CN1215276C - 土压平衡矩形顶管施工工艺 - Google Patents

Abstract

土压平衡矩形顶管施工工艺属于建筑工程领域。具体包括：顶管施工前期工艺：(1)清理，测量、轴线放样；(2)地面顶进辅助设施的布置、安装；顶管机施工工艺顺序：管节接口扣密封环、传力衬垫的安放、固定→管节下吊→管口中心调整、连接就位→电源接通及管线接通→顶管机主机启动→土压平衡控制器运行→主顶进装置启动、顶进→地面注浆或注水系统投入运行→螺栓输送机运转→排土，至箱满→主顶进千斤顶停止顶进，注浆或注水系统停止→排土停止，关闭主机→至机架，顶程达1.15m-1.21m，顶进中途继续数次轴线偏差测量→主顶千斤顶全部回缩原位→切断井下总电源，准备，下一循环。本发明方法简单，技术先进，经济合理、安全，速度快，工期短，质量好。

Description

土压平衡矩形顶管施工工艺

技术领域：本发明涉及的是一种矩形顶管施工工艺，特别是一种土压平衡矩形顶管施工工艺，属于建筑工程领域。

背景技术：顶管技术运用至今已有近一百年的历史，特别在城市基础设施全面兴起后，顶管工法被越来越广泛地运用到地下工程中去，顶管施工技术已日趋成熟，顶管施工工艺也日益先进。随着现代施工技术的高速发展，特别是双层隧道、纵型、横型隧道、地下人行通道和共同沟等地下结构设施的发展，众多的地下工程建设对地下工程空间的充分利用提出了更高的要求。先前的隧道掘进机大多是圆形的，在1825年为穿越泰晤士河而挖掘的隧道，第一次采用了矩形断面的盾构，1937-1942年期间建造的Maas河隧道也为矩形断面。近年来，利用盾构法施工建设城市隧道已逐渐成为主要方式，在我国，盾构隧道已广泛应用于地铁隧道、水底公路隧道、取排水隧道、电缆隧道等方面的工程建设，但盾构隧道的断面全部为圆形。由于过街人行地道要求埋深浅，作为地铁车站的进出口日益增多，城市地下管道共同沟也将在我国得到发展，加上城市用地十分紧张，施工中对环境保护要求严，地下的利用又较复杂，因此，矩形隧道以其能充分利用结构断面、合理的形状分布，减少土地征用量和掘进面积，降低了工程造价，越加显示出其独特的优越性。经文献检索发现，日本大丰建设株氏会社1995年开发出DPLEX矩形盾构机，其断面尺寸为4.38×3.98，用该盾构机开挖的一对间距为60厘米圆角矩形断面隧洞，隧道上有上水、下水道、煤气管、电信电缆等地下管线，矩形隧道掘进引起的地面沉降小于2厘米，其路线总长达810米，该盾构为偏心多轴式刀盘形式，它最大的优点是全断面切削任何形状的断面，并能满足土压平衡需求，但其刀盘的驱动形式较复杂，刀盘的结构受力计算困难，造价也相应较高。

发明内容和具体实施方式：本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种土压平衡矩形顶管施工工艺，使其根据土压平衡的基本原理，利用顶管机的刀盘切削和维持机内土压仓的切削土体压力抵抗开挖面的土、水压力达到土体稳定，从而保持土体的稳定，有效控制了地表沉降和隆起。本发明工艺具体如下：

第一、顶管施工前期工艺：

(1)工作井或坑、接收井或坑的清理，测量、轴线放样；

(2)地面顶进辅助设施的布置、安装，井口龙门行车(吊机)的设置、安装，洞口密封的安装、主顶设备后靠背的安装，主顶设备导向机架、主顶千斤顶的安装、调整，工作井或坑内的工作平台、辅助设备、控制操作台的布置、安装，出洞辅助技术设施，井点降水或地基加固处理；

(3)顶管机吊装、下井、就位，顶管机井内安装调试，做好出洞准备。

第二、顶管机施工工艺顺序：

管节接口扣密封环、传力衬垫的安放、固定→管节下吊→管口中心调整、连接就位→电源接通及管线接通→顶管机主机启动→土压平衡控制器运行→主顶进装置启动、顶进→地面注浆或注水系统投入运行→螺栓输送机运转→排土，至箱满→主顶进千斤顶停止顶进，注浆或注水系统停止→排土停止，关闭主机→至机架，顶程达1.15m-1.21m管长，顶进中途继续数次轴线偏差测量→主顶千斤顶全部回缩原位→→切断井下总电源，准备，下一循环。

本发明适用于饱和含水地层中的淤泥质粘土、粘土、粉砂土或砂性土，尤其适用于闹市区或在建筑群、地下管线下进行顶管施工，也可进行穿越公路、铁路、河流特殊地段的地下管道的施工，施工管道口径一国标下水道口径系列尺寸中的Φ1650mm-Φ2400mm为宜，顶管管材为钢筋混凝土，管节的接头形式可按要求选用“T型”、“F型”钢套环式，企口承插式等，也可按工程的要求选用其他材质的管节和管口接扣形式。

其工艺方法进一步限定如下：

(1)砼管吊装、对接，就位时，应注意封闭环，传力衬垫和管口的完好，防止发生人为的损坏，而影响管口的密封。

(2)顶进施工中应随时观察顶进轴线偏差情况，要做到“勤测勤纠”。

(3)刀盘应正、反两方向交替使用，防止顶管机人为的发生偏转。

(4)土压力的管理和排土量的控制是控制地表沉降的关键，土压力管理值即设定土压力，应根据施工土质状况、地下水位、管理埋深等因素初步确定，并根据施工的情况和地表沉降的实测结果，随时进行调整。

(5)在施工中视土质的情况，注入水或合成泥浆对土砂进行塑流性改良，在粉砂土、砂性土地层中施工，当其粘粒含量小于10％时，应对土进行塑流性的改良。

(6)根据顶进施工距离、管节的砼抗压强度、管壁减摩的效果、注浆的可靠程度等施工因素确定中继顶装置的配置，当顶进阻力达到中继顶进装置最大工作顶力的0.8时，需配置中继顶装置。

(7)用膨润土泥浆减阻润滑，为了减少顶进阻力，向管节外壁注入膨润土泥浆减阻润滑，摩阻力可减少到≤0.5t/m²。

本发明根据土压平衡的基本原理，利用顶管机的刀盘切削和维持机内土压仓的切削土体压力抵抗开挖面的土、水压力达到土体稳定，并以顶管机的顶速即掘削量为常量，螺旋输送机转速即排土量为变量进行控制，达到使土压仓内的土、水压力与掘削面的土、水压力保持平衡，从而使开挖面的土体保持稳定，控制了地表的沉降和隆起。与开槽埋管法相比，施工场地占用小，适应在市区街道建筑密集的场合下施工，不须封闭道路、交通，对周围环境、交通影响小。

在整个施工过程中，  整个控制系统以土压平衡为工作原理，通过大刀盘及仿形刀对正面土体全断面切削，改变螺旋机的旋转速度及顶进速度来控制排土量，使土压仓内的土压力值稳定并控制在所设定的压力值范围内，从而达到开挖切削面的土体稳定。具体控制的项目和内容如下：

(1)、正面土压力的控制：土压力根据Rankine土压力理论进行计算，计算值作为土压力的最初设定值，在实际顶进后，通过顶进参数、地面沉降监测，将设定土压力值调整到1.2kg/cm²左右，正面出土量、地面沉降情况较为理想。

(2)、出土量的控制：应尽量精确统计出每节管节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致，以保证正面土体的相对稳定。

(3)、顶进速度的控制：在顶进时应对顶进速度作不断调整，找出顶进速度、正面土压力、出土量的最佳匹配值，以保证顶管的顶进质量。

(4)、顶进轴线的控制：

a.高程控制：在顶进过程中一旦顶管出现上抛现象，不宜采取降低地面土压力、增大出土量、过量向下纠偏等动作，应在顶进时将机头高程始终控制在负值，这样即使在机头下沉较大时，所采取的纠偏措施也和地面沉降控制相统一。

b.平面控制：由于受第一条顶管顶进时挤压、压浆等影响，在已成管道周边土体强度较原状土大，在第二条顶管顶进时，机头平面可能有偏离已成管道的现象，顶进时应把机头平面始终控制在靠已成管道方向。

c.转角控制：矩形管道的横向水平要求较高，在顶进过程中对机头的转角需密切注意，机头一旦出现微小转角，应及时纠转。

d.机头纠偏控制：顶管在正常顶进施工过程中，必须密切注意顶进轴线的控制，在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以避免土体出现较大的扰动及管节间出现张角。

(5)、地面沉降控制

a.利用土压平衡矩形顶管机对矩形断面进行全断面切削，严格控制施工参数，防止超、欠挖。

b.解决矩形顶管机机头顶部背土问题：在矩形顶管机的机头壳体顶部安装压浆管，并开有压浆槽，使浆液均匀分布于整个上顶面，在土体和壳体平面之间形成一泥浆膜，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。

c.在顶进时，每隔一段时间对顶管机后部已成管道高程作一次复测控制，一旦出现管道下沉情况严重时，应对下沉部位进行底部注浆，防止由此引起的地面沉降。

具体测量的内容如下：

(1)矩形顶管机出洞前认真测定顶管机切口的轴线和标高，并将数据及时反馈进行调整，顶进中原始数据、表格必须连续真实填写清楚。

(2)交接班时交清测量记录，将仪器对中，并交清管道轨迹和纠偏趋向。

(3)顶程结束后全线复测、绘制管道顶进轨迹图(含高程、方向、顶力曲线)，并由施工质监人员检查复核。

(4)在过道路时，应按建设单位的要求在指定地段进行施工监测布置，观测顶进过程中地表变形和土体位移情况，以便采取预防措施，避免影响道路正常运行的事故发生，顶进结束后绘制施工过程和竣工后的地面变形图。

整个工程运用矩形顶管施工工法以日顶进速度5米，最高速度9米/日，顺利地穿越了离隧道顶部仅为1.37米的引导段，四周密布的重要管线丝毫未损，并将隧道引道段的沉降控制在10mm以内，转角控制在±0.5°之内。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明利用带面板的刀盘切削、支承土体，对土体的扰动小；采用干式排土，废弃泥土处理方便，对环境影响和污染小；土压平衡系统采用具有智能控制PLC技术，土压平衡控制精度高；施工设备投入较少，施工方法简单，技术先进，经济合理；施工安全，速度快，工期短，质量好。

Claims (4)

1、一种土压平衡矩形顶管施工工艺，其特征在于工艺具体如下：

第一、顶管施工前期工艺：

(1)工作井或坑、接收井或坑的清理，测量、轴线放样；

(2)地面顶进辅助设施的布置、安装，井口龙门行车或吊机的设置、安装，洞口密封的安装、主顶设备后靠背的安装，主顶设备导向机架、主顶千斤顶的安装、调整，工作井或坑内的工作平台、辅助设备、控制操作台的布置、安装，出洞辅助技术设施，井点降水或地基加固处理；

(3)顶管机吊装、下井、就位，顶管机井内安装调试，做好出洞准备；

第二、顶管机施工工艺顺序：

管节接口扣密封环、传力衬垫的安放、固定→管节下吊→管口中心调整、连接就位→电源接通及管线接通→顶管机主机启动→土压平衡控制器运行→主顶进装置启动、顶进→地面注浆或注水系统投入运行→螺栓输送机运转→排土，至箱满→主顶进千斤顶停止顶进，注浆或注水系统停止→排土停止，关闭主机→至机架，顶程达1.15m-1.21m，顶进中途继续数次轴线偏差测量→主顶千斤顶全部回缩原位→切断井下总电源，准备，下一循环。

2、根据权利要求1所述的这种土压平衡矩形顶管施工工艺，其特征是，工艺方法进一步限定如下：

在施工中视土质的情况，注入水或合成泥浆对土砂进行塑流性改良，在粉砂土、砂性土地层中施工，当其粘粒含量小于10％时，应对土进行塑流性的改良。

3、根据权利要求1所述的这种土压平衡矩形顶管施工工艺，其特征是，工艺方法进一步限定如下：根据顶进施工距离、管节的砼抗压强度、管壁减摩的效果、注浆的可靠程度施工因素确定中继顶装置的配置，当顶进阻力达到中继顶进装置最大工作顶力的0.8时，需配置中继顶装置。

4、根据权利要求1所述的这种土压平衡矩形顶管施工工艺，其特征是，在整个施工过程中，控制系统具体控制如下的内容：(1)正面土压力的控制，(2)出土量的控制，(3)顶进速度的控制，(4)顶进轴线的控制，包括：a.高程控制，b.平面控制，c.转角控制，d.机头纠偏控制，(5)地面沉降控制，包括：a.控制施工参数，b.解决矩形顶管机机头顶部背土问题，c.在顶进时，每隔一段时间对顶管机后部已成管道高程作一次复测控制。