阅读说明：本技术 一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法 (Remote large-pipe-diameter multi-terrain mud-water-balance pipe jacking construction method ) 是由 张卫财 刘松林 李中山 吴安农 夏俊卿 蒋浩 王振祥 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法,属于管道施工领域。一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法,主要包括以下步骤：S1、修建泥浆处理池,修建泥浆处理池,水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池,在沉淀过滤池中安装泥浆过滤处理机,用于将底层过滤的泥土处理并返回耕地,过滤循环池中安装提升泵和循环泵,用于将过滤的上清液重新循环到工作井内使用；本发明解决了常规小管径顶管工作面不足的问题,修建泥浆处理池,水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池,减少了泥浆对周围环境影响,起到环保作用,采用泥水平衡远距离顶管,在地形复杂的环境下施工,加快工作进度,缩短工期。(The invention discloses a remote large-pipe-diameter multi-terrain mud-water-balance pipe jacking construction method, and belongs to the field of pipeline construction. A remote large-pipe-diameter multi-terrain mud-water balance pipe jacking construction method mainly comprises the following steps: s1, constructing a slurry treatment tank, wherein the middle of the tank is divided into a sedimentation filter tank and a first filtering circulation tank, a slurry filtering processor is arranged in the sedimentation filter tank and used for processing soil filtered at the bottom layer and returning the soil to cultivated land, and a lift pump and a circulating pump are arranged in the filtering circulation tank and used for recycling filtered supernatant into a working well for use; the invention solves the problem of insufficient working surface of the conventional small-pipe-diameter pipe jacking, constructs the slurry treatment tank, separates the middle of the water tank into the sedimentation filter tank and the first filtering circulation tank, reduces the influence of slurry on the surrounding environment, plays a role in environmental protection, adopts slurry to balance the long-distance pipe jacking, is constructed in the environment with complex terrain, accelerates the working progress and shortens the construction period.)

一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法

技术领域

本发明涉及管道施工技术领域，尤其涉及一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，在市政管道施工中，顶管施工已基本普及；常规顶管施工只是针对穿过某一段路进行作业，工艺、过程相对简单，顶管管径相对较小常规为2m以内，无法解决长输距离、顶进环境复杂多样、管径较大等施工作业问题，在含水量高的粘土层及高水压砾石层地域顶管施工困难，另外普通的施工方法产生大量的泥浆，造成环境污染。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，主要包括以下步骤：

S1、修建泥浆处理池

修建泥浆处理池，水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池，在沉淀过滤池中安装泥浆过滤处理机，用于将底层过滤的泥土处理并返回耕地，过滤循环池中安装提升泵和循环泵，用于将过滤的上清液重新循环到工作井内使用；

S2、修建工作井

确定工作井位置，并利用挖掘机挖出工作井；

S3、确定顶进顶力

F=F1+F2

其中，F——总顶进顶力；

F1——端阻力；

F2——侧壁摩阻力；

F1=π/4·D·P

其中，D——管外径；

P——土压力；

P=Ko·γ·Ho

其中，Ko——静止土压力系数；

Ho——地面至掘进机中心的高度；

γ——土的重量；

F2=πD·f·L

其中，f——管外表面综合磨擦阻力；

D——管外径；

L——顶距；

S4、确定管壁厚度

根据顶管用钢筋混凝土管行业标准JCT640确定大管径钢筋混凝土管道管壁厚度；

S5、管节顶进

利用千斤顶推进掘进机向前推进，掘进机电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层；挖掘的土质，石块在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，与泥浆混合，最后通过排泥管由排泥泵输送至沉淀过滤池；掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节泥水平衡顶进管，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，另一节泥水平衡顶进管又吊入井内，套在第一节泥水平衡顶进管后方，连接在一起，重新顶进，过程不断重复，直到所有泥水平衡顶进管被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道；

轴线测量的控制台设在工作井内液压主顶装置中间，在顶进的过程中需对控制台进行复测，控制台基础应用混凝土浇筑在沉井底板上；按独立坐标系放样后用测量控制台使它精确地移动至泥水平衡顶进管轴线上，用它正确指挥泥水平衡顶进管的施工方向，在后顶观察台架设一台J2型激光经纬仪，通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各一测回，编排程序计算顶管的头部及尾部的平面及高程，实现精准顶进；

S6、注浆

从每段泥水平衡顶进管第一个孔开始注浆，直注至下一个孔出浆，依次注完，每段注浆后，静止6~8小时后进行第二次注浆，第二次注浆压力不变，直至压不进为止；

S7、顶管进接收井

确定接收井位置，挖设接收井，检查地质，并对接收井土体进行注浆加固，掘进机整体进入接收井后立即分离机头和混凝土管节，完成施工。

优选的，在确定施工路线后，对周边的道路基础、河床基底、铁路路基、市政天气热管线、绿化带多种地形进行防护，对铁路基础下方进行垫设钢梁防护，待施工完毕测量铁路基础无沉降后，撤除路基防护。

优选的，在步骤S2中开挖工作井过程中对坑周边土方进行喷浆加固处理，并安装型钢临时支撑。

优选的，在安装型钢临时支撑时，搭建脚手架，并搭设普通钢模和异形模板拼成大模板，对穿螺杆拉撑固定，辅以钢管支撑，并在固定牢固后进行混凝土浇筑、养护，达到设计强度后拆模进行下道工序施工。

优选的，在所述步骤S6中注浆时，在管顶间隙较小管段，采用管内注浆；在管顶间隙较大管段，采用管内注浆和地面注浆相结合。

优选的，在管顶间隙较小管段的压浆材料为水泥粉煤灰浆，配比为，水泥：粉煤灰＝1：3，在管顶间隙较大管段的压浆材料为水泥粉煤灰砂浆，配比为，水泥：粉煤灰：细砂＝1：1：4。

优选的，在对地面的泥水平衡顶进管进行注浆时，采用管内注浆和地面注浆相结合，先从地面压浆，再进行管内注浆。

优选的，所述泥水平衡顶进管注浆布孔方式具体为以下两种，管内注浆布孔方式为：沿管线纵向每3m设一处压浆孔；布孔方式采用左上方、右上方、左上方的顺序；地面注浆布孔方式：沿管道上方每4～6m打孔至管顶空腔。

优选的，在步骤S7中，当挖掘机达到接收井时，暂时中断掘进，若有遇到地下水或软土层，需将止水圈安装在接收井掘进机出口墙上。

优选地，在掘进机进入接收井前复合测量机械所处的方位，确认泥水平衡顶进管状态，评估掘进机出洞口时状态和拟定施工轴线之间的偏差，使掘进机在施工中始终按预定的方案和轴线施工，准确无误的进入接收井内。

与现有技术相比，本发明提供了一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，具备以下有益效果：

1、该远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，通过该工法管道直径3m以内的各种复杂多变地形长距离顶管施工，解决了常规小管径顶管工作面不足的问题，修建泥浆处理池，水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池，减少了泥浆对周围环境影响，起到环保作用，采用泥水平衡远距离顶管，在地形复杂的环境下施工，加快工作进度，缩短工期。

2、该远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，通过该施工方法能够实现穿越河道、铁路、公路及绿化带等远距离大管径多地形含水量高的粘土层及高水压砾石层地域顶管施工作业，且施工过程产生泥浆的能够处理掉循环使用，起到环境保护作用。

3、该远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，通过修建泥浆处理池，水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池，在沉淀过滤池中安装泥浆过滤处理机，用于将底层过滤的泥土处理并返回耕地，过滤循环池中安装提升泵和循环泵，将底下的泥浆通过泥水泵抽离至沉淀池，做到既重复利用水资源又不污染环境。

3、该远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，顶管施工节约了用水量，提高施工进度，造价费用比常规顶管施工节省，加快施工进度同时相应也减少了设备租赁费用，所带来的经济效益十分显著。

4、该远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，质量方面，大管径施工，通过有效地注浆和快速顶进，保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小；安全方面，采用铁路架梁等措施保证了顶进位置铁路及基础的安全；对业主方面，泥水重复利用节约了成本；由于穿越地形较复杂，因地制宜，本工法节约了大量的因地质不良造成的顶管塌陷事故处理费用；在环保方面，在粘土层中，由于其渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，在较短的时间内，都不会产生不良状况，节约了水资源且符合环保要求，通过泥浆处理，分离泥沙可利用，保护环境。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种远距离大管径多地形泥水平衡顶管施工方法，主要包括以下步骤：

S1、修建泥浆处理池

修建泥浆处理池，水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池，在沉淀过滤池中安装泥浆过滤处理机，用于将底层过滤的泥土处理并返回耕地，过滤循环池中安装提升泵和循环泵，用于将过滤的上清液重新循环到工作井内使用；

S2、修建工作井

确定工作井位置，并利用挖掘机挖出工作井；

S3、确定顶进顶力

F=F1+F2

其中，F——总顶进顶力；

F1——端阻力；

F2——侧壁摩阻力；

F1=π/4·D·P

其中，D——管外径；

P——土压力；

P=Ko·γ·Ho

其中，Ko——静止土压力系数，取0.55；

Ho——地面至掘进机中心的高度，取值7m；

γ——土的重量，取1.9t/m3；

F2=πD·f·L

其中，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 =537T；

S4、确定管壁厚度

根据顶管用钢筋混凝土管行业标准JCT640确定大管径钢筋混凝土管道管壁厚度；为240mm

S5、管节顶进

利用千斤顶推进掘进机向前推进，掘进机电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层；挖掘的土质，石块在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，与泥浆混合，最后通过排泥管由排泥泵输送至沉淀过滤池；掘进机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节泥水平衡顶进管，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，另一节泥水平衡顶进管又吊入井内，套在第一节泥水平衡顶进管后方，连接在一起，重新顶进，过程不断重复，直到所有泥水平衡顶进管被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道；

轴线测量的控制台设在工作井内液压主顶装置中间，在顶进的过程中需对控制台进行复测，控制台基础应用混凝土浇筑在沉井底板上；按独立坐标系放样后用测量控制台使它精确地移动至泥水平衡顶进管轴线上，用它正确指挥泥水平衡顶进管的施工方向，在后顶观察台架设一台J2型激光经纬仪，通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各一测回，编排程序计算顶管的头部及尾部的平面及高程，实现精准顶进，提高施工进度；

S6、注浆

从每段泥水平衡顶进管第一个孔开始注浆，直注至下一个孔出浆，依次注完，每段注浆后，静止6~8小时后进行第二次注浆，第二次注浆压力不变，直至压不进为止；

S7、顶管进接收井

确定接收井位置，挖设接收井，检查地质，并对接收井土体进行注浆加固，掘进机整体进入接收井后立即分离机头和混凝土管节，完成施工。

通过该工法管道直径3m以内的各种复杂多变地形长距离顶管施工，解决了常规小管径顶管工作面不足的问题，修建泥浆处理池，水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池，减少了泥浆对周围环境影响，起到环保作用，采用泥水平衡远距离顶管，在地形复杂的环境下施工，加快工作进度，缩短工期，

通过该施工方法能够实现穿越河道、铁路、公路及绿化带等远距离大管径多地形含水量高的粘土层及高水压砾石层地域顶管施工作业，且施工过程产生泥浆的能够处理掉循环使用，起到环境保护作用。

通过修建泥浆处理池，水池中间隔为一个沉淀过滤池和第一个过滤循环池，在沉淀过滤池中安装泥浆过滤处理机，用于将底层过滤的泥土处理并返回耕地，过滤循环池中安装提升泵和循环泵，将底下的泥浆通过泥水泵抽离至沉淀池，做到既重复利用水资源又不污染环境。

顶管施工节约了用水量，提高施工进度，造价费用比常规顶管施工节省，加快施工进度同时相应也减少了设备租赁费用，所带来的经济效益十分显著。

质量方面，大管径施工，通过有效地注浆和快速顶进，保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小；安全方面，采用铁路架梁等措施保证了顶进位置铁路及基础的安全；对业主方面，泥水重复利用节约了成本；由于穿越地形较复杂，因地制宜，本工法节约了大量的因地质不良造成的顶管塌陷事故处理费用；在环保方面，在粘土层中，由于其渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，在较短的时间内，都不会产生不良状况，节约了水资源且符合环保要求，通过泥浆处理，分离泥沙可利用，保护环境。

在确定施工路线后，对周边的道路基础、河床基底、铁路路基、市政天气热管线、绿化带多种地形进行防护，对铁路基础下方进行垫设钢梁防护，待施工完毕测量铁路基础无沉降后，撤除路基防护，采用铁路架梁等措施保证了顶进位置铁路及基础的安全。

在步骤S2中开挖工作井过程中对坑周边土方进行喷浆加固处理，并安装型钢临时支撑，确保工作安全，提高工作效率。

在安装型钢临时支撑时，搭建脚手架，并搭设普通钢模和异形模板拼成大模板，对穿螺杆拉撑固定，辅以钢管支撑，并在固定牢固后进行混凝土浇筑、养护，达到设计强度后拆模进行下道工序施工，便于进行施工。

在步骤S6中注浆时，在管顶间隙较小管段，采用管内注浆；在管顶间隙较大管段，采用管内注浆和地面注浆相结合，提高了注浆效果。

在管顶间隙较小管段的压浆材料为水泥粉煤灰浆，配比为，水泥：粉煤灰＝1：3，在管顶间隙较大管段的压浆材料为水泥粉煤灰砂浆，配比为，水泥：粉煤灰：细砂＝1：1：4，提高了管道质量。

在对地面的泥水平衡顶进管进行注浆时，采用管内注浆和地面注浆相结合，先从地面压浆，再进行管内注浆，提高了管道质量。

泥水平衡顶进管注浆布孔方式具体为以下两种，管内注浆布孔方式为：沿管线纵向每3m设一处压浆孔；布孔方式采用左上方、右上方、左上方的顺序；地面注浆布孔方式：沿管道上方每4～6m打孔至管顶空腔，便于更换的注浆，同时确保了注浆效果。

在步骤S7中，当挖掘机达到接收井时，暂时中断掘进，若有遇到地下水或软土层，需将止水圈安装在接收井掘进机出口墙上，确保使用安全，提高工作效率。

在掘进机进入接收井前复合测量机械所处的方位，确认泥水平衡顶进管状态，评估掘进机出洞口时状态和拟定施工轴线之间的偏差，使掘进机在施工中始终按预定的方案和轴线施工，准确无误的进入接收井内，提高工作效。

下面将结合具体的工程对本施工方法加以论述，具体如下：

以化工园区冬夜工业集中供汽工程下穿黄海路保护涵工程管径Dn2400,单道穿越长度约150m为例，

对周边可能影响到的道路基础、河床基底、铁路路基、市政天气热管线、绿化带多种地形进行防护，尤其需要对铁路基础下方进行垫设钢梁防护。

修建泥浆处理池，施工前修建一个尺寸长10m,宽5m泥浆池，水池中间使用C25混凝土隔为一个沉淀过滤池和一个过滤循环池，两个水池深度分别为3m和2m，水池周边使用小砌块砌筑，M10防水砂浆，池底用C20混凝土做垫层处理，沉淀过滤池安装泥浆过滤处理机，将底层过滤的泥土处理后返回耕地；过滤循环池安装提升泵和循环泵，将过滤的上清液重新循环到工作井内使用。

修建工作井，首先放线确定工作井位置，使用挖掘机挖出工作井，开挖过程对坑周边土方进行喷浆加固处理，并安装型钢临时支撑；搭设施工用脚手架，按照施工图纸进行钢筋绑扎；搭设普通钢模和异形模板拼成大模板，对穿螺杆拉撑固定，辅以钢管支撑；固定牢固后进行混凝土浇筑、养护，达到设计强度后拆模进行下道工序施工。

确定顶进顶力及管壁厚度；最大推力计算，按最大顶距160m计算：

F=F1+F2

其中，F——总顶进顶力；

F1——端阻力；

F2——侧壁摩阻力；

F1=π/4·D·P

其中，D——管外径；

P——土压力；

P=Ko·γ·Ho

其中，Ko——静止土压力系数，取0.55；

Ho——地面至掘进机中心的高度，取值7m；

γ——土的重量，取1.9t/m3；

F2=πD·f·L

其中，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 =537T

工作井内设备顶进顶力约537T，采用3个200T的千斤顶即满足要求，为确保顶管受力均匀平衡和施工过程千斤顶偶然故障情况，本工法实际施工采用4个200T千斤顶均匀分布顶进施工；根据顶管用钢筋混凝土管行业标准JCT640和计算确定本工法用大管径钢筋混凝土管道管壁厚度为240mm。

操控及管节顶进，由一名专业操作人员在地面控制操作并观察掘进机内的土压、油压、激光束位置；其他的工作人员负责井内管道和顶铁的更换以及进行、进排泥管和电缆的连接；在穿越河道时，应放慢顶速，并严格控制注浆压力，防止贯通河床；要根据不同土质、覆土深度和地面沉降的情况，配合测量报表的分析，及时调整泥水与土压平衡值，同时要求坡度保持相对的平稳，控制纠偏量，减少对土体的扰动；根据顶进速度，控制排泥量和地层变形的信息数据，及时调整注浆压力和注浆量，从而将轴线和地层变形控制在最佳的状态；轴线测量的控制平台设在工作井内液压主顶装置中间；施工中对控制台进行复测，控制台基础应用混凝土浇筑在沉井底板上；按独立坐标系放样后用测量控制台使它精确地移动至顶管轴线上，用它正确指挥顶管的施工方向；在后顶观察台架设J2型激光经纬仪一台，通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各一测回，计算顶管的头部及尾部的平面及高程。

本工程每1米注浆量为0.13m3；注浆压力根据管道深度H和土的天然重度γ而定，为2～3γH，本工法施工注浆压力为0.2～0.3Mpa。

在管顶间隙较小管段，采用管内注浆，压浆材料为水泥粉煤灰浆，配比为，水泥：粉煤灰＝1：3；在管顶间隙较大管段，采用管内注浆和地面注浆相结合，压浆材料为水泥粉煤灰砂浆，配比为，水泥：粉煤灰：细砂＝1：1：4。

每段注浆从第一孔开始，直注至下一孔出浆，依次注完；每段注浆后，静止6～8h后进行第二次注浆；第二次注浆压力不变，直至压不进为止；地面管内注浆均采用两次注浆方式；采用地面管内注浆管段，先从地面压浆，再进行管内注浆；逐孔注浆，水泥浆液需搅拌均匀，无结块、无杂物，结束后，及时清理注浆设备。

管内注浆布孔方式为沿管线纵向每3m设一处压浆孔；布孔方式采用左上方、右上方、左上方的顺序；地面注浆布孔方式：沿管道上方每4～6m打孔至管顶空腔。

顶管进接收井，根据放线测量的位置挖设接收井，检查地质，对接收井土体进行注浆加固，加固范围为掘进机出口5m范围内，出口四周距管道外侧2～3m，并砌筑砖墙。掘进机整体进入接收井后立即分离机头和混凝土管节，并把管节和接收井的接头按设计要求进行处理。

待施工完毕测量铁路基础无沉降后，撤除路基防护

使用本工法与常规工艺造价对比见表1

表1施工方案技术经济对比分析

通过工程实践证明，该工法顶管施工节约了用水量，提高施工进度，在造价费用上比常规顶管施工节省了101282元，加快施工进度同时相应也减少了设备租赁费用，所带来的经济效益十分显著。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。