟主要采用顶管的施工方式，共29段，其中φ4200mm钢顶管 长2751m，共11段；φ4000mm砼顶管1024m，共8段；φ3500mm砼顶管长 343m，共10段；φ3000mm砼顶管长66m。主线顶管ຫໍສະໝຸດ Baidu深3.56~14.24m，用 户井顶管埋深4.63~8.96m。
触变泥浆管
注浆孔的形状及布置：在每节管的前 端布置一道触变泥浆注浆孔，数量为6个， 孔的布置均匀。经过不断压浆，在管外壁 形成一个泥浆套。
8、穿墙进洞
接收井进洞处理与工作井相 同，当顶管顶到墙体位置时， 凿穿实际工具头进洞位置的混 凝土，迅速顶出工具头。
预留口填充物 止水环
顶进方向
9、管内通风
二、应急抢险
路面塌陷事故发生后，施工单位现场第一时间通知各参建单位、各相关管线单位、 道路管理单位及交警。 施工单位立即启动紧急抢险预案；对润虹路进行交通引导、车辆绕道，并对N08 工作井内顶管管道进行加固，防止再次后退。 收集现场路面相关数据，判断塌陷路面范围管线分布及破坏情况；结合顶管相关 数据；分析后，确定现场抢修方案并执行。 1、针对顶管整体后退2.9米，路面塌陷；分两步同时实施： 2、路面：将塌陷路面凿开，主要管线完全暴露，确认管线破损情况，对管线进 行修复（在相对应管线单位指导下实施）；管线修复完成后，将路面进行回填恢 复。经与道路管理单位洽商后，道路结构层如下：黄砂（回填至管线顶以上 30cm）、素土掺7%水泥（作土路基）、砾石砂、混凝土（夹钢筋网）、沥青 （面层）。 3、顶管：因管道后退2.9米，机头刀盘直径4.665米，空隙空间为：49.54立方。 必须要求将后退的2.9米管道重新顶至后退前；避免塌陷进一步扩大。 从19日早上5点开始交通组织开始，至20日凌晨1点左右，管线、路面修复完成， 路面沥青因混凝土养护时间限制，经交警、道路管理单位同意，待混凝土养护至 强度85%，进行路面沥青摊铺。 从19日早上9点开始焊接管道止退措施，至20日凌晨2点左右，N08-N07东线第 八节管道顶进至原位。 至20日凌晨5点，抢修施工结束。
膨润土分散在水中，其片状颗粒表面 带负电荷，端头带正电荷。如膨润土 的含量足够多，则颗粒之间的电键使 分散系形成一种机械结构，膨润土水 溶液呈固体状态，一经触动（摇晃、 搅拌、振动或通过超声波、电流）、 颗粒之间的电键即遭到破坏，膨润土 水溶液就随之变为流体状态。如果外 界因素停止作用，水溶液又变作固体 状态。该特性称作触变性，这种水溶 液称为触变泥浆。
3.3顶力急剧增大: (1)原因分析： a、触变泥浆选材质量不好。 b、触变泥浆材料配方不合理。 c、现场搅拌不充分，水化时间短。 d、注浆孔布置不合理。 e、注浆泵耐压低。 f、注浆量没有控制好。 （2）应对措施 a、选材应进行测试和论证。 b、配方应进行筛分和优化。 c、科学合理的按设计的管路进行布置。 d、采用液压注浆泵，并维修好，确保耐压大于2bPa以上。 e、注浆量和注浆压力按设计要求控制。 f、所有压浆接头用生料带包扎，确保无渗漏现象。
触变泥浆管
泥浆搅拌桶 触变泥浆泵
6、测量系统
1、测量系统的主要设备： 激光经纬仪、测量靶和 监示器组成。 2、测量系统的作用： 监示顶管施工过程中顶 管机推进的轴线偏差。
机头测量靶
操作台
激光经纬仪
7、纠偏系统
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 顶管机推进方向。
1、施工人员需进入管道内作业或检查维修 设备时，施工前须对管道内进行通风，施工 过程中应连续对管道内通风； 2、临时进入长时间没有对管道内通风的管 道作业时，须对管道内通风30min后，并对 管道内进行毒气监测，明确安全后才能进入 管道内作业； 3、管道钢管顶进施工时，焊接过程中应对 管道内进行通风，减少烟雾进入管道内，减 少烟雾对测量激光束的影响；
2.3顶进过程中蛇行和滚动控制: (1)原因分析： 1）由于在顶进过程中对土体的扰动，使土体和顶管机的周边握裹 力减弱，纠偏过大，产生蛇行。 2）由于压注润滑泥浆方法欠佳或局部注浆过量时，使浆液不能形 成箍套，而在管道底部不断积聚浆液造成钢管上漂。
（2）应对措施 1）加强润滑泥浆压注的科学管理，确保注浆和顶进的同步性，使 浆液能及时填充到顶进出现的空隙。 2）补压浆要遵守“全线、平均、及时”的原则，使管节周围能均 匀形成泥浆套，尽量避免局部超量超压。 3）在特别严重区域，采用上注下放和压重的补救措施，减少出现 曲线驼峰。