手掘式顶管施工组织设计及对策

1、-光明污水处理厂配套干管工程标段顶管施工方案目 录一、顶管施工方案编制依据（2）二、顶管施工简况（2）三、顶管施工方案（3）四、顶管施工机具和劳力组织（9）五、顶管施工过程中安全措施（10）六、顶管施工安全应急预案（12）顶 管 施工方案一、 顶管施工方案编制依据：1-1. 市城市建设研究院提供的光明污水处理厂配套干管工程标段全套设计施工图。1-2. 中国建筑西南勘察设计研究院提供的光明污水处理厂配套干管工程详勘地质报告。1-3. 顶管施工技术的相关资料及顶管施工在地区应用情况的调查资料。1-4. 顶管施工区域的地理环境水文条件调查。1-5. 顶管施工材料生产厂家提供的技术数据。二、 顶管施工简况2-1. 工程简况：2-2. 工程地质简况：2-2-1、顶管施工区域地形地貌为砂层，勘探资料提供43个详勘孔，地下水位在0.64m6m之间。2-2-2、顶管施工场地的工程地质结构情况为：（1）地表填土层：主要成分为杂填土，土层厚度为0.5m5.82m不均匀，属于大孔隙、压缩性高的松散结构土体。（2）砂质粘性土层：主要分为中砂和砂质粘土相结合，土质结构极不均匀。砂层中含有中砂、细砂成份占65，砂

2、质粘土为35，土层厚度为5.1m11.45m。（3）砂层：主要是中粗砂和细砂，中粗砂占72%，细砂占28%。2-2-3、顶管施工区域水文地质条件：（1）顶管施工区域的地下水比较丰富，主要赋存于中砂层，该土层渗透系数为30m/d，属强透水层。地下水和顶管施工区域的已建排水明渠水系形成互状态。在雨季时，受降雨影响水位降升幅度更为明显，给顶管施工会产生一定影响。（2）顶管施工设计采用顶管材料混凝土管。2-3. 顶管施工区域和工程量：本标段管道铺设施工位置主要分为田寮段、东坑段；将石段；田寮段主要顶管施工污水主干道设计图纸管径为d800；支管管径分别是d300、d200。施工里程桩号为：Z5K2+757Z5K4+181，全长约为1409m。 东坑段主要顶管施工污水主干道设计图纸管径为d1400；支管管径分别是d300、d200。施工里程桩号为：Z6K0+340Z6K1+239，全长约为805米。将石段主要顶管施工污水主干道设计图纸管径为d1500、d1400；支管管径分别是d300、d200。施工里程桩号为：Z6K1+239Z6K1+288，全长约为1049米。根据设计施工图，本标段顶管施工共

3、有四种管径，施工种类多，工程地质条件复杂，这对顶管机具，施工方法和施工技术的选择和确定是一项重要工作。本方案编制是顶管施工专项方案，是指导顶管施工的技术性文件和施工依据。三、 顶管施工方案3-3. 管施工方法的选择：顶管是一种非开挖性的地下管道施工，在国城市建设不断发展条件下，市政管道建设标准已趋向于环境保护法制化，过去采用的管道铺设方法在城市建设规划中受到很大制约，顶管施工则是近几年应用市政管道施工的新技术和新方法。前在地下顶管施工常采用机械式和手掘式两种方法。机械顶管技术是引进和吸收国外一些设备制造工艺，因为设备制作材料和工艺缺陷，国产的小型顶管机械远不能满足不同工程地质施工条件，具有很大的局限性，在地区地下顶管工作中，一般均采用手掘式施工技术。3-1-1、机械式顶管施工机理分析：本标段原设计采用机械式顶管施工，经过现场实践证明，机械顶管对软弱淤泥质土层、砂层和含卵砾石的土层施工非常因难。机械顶进的进程中，经常出现排浆管堵塞无进尺和机械头卡死在土层中，故障率频频发生，直接影响工程进度并酿造成管道事故。机械顶管应用于软弱淤泥质土层和沙层影响施工的原因的机理分析：（1）国产顶管机在顶管

4、施工中，是借以筒式结构的前端设置动力旋转钻进切削土体的力排架，并在切削架底部设进浆和出浆口，排浆口的直径为50.0mm。当顶管机械头工作时，将切削土体通过排浆口排出孔外，形成土体置挖后，利用千斤顶同步顶进，完成循序渐进的顶管过程。这种钻顶作业方式在一般性粘土和砂土层施工时非常适合，因为粘土和水搅拌后易成泥浆，很容易以排浆口不断排出，机械阻力很小，饱和状的粉细砂的颗粒比重较小，也容易被抽排出孔外，从而达到钻削顶进的效果。在本工程施工地段的地勘报告已明确告知，该地段的土质结构为中粗砂及细砂，处于顶管通过的中心端面约6065均在砂层中，工程实践表明，透系数钻头在切削时，沙不能溶解成浆液，连续不断的切削作用，将大部沙土分为块状附在切削头上。另一部分拥堵在排浆口周围，导改积淤成阻，影响切削进度。列举一工程实例：2005年7月，南沙排污系统DN1800地下管道施工，用机械顶管在软弱淤泥质土和沙层中施工以失败而改用成手掘式施工，施工后3个半月完成顶管施工。（2）国产机械顶管设备在设计和制造中，对顶管动力切削部位缺少高压水射入和强力抽浆装置，同时钻削动力部件没有击石破碎功能，从而在含颗粒较大原砂卵石土

5、中施工非常困难，经常发生机头卡死在孔中，造成事故。而国外的顶管机具备钻、搅、吸、排功能，在机头切削部具有破碎挤压功能，很容易穿越较为坚硬的土层。国产顶管机在结构设计，钻头材料选用上还需改进后才能运用于更多的土质结构条件施工。列举一工程实例：2006年市沙井镇锦秀路段污水处理厂配套干管工程施工中，原设计采用DN10001500机械顶管在贝壳、沙卵石层中，首先选用国产顶管机施工，在顶进40m时机头卡死在贝壳、沙卵石层中，后换用日本产顶管机施工，在顶进70m后，机械头磨损严重，因频繁更损零件延误工期，机械顶管施工设备全部退出施工现场。后采用手掘式施工后，3个月时间完成顶管施工1.7km。（3）机械顶管机设备长度为4.0m，总重量约2400kg，自重压力为6KN/m（线荷载）。在砂土层顶管时，随顶管长度增加，管道重量不断增大，管底部砂层承载力仅为40KPa，在满足不了管道自重承载条件下，管道出现局部下沉，产生机械顶进偏位。机械顶管自身无纠偏能力，只能借助后部油压千斤顶进行水平向调整。而垂直高差无法控制。在淤泥质土层中时常发生机头扎下和向上冒顶现象，给工程质量留下严重隐患。机械顶管在淤泥质土层中

6、要求设备重量轻并设有调向纠偏装置才能满足工程要求，但国顶管机械目前尚不具备这种功能。综上分析，光明污水处理厂配套干管工程标地下顶管采取机械顶管施工方案是不宜的。3-1-2、手掘式顶管施工机理分析：手掘式顶管施工又称为人工顶管，是目前应用顶管工程较为普遍的施工方法，特别是在地区基本上顶管施工均采用此方法。手掘式顶管施工是采用人工挖掘机械顶进的方法，通过人力机械组合来完成顶管施工过程，手掘式施工特点是适应工程地质条件较为广泛，在不同地质结构条件下，利用人力挖掘条件可以消除地下隐蔽物影响顶管施工因素，直观的了解土层结构和及时处理顶管施工偏位问题，同时具有工艺简单，机械故障等特点，对控制施工进度和施工质量是极为有效的。手掘式施工也有对工程地质条件的特殊要求，如液化砂性土和流塑状淤泥质土层。因地质条件因素引发施工作业安全问题，在开挖过程中，可能出现有害气体对人体伤害等，这是人工顶管施工中不可轻视的问题。只要在施工前和施工中采取有效防措施，就可以进行人工顶管的正常施工。相关问题在本方案第五节顶管施工过程中的安全措施”中详述。3-1-3、通过对上述机械顶管和人工顶管施工机理的分析，结合本工程实际情况

7、，借鉴以往工程实践经验，对顶管施工方法采取手掘式进行施工是可行的方法，手掘式施工应在安全措施工完备的条件下才能实施。3-2. 手掘式顶管施工程序和工艺：手掘式顶管施工程序为：管道轴线测量定位顶管工作井施工顶管设备安装和调试顶管安装顶进前安全测试人员进洞挖掘顶进接收井取出工具间继续顶进至顶管接收井位指定位置顶管工作井、接收井改成检查井。3-2-1、顶管施工管道轴线测量定位，根据设计施工图要求的管道线路设置，用全站仪进行测量定位，测量控制点应根据国土局提供的平面坐标点引入施工区域，确定管道施工坐标进行本桩定位。经过现场监理工程师进行复测确认后方可进行工作井施工。测量数据要精确，提交测量成果报告交监理工程师审批复核后方可进行施工，测量数据要按市政工程测量表格填写。测量布控点要进行固定和保护，管道竣工验收后方可拆除。3-2-2、顶管工作井施工按设计施工图进行，采用沉井施工井壁、底板混凝土强度为C25，抗渗等级为S6，垫层为C20，抛块石锅底平均大约1米。顶管工作井施工完成28天砼强度后，方可进行顶管施工。3-2-3、手掘式顶管施工设备安装和调试，主要是顶管主顶的油压泵、管路、仪表和油压千斤顶安

8、装。顶管工作井起吊运输机械设备安装和调试。顶管施工中的起吊设备宜采用门式起重机，在受施工条件限制时也可采用钢管架卷扬机进行吊运工作。但钢管架起吊设备必须按钢管架起吊施工方案”要求进行现场制作和安装，经过现场监理工程师确认后，方可进行施工，钢管架起吊设备要编制方案和相关计算，提供监理工程师和安检部检查。3-2-4、顶管安装是指工作井完成顶管设备安装结束后和调试后，把混凝土管安放在进洞口中进行顶管施工。顶管安放要水平平稳，管中要与顶管中心线重合，同轴度误差要2mm4mm。管道安装同时要与千斤顶安装点置中轴线位置，误差值2mm4mm。管基底要设置导向槽，确保顶管顶进时不会产生偏位。3-2-5、顶进前安全测试主要工作为：顶管顶压测试检测、进洞挖掘前的有害气体测试、初顶时要把顶压调整到最大负载值，控制值为34MPa，测试顶管受力时变形情况。根据工具间进入土层位置要判定管道顶进断面土层情况与工程地勘报告提供的土层结构是否相同，发现有误时应立即向监理工程师和报告，在确定处理方案后方可进行施工。顶进前的安全测试工作，应请监理工程师在场旁站，对进行检测的各顶技术参数要进行记录和归档上报。有害气体的检测要

9、用毒气检测仪器实地检测，当气体含量符合安全指标时，方可进行人工挖掘作业。有害气体含量超标时不能进行管作业，要进行处理，排除和稀释气体有害含量，用通风机抽吸管外气体排入管，达到混和调换的效果。3-2-6、作业人员在确认安全的条件下进入工具管中进行挖掘取土作业，挖掘顺序应从管顶方向逐次向管底方向，不允许先下后上开挖。挖掘管口断面土层达到斗车容量时要及时运出，严禁超挖和长距离挖掘同步作业法，有宜于保证施工人员的作业安全。进洞挖掘作业人员要有和管外人员及时沟通的语音信号或连络方式，保证施工置地有声，安全操作。3-2-7、顶管在顶进时要先校油压表指数，在保证无误的前提下，才能进行顶管作业。 油压千斤顶在工作时要双顶同步，伸缩自如。顶铁制作材料要保证刚度，正常和超载顶进时不允许发生变形，而影响顶推质量。3-2-8、当顶管完成从工作井顶至终点接收井时，应根据顶管跟踪测量坐标点提前在接收井位开凿接收井壁钢筋砼结构，使顶管可轻松进入接收井，然后用吊车取出顶管工具间。3-2-9、接收井取出顶管工具间后，应按照设计要求继续顶管，当顶管长度满足检查井相连尺寸后，两井段的顶管施工任务已完成，可以进行下一道工序施工。3-2-10、顶管工作井、接收井在完成顶管施工后，应按设计要求在井构筑成检查井。3-3. 手掘式顶管施工相关计算：3-3-1

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