CN102537517B - 一种向江、河、湖中顶管施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种向江、河、湖中顶管施工工艺，其工艺步骤是：（1）、建造工作井，安装调试设备，（2）、管道初始顶进，（3）、顶管正常顶进，（4）、管道内管线拆除：顶管达到预定位置后，停止顶进，将管道内电缆及进、排水管道拆除，（5）、管口封闭及管道内灌水，（6）、测量探出机头位置，（7）、挖泥、水下切割、打捞工具管，（8）、大堤防渗，在大堤迎水面坡脚处设置压密注浆地下防渗墙。该工艺特别适用于穿越长江、河、湖堤及滩涂顶管工程，能有效保护江（河、湖）大堤，作业环境好且安全；可连续出土,施工进度快，施工作业污染小。

Description

一种向江、河、湖中顶管施工工艺

技术领域

本发明涉及一种利用泥水平衡向江、河、湖中顶管施工工艺，属于建筑工程领域。

背景技术

顶管施工广泛适用于市政及水利工程中，特别是随着社会的发展，工业越来越发达，沿长江、大河、湖边上纷纷建起了各种工厂，生产生活用水必须取自江河中，传统施工方法是将管道沿线采用大开挖，位于江（河、湖）中则先围堰，再清淤开挖，然后铺设管道，最后回填，完成整个取水管道的敷设过程，此种方法围堰施工难度大，而江（河、湖）边土质一般为淤泥质土层，管道一般埋设较深，开挖难度大，支护费用高，而且需要支付青苗费、树木赔偿费等，造价高，特别是开挖对江（河、湖）大堤影响大，不仅影响交通，而且会损坏大堤的稳定性。 泥水平衡顶管施工方法以泥水平衡原理为基本，通过改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度来控制排土量，使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内，从而达到开挖面的稳定。此种方法结合触变泥浆减阻方法，能有效控制地面沉降，在市政工程中得到很多应用，效果很好，但未见应用于从江（河、湖）中取水管道的敷设。

发明内容

本发明的目的是利用提供一种泥水平衡顶管向江、河、湖中敷设管道的施工方法。向江、河、湖中顶管接受坑就为江、河、湖，即利用泥水平衡顶管原理将工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到长江内，然后探出机头位置，挖出机头上覆土，潜水员水下切割工具管，再用起重船将其吊起，完成顶管施工。

本发明向江、河、湖中顶管施工工艺是这样的：

（一）、施工前期准备：顶管施工前应编制详细的施工组织设计，计算顶力，选择工具管，确定顶管长度、工作井的尺寸、配筋设计、后背设计，选择垂直运输的方法，选择水中挖泥，切割，打捞的方法和设备。工作井采取沉井施工方法。安装导轨，设置承压壁，安装主管机，搭设操作平台，安装完毕以后，进行设备调试，一切正常运作以后进入顶管施工。

（二）、管道初始顶进：在沉井的预留洞门外侧预先设置钢板桩外封门，随沉井一起下沉，在洞门内砖砌封堵洞口，顶管机由工作井内穿越封门进入待开挖土体，顶管机入洞后再拔起钢板桩外封门，当顶管机出洞时，拆除砖砌墙。

（三）、顶管正常顶进：顶进施工正常顶进时，顶进速度控制在2—3cm/min。顶进时管外围注浆同步进行，以保证管外围充满泥浆套，充分发挥减阻和支承作用。管道顶进至工作井井壁内50cm时，停止顶进，回缩油缸、吊出顶铁，安装下一节管材，焊接，如此循环施工，直至完成全部顶程。

（四）、管道内管线拆除：顶管达到预定位置后，停止顶进，将管道内电缆及进、排水管道拆除。

（五）、管口封闭及管道内灌水：将掘进机内部的水、电管线等设备拆除后，将工作井中的管道口用闷法兰堵死，并安装一只进水阀门，安装完毕后，采用潜水泵向管道内注水。

（六）、测量探出机头位置；顶管完成以后，根据顶管的距离，计算出顶管机头的坐标，用全站仪做定位测量，确定机头位置，并作出标记。

（七）、挖泥、水下切割、打捞工具管：顶管机头位置确定后，用挖泥船将水下埋管上部的覆土开挖完成，并形成沟槽，潜水员入水对掘进机周围及下部的浮土进行清理，将特殊管道后部的工程管道切断，然后将顶管掘进机连同特殊管节用浮吊脱开后，将顶管掘进机连同特殊管调离出水。

（八）、大堤防渗：顶管施工完毕后，顶管管道横穿大堤，为避免江、河或湖水沿管道产生渗透现象，在大堤迎水面坡脚处设置压密注浆地下防渗墙。

该施工工艺有如下特点

一、适用沿江、河、滨湖地区，各种砂土、淤泥质土层的顶管施工，特别适用于穿越长江、河、湖堤及滩涂顶管工程。在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，它也能适用。

二、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，尤其是能有效保护江（河、湖）大堤。

三、较适宜于长距离顶管施工；工作井内作业环境好且安全；可连续出土,施工进度快。

四、施工作业污染小，噪音小，环保。

具体实施方式

（一）顶管施工前期准备

向江（河、湖）中顶管施工前应编制详细的施工组织设计，选择顶管的方法，计算顶力，选择工具管，确定顶管长度，是否采用触变泥浆护壁，工作井的尺寸、配筋设计，后背设计，确定每节管子的长度及连接方法，选择垂直运输的方法，选择水中挖泥，切割，打捞的方法和设备。

（二）施工操作方法

1、工作井的施工方法

工作井采取沉井施工方法，两次或多次浇注成型的，一次或多次下沉到位，水力取土，水下封底的方法进行施工。

2、设备安装及调试

（1）导轨安装

导轨安放前，应先复核管道中心位置，安装时严格确保导轨中心线与管轴线重合。导轨坡度与管道设计坡度相同。导轨位置定好后用槽钢或工字钢支撑牢固。

（2）设置承压壁

    承压壁应承受和传递全部顶力，必须具有足够的强度和刚度。承压壁的平面必须与顶进轴线相垂直，在顶进中随时检查，如发现倾斜，则必须重新布置，以保证安全。承压壁与砼墙壁间用C10砼填塞密实。

（3）安装主顶设备

主顶设备是指安装在承压壁前方，使顶管掘进机和钢管管节向轴线方向顶进的加力组合装置。根据管道顶力计算，选择千斤顶规格及型号，对称布置固定在支架上，并与管道中心垂线对称，其合力的作用点位于管道中心的垂直线上。

（4）搭设操作平台

操作平台上放置主顶油缸用的液压动力站、储油箱、配电箱、操作设施等，操作平台设置在工作井上口边侧，为确保操作人员的安全，平台四周安装拦杆，护栏高度为1.2m。

（5）全套设备调试

顶管机头、液压系统、水泵、操作台安装完毕以后，进行全套设备调试，一切正常运作以后进入顶管施工。

3、测量及轴线控制

（1）机头配有主顶速度检测仪、顶管机本体倾斜仪等可对顶管速度、机头旋转、水平倾角自动进行测量，随时进行方向纠偏。

（2）在顶进过程中，经常对顶进轴线进行测量，检测顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进1节钢管测量1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。

（3）指示轴线在顶进过程中，必须利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致性。

4、管道初始顶进

顶管机由工作井内穿越封门进入待开挖土体的过程称为出洞，顶管出洞工作是顶管施工的关键工序。

封门：在沉井的预留洞门外侧预先设置钢板桩外封门，随沉井一起下沉，在洞门内砖砌封堵洞口，当顶管机出洞时，拆除砖砌墙，顶管机入洞后再拔起钢板桩外封门。

洞口止水装置:在工作井预留孔内侧预埋钢法兰和钢筒，顶管前在钢法兰上焊接安装洞口止水装置，可采用钢丝编织橡胶法兰板和扇形钢压板，要确保该装置与基坑导轨上的管道同心。

轴线控制：在基坑导轨、主顶油缸架、承压壁、出洞口应严格控制好设计轴线，保证安装精度高，确保牢固稳定。

掘进机出洞技术尤为关键，如果在顶进初期就掌握好顶进的方向，在以后顶进管子时，就不易产生较大的偏差，可使管道顶进顺利，并且因为钢管的顺直和摩阻系数小，顶力也较小。初期顶进时除在安装导轨、出洞时应严格注意外，钢管在顶出洞口的30m内要十分严格地控制掘进机出洞时的顶速，克服急躁情绪，顶速必须控制在10-15mm/min范围内，留出充足的时间慢慢找出偏心顶力纠偏的最佳顶力值，保证一次出洞顺直。

5、顶管正常顶进

顶进施工正常顶进时，采用多班连续24小时作业，严格执行班前、班后技术交底制度；控制千斤顶的行程，严禁超越临界冲程；严密注视主站油泵压力的变化，假设发现压力突然上升时，应立即停止顶进，查明原因，以防发生意外；密切注意掘进机的压力表读数，在允许的变化范围内，如发现出土质变化、掘进机偏移等情况立即向值班技术人员汇报，及时采取措施；

加强对顶进速度的控制，一般控制在2—3cm/min。顶进应与管外围注浆同步进行，其原则为先注浆后顶进，随顶进，随压浆，以保证管外围充满泥浆套，充分发挥减阻和支承作用，管道顶进至工作井井壁内50cm时，应停止顶进，回缩油缸、吊出顶铁，安装下一节管材，焊接，如此循环施工，直至完成全部顶程。

管道进江后的长度确定根据以下原则：（1）设计文件；（2）必须保证管顶覆土在3米以上；（3）必须保证掘进机分离后管道入江长度不会在江水作用下飘浮。

掘进机在进入大堤后除按正常的管道顶进方法外，另外要严格执行以下技术要求：

（1）纠偏采用小角度纠偏，纠偏角不得大于0.1度，甚至不纠偏，防止因纠偏产生管道与土体间的空隙增大；

（2）慢顶速，管道顶进速度控制在20㎜/min以内，将沉降量控制在10㎜以内；

（3）加强触变泥浆润滑，使浆液在管道顶进过程中形成完整的初始浆套。注浆压力控制在0.2MPa以内；

（4）管道顶进出现异常如顶力突然增大等情况时要停止顶进，再分析原因，研究并制定好方案后方可顶进。

6、卸管、接口焊接

螺旋钢管在专业厂家制作半成品，按照6m一节，每节管道的一端做阴阳破口，一端平直，每节管道两端分别留80mm不防腐，以利现场对接。外防腐采用环氧煤沥青涂料按加强级（四油一布）做防腐处理，内防腐按照采用可喷涂环氧煤沥青或者氯磺化聚乙烯内防腐涂料，涂层厚度不小于0.2mm。

管道吊入工作井后，放置在顶管轨道上，对口检查合格后，进行点焊固定，点焊应对称施焊，其焊点厚度与第一层焊接厚度一致，焊接完成后报相关单位验收，合格后将接头处防腐做完，再继续顶管施工。

7、触变泥浆置换

管道顶进时，在管道与土体间注入一定量的触变泥浆液，形成围绕管道一周的环状浆套，其作用有二：其一减小管道顶进时摩阻力；其二填充管道外壁与土体间的微小间隙，支承土体，防止塌陷。

顶管管节按长度6m，在每节端部开三个注浆孔（上部、左边、右边），用一套注浆设备在顶进中专门随顶随注，以便在顶管结束能方便拆除位于水下的注浆管和封堵注浆孔。正常顶进时，注浆或补浆均以控制注浆量为主。压浆分两类，分别控制：A、机头尾部同步压浆，以形成原始浆套，填充固有间隙和纠偏间隙，操作为随顶随压、先压后顶；B、工作井出洞口补浆，以补充管道出动时的浆套形成以及防止沿线因浆套失水等原因形成的浆套缺失，该操作在顶进时或停止时均可进行。

8、管道内管线拆除

顶管达到预定位置后，应停止顶进，派人将管道内电缆及进、排水管道拆除，拆除时应将工具管内可拆仪表尽量拆除，以免被水侵湿。因管道较长，拆除时应做好安全措施，管口处应设置鼓风机，保证管道内空气流通，且施工人员配备对讲机，保持联系。

9、管口封闭及管道内灌水

将掘进机内部的水、电管线等设备拆除后，将工作井中的管道口用闷法兰堵死，并安装一只直径50进水阀门，安装完毕后，采用潜水泵向管道内注水，注水量应大于管道容积的2/3，以防止切割工具管时，江水倒灌及管道上浮。

10、测量探出机头位置

顶管完成以后，根据顶管的距离，计算出顶管机头的坐标，再将全站仪架在大堤上，前后要通视，船舶驶入机头大致位置，用全站仪做定位测量，确定机头位置，并作出标记。

11、挖泥、水下切割、打捞工具管

顶管机头位置确定后，用挖泥船将水下埋管上部的覆土开挖完成，并形成沟槽，部分处于悬臂状（掘进机底部有浮土但衬垫不实）位于土体中时，首先将掘进机的前端垫实，再将掘进机的四只起吊吊钩板用钢丝绳挂在浮吊的起重钩上，并稍给一些向上的力，潜水员携带真空吸泥机的导管口，入水对掘进机周围及下部的浮土进行清理，清理范围应满足水下切割工程管道的需要。

潜水员携带氧-弧水下切割的设备潜入水下，将特殊管道后部的工程管道切断，然后将顶管掘进机连同特殊管节用浮吊脱开后，将顶管掘进机连同特殊管调离出水。

氧-弧水下切割的原理是:首先用管状空心电极与钢管之间产生的电弧预热工件,然后从管电极中喷出氧气射流,使工件燃烧,建立氧化放热反应,并将溶渣吹掉。形成割缝使用的特殊管状焊条是由直径6-8mm或8-10mm的钢管制成的，其表面涂药，并与水隔离。用特殊的电极夹钳，把0.15-0.35MPa氧气通入管中。当电弧加热金属时，氧气像平常的气割一样使金属氧化。这种方法简单及经济效果好，在水下切割中使用最为普遍。在分离、吊装前进行施工区域内的航道封锁，在施工的安全区域内不允许任何船只通过，并派交通巡逻船进行巡逻。掘进机用挖泥船挖出后用工程船进行吊装至运输船上，由码头运送上岸。

12、大堤防渗

（1）顶管管道横穿长江大堤，为避免长江水沿管道产生渗透现象，在大堤迎水面范围设置压密注浆地下防渗墙。

（2）压密注浆压浆孔径为25mm，注浆影响半径为500mm，桩间距800mm，桩间搭接200，设置三排，水平长度12m，按梅花状布孔，桩深为地表下9m，注浆浆液为1：1水泥浆，水泥采用P.O32.5普通硅酸水泥，注浆压力值不小于1.0Mpa。

本施工工艺利用泥水平衡顶管施工方法，对长江（河、湖）堤影响小，不需要在江（河、湖）中围堰，节约工程造价，工期可大大缩短，可以取得较好的经济效益。

本施工工艺与同类地下工程的施工工艺相比，顶管施工方法简便，可靠，且以江（河、湖）为接收井，水中切割、打捞机头，技术含量较高。

本施工工艺占用江（河、湖）道时间短，挖出的污泥及时装船运走，泥水平衡顶管排水处设置沉淀池，并将沉淀的污泥及时外运指定地点，具有较好的社会效益及环境效益。

Claims (4)

1. 一种向江、河、湖中顶管施工工艺，其工艺步骤如下：

（一）、建造工作井，安装调试设备：顶管施工前应编制详细的施工组织设计，计算顶力，选择工具管，确定顶管长度、工作井的尺寸、配筋设计、后背设计，选择垂直运输的方法，选择水中挖泥，切割，打捞的方法和设备；采取沉井施工方法建造工作井，安装导轨，设置承压壁，安装主管机，搭设操作平台，安装完毕以后，进行设备调试，一切正常运作以后进入顶管施工；

（二）、管道初始顶进：在沉井的预留洞门外侧预先设置钢板桩外封门，随沉井一起下沉，在洞门内砖砌封堵洞口，顶管机由工作井内穿越封门进入待开挖土体，顶管机入洞后再拔起钢板桩外封门，当顶管机出洞时，拆除砖砌墙；

（三）、顶管正常顶进：顶进施工正常顶进时，顶进速度控制在2—3cm/min，顶进时管外围注浆同步进行，以保证管外围充满泥浆套，充分发挥减阻和支承作用；管道顶进至工作井井壁内50cm时，停止顶进，回缩油缸、吊出顶铁，安装下一节管材，焊接，如此循环施工，直至完成全部顶程；

（四）、管道内管线拆除：顶管达到预定位置后，停止顶进，将管道内电缆及进、排水管道拆除；

（五）、管口封闭及管道内灌水：将掘进机内部的水、电管线等设备拆除后，将工作井中的管道口用闷法兰堵死，并安装一只进水阀门，安装完毕后，采用潜水泵向管道内注水，注水量应大于管道容积的2/3；

（六）、测量探出机头位置；顶管完成以后，根据顶管的距离，计算出顶管机头的坐标，用全站仪做定位测量，确定机头位置，并作出标记；

（七）、挖泥、水下切割、打捞工具管：顶管机头位置确定后，用挖泥船将水下埋管上部的覆土开挖完成，并形成沟槽，潜水员入水对掘进机周围及下部的浮土进行清理，将特殊管道后部的工程管道切断，然后将顶管掘进机连同特殊管节用浮吊脱开后，将顶管掘进机连同特殊管调离出水；

（八）、大堤防渗：顶管管道横穿大堤，为避免江、河或湖水沿管道产生渗透现象，在大堤迎水面范围设置压密注浆地下防渗墙。

2. 根据权利要求1所述的向江、河、湖中顶管施工工艺，其特征在于：在顶进过程中，对顶进轴线进行测量，检测顶进轴线是否和设计轴线相吻合，每顶进1节钢管测量1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。

3.根据权利要求1所述的向江、河、湖中顶管施工工艺，其特征在于：初期顶进时，钢管在顶出洞口的30m内，掘进机出洞时的顶速控制在10-15mm/min范围内，留出充足的时间慢慢找出偏心顶力纠偏的最佳顶力值，保证一次出洞顺直。

4.根据权利要求1所述的向江、河、湖中顶管施工工艺，其特征在于：管道顶进时，在管道与土体间注入一定量的触变泥浆液，形成围绕管道一周的环状浆套，注浆压力控制在0.2MPa以内。