CN111236957B - 机械顶管施工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及顶管施工技术领域，旨在提供机械顶管施工工艺，其包括放样复核；井施工；顶管设备、地面辅助设施安装；顶管设备出工作井；控制台预设顶进轴线，并以激光点形式显示顶管设备的机头与顶进轴线的位置关系，同时，应用后台内设用于模拟顶管施工过程的三维模拟模型；应用后台实时获取控制台的施工过程数据，输入所述三维模拟模型内，所述三维模拟模型控制应用后台报警；操作人员调节纠偏顶管设备的机头位置，直至激光点与顶进轴线的位置偏差小于或等于预设值；顶管设备进接收井；顶进出土。本发明具有辅助操作人员查知机头运行方向并及时进行机头运行方向调整的效果，以减少施工时因人为误差影响施工质量的情况发生。

Description

机械顶管施工工艺
技术领域
本发明涉及顶管施工技术领域，尤其是涉及机械顶管施工工艺。
背景技术
目前，顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，其开挖工作井与接收井，在工作井内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入接收井内，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起，同时，把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以实现非开挖敷设地下管道施工。
顶管施工解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的，具有经济、高效、保护环境的优点。
现有的顶管施工的技术要点在于纠正管子在地下延伸的偏差。在施工过程中，由于土质、设备的操作等原因，容易导致管子的方向或高程出现偏差，需要及时地查知机头运行方向并及时进行机头运行方向的调整。顶管机一般都配设有激光导向装置，激光导向装置根据激光与视准轴的偏差量进行导向。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：在顶管施工时，一般由一名受过专业训练的操作人员在地面控制室外操作并仔细检测整个操作系统、观察掘进机内的土压、油压、激光束位置，对操作人员的专业要求较高，施工时对操作人员的依赖程度大，要求操作人员时刻查知机头运行方向并及时进行机头运行方向的调整，施工时容易存在人为误差影响施工质量。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供机械顶管施工工艺，其具有辅助操作人员查知机头运行方向并及时进行机头运行方向调整的效果，减少施工时因人为误差影响施工质量的情况发生。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
机械顶管施工工艺，包括以下步骤：
放样复核；
井施工；
顶管设备、地面辅助设施安装；
顶管设备出工作井；
控制台预设顶进轴线，并以激光点形式显示顶管设备的机头与顶进轴线的位置关系，同时，应用后台内设用于模拟顶管施工过程的三维模拟模型；
应用后台实时获取控制台的施工过程数据，输入所述三维模拟模型内，当激光点与顶进轴线的位置偏差超过预设值时，所述三维模拟模型控制应用后台报警；
操作人员调节纠偏顶管设备的机头位置，直至激光点与顶进轴线的位置偏差小于或等于预设值；
顶管设备进接收井；
顶进出土。
通过采用上述技术方案，在顶管施工的过程中，包括放样复核、挖设顶管井、安装顶管设备和地面辅助设施、使顶管设备出工作井、控制台显示顶管设备的机头与顶进轴线的位置关系、操作人员调节纠偏顶管设备的机头位置、顶管设备进接收井和顶进出土等工艺流程；同时，应用后台利用三维模拟模型监测顶管设备的机头与顶进轴线的位置关系，在不满足预设条件时报警，以辅助操作人员查知机头运行方向并及时进行机头运行方向调整的效果，减少施工时因人为误差影响施工质量的情况发生。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述应用后台结合用于满足施工及施工现场地质情况和周围环境条件的施工图纸生成施工图深化设计模型；
所述应用后台获取顶管施工过程的施工数据，利用施工数据对所述施工图深化设计模型进行修正优化；
所述应用后台将顶管施工过程分解成各个进度计划，分别列出各进度计划的活动内容，根据施工方案确定各进度计划的逻辑关系，制定初步施工进度计划；
所述应用后台将所述初步施工进度计划与优化的所述施工图深化设计模型关联，生成所述三维模拟模型。
通过采用上述技术方案，利用应用后台获取的顶管施工过程施工数据，再结合应用后台生成的施工图深化设计模型，对施工图深化设计模型进行修正优化，使得施工图深化设计模型满足施工及施工现场地质情况和周围环境条件的实际情况，施工图深化设计模型的模拟效果更好；同时，应用后台将顶管施工过程分解成各个进度计划，列出各进度计划的活动内容、确定各进度计划的逻辑关系以制定初步施工进度计划，将初步施工进度计划与优化的施工图深化设计模型关联，生成三维模拟模型，以用于模拟顶管施工过程、实现顶管施工过程的动态模拟，进而预估实际施工环节可能发生的问题，有利于尽早采取解决措施辅助顶管顺利施工。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述施工过程数据包括井室位置、地面运输和开挖工作坑的条件、顶管预设的顶力值、后背与管口预设承受的顶力值、顶管设备的机头位置和顶进轴线。
通过采用上述技术方案，应用后台获取控制台内的关于顶管施工过程的井室位置、地面运输和开挖工作坑的条件、顶管预设的顶力值、后背与管口预设承受的顶力值、顶管设备的机头位置和顶进轴线等数据信息，以使三维模拟模型获得更贴合实际施工过程的模拟施工情况，进而有利于三维模拟模型更好地辅助操作人员施工。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：当激光点与顶进轴线的位置偏差超过预设值时，操作人员调节纠偏顶管设备的机头位置且每次纠偏角度小于或等于1°。
通过采用上述技术方案，操作人员调节纠偏顶管设备的机头位置时纠偏角度小于或等于1°，使得顶管设备的纠偏幅度维持在较佳范围，避免顶管设备的机头位置因大幅度纠偏造成顶进困难、管节碎裂的情况。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在顶管设备出工作井前，在所述工作井内的洞口位置处安装环形橡胶止水圈。
通过采用上述技术方案，在工作井内的洞口位置处安装环形橡胶止水圈，起到阻挡作用，以防止在顶管的顶进过程中减摩浆从工作井内的洞口位置流失，进而保证了泥浆套的完整，达到减小顶进阻力的效果。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在顶管设备出工作井后，将所述顶管设备的机头用拉杆与机头后面的管子固定连接，所述拉杆卡接配合有设置在所述地面辅助设施上的手拉葫芦，所述顶管设备的机头每移动预设距离，使所述手拉葫芦和所述拉杆卡接配合，拉紧所述顶管设备的机头与其后的管子。
通过采用上述技术方案，顶管设备的机头用拉杆与机头后面的管子固定连接，使顶管设备的机头和机头后面的管子形成一个整体；顶管设备的机头每移动预设距离，使地面辅助设施上的手拉葫芦和拉杆卡接配合，拉紧顶管设备的机头与且其后的管子，使顶管设备的机头沿地面辅助设施的导轨方向顶进；进而顶管设备的机头不容易下沉、顶进安全。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在顶管设备进接收井前，对所述接收井的洞口土体在洞口前5m、洞口四周距管道外侧2-3m范围内进行注浆加固。
通过采用上述技术方案，对接收井的洞口土体进行预设范围的注浆加固，以稳固接收井周围的土质，使得顶管设备顺利进入接收井内，也防止顶管设备进接收井时水土沿工具管与井圈之间的建筑空隙涌入接收井内影响井内接头的顺利施工。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：顶管设备进出所述工作井和所述接收井时，均在所述工作井和所述接收井的外侧安插一排深度为管底以下1.5m、宽度为2.5m的钢板桩。
通过采用上述技术方案，工作井和接收井的外侧安插的钢板桩形成钢封门，以防止在顶管施工过程中，因洞口打开后外侧土体涌入工作井和接收井内。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
机械顶管施工工艺具有辅助操作人员查知机头运行方向并及时进行机头运行方向调整的效果，以减少施工时因人为误差影响施工质量的情况发生；
应用后台生成的三维模拟模型用于模拟顶管施工过程，以实现顶管施工过程的动态模拟，进而预估实际施工环节可能发生的问题，有利于尽早采取解决措施辅助顶管顺利施工；
应用后台获取的各种施工过程数据以使三维模拟模型获得更贴合实际施工过程的模拟施工情况；
顶管设备的纠偏幅度维持在较佳范围，避免顶管设备的机头位置因大幅度纠偏造成顶进困难、管节碎裂的情况；
环形橡胶止水圈起到阻挡作用，以防止在顶管的顶进过程中减摩浆从工作井内的洞口位置流失，也减小了顶进阻力；
拉杆和手拉葫芦使得顶管设备的机头不容易下沉、顶进安全；
对接收井的洞口土体注浆加固，以稳固接收井周围的土质，使得顶管设备顺利进入接收井内，保证接收井内接头的顺利施工；
工作井和接收井外侧安插的钢板桩形成钢封门，以防止在顶管施工过程中，因洞口打开后外侧土体涌入工作井和接收井内。
附图说明
图1是机械顶管施工工艺的流程示意图；
图2是应用后台生成三维模拟模型的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，为本发明公开的机械顶管施工工艺，包括以下步骤：
放样复核：在施工位置测量引点、放样、进行位置复核，以确定井位。
井施工：打设轻型井点，采用反铲挖土机进行基坑开挖，砂垫层和素混凝土垫层施工，沉井分节制作、分次下沉、排水挖干、沉井干封底和底板浇筑，以完成工作井和接收井开挖工作。
基坑形成后立即以粗砂分层回填夯实，辅以洒水，用平板振动器或蛙夯密实，以保证填砂的承载力。
在沉井下沉施工过程中，为防止产生流砂现象，提高沉井制作时的地基强度，一般，在基坑四周布置多层轻型井点降水；沿基坑底四周设排水明沟，对角设置两个集水坑并配水泵，以便及时排除坑内积水；在基坑四周挖设排水明沟，并且对角设置集水坑并配备水泵，用于基坑排除周围地表水；以确保地下水位在基坑底以下0.5m。
工作井和接收井分三次浇筑完成。第一次混凝土浇筑完成后；待混凝土强度达到设计强度后，开始浇筑第二次混凝土，施工缝凿毛，用水冲；最后再铺一层10mm、水灰比0.3-0.4的水泥砂浆，然后浇筑。
顶管设备、地面辅助设施安装：在工作井范围内实行全封闭隔离施工，并布置后靠背、导轨、激光经纬仪、顶铁、气压平衡顶进机头、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯、千斤顶、顶管机、中继间、微型掘进机、地面指挥监测中心、办公室、仓库、配电间、冷作间等，布置16t汽吊、跨距为14m且起重能力为30t的龙门行车，使行车导轨与顶管中心线平行铺设，并与顶管中心左右对称，布置注浆设备、拉车、泥水循环系统。
顶管的基座位置按管道设计轴线进行放样，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和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。
顶管机出工作井：采用起吊设备龙门行车吊起顶管机，顶管机使管道并沿接收井方向顶进，此时，顶管机出工作井，并对工作井的洞口进行进洞密封器安装。
顶管单元的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，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。
控制台根据施工图纸、实际地质条件和周围环境情况，预设顶进轴线，并以激光点形式显示顶管机的机头与顶进轴线的位置关系，掘进机头进洞后的轴线方向与姿态的正确与否，对以后管节的顶进起关键作用；同时，应用后台内设用于模拟顶管施工过程的三维模拟模型。
应用后台实时获取控制台的施工过程数据，施工过程数据包括井室位置、地面运输和开挖工作坑的条件、顶管预设的顶力值、后背与管口预设承受的顶力值、顶管设备的机头位置和顶进轴线等，同时，数据输入三维模拟模型内，当激光点与顶进轴线的位置偏差超过1%时，三维模拟模型控制应用后台报警。
操作人员调节纠偏顶管机的机头位置，每次纠偏角度小于或等于1°，直至激光点与顶进轴线的位置偏差小于或等于1%，以实现管节按顶进设计轴线顶进，控制顶进轴线偏差和纠偏量。
此时，微型掘进机被主顶油缸向前推进，掘进机的机头进入止水圈，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，掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管并推到掘进机的尾套处，待拼接完成，在工具管后管节内安装工具管辅助设备，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，直到所有管道均被顶入土层内。
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，与泥浆混合，通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上，高速排土。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。
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，再排入泥浆池内或使夹带泥砂的泥浆通过振动筛、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，用翻斗车处理渣土并用泥浆用罐车运出场区，堆置于郊外，进而防止泥渣堵塞管道，淤积现场。
进排泥水系统中的压力感应器可测出地下水的压力。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。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。
在顶进过程采用注浆润滑措施，如采用注浆润滑，以使施工中的顶进阻力减小。
顶管机出洞：先在预留洞内接长顶进导轨，并设置限位块；在洞圈内割除外封门钢横梁，在洞门内将钢板桩顶松；将顶管机顶入止水带内，至顶管机羰部离外封门约10cm时停止；拔除外封门；在测量监控下顶管机断续顶进，至主顶行程伸足；在顶管机尾部烧焊限位块，防止主顶千斤顶缩回时，顶管机在正面主体作用下退回；缩回主顶千斤顶，吊放钢管节；割除限位块，继续顶进。
顶管机出洞后，顶管机和其后的第一至第三节钢管节用拉杆连在一块，形成一个整体，以增加顶管机和钢管节的稳定性，同时也便于在以后的顶进施工中对顶管机进行控制。
顶管机出洞前先在洞口处安装双层止水琮，以防止顶管机出洞时下面的水土涌入工作井内和顶进施工时压入的减阻泥浆流失，双层止水琮间可以压注触泥浆，使管节一出洞便被泥浆包裹。
出洞密封器安装：在接收井的洞口位置安装钢外封门，外封门的底部距洞门300mm处插入由预埋铁件组成的楔形槽中，外封门的上部延伸至高于地面300mm并与井体钢筋连接，外封门内外用防水玻璃布与防水涂料涂布，洞门内用两道钢封门作横梁。
顶管机转场：在工作井内的顶管机变换方向，重新开始另一方的顶进工作，每一个工作井重复二次。
井施工、回填:在现浇砼水泥砂浆的强度达到设计规定的强度后，在工作井和接收井的井周80cm宽范围内采用无砂大孔混合料或低标号混凝土回填，并振捣密实，回填石屑至路面层，振捣密实，同时，同时管道沟槽回填土并压实成型，即完成整个管道的铺装。
在顶管出工作井前，在工作井内的洞口位置处安装一道环形橡胶止水圈，防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井内，同时，在顶进施工过程中防止减摩浆从工作井的洞口位置处流失，保证泥浆套的完整，以达到减小顶进阻力的效果。
在顶管出工作井后，将顶管机的机头用拉杆与机头后面的五节管固定连接，拉杆卡接配合有设置在导轨上的手拉葫芦，顶管机的机头的间隔1m位置处使手拉葫芦和拉杆卡接配合，拉紧顶管机的机头与其后的管子，以在机头进洞时加固机头，使机头不下沉、顶进安全，使机头沿着导轨方向顺利顶进。
在顶管进接收井前，对接收井的洞口土体在洞口前5m、洞口四周距管道外侧2-3m范围内进行注浆加固。
顶管进出工作井和接收井时，均在工作井和接收井的外侧安插一排深度为管底以下1.5m、宽度为2.5m的钢板桩，一排钢板桩作为钢封门，以防止洞口打开后外侧土体涌入井内，挖井时首先应在洞口处砌堤岸挡墙，同时在井壁外侧预埋钢板桩，使钢板桩吊钩露出自然地面。
掘进机进入接收井前应复核测量顶管机所处的方位。
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。
参照图2，应用后台结合用于满足施工及施工现场地质情况和周围环境条件的施工图纸生成施工图深化设计模型。
应用后台获取顶管施工过程的井室位置、地面运输和开挖工作坑的条件、顶管预设的顶力值、后背与管口预设承受的顶力值、顶管设备的机头位置和顶进轴线等施工数据，利用施工数据对施工图深化设计模型进行修正优化。
应用后台将顶管施工过程分解成如图1所示的各个进度计划，分别列出各进度计划的活动内容，根据施工方案确定各进度计划的逻辑关系，制定初步施工进度计划。
应用后台将初步施工进度计划与优化的施工图深化设计模型关联，生成三维模拟模型，以用于模拟顶管施工过程、实现顶管施工过程的动态模拟，进而预估实际施工环节可能发生的问题，有利于尽早采取解决措施辅助顶管顺利施工。
本实施例的有益效果如下：
1、机械顶管施工工艺具有辅助操作人员查知机头运行方向并及时进行机头运行方向调整的效果，以减少施工时因人为误差影响施工质量的情况发生；
2、应用后台生成的三维模拟模型用于模拟顶管施工过程，以实现顶管施工过程的动态模拟，进而预估实际施工环节可能发生的问题，有利于尽早采取解决措施辅助顶管顺利施工；
3、应用后台获取的各种施工过程数据使得三维模拟模型获得更贴合实际施工过程的模拟施工情况，有利于三维模拟模型更好地辅助操作人员施工；
4、顶管设备的纠偏幅度维持在较佳范围，避免顶管设备的机头位置因大幅度纠偏造成顶进困难、管节碎裂的情况；
5、环形橡胶止水圈起到阻挡作用，以防止在顶管的顶进过程中减摩浆从工作井内的洞口位置流失，保证了泥浆套的完整、减小了顶进阻力；
6、拉杆和手拉葫芦使得顶管设备的机头不容易下沉、顶进安全；
7、对接收井的洞口土体注浆加固，以稳固接收井周围的土质，使得顶管设备顺利进入接收井内，保证接收井内接头的顺利施工；
8、工作井和接收井外侧安插的钢板桩形成钢封门，以防止在顶管施工过程中，因洞口打开后外侧土体涌入工作井和接收井内。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.机械顶管施工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
放样复核；
井施工；
顶管设备、地面辅助设施安装；
顶管设备出工作井；
控制台预设顶进轴线，并以激光点形式显示顶管设备的机头与顶进轴线的位置关系，同时，应用后台内设用于模拟顶管施工过程的三维模拟模型；
应用后台实时获取控制台的施工过程数据，输入所述三维模拟模型内，当激光点与顶进轴线的位置偏差超过预设值时，所述三维模拟模型控制应用后台报警；
操作人员调节纠偏顶管设备的机头位置，直至激光点与顶进轴线的位置偏差小于或等于预设值；
顶管设备进接收井；
顶进出土；
所述应用后台结合用于满足施工及施工现场地质情况和周围环境条件的施工图纸生成施工图深化设计模型；
所述应用后台获取顶管施工过程的施工数据，利用施工数据对所述施工图深化设计模型进行修正优化；
所述应用后台将顶管施工过程分解成各个进度计划，分别列出各进度计划的活动内容，根据施工方案确定各进度计划的逻辑关系，制定初步施工进度计划；
所述应用后台将所述初步施工进度计划与优化的所述施工图深化设计模型关联，生成所述三维模拟模型。
2.根据权利要求1所述的机械顶管施工工艺，其特征在于：所述施工过程数据包括井室位置、地面运输和开挖工作坑的条件、顶管预设的顶力值、后背与管口预设承受的顶力值、顶管设备的机头位置和顶进轴线。
3.根据权利要求1所述的机械顶管施工工艺，其特征在于：当激光点与顶进轴线的位置偏差超过预设值时，操作人员调节纠偏顶管设备的机头位置且每次纠偏角度小于或等于1°。
4.根据权利要求1所述的机械顶管施工工艺，其特征在于：在顶管设备出工作井前，在所述工作井内的洞口位置处安装环形橡胶止水圈。
5.根据权利要求1所述的机械顶管施工工艺，其特征在于：在顶管设备出工作井后，将所述顶管设备的机头用拉杆与机头后面的管子固定连接，所述拉杆卡接配合有设置在所述地面辅助设施上的手拉葫芦，所述顶管设备的机头每移动预设距离，使所述手拉葫芦和所述拉杆卡接配合，拉紧所述顶管设备的机头与其后的管子。
6.根据权利要求1所述的机械顶管施工工艺，其特征在于：在顶管设备进接收井前，对所述接收井的洞口土体在洞口前5m、洞口四周距管道外侧2-3m范围内进行注浆加固。
7.根据权利要求1所述的机械顶管施工工艺，其特征在于：顶管设备进出所述工作井和所述接收井时，均在所述工作井和所述接收井的外侧安插一排深度为管底以下1.5m、宽度为2.5m的钢板桩。
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