浅埋大跨管幕围护结构群管顶进施工工法.pdf

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1、浅埋大跨管幕围护结构群管顶进施工工法浅埋大跨管幕围护结构群管顶进施工工法1 前言前言火车站下穿通道工程在不影响原车站正常运行的情况下，在火车轨道下侧修建一条行车通道，将电力、通讯、给水等多种管线集中设置到道路的地下，从而形成一套科学的、现代的、集约化的城市交通设施。火车站下穿通道能够有效的解决城市住宅、交通等密集地区施工难度大的难题，从而总体的提高城市的道路规划，对维护城市的生态环境和体现城市现代化建设有着重要的作用。我国的下穿通道工程有着一定的发展经验，但是将群管顶进法形成管幕结构运用到火车站下穿的工程在国内外少有。群管顶进施工处于起步阶段，具有起步晚、时间短、规模小、综合性较弱、系统性不够

2、等特点。因此，我国的群管顶进施工需要在借鉴国内外先进经验的基础上，不断地进行改进和创新，从而促进我国顶管施工的快速发展，为新型城市化轨道交通建设提供强有力的支撑。本工法在施工过程中具有可控性高、质量稳定；现场作业面积小、产业废弃物少；连接性能好、抗震性高、防水性能佳；施工简便、工期短、可降低意外发生率；施工噪音小、对居民生活影响小；不受季节及天气的影响等优势。因此研究火车站下穿通道建设的关键技术具有重要意义。公司承建的太原市迎泽大街下穿火车站通道工程，下穿通道建设过程中要求上方建筑物不允许沉降、不影响火车站正常运营，顶管期间要保证钢管轴线与设计轴线相吻合、地下水位不发生变化，钢管后期连接要保证

3、良好的防水效果。为解决上述施工难题，项目部联合高校组成研发团队开展技术研究，形成工法“浅埋大跨管幕围护结构群管顶进施工工法”。本工法采用多种措施多重加固、纠偏，将地表注浆、轨道加固、障碍物处理、掘进中的碴土改良、同步注浆控制、顶管机姿态控制、水泥浆置换触变泥浆等多种措施组合。解决了在既有建筑物下方修筑通道难题，所修筑的道路围护结构质量可靠，所形成的管幕可以形成整体无接缝封闭层，可以完全隔气、隔水、隔绝外界潮气对道路的侵害，有效保证了防水效果。本工法的成功实施对类似工程提供极为宝贵的成功经验，授权实用新型专利 4 项，申请发明专利 2 项，发表论文多篇。依托科技成果“管幕结构法超浅埋隧道下穿特级

4、火车站施工关键技术研究”2021 年 5 月 10 日经中国岩石力学与工程学会鉴定：研究成果总体上达到国际先进水平，在支护结构一体化管幕穿越高铁特级火车站综合施工技术方面达到国际领先水平。2 工法特点工法特点2.1 该工法在覆土埋深较浅等地质条件下钢管顶进施工，采用多种防水组合措施，有效减少了土体损失，较普通顶管施工明显降低了地表沉降，保证了火车站等敏感建筑的正常运营。2.2 针对下穿火车站等敏感建筑，采用微扰动施工技术，较普通顶管施工大大提高了管幕施工精度。2.3 使用的设备及材料为常规设备、材料，施工工艺操作及控制简单易行，有效控制造价。3 适用范围适用范围该工法适应于浅埋软土地层中大直径

5、、长距离管幕下穿火车站等敏感建筑的工程。对下穿火车站等敏感建筑的工程产生了显著的科技带动效应，保证了工程顺利、安全建成，同时也为其他类似工程提供了借鉴，有力的推动了本行业技术发展。4 工艺原理工艺原理本技术采用的是采用密闭式土压顶管机及敞开式顶管机，下穿铁路并敷设钢管，钢管在顶管机牵引、油缸顶推的作用下顶进至设计位置处，沿隧道结构线形成一圈钢管幕。钢管幕形成后在钢管内切割、焊接，将钢管环向连通后绑扎钢筋、浇筑混凝土，形成的管幕结构。由主顶装置、顶铁、顶管机、顶进管节共同组成推进系统。顶进过程可实现实时监控，保证机器按照设计轴线前进。顶管施工前首先在管幕结构两侧分别施工始发井及接收井，随后在千斤

6、顶的顶推机械顶进下，顶管机及钢管从始发井预留口出发，穿越土层，最后从接收井的预留口穿出，形成通道。钢管顶进切割、焊接浇筑混凝土土体开挖通车运营图图 4 管幕结构施工方法管幕结构施工方法5 施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程图图 5.1 顶管工艺流程图顶管工艺流程图5.2 操作要点5.2.1.施工准备顶管机进出洞采用高压旋喷桩加固，防止洞口打开塌方以及顶管机下沉；顶进钢管由专业厂家生产，材质及加工符合设计要求；拆除洞口封门的准备措施；采用人工配合风镐凿除孔口围护桩混凝土，钢筋采用氧气焊切除；始发密封安装，始发密封采用两层帘布橡胶板止水；全部设备经过检查、试运转；顶管

7、机在导轨上的中心线、坡度和高程应符合要求；做好防止流动性土或地下水由洞口进入工作井的技术措施。5.2.2 工作平台搭设工作井主体结构施工完成后，在其内安装可移动调节式施工平台，作为顶管施工的操作平台。可移动调节式施工平台主要由滑动式顶管导轨、支撑支架、支架滑轮、高度调节段、支架导轨组成。图图 5.2.2 施工平台示意图施工平台示意图5.2.3 设备安装、调试1 始发密封安装为使顶管机以良好姿态始发，始发密封与孔口设置变径法兰，变径法兰和始发密封之间采用两道帘布橡胶板止水。避免顶管机进洞时地下水和泥砂涌入工作井内，另一方面也避免了顶进施工时减阻泥浆的流失，保证泥浆套的完整性。图图 5.2.3 洞

8、口始发止水措施图洞口始发止水措施图2 调试主顶装置包括导轨、主顶后靠背、主顶油缸、主顶液压泵站、操作系统、顶推环。激光发射器设置为设计坡度，初始高度安装位置通过测量定位，使盾体标靶显示与测量对应。始发段轨道、孔口管、设计轴线均须处在同一条轴线上。泡沫发生器作为土体改良设置，是保证顶管机掘进姿态、顶进阻力重要的一环。泡沫发生器安装时各元器件擦拭干净，例如止回阀，减速器等。各种管线连接正确，进水管，回水管切忌颠倒。龙门吊提供垂直运输和管节吊装连续施工条件；设置步行铁梯供人员及小型机具材料安全方便到达施工平台；设置工作井周边护栏作临边安全防护。5.2.4 钢管顶进施工1 钢管顶进：掘进机头始发完成后

9、，通过建立土压平衡，依靠推进油缸的顶力，将机头和管节顶进地层中，并使其沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出渣。2 钢管连接：盾尾与首节钢管、首节钢管与第二节钢管采用 F 型接头连接；其他钢管采用对焊连接。3 土压力及顶力控制：应根据土质条件、周围环境控制要求、顶进方法、各项顶进参数和监控数据、顶管机工作性能等，确定顶进、开挖、出土的作业顺序和调整顶进参数。4 出土量控制：掘进过程中应严格量测监控，实施信息化施工，确保开挖掘进工作面的土体稳定和土压力平衡；并控制顶进速度、挖土和出土量，减少土体扰动和地层变形。实际出土量控制在理论的 98%100%之间，以维持一定土压力，保证顶管正面土体的稳定。5

10、 开始顶进阶段，应严格控制顶进的速度和方向。推进速度控制顶管机推进时通过对土压力传感器检测数据来控制千斤顶的推进速度，使推进速度与出土速度相匹配，以保持适当土压力值。6 进入接收工作井前应提前进行顶管机位置和姿态测量，并根据进口位置提前进行调整。钢筋混凝土管接口应保证橡胶圈正确就位；钢管接口焊接完成后，应进行防腐层补口施工，焊接及防腐层检验合格后方可顶进。严格控制钢管线形，对于柔性接口钢管，其相邻管间转角不得大于该管材的允许转角。钢管两端露在工作井中的长度不小于 0.5m，且不得有接口。所用的管节接口在一定角变位时应保持良好的密封性能要求，对于 F 型钢承口增加钢套环承插长度；衬垫选用无硬节松

11、木板，其厚度应保证管节接口端面受力均匀。7 出渣：装有刀具的旋转刀盘抵住掌子面削挖土体，渣土通过刀盘上的开口进入开挖仓，与开挖仓内的已有流塑状渣土混合。安装于刀盘和土仓压力仓板的搅拌臂对渣土进行搅拌，使其达到所需要的质地。压力仓板将推进油缸的推力传给开挖仓内的流塑状土体。通过螺旋输送机顶进速度与掘进机前进速度的相互平衡，确保精确控制流塑状渣土的压力。当开挖仓内的土体压力与周围土壤和地下水的压力相等时，就实现了必要的土压平衡。开挖仓内的平衡由土压传感器持续监控，并在操作台显示。8 渣土改良：渣土改良就是通过顶管机配置的专用装置（泡沫发生器）向刀盘面或土仓内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌或土仓搅拌

12、装置搅拌使添加剂与渣土混合，土体在压力舱内调整成一种“塑性流动状态”，这是土压平衡式顶管机施工成功的关键。本工程顶管机刀盘盘面上设置注入口，在开挖舱舱壁上设备用注入口，每个注入口可注入泡沫。9 轴线控制：顶管测量分为顶管机自动测量和人工测量复核。顶管机自带激光测量系统：激光测量时在工作井内安装激光发射器，按照设计管线坡度和方向将发射器调整好，同时顶管机内有接收标靶。人工测量采用全站仪进行测量，每 2 节管进行一次人工复核。在管节内，将水平尺两端卡在管节上并保持水准气泡居中，观测水平尺上反射片的十字丝得出三维坐标(a，b，c)，坐标反算可得测点处的里程 S，则可推算出此里程处的设计值(X，Y，Z

13、)此里程的实际坐标为(x，y，z)。其中:x=a，y=b，z=c+L R，实际值和理论值比较得出偏差值(X，Y，Z)。10 渣土运输：钢管顶进过程渣土运输分为水平运输和垂直运输，水平运输依靠皮带机和输送小车将掌子面渣土运输至工作井内，然后利用龙门吊或吊车完成垂直运输，将渣土运送至工作井外的渣土坑内。5.2.5 施工的测量1 施工过程中应对钢管水平轴线和高程、顶管机姿态等进行测量，并及时对测量控制基准点进行复核；发生偏差时应及时纠正。2 顶进施工测量前应对井内的测量控制基准点进行复核；发生工作井位移、沉降、变形时应及时对基准点进行复核。3 建议采用UNS激光导向系统进行测量；在钢管内增设中间测站

14、进行常规人工测量时，宜采用少设测站的长导线法，每次测量均应对中间测站进行复核，顶进时，顶管机位置及姿态测量每米不应少于 1 次，每顶入一节管，其水平轴线及高程测量不应少于 3 次。5.2.6 纠偏顶管过程中应绘制顶管机水平与高程轨迹图、顶力变化曲线图、管节编号图，随时掌握顶进方向和趋势。在顶进中及时纠偏，应遵循“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的原则，控制顶管机前进方向和姿态，并应根据测量结果分析偏差产生的原因和发展趋势，确定纠偏的措施。采用小角度纠偏方式。刀盘式顶管机应有纠正顶管机旋转措施。5.2.7 触变泥浆顶管机尾部的后续管节应连续设置注浆孔。应遵循“同步注浆与补浆相结合”和“先注后顶、随顶随注

15、、及时补浆”的原则，制定合理的注浆工艺。施工中应对触变泥浆的黏度、重度、pH 值，注浆压力，注浆量进行检测。注浆前，应检查注浆装置水密性；注浆时压力应逐步升至控制压力；注浆遇有机械故障、管路堵塞、接头渗漏等情况时，经处理后方可继续顶进。触变泥浆注浆系统应符合下列规定：制浆装置容积应满足形成泥浆套的需要；注浆泵宜选用液压泵、活塞泵或螺杆泵；注浆管应根据顶管长度和注浆孔位置设置，管接头拆卸方便、密封可靠；注浆孔的布置按钢管直径大小确定，每个断面可设置 35 个；相邻断面上的注浆孔可平行布置或交错布置；每个注浆孔宜安装球阀，在顶管机尾部和其他适当位置的注浆孔钢管上应设置压力表。触变泥浆参数见表 5.

16、2.7。表表 5.2.75.2.7 触变泥浆参数表触变泥浆参数表膨润土纯碱CMC漏斗黏度（S）视黏度（MPa）81236%1.52%364230.5失水量（ml）终切力（10-8KPa）比重含砂率稳定性912.51301.11.63%静置 24h 无离析水5.2.8 钢管连接钢管安装应符合现行国家标准工业金属管道工程施工及验收规范GB 50235、现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范GB 50236 等规范的规定，并应符合下列规定：1 对首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法或焊接工艺，施工单位必须在施焊前按设计要求和有关规定进行焊接试验，并应根据试验结果编制焊接工艺指导书。2 焊工必须按规定

17、经相关部门考试合格后持证上岗，并应根据经过评定的焊接工艺指导书进行施焊。5.2.9 顶管机接收土体加固：采用高压旋喷桩、注浆等加固措施；顶管机位置姿态复核：顶管机到达接收井前 20m 增加复核频率；接收平台、导轨安装、接收密封安装；围护结构凿除。5.2.10 泥浆置换采用水泥砂浆、粉煤灰水泥砂浆等易于固结或稳定性较好的浆液置换泥浆填充管外侧超挖、塌落等原因造成的空隙；拆除注浆管路后，将钢管上的注浆孔封闭严密；将全部注浆设备清洗干净。5.2.11 钢管顶进顺序本工程南北通道主体管幕段施工各需要顶进 20 根钢管，在主体钢管顶进前，先在北通道南侧施工 1 根试验管，作为给排水改移管道，以便掌握顶管

18、机性能及各项参数。钢管均由东侧始发井向西侧接收井顶进。钢管净距为 15-20cm。钢管顶进的顺序为先下后上，间隔交替进行，钢管顶进次序为 A16、A14、A12；A17、A15、A13、A11；A18、A10、A19、A9、A20、A8；A1、A3、A5、A7；A2、A4、A6。见图 5.2.11。L图图 5.2.115.2.11 钢管顶进顺序图钢管顶进顺序图5.3 劳动组织根据本工程的特点及施工要求，管理及施工生产人员配备如下：表表 5.35.3 管理人员配置管理人员配置序号岗位名称人员配备备注1生产副经理2 人-2安全员4 人-3技术主管1 人-4技术员6 人-5实验员2 人-6质检员2

19、人-注：根据施工现场生产的需要，随时增加人员，保证施工进度，确保工期。钢管顶进施工有生产人员 12 人，注浆 4 人，电焊工人 12，电工 4 人，普工 30 人。6 材料与设备材料与设备6.1 本工法所用的材料主要为：表表 6.16.1 主要材料表主要材料表序号材料名称规格备注1防水卷材SBS 改性沥青防水卷材-2海绵橡胶条20mm 厚-3泡沫板20mm 厚-4密封胶聚氨酯-5帘布橡胶板拉伸率2.88-6钢管2000mm，厚度 20mmQ345B7水泥PO42.5 普通硅酸盐水泥6.2 本工法所用的设备主要为：表表 6.26.2 顶管施工主要施工设备表顶管施工主要施工设备表序号设备名称型号规

20、格数量备注1土压平衡顶管机2000mm2-2敞开式顶管机2000mm2-3洞口止水装置顶管机配套设备4-4管刹顶管机配套设备4-5膨润土站顶管机配套设备4-6注浆机ZKSY-904-7汽车吊130T1-8通风机9-19-A4-9长臂挖掘机PC4001-10自卸汽车12m32-11随车吊12T2-12空压机4L-20/72-13空压机50L2-14风镐B87C4-7 质量控制质量控制在该工法施工的整个过程中，将全面推行施工质量过程控制，切实抓好每道施工工序的质量，以工作质量来保证工程质量，用科学的管理、严格的制度来创造优质工程，把人为的因素对工程所造成的隐患降到最低。建立了完善的质量保证体系和管

21、理机构，配备了高素质的项目管理和质量管理人员，强化“项目管理，以人为本”的指导原则，对本工程进行统一管理，并随时接受业主，监理的监督管理，确保每一步的施工工程质量。7.1 顶管掘进的质量控制要素及措施掘进前明确设计线路的各项参数并通过测量判断出当前位置，根据掘进前的各项监测成果，确定下次掘进的各项参数；在确认各项准备工作完成后，根据指令开始掘进；严格按照规程进行操作，严禁违规操作；严格按主管工程师的指令进行参数选择和操作，遇有突发事故，立即停止掘进并迅速向值班工程师报告；掘进过程中，值班工程师全程监视顶管机的掘进（在现场或通过办公室的计算机），根据实际情况随时发出指令；对穿铁路等困难地段时，要

22、有主要技术人员现场值班，以保证随时解决问题；要加强对操作手的选拔和培养，对不合格者要立即清除，操作手应具备机械专业知识和较高的外语水平；掘进速度较快时或对顶管机方向有疑问时，要加大人工测量的频数，对自动测量结果和人工测量结果要经常进行比较，以确认其准确性。7.2 同步注浆质量控制要素及措施在开工前制定详细的注浆施工设计、工艺流程、质量控制程序及作业指导书，并进行详细的浆材配比试验，选定合适的注浆材料及浆液配比；严格按要求实施注浆、检查、记录、分析，及时做出 P（注浆压力）Q（注浆量）t（时间）曲线。成立专业注浆作业组，由富有经验的工程师负责现场注浆技术和管理工作；根据地面及周围建筑物变形监测结

23、果，及时进行信息反馈，修正注浆参数和施工工艺，发现情况及时解决。8 安全措施安全措施8.1 掘进前明确设计线路的各项参数并通过测量判断出当前位置，根据掘进前的各项监测成果，确定下次掘进的各项参数。8.2 在确认各项准备工作完成后，根据指令开始掘进；严格按照规程进行操作，严禁违规操作。8.3 严格按主管工程师的指令进行参数选择和操作，遇有突发事故，立即停止掘进并迅速向值班工程师报告。8.4 掘进过程中，值班工程师全程监视顶管机的掘进（在现场或通过办公室的计算机），根据实际情况随时发出指令。8.5 对穿铁路等困难地段时，要有主要技术人员现场值班，以保证随时解决问。8.6 要加强对操作手的选拔和培养

24、，对不合格者要立即清除，操作手应具备机械专业知识和较高的外语水平。8.7 掘进速度较快时或对顶管机方向有疑问时，要加大人工测量的频数，对自动测量结果和人工测量结果要经常进行比较，以确认其准确性。9 环保措施环保措施9.1 防止粉尘、扬尘、废气污染大气9.1.1 合理利用水来降尘，完善的供水系统，每个工作面附近都有供水管到。9.1.2 运输水泥、粉煤灰等袋装散粒材料的车辆，配备两边和尾部挡板，用防水布遮盖好。9.1.3 配备专用洒水车一辆，对施工主干道等交通量大、容易扬尘的路面洒水降尘。9.1.4 严格控制“三废”的排放，在施工区域严禁焚烧会产生有毒或恶臭气体的物质。9.2 用水保护及处理9.2

25、.1 保护好饮用水源，工地饮用开水。注意工区周围环境卫生，垃圾需要集中堆放，并做好消毒防护，及时清理外运指定地点处理。9.2.2 施工产生的废水不得直接排入河道，污染水质。9.3 固体废弃物控制措施9.3.1 减少回填土方的堆放时间和堆放量，堆土场周围加护墙护板。9.3.2 按照法规要求选择有资质的运输单位，清运土方至指定消纳点。9.3.3 运土车辆严禁多装、超载，并有专人管理，需由棚布覆盖后方能上路。9.3.4 剩余料具、包装及时回收、清退。9.3.5 及时处理施工及生活中产生的废弃物。10 经济及社会效益分析经济及社会效益分析10.1 经济效益目前，国内的下穿通道工程不少，但是火车站下穿通

26、道工程少之又少，所以将群管顶进法运用于火车站下穿通道工程施工是一次突破。该通道工程的修建不仅要保证通道上方的火车站运营正常、火车站地表沉降在控制范围内，还要保证施工范围内的地下水位线不发生变化。该工法造价与传统顶管工法造价相比，相差较大，大大提高了施工进度，经济效益显著。对群管顶进法施工过程中，利用激光定位装置、铰接油缸等设备进行顶进纠偏，操作起来简单、易行，达到了高质量、高效果的施工。该工法在太原工程项目部太原市迎泽大街下穿火车站通道工程的应用，缩短了工程工期，解决了浅覆土、上部继营车站下穿通道建设难题，保证了施工进度和施工安全，根据测算，节约材料费 650 万元，节约施工人工费用 260

27、万元，整体技术应用共为实际工程直接节约成本玖佰壹拾万元。在类似工程中具有很好的推广应用价值和意义。10.2 社会效益此项工法技术的应用不仅具有较高的技术经济和社会效益，而且具有较大的推广价值。群管的成功顶进受到社会各界的关注，施工期间北京、青岛、大连、广州、哈尔滨、广西、湖南等多家建设单位组织调研学习；高铁网、搜狐网、网易新闻、新浪网等多家媒体进行专题报道及新闻报道，在国内顶管工程行业产生了巨大影响，创造了良好的社会效益。10.3 环保、节能效益此项工法施工机具简单，均为常规设备或经改造的常规设备，通过合理的设计，保证了管幕支护结构一体化施工的质量和速度，大力推进节能环保绿色施工，不断总结积累

28、经验，为以后承接更多类似新项目打下良好基础。11 应用实例应用实例11.12017 年 12 月至 2018 年 10 月，本工法为管幕支护结构一体化顶管施工方法，成功应用于太原市迎泽大街下穿火车站通道工程的北通道工程。通道总长 102.5m。管幕支护结构一体化钢管顶进过程中，采用多种措施多重加固、纠偏，将地表注浆、轨道加固、障碍物处理、掘进中的碴土改良、同步注浆控制、顶管机姿态控制、水泥浆置换触变泥浆等多种措施组合。并且钢管顶进位置及其连接效果也达到了设计的要求，顶进完成后形成的管幕通道围护结构防水效果满足设计要求。操作起来相对简单，并且效果好、效率高，经济和社会效益显。2018 年 1 月

29、至 2018 年 10 月，本工法应用于太原市迎泽大街下穿火车站通道工程的南通道工程，通道总长 107.6m，加速了施工进度，施工安全质量得以保障。11.22019 年 10 月至 2020 年 9 月，本工法应用于太原市轨道交通 2 号线矩形过街通道工程，该工程共包含大南门站、南内环街站、长风街站、学府街站和龙城大街西站等五个车站的 8 条通道工程，设计通道总长 563m，均采用土压平衡式顶管机顶进施工。其中管节为预制，标准长度 1.5 m，接口采用 F 型承插，结构顶板、底板、侧墙厚度均为 0.45 m。设计通道尺寸为 6.9 m4.9 m，净空尺寸为 6 m4 m。该工程贯穿太原地铁 2 号线，均位于太原市市中心交通要道，该矩形通道工程修建过程中面临地面场地有限、既有交通线路（主干道、高架桥、既有盾构区间等）较多、地下城市管线（给水管、排水管、热力管、燃气管、供电管、电信管、国防电缆等）错综复杂。工法的成果应用解决施工中的诸多难题，缩短了工期，有效地规避了施工风险，得到监理单位和建设单位的一致好评。