小口径顶管施工工法

--1小口径顶管施工工法(编号：SZJXGF32-2008)完成单位：深圳市市政工程总公司主要完成人：李劲松、高俊合、刘正雄、芮维勇、陈智斌1．前言随着城市建设的发展，尤其是旧城改造的加快，各类小管径的管道埋设工程不断增多，但传统的开槽施工因破坏道路、影响交通、环境污染等，越来越不适应施工需要。这就促使建设和施工单位研究、使用新的替代工法，而小口径顶管施工工艺来敷设管道或修复旧管道，即是很好替代工法。深圳市市政工程总公司及其属下的深圳市天健市政安装工程有限公司，经过多年的工程实践，总结出了小口径顶管施工工法。2．工法特点2.0.1增多是解决施工难题、加快施工进度的好方案，该顶管方法施工速度快、施工精度较高。2.0.2小口径顶管施工工法与传统的开挖铺设管道相比明显的环保、技术和经济优势，主要有如下特点：1．不破坏既有道路，不影响交通；2．施工噪音小，排泥浆少，对环境影响小，文明、安全施工程度高；3．可实现曲线埋设、可穿越障碍物等，施工精度高，技术先进；4．速度快；5．综合施工成本低。3．适用范围采用小口径顶管机进行顶管施工，主要用于口径较小的下水管道、煤气、电缆、通讯的管道敷设施工，在这里主要介绍我们常用的水平钻顶管机的使用。利用该机施工，适合的土质范围比较广，并且不受覆土深度的影响，但在砂砾土、淤泥质土层及中砂土层中使用有一定技术难度。顶管工程一般按管径可分大口径顶管（管径大于2000毫米）、中口径顶管（管径在900毫米∼2000毫米）和小口径顶管（管径小于900毫米），在本工法中所指小口径顶管是指管径小于500mm的管道顶进技术。4．工艺原理4.0.1采用小口径顶管机进行顶管施工，其工艺原理是：通过小口径顶管机进行钻孔、扩孔、灌注泥浆减阻、扩孔至设计管径时进行拉管、拉管至设计长度时完成了顶管任务。详见：图4.1、4.2、4.3.道路工作井接收井图4.1典型小口径顶管第一阶段：工作井、接收井施工、钻机安装钻机安装--2道路钻孔方向扩孔方向工作井接收井图4.2典型小口径顶管第二阶段：钻孔、扩孔道路拉管方向工作井接收井图4.3典型小口径顶管第三阶段：热熔焊接、拉管水平定向钻机都是由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成，它们的结构及功能介绍如下：1．钻机系统：是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体，它由钻机主机、转盘等组成，钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进作业和回拖作业。转盘装在钻机主机前端，连接钻杆，并通过改变转盘转向和输出转速及扭矩大小，达到不同作业状态的要求。2．动力系统：由液压动力源和发电机组成动力源是为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力，发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。3．控向系统：控向系统是通过计算机监测和控制钻头在地下的具体位置和其它参数，引导钻头正确钻进的方向性工具，由于有该系统的控制，钻头才能按设计曲线钻进，现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。4．泥浆系统：泥浆系统由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。5．钻具及辅助机具：是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆，钻头、泥浆马达、扩孔器，切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。5、工艺流程及操作要点5.1总体施工流程测量放线→工作井、接收井施工→顶管设备安装→导向钻孔→预扩孔至1/2D→扩孔至2/3D→扩孔至D→拉管→施工下一根管→依次施工其它管→顶管设备拆除→管头处理→检查井或电缆沟施工5.2施工资料准备5.2.1工程施工前应由设计单位进行设计交底，当施工单位发现施工图有错误时，应及时向设计单位提出变更设计的要求。5.2.2工程施工前应掌握管道顶进沿线的下列情况和资料：1．现场地形、地貌、建筑物、各种管线和其他设施的情况；2．工程地质和水文地质资料、气象资料；3．工程用地、交通运输及排水条件，施工供水、供电条件；钻机钻机进PE管热熔焊接--34．工程材料、施工机械供应条件；5．工程特点和现场条件的其他情况和资料。5.2.3结合工程施工前应编制施工组织设计。5.2.4施工测量应符合下列规定：1．施工前，促请建设单位组织有关单位向施工单位进行现场交桩；2．临时水准点和管道轴线控制桩的设置应便于观测且必须牢固，并采用保护措施。3．临时水准点、管道轴线控制桩、高程桩，应经过复核方可使用，并应经常校核。4．已建管道、构筑物等与本工程衔接的平面位置和高程，开工前应校测。5.3工作井与接收井制作工作坑开挖时（沉井除外）应按施工设计规定及时支护，可采用与墙体连接的钢筋混凝土圈粱和支撑梁的方法支护，也可采用钢管支撑法支护。如下图所示：工作井示意图接收井示意图--4工作井、接收井采用分层开挖、分层支撑的方法施工，随挖随击使整个支撑体系随人工挖土而下沉。5.4顶管前施工准备5.4.1钻孔前可以测出地下管线的位置、深度。5.4.2结合现场工作井的实际管线位置，精确设计出人穿越管线的轨迹5.4.3导孔阻力计算5.4.4扩孔孔径分级5.4.5拉管压力控制值估算5.5泥浆配比5.5.1在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进时在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进，成孔的难度很大，其泥浆可用膨润土拌制。配比如下表所示：膨润土水纯碱Na-CMC150～200g1000ml5～10Kg6kg检测项目单位范围调整措施粘度S25～35加水和碳酸钠比重g/cm31.07～1.2加水含砂率%4加水PH值9.5加水失水值ml/30mim12加CMC5.5.2在粘土层钻进时泥浆控制检测项目单位范围调整措施粘度S18-25加水和碳酸钠比重g/cm31.03~1.08加水含砂率%4加水PH值7-9加水失水值ml/30mim20加CMC5.5导孔施工方法5.5.1导向钻头从预定的入土点和入土角钻入土层5.5.2操作人员根据地表手持式导向仪接收到钻头内探头发射的信号，判断钻头的位置和钻孔轨迹5.5.3与设计轨迹相比较，如果出现偏差，随时进行调整，做到每2米测出一个数值，确保钻头沿设计轨迹前进。5.5.4第一次钻进时，一定要钻进顺畅，入土和出土角度要满足管道的转弯半径要求。同时，要灌注泥浆，让所钻孔道形成稳固的通道，不塌孔。5.5.5钻进时一定按设计轴线钻进，遇障碍物（如孤石时）需绕线时，以不影响下一次钻进及拖管施工为准，直接绕过障碍物。--55.6扩孔施工方法导向孔施工完毕后，换上扩孔钻头，将钻孔分级扩大到铺管要求的口径。一般情况下，使用小型钻机时，直经大于200毫米时，就要进行予扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。一般可按1/2D、2/3D、D分级扩孔。5.7拉管施工方法5.7.1拉管前准备工作1．将Φ200PE管与扩孔钻头通过分动器连接好2．在安装拉管头时，应事先把封水堵装入管内。3．全部设备经过检查并经过试运转；4．管道焊接完毕，焊口检验合格；5.7.2拉管过程控制1．在拉管时，应注意观察回拖压力表，用ZT—10管钻机，一般不超过15Mpa。2．管道入土前期，拖拉速度适度放慢，防止管道损坏孔道。3．管道拖进过程中，浆液量放到昀大，让管道顺利通过孔道。5.8导向控制测量装置由装在钻头内的信号发射棒发射信号，在地面上使用带数据显示的信号接受器来了解钻头钻进角度、深度、方向等信息，及时调整钻进状态。信号发射垂直高度达到8～35m，该系统精度高且仪器操作简单。5.9管道的焊接5.9.1钢管的焊接一定要满焊，塑料管道的焊接在特定的热熔焊机上焊接，焊接时对口一定要切削平整，焊接后须冷却20分钟后方可松开压力环。5.9.2管道一次焊接成型后方可进行管道拖拉，否则应尽量减少管道拖拉过程中的焊接次数和时间，以减少孔道的空置时间，防止孔道在外来震动下塌陷。5.9.3钢管的外防腐通常采用的是两道底漆和两道环氧沥青漆；管内根据要求采用水泥砂浆防腐。5.10关键技术5.10.1水平钻参数设置设备名称型号主要技术参数导向钻机ZT—150GBS—10给进力50KN回拉力100KN扭矩2KN—M导向仪RD385测深6m控测仪RD433测深5m5.10.2钻孔轨迹的控制钻孔质量直接影响到穿越工程的成败，应做好如下几方面的控制：1．在现场观测的基础上绘出钻孔曲线，标出钻孔曲线的入土点、出土点、相应的角度、曲线长度、昀大埋深及管线的曲率半径等参数。2．导向孔的空间坐标计算。一般由定向钻机的控向系统（计算机和地下仪表单元组成）直接运行程序，处理仪表参数显示--6出的钻进结果，操作人员只须与设计图纸上的设计坐标相对照，保证达到设计要求的埋深即可。3．钻孔曲线的曲率半径控制。钻孔轨迹的曲率半径要由控向系统操作人员预先根据设计提供的资料计算出结果，钻进时通过调节每根钻杆的角度而实现对钻孔曲率半径的控制。1）给定了直径的定向钻孔穿越管道时，钻孔的曲率半径R由下面公式求得：R=1200Dn其中：R—钻孔曲线轨迹的曲率半径；Dn—穿越轨道外径2）对于一定曲率半径的设计钻孔曲线，钻进中每根钻杆允许调整变化的角度为：α=L*360/2Rπ式中：α—每根钻杆允许变化的角度，L—每根钻杆长度，R—钻孔曲线轨迹的曲率半径导向孔的实际出土点与设计出土点的偏差（纵横偏移）一般按照合同要求进行控制，控制值为穿越段总长度的1-2%且不大于2M。钻进水力设计要结合环保部门的具体要求和穿越地层的地质特点，综合钻进中的扭矩、泥浆压力等进行对比分析，进而采取相应措施提高钻进质量。5.10.3穿越段管线回拖质量控制穿越段管线回拖质量关系到管道的安全运行。1．管道的焊接质量控制1）钢管的焊接一定要满焊，塑料管道的焊接在特定的热熔焊机上焊接，焊接时对口一定要切削平整，焊接后须冷却20分钟后方可松开压力环。2）管道一次焊接成型后方可进行管道拖拉，否则应尽量减少管道拖拉过程中的焊接次数和时间，以减少孔道的空置时间，防止孔道在外来震动下塌陷。2．外保护层的完整质量控制1）钢管的外防腐通常采用的是两道底漆和两道环氧沥青漆；管内根据要求采用水泥砂浆防腐2）对于要求较高的管道，在穿越管道回拖前，用电火花检漏仪对防腐层进行检验，做好记录。3）在管道拖出后，还应对孔内运行昀长的第一段管道进行检查，以确保孔内其它管道的完整性。3．管道弯曲应力核算1）管道弯曲应力可对照钻导向孔记录与设计的钻孔曲率半径进行核算，确定孔内铺设的管道弯曲度不超过允许应力。2）超过许用应力，则需修改设计方案或改选管道材料。5.10.4应急处理措施1．遇障碍物应急处理措施施工前应进行钻进轨迹设计，在计算机上用导向轨迹模拟对全孔导向钻进进行模拟演示。根据输入的钻进操作参数和勘察到的地质勘探报告参数，经过对土质的力学分析，进行方案模拟演示。并不断分析修改输入参数，直至昀终得到一套昀佳的钻进操作方案。以避开施工过程中可能遇到和管线或孤石。施工过程中采用先进的导向探测仪对地下钻头的前后倾角、深度、导向板面向角等进行测量，根据测量结果预定其导进方向，并不断地调整钻头面角进行推进或继续钻进。避开的地下管线和石块等障碍物。遇障碍物（如孤石时）需绕线时，以不影响下一次钻进及拖管施工为准，直接绕过障碍物。2．扩孔遇到少量沙层时处理方法：为防止塌孔，在扩孔时要注入泥浆进行扩壁处理。3．扩孔时遇到回填层处理方法：采取慢拉多扩的办法，将砖石尖角磨掉以免对管壁有严重的划伤6．材料与设备--76.1管材根据设计要求及工程所在地的情况，选择符合施工用管材生产厂家，及时订购管材，并要求厂家提供生产合格证及试验报告。管材根据设计要求选用钢管或者塑料管道（通常采用HDPE聚乙烯高密度塑料管，简称PE管），但不适合于钢筋混凝土管；钢管多为焊接接口，塑料管道为热熔焊接口，在管道拖进时，必须灌注泥浆（多为钠土泥浆和添加剂混合液）以保护孔壁和减少拖管摩擦力。6.2主要设备6.2.1水平钻顶管机该机为一组合机体，包括本机（操控台）、动力站、泥浆输送泵、液压输送管、泥浆输送管、钻头（带信号发射棒）、信号接受器及钻杆。6.2.2泥浆搅拌