顶管施工原理及重难点分析和事故案例分析[全面]

1、顶管施工技术及重难点分析,工程概况,虹桥商务核心区（二期）区域供能管沟工程包括供能管沟、中继泵房以及与功能项目一期的联通段等.主线管沟长4462m,接用户段管沟长610m,其中顶管段长4435m,明挖段长637m；管沟工程设顶管工作井共30个,另设中继泵站两座.,18座主线工作井及南片区中继泵房围护结构采用地下连续墙,工作井基坑平面尺寸以11m*11m为主,最大工作井基坑尺寸为19.2m*11m,基坑开挖深度最深达21.26m；10座用户井及北片区中继泵房围护结构主要采用SMW工法桩,用户井基坑平面尺寸7.9m*5.8m,基坑开挖深度达13.5m.,二期供能管沟主要采用顶管的施工方式,共29段

2、,其中4200mm钢顶管长2751m,共11段；4000mm砼顶管1024m,共8段；3500mm砼顶管长343m,共10段；3000mm砼顶管长66m.主线顶管埋深3.5614.24m,用户井顶管埋深4.638.96m.,南片区平面图 北片区平面图,1.1顶管施工原理,顶管施工的基本原理为：从地面开挖两个基坑井,然后管节从工作井安放,通过主顶千斤顶或中继间的顶推机械的顶进,推动管节从工作井预留口穿出,穿越土层到达接收井的预留口边,然后通过接收井的预留口穿出,形成管道的施工. 现在比较常用顶管施工为泥水平衡顶管施工法,其施工原理：通过导向头的刀削转动功能将泥土、砂、石破碎,由一条钢管注入水量,

3、拌成浆液,由另一条钢管吸出浆液,将浆液置于离心器内离心脱水,再将干土卸到斗车内运去弃土的地方,分离出的水又回到储水箱内重复循环使用.施工所采用的主要设备为信息化及全自动化泥水平衡顶管机,1、顶管机： 顶管机的作用切削土体并搅拌均匀, 控制顶进的方向.,泥水平衡顶管机,2、主顶系统： 主顶系统装置由：后座垫铁、导轨、千斤顶及千斤顶支架、后座泵站组成,其作用是完成管道的推进.,千斤顶,主顶泵站,后座顶铁,U型顶铁,3、穿墙止水环,穿墙止水环安装在工作井预留洞口,具有防止地下水、泥砂和触变泥浆从管节与止水环之间的间隙流到工作井.地下水丰富、压力大,或管道埋深较深时,压板可加工成绞接,防止止水橡胶因地

4、下水压力往外翻出.,4、泥水系统,进、排泥浆泵,泥水分离装置,1、泥水式排泥系统的主要设备：包括进排泥浆泵、泥浆管、泥水处理装置、泥水箱等. 2、排泥系统有两个作用：一排土,二平衡地下水.,循环管,5、触变泥浆系统,泥浆搅拌桶,触变泥浆泵,触变泥浆管,1、主要设备：由拌浆、注浆和管道三部分组成. 2、作用：减少顶进过程中的管节与土体的摩阻力.降低地面沉降,6、测量系统,激光经纬仪,操作台,机头测量靶,1、测量系统的主要设备： 激光经纬仪、测量靶和监示器组成. 2、测量系统的作用： 监示顶管施工过程中顶管机推进的轴线偏差.,7、纠偏系统,纠偏液压泵,纠偏千斤顶,1、主要设备：纠偏千斤顶、油泵站、

5、位移传感器和倾斜仪组成. 2、作用：控制顶管施工中的顶管机推进方向.,顶管施工的工艺流程图：,1.2主要顶管施工技术,1、出洞,洞口止水,洞口土体加固,2、正常顶进,3、泥水循环,泥水压力表,进、排泥浆管,4、测量,5、纠偏、数据传输,4组纠编千斤顶,纠偏千斤顶设在顶管机前后段之间,共4组千斤顶.通过组合动作,控制顶管机的顶进方向.,当激光点偏移测量靶中心,表明顶管机偏移轴线推进,就要启动纠偏动作.（如激光点往上移动,说明机头是往下偏移,必须伸出下面的2组千斤顶）.,角度 倾斜仪,位移传感器,纠偏动作控制在地面操作室的操作台远程控制,如何确认操作的正确性是通过远程数据传输来实现. 1、纠偏量的

6、控制是通过安放在纠偏千斤顶上的位移传感器来实现. 2、顶管机的状态（水平倾斜、扭转）由安放在机头的角度倾斜仪来体现.,数据显示表,6、触变泥浆,在顶进过程中,随着距离的增长,管道的摩阻力也随之增大.为了提高顶进施工的效率,在施工过程中尽可能地降低管道外侧的阻力,通常情况下往管外侧喷谢触变泥浆,降低顶进的阻力.,触变泥浆管,膨润土分散在水中,其片状颗粒表面带负电荷,端头带正电荷.如膨润土的含量足够多,则颗粒之间的电键使分散系形成一种机械结构,膨润土水溶液呈固体状态,一经触动（摇晃、搅拌、振动或通过超声波、电流）、颗粒之间的电键即遭到破坏,膨润土水溶液就随之变为流体状态.如果外界因素停止作用,水溶

7、液又变作固体状态.该特性称作触变性,这种水溶液称为触变泥浆.,注浆孔的形状及布置：在每节管的前端布置一道触变泥浆注浆孔,数量为6个,孔的布置均匀.经过不断压浆,在管外壁形成一个泥浆套.,8、穿墙进洞,接收井进洞处理与工作井相同,当顶管顶到墙体位置时,凿穿实际工具头进洞位置的混凝土,迅速顶出工具头.,9、管内通风,1、施工人员需进入管道内作业或检查维修设备时,施工前须对管道内进行通风,施工过程中应连续对管道内通风； 2、临时进入长时间没有对管道内通风的管道作业时,须对管道内通风30min后,并对管道内进行毒气监测,明确安全后才能进入管道内作业； 3、管道钢管顶进施工时,焊接过程中应对管道内进行通

8、风,减少烟雾进入管道内,减少烟雾对测量激光束的影响；,10、管内照明,1 管内照明电源应与动力电源分开,设置独立电源控制； 2 管内照明电压应采用低压,电压一般采用36V、24V、12V、6V,管道内气体严重潮湿时宜采用6V电源； 3 管道内照明应能清淅地看清管道内的环境.,顶管施工扰动分区,并将受顶管施工扰动的土体分为7个扰动区,二、顶管施工重难点分析,2.1机头及管节旋转: (1)原因分析： 1）顶管机出洞时,由于机头与导轨之间摩擦力较小,难以平衡刀盘切入土体时的反力矩,机头产生偏转.出洞后,虽然机头后有管节,但是还不能平衡反力矩,还会带着管节一起偏转. 2）纠偏量过大,纠偏频繁,往往也使

9、管节产生偏转力矩,引起管节偏转. 3）主顶油缸安装不平行同样会使管节产生偏转. （2）应对措施 1）顶进中尽量避免过大及频繁的纠偏. 2）主顶油缸安装要平行于轴线,控制油路要使油缸动作同步. 3）顶进中可利用刀盘反力矩纠正偏转,适当加大刀盘切土深度,然后将刀盘回转方向切换到与机头偏转方向一致. 4）在机头一侧加配重,调整机头偏转.,2.2顶管方向失控: (1)原因分析： a、工作井出洞口无土体加固措施. b、掘进机纠偏液压系统遇故障. c、掘进机纠偏行程小,纠偏力不够. d、测量数据有误. e、纠偏不及时,纠偏幅度过大. f、遇到土质变化,开挖面失稳. （2）应对措施 a、采用可靠的进出洞口地

10、基加固措施. b、施工前,掘进机进行维修、保养、调试和验收,施工过程加强检查,遇故障立即停止顶进修理. e、实行三级测量复核制度. d、采取勤测、微纠原则. f、遇到突发情况,逐级汇报,确定偏差报警值,杜绝方向失控. .,3.3顶力急剧增大: (1)原因分析： a、触变泥浆选材质量不好. b、触变泥浆材料配方不合理. c、现场搅拌不充分,水化时间短. d、注浆孔布置不合理. e、注浆泵耐压低. f、注浆量没有控制好. （2）应对措施 a、选材应进行测试和论证. b、配方应进行筛分和优化. c、科学合理的按设计的管路进行布置. d、采用液压注浆泵,并维修好,确保耐压大于2bPa以上. e、注浆量

11、和注浆压力按设计要求控制. f、所有压浆接头用生料带包扎,确保无渗漏现象.,2.3顶进过程中蛇行和滚动控制: (1)原因分析： 1）由于在顶进过程中对土体的扰动,使土体和顶管机的周边握裹力减弱,纠偏过大,产生蛇行. 2）由于压注润滑泥浆方法欠佳或局部注浆过量时,使浆液不能形成箍套,而在管道底部不断积聚浆液造成钢管上漂. （2）应对措施 1）加强润滑泥浆压注的科学管理,确保注浆和顶进的同步性,使浆液能及时填充到顶进出现的空隙. 2）补压浆要遵守“全线、平均、及时”的原则,使管节周围能均匀形成泥浆套,尽量避免局部超量超压. 3）在特别严重区域,采用上注下放和压重的补救措施,减少出现曲线驼峰.,3、

12、顶管施工事故案例,一、事故经过（N08N07砼顶管倒退事故）,N08N07区间东线顶管为DN4000砼顶管（内径4000mm,外径4640mm）,顶进距离20米,穿越土层主要为1粘土层,覆土深度约10.58米.顶管设备采用泥水平衡顶管机. 2014年10月19日凌晨4点,3N2-1（N08-N07）东线第八节管道顶进完成；5点,东线开始下管道,准备开顶；当管道下放距导轨5米处,东线管道整体后退,后退长度约2.9米. 顶管后退影响范围：润虹路北侧半幅,靠近申虹路；路面塌陷呈漏斗型,影响2幅机动车道及1幅非机动车道,塌陷最深约1.2m,东西向长10.7米,南北向10.1-12.9米,面积约117平

13、方.,二、应急抢险,路面塌陷事故发生后,施工单位现场第一时间通知各参建单位、各相关管线单位、道路管理单位及交警. 施工单位立即启动紧急抢险预案；对润虹路进行交通引导、车辆绕道,并对N08工作井内顶管管道进行加固,防止再次后退. 收集现场路面相关数据,判断塌陷路面范围管线分布及破坏情况；结合顶管相关数据；分析后,确定现场抢修方案并执行. 1、针对顶管整体后退2.9米,路面塌陷；分两步同时实施： 2、路面：将塌陷路面凿开,主要管线完全暴露,确认管线破损情况,对管线进行修复（在相对应管线单位指导下实施）；管线修复完成后,将路面进行回填恢复.经与道路管理单位洽商后,道路结构层如下：黄砂（回填至管线顶以

14、上30cm）、素土掺7%水泥（作土路基）、砾石砂、混凝土（夹钢筋网）、沥青（面层）. 3、顶管：因管道后退2.9米,机头刀盘直径4.665米,空隙空间为：49.54立方.必须要求将后退的2.9米管道重新顶至后退前；避免塌陷进一步扩大. 从19日早上5点开始交通组织开始,至20日凌晨1点左右,管线、路面修复完成,路面沥青因混凝土养护时间限制,经交警、道路管理单位同意,待混凝土养护至强度85%,进行路面沥青摊铺. 从19日早上9点开始焊接管道止退措施,至20日凌晨2点左右,N08-N07东线第八节管道顶进至原位. 至20日凌晨5点,抢修施工结束.,三、事故原因,该事故,从收集的相关数据、分析,与各

15、参建单位人员多次探讨后,认为如下： 1、总包及分包夜班管理人员未尽到管理职责,分包单位现场操作人员未按规定流程操作. 2、通过前6节管节顶进及处理,第7节管节顶进时未设置有效的止退防退措施,仅凭类似工程的施工经验控制. 3、在1粘土层中,顶管顶进里程近20米、顶力不大的情况下,注入触变泥浆,导致顶管管道管身与土层接触摩阻力骤减,迎面土压力远大于摩阻力；从而造成顶管后退.,四、吸取教训积累经验,1、加强现场管理,项目部及分包施工管理人员管理到位,止退装置专人管理,严格按要求执行,且做好过程记录. 2、根据顶力情况适时压注减摩泥浆.单节管道顶进至最后50cm时,放慢顶进速度,适当降低前仓泥水压力.

16、 3、止退采用管节与基座焊接固定. 4、顶进到位后,油缸先不要完全缩回；缩回3cm,密切观察管道后退趋势后再进行完全缩回,油缸缩回后,及时拼装管节.,一、事故经过（N08NY04地表沉陷事故）,N08-NY04区间顶管为DN3500砼顶管（内径3500mm,外径4140mm）,顶进距离39.92米,穿越土层主要为灰色淤泥质粘土,上部部分穿越灰色淤泥质粉质粘土,覆土深度约7.18米.顶管设备采用泥水平衡顶管机. 本次顶进从2015年3月25日开始,截止至29日上午顶进里程为27.5米,各监测点变化较小,最大累计沉降点NY04-7为6.5mm,在可控范围内. 29日下午,顶进里程达到30米,管线监

17、测点RQ12、RQ13、RQ14、SS6、SS11、SS12、SSX11、SSX12、SSX13、TX6、TX16、TX17、WS8-2、WS8-3、YS8、YS18、YS19、YS20、YS21,地表监测点NY04-1、NY04-2、NY04-3、NY04-4、NY04-5、NY04-6、NY04-7、NY04-8日变化量均已达到或超过警值,TX11被破坏,其中单次变化最大值;-43.7mm(NY04-5),最大累计值：-47.2mm（NY04-6）.地面沉降趋势稍有减缓,但地面沉降还在继续,造成N08井围档外侧人行道局部塌陷,并未对管线造成大的影响.,二、应急措施（N08NY04地表沉陷事

18、故）,塌陷事故发生后,施工单位现场第一时间通知各参建单位、各相关管线单位、道路管理单位. 施工单位立即停止顶进施工,即时封索塌陷区域,收集现场塌陷的相关数据,判断塌陷范围管线分布及破坏情况；结合顶管相关数据；分析后,确定现场抢修方案并执行. 1、将塌陷区域凿开,相关管线完全暴露,确认管线破损情况,对管线进行修复（在相对应管线单位指导下实施）；管线修复完成后,将塌陷区域进行回填恢复.经与道路管理单位洽商后,进行人行道修复 2、对顶管轴线范围内围档进行加固,防止出现倒塌情况. 3、放缓顶进速率,防止地面沉降影响范围进一步扩大；减少出土量,在机头前部重新建立起泥水平衡状态,采取同步注浆的方式增加顶管

19、自持力,保持顶管上部土体的承载力；,三、事故原因（N08NY04地表沉陷事故）,该事故,从收集的相关数据、分析,与各参建单位人员多次探讨后,认为如下： 1、总包及分包夜班管理人员未尽到管理职责,分包单位现场操作人员未按规定流程操作. 2、在顶管进加固区时,未对顶管系统参数进行相应的调整,且补浆量不足,未能达到足够的泥水压力,造成地层损失率超出控制范围,从而引起地面塌陷； 3、从地质报告上来看,顶管穿越土层含有第层灰色淤泥质粉粘土,呈流塑状,高压缩性,高灵敏度,分布较稳定,厚度约0.77.8m,局部夹粉（砂）性土较多.,四、吸取教训（N08NY04地表沉陷事故）,1、根据施工方案及现场经验,应适

20、当调整注浆量,控制好泥水压力,特别是对于顶管管节进出加固区时应及时对顶进参数进行调整； 2、总包及专业分包单位应加强安全和技术交底工作,交底工作必须到班组并留有记录.特别对于顶管下穿道路的技术交底,施工班组应严格按照交底内容实施； 3、分包单位应引起足够重视,提高现场管理人员责任心,举一反三,加强自身管理； 4、现场施工过程中,应按照方案的内容做好施工记录,特别是对于前舱压力、进排泥量等推进参数做好施工记录；,4、顶管施工安全分析,4.1危险有害因素辨识,根据事故发生的可能性和暴露于危险环境的频繁程度,对事故可能发生的风险进行评价,确定各种事故发生的风险级别,从上表评价结果可以看出,顶管施工中,中毒和窒息为极其危险事件,触电、突泥、突水为高度危险极其危险、高度危险事件应制事件,物体打击、起重伤害、坍塌、火灾为显著危险事件.,物体打击