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济南市某泥水平衡管顶管施工方案

济南市某河综合治理市政工程标段

该工程为济南市某河综合治理工程的一部份，位于滨河南路道路里程K8+870，为减少清除淤泥的麻烦和地下水位较高的威胁，采用顶管法施工，本工程的入（出）水井沉井为钢筋混凝土矩形构筑物，分别兼做顶管工作坑及接收井，内壁尺寸为：5.8m*6.5m（4.7m*4.9m），外壁尺寸为7.2m*7.9m（5.7m*5.9m），壁厚0.7（0.50）m，井筒内面积约37.7（23.03）m2，井内挖方约832.723（308.97）m3。

新建倒虹管采用两条直径D＝1000mm混凝土管DG／TJ08-202-2020 钻孔灌注桩施工标准.pdf，两排直径D＝1000mm混凝土管按设计为一用一备，施工时从入水井坑向出水井顶进倒虹管，顶管长度约172米.采用泥水平衡法进行顶进。

二.场地工程地质、水文情况

根据勘探资料，施工场地属某河冲积地貌单元，地形相对高差约4米，地层主要为第四系亚粘土及下伏燕山晚期辉长岩组成。

场地位于济南市市区北部，顺河高架路与某河相交处以西。第四系地貌清河相单元属于黄河、某河冲积平原。场地内地形较平坦。

生产路倒虹主要工程数量

400mm*400mm*12mm

400mm*400mm*12mm

(0.3*0.003*5.45)

(0.3*0.003*5.25)

(0.3*0.003*7.25)

(0.3*0.003*6.55)

本工程分为三个阶段，计划工期90天，计划开工时间为：2008年5月10日，实际起始日期以实际开工的日期为准。

第一阶段：施工准备阶段。共3天，本阶段要完成临时水、电设施及住宿安排以及接桩、测量放线及其它准备工作。

工作井接收井施工60天，两次设备安装调试各7天，顶进按15m/天进度考虑，172m约需25天。

第三阶段：收尾、撤场阶段，包括顶管设备拆除，运输，临建拆除等收尾工作，共2天。

⑴进行施工测量和放线工作。

⑵确定管线范围内及施工用地内所有障碍物，如管线、电线杆等的准确位置。现场调查顶管地段内主要障碍物有排水管、供水管、水掣井、电力电讯管道和渠箱位置和标高，地面交通情况较复杂。

⑶修建临时设施，安装临时用水、用电线路，并试水、试电、修好临时排水沟。

⑷订购所需铁井盖、井圈、踏步。

⑴组织现场施工人员学习，审查施工图纸和进行各专业图纸会审，进行设计要求和施工技术交底。

⑵编制好顶管施工工艺，做好顶管施工人员的再培训工作。

⑶绘制临时工程及施工非标准设备工具图纸。

1、本倒虹井采用顶管法施工，工作坑为入水井，接收坑为出水井。出、入水井均采用沉井的施工方法进行施工，混凝土管道顶进采用泥水平衡法进行。

底宽=D1×2＋1.2+S×2；（双管）

底长=L1+L2+L3+L4+L5；

L1－管子顶进后，尾部压在导轨上的最小长度（m）；

L2－管节长度（m）；

L4－液压油缸长度（m）；

L5－后背所占工作坑长度，包括横木、立铁、横铁（m）；

其根据有关规格实地调查以上各参数取值如下：

S=1.2m；D1=1.2m；L1=0.5m；L2=2m；

L3=1.8m；L4=1.2m；L5=0.50m；

底宽=2.2＋1.2+2.4=5.8m；

底长=0.5+2+1.8+1.2+0.50=6.0m；

考虑到施工中会遇到某些因素，所以工作坑坑底尺寸应适当放大，底长=6.5m。

设计上进水井尺寸（净空）为底宽：5.8m；底长6.5m满足工作坑的要求。

沉井施工的一般方法为：一次制作、一次下沉；分节制作、一次下沉；多节制作、分节下沉（制作与下沉交替进行）。沉井过高，施工技术难度较大，而且在下沉时容易发生倾斜，因此该沉井应采用分节制作、分节下沉方法。沉井分节制作的高度，应保证其稳定性并能使其顺利下沉。根据本工程的特点与设计要求，对沉井应采用四节制作、四次下沉的方法。

本沉井（入水井）分节制作与下沉的步骤是：第一节沉井高度为4.0m，起沉标高为22.0m；第二节沉井高度为3.24m、第三节沉井高度为4m、第四节沉井高度为3.0m，分节预制、分节下沉，施工时可根据预埋件及预留孔洞适当调整预制高度。

制作程序：场地整平→放线→挖土2～3m深→夯实基底，抄平放线验线→铺砼垫层→绑钢筋→支刃脚、井身模板→浇筑混凝土→养护、拆模。

3.1.1 施工坑开挖

本沉井高度大，重量重，地基强度较低，经检算采用垫架法支撑。沉井刃脚铺设100mm厚的砼垫层，采用钢模或木模进行刃脚的模板的安装。

3.1.3  模板支设和钢筋绑扎

沉井制作的模板支设和钢筋绑扎与普通结构施工要求一样，只不过要考虑其地基承载力，所以要均匀对称施工，以防止不均匀沉降。

沉井壁中有预留管道连接的孔洞，为避免下沉时泥土和地下水大量涌人井内施工操作，对较大孔洞还会造成沉井每边重量不等，影响重心偏移使沉井易产生倾斜，在下沉前必须进行处理。在沉井预制完成后，用M5.0砖砌封闭洞口，沉井封底到位后，拆除砖砌封堵。

3.1.4 混凝土浇筑

混凝土采用商品砼，并用砼输送泵或吊车送至沉井浇筑部位，沿井壁均匀对称浇筑。浇筑采用分层平铺法，每层厚 30cm ，将沉井沿周长分成若干段同时浇筑，保持对称均匀下料，以避免一侧浇筑，使沉井倾斜，要求2h内浇筑一层。

两节混凝土的接缝处按设计要求设置止水钢板，上节混凝土须待下节混凝土强度达到 70%后浇筑，接缝处经凿毛及冲洗处理，并浇10cm 厚减半石子混凝土。

3.2 沉井下沉　　沉井下沉采用排水下沉。下沉前应进行井壁外观检查，检查混凝土强度及抗渗等级，并根据勘测报告计算极限承载力，计算沉井下沉的分段摩阻力及分段的下沉系数（≥1．15～1．25），作为判断每个阶段可否下沉，是否会出现突沉以及确定下沉方法及采取措施的依据。

第一节模板、支架的拆除，混凝土应达到设计强度的100%始可拆除。抽除刃脚下的支架应分区、分组、依次、对称、同步地进行。每拆除一根支架和模板后，刃脚下应立即用砂卵石或砾砂填实，在刃脚内外侧应填筑成适当高度小土堤并分层夯实使下沉重量传给垫层。模板及支架拆除时加强观测，注意下沉是否均匀。

3.2.1 下沉速度的控制

根据土质情况，采用台阶形挖土自重破土方式。采用从中间开始向四周逐渐开挖，并始终均衡对称地进行，每层挖土厚度为 0.4～0.5m.刃脚处留1.2～1.5m宽土垅，用人工逐层全面、对称、均匀地削薄土层，每人负责 2～3m 一段，方法是顺序分层逐渐往刃脚方向削薄土层，每次削5～15cm，当土垅挡不住刃脚的挤压而破裂时，沉井便在自重作用下破土下沉，削土时应沿刃脚方向全面、均匀、对称地进行，使均匀平衡下沉。

沉井挖土下沉采用人工挖土，一台吊车吊运出土，由于挖土施工困难，综合考虑挖土、吊运的施工能力，研究沉井下沉的安全控制，沉井下沉速度控制为30cm/天。

沉井下沉中，如遇到砂砾石或硬土层，当土垅削至刃脚，沉井仍不下沉或下沉不平稳，则按平面布置分段的次序，逐段对称地将刃脚下掏空，并挖出刃脚外壁10cm ，每段挖完后用小卵石填满夯实，待全部掏空回填后，再分层刷掉回填的小卵石，可使沉井因均匀地减少承压面而平衡下沉。

在沉井开始下沉和将沉至设计标高时，一次周边开挖深度小于10cm，避免发生倾斜，尤其在开始下沉 5m以内时，其平面位置与垂直度要特别注意保持正确，否则继续下沉不易调整，在离设计深度20cm 左右停止取土，依靠自重下沉至设计标高。

沉井位置的控制是在井外地面设置纵横十字控制桩、水准基点。下沉时，在井壁上设十字控制线，并在四侧设水平点。于壁外侧用红铅油画出标尺，以测沉降，井内中心线与垂直度的观测系在井内壁四边标出垂直轴线，各吊垂球一个，对准下部标志板来控制，并定时用两台经纬仪进行垂直偏差观测。挖土时随时观测垂直度，当垂球离墨线边达50mm 或四面标高不一致时，立即纠正，沉井下沉过程中，每班至少观测两次，并在每次下沉后进行检查，做好记录，当发现倾斜、位移、扭转时，及时通知值班队长，指挥操作工人纠正，使允许偏差范围控制在允许范围以内。沉井在下沉过程中，最大沉降差均控制在250mm以内。当沉至离设计标高2m时，对下沉与挖土情况应加强观测，以防超沉。

沉井下沉过程中，有时会出现倾斜、位移及扭转等情况，应加强观测，及时发现并采取措施纠正。

产生倾斜的可能原因有：⑴ 刃脚下土质软硬不均；⑵ 拆刃脚支架及模板时，抽出支架未对称同步进行，或未及时回填；⑶ 挖土不均，使井内土面高低悬殊；⑷ 刃脚下掏空过多，使沉井不均匀突然下沉；⑸ 排水下沉，井内一侧出现流砂现象；⑹ 刃脚局部被大石块或埋设物搁住；⑺ 井外弃土或施工荷载对沉井一侧产生偏压。

操作中可针对原因予以预防，如沉井已经倾斜，可采取在刃脚较高一侧加强挖土并可在较低的一侧适当回填砂石，必要时配以井外射水，或局部偏心压载，都可使偏斜得到纠正。待其正位后，再均匀分层取土下沉。

位移产生的原因多由于倾斜导致，如沉井在倾斜情况下下沉，则沉井向倾斜相反方向位移，或在倾斜纠正时，如倾斜一侧土质较松软时，由于重力作用，有时也沿倾斜方向产生一定位移，因此预防位移应避免在倾斜情况下下沉，加强观测，及时纠正倾斜。位移纠正措施一般是有意使沉井向位移相反方向倾斜，再沿倾斜方向下沉，至刃脚中心与设计中心位置吻合时， 再纠正倾斜，因纠正倾斜重力作用产生的位移，可有意向位移的一方倾斜后，使其向位移相反方向产生位移纠正。

沉井下沉产生扭转的原因是多次不同方向倾斜和位移的复合作用引起的，可按上述纠正位移、倾斜方法纠正位移，然后纠正倾斜，使偏差在允许范围以内。

3.3 下沉到位、封底

当沉井沉到设计标高，经2～3天 ，下沉已稳定，在8h内累计10mm时，即可进行沉井封底。沉井封底有排水封底和不排水封底两种方案，本沉井对封底质量要求严格，不允许出现渗漏，再者涌水量不大，井底土质较密实，因此确定采取排水封底方案，如四周深井井点降水达不到要求时，分两步进行处理。第一步进行土形整理，使之呈锅底形，自刃脚向中心挖放射形排水沟，填以石子做成滤水暗沟，在中部设2～4 个集水井，井深1～2m ，插入直径 0.6～0.8m，周围有孔的混凝土或钢套管，四周填以卵石，使井中的水都汇集到集水井中，用潜水泵排出，使地下水位保持低于井底面30～50cm.刃脚混凝土凿毛处洗刷干净。

4、工作坑导轨设置及基础加固

工作井布置图如上图所示：

⑴导轨的作用是引导管子按设计的中心线和坡度顶进，保证管子在顶入土之前位置正确。导轨安装牢固与准确对管子的顶进质量影响较大，因此，安装导轨必须符合污水管中心、高程和坡度的要求。

本工程采用38kg钢轨作导轨。

5、顶管工程力学参数确定

顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。但顶管计算的根本问题是要估算顶管的推力和后背承载能力。

本顶管施工采用泥水平衡法进行，顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力(F)，包括初始推力F0,顶进过程中的管壁摩擦阻力。

通常减少管壁摩擦阻力的措施有：管壁与泥土间加泥浆套减阻，使管外壁形态规则和表面光洁、减少管道拐弯等。

本工程土质为粘性土层，设计图纸管线全长172m，泥水平衡顶管掘进机口径为1.0m，钢筋混凝土管外径（暂按1.3m）；壁厚t＝150mm，每节管子的重力W＝11.54KN/m。

计算公式根据《顶管施工技术及验收规范》（试行）9.1.1条如下：

P－计算的总顶力（KN）;

γ－管道所处土层的重力密度（KN/m3）；

D1－管道的外径（m）；

H－管道顶部以上覆盖土层的厚度（m）；

Ф－管道所处土层的内摩擦角（°）；

W－管道单位长度的自重（KN/m）；

L－管道的计算顶进长度（m）；

f－顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数；《顶管施工技术及验收规范》一般情况下黏土、亚粘土在较湿状态下取0.2～0.3，

PF－顶进时迎面阻力（KN）；采用泥水平衡顶管掘进机PF≈0KN；

根据有关规格实地调查以上各参数取值如下：

γ=18.4KN/m3；D1=1.000+150×2=1.3m；H=2.5m；Ф=8.1°；

GB／T 39781-2021 废旧纺织品再生利用技术规范.pdfW=30KN/m；f=0.05；（采用有效的泥水减阻措施后）

=0.05×18.4×1.3×[2×2.5＋(2×2.5+1.3)tg2（45.o－8.1°/2）+11.54/（18.4+1.3）]×172+0

根据以上计算最大顶力为2124.94KN，施工时工程坑最多时采用100T顶镐3台。

⑶泥水平衡压力：在封闭的冲泥舱内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水压力一定要合理。压力过小，大量的泥砂涌入，会造成路面破坏，压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。

6、后背结构及抗力计算

后背作为千斤顶的支撑结构。因此，后背要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀。所以TB 10450-2020标准下载，应进行强度和稳定性计算。