顶管施工组织方案

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一、顶管施工

本工程主干管顶管段施工，采用F型钢筋砼管，管径为D800。另外部分过河段倒虹顶管采用PE实壁管。

1.工具管选择

1.1根据本工程的特点选用工具管应具备以下性能： （1）工具管要求能有效的阻止开挖面坍塌。

（2）顶管施工过程中有可能碰到不明地下障碍物，工具管要求排障能力要强。

1.2工具管选择

根据工期及工程的土质为具有流塑性的淤泥质粘土和粘质粉土的特点，本工程中采用DK式的土压平衡顶管机，配备数量为3套。

2.顶管施工工艺流程见下页 3.顶进设备及附属设备安装 3.1主顶机机架的安装

3.2安装在工作井内的顶推设备主要是主油缸，其作用是造成强大的顶力将管道沿着设计轴线顶出工作井。

3．3本工程主顶管装置共有六只千斤顶，分两列布置，主顶千斤顶为等推力双冲程千斤顶， 2.0M长的管节可以一次顶进完成,无须加放顶块.每只最大顶力为160T,主顶最大总顶力为960T，大于设计顶力4200KN及3500KN，主顶动力站由一台63M1/r的轴向柱塞泵驱动，可以满足5cm/min的顶进速度，另外也可以通过调节变频器改变油压泵流量，从而控制顶速。

（一）、泥水平衡顶管施工工艺图如下：

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泥水分离器接收井沉淀池泥浆调整池送泥泵工旁通阀排泥泵作井1、安装顶管掘进机、控制台及泥浆沉淀池吊机泥水分离器沉淀池泥浆调整池送泥泵接收井排泥泵装管旁通阀工作井2、吊机吊装顶进管泥水分离器沉淀池泥浆调整池送泥泵接排泥泵工旁通阀收井作井3、机械挖土、顶进泥水分离器沉淀池泥浆调整池送泥泵接旁通阀工排泥泵收井作井4、重复挖土、顶进直至顶管机到达接收井泥水分离器沉淀池泥浆调整池送泥泵工旁通阀排泥泵接收井作井5、拆除顶管机、砌筑检查井

（二）、施工工艺流程

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顶管施工工艺流程框图

施工准备 测量放样 轨道安放 后座顶板安装 千斤顶安装 止水装置安装 掘进机试运行 割开闷板 千斤顶顶进 出泥准备 顶进设备安装 掘进机井内就位

掘进机穿墙 偏差测量 管道顶进 出泥 顶进纠偏 砼管拼接 接口检查 轴线控制 砼管验收 顶进结束 施工准备 （三）、管节验收及其堆放

每批管子至工地后，会同工程师代表一起逐节检查管节质量。具体有以下几个方面：

1、管身裂缝情况；

2、承插口圆度、端面平行度；对质量有问题的管节做好标记，通知工程师代表或厂方，及时采取修补或更换措施；在甲方提供的临时性工作区域内合理布置施工场地，管节堆放场地事先经清理平整，在堆放管节时须用专用吊具在中心吊孔中吊起，以保护承插口。管节须排列整齐，堆放动作轻缓，避免管节间碰撞。

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就位后立即用方木垫稳，确保管子稳定浚动。

（四）、顶管设备

针对本工程沿线水文、地质及施工条件，为确保顶管施工质量和进度，减少对地面构筑物及公用管线的影响。本工程中顶管机采用泥水机械平衡式顶管机。该类顶管机在软土地层中能自动平衡正面土体压力、有效控制地面沉降、操作安全可靠、施工速度快的较好机型之一。该机的各主要组成部分及功能汇总如下：

1、机壳：

为两段一铰形式，前后壳体通过纠偏油缸联结，纠偏缸的各种组合动作可使前后壳体在需要的方向产生折角，在顶进过程中产生纠偏效果。前后壳体间有橡胶止水圈确保壳外泥水不渗入机体内。

1、大刀盘及刀架：

刀盘能自动前后浮动，浮动量13CM，以3～16T/m2 的设定压力自动平衡正面土体。在转动时刀架可相对伸缩，以自动调节正面土体切削量。这种可靠直观的机械平衡方式是本机最大优点之一。

2、

动力系统：

通过油马达、减整箱等部件为大刀盘提供足够的转矩。

3、纠偏油缸：

组合动作，在需要方向上使前后壳体产生折角，在顶进过程中产生纠偏效果。

4、主顶系统： 主顶系统由若干油缸组成。

主顶系统的顶进速度由VVVF 控制，可实施无级变速，启动和停止由电气系统联动控制。

5、泥水系统：

以一定水压、流速的水和稀释、搅拌泥水舱中泥浆，并将泥浆水带至地面沉淀池。该水流水压比地下水压略高，以确保切削面土层无水土流失。水压在2～25m 水龙头范围内可调，精度为0.2m 水头。

6、电气控制系统：

传递各种操纵指令，调节各执行无件的状态；在顶管机机头内设有监听、监视、通讯、对话系统，顶管机的各部件工作情况均可通过电视及PLC 工控制传递

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至地面操作台，全部操作均可在地面完成。

7、 液压泵：

接受控制系统的指令，为各系统液压执行无条件提供液压能。 （五）、顶管工艺

整个顶管过程大致可分为三个阶段：出洞前准备；正常顶进阶段；进洞及后期收尾阶段。

1、出洞前准备阶段：

本阶段工作包括：龙门吊安装就位、基坑导轨测量就位、洞口止水装置安装、主顶油缸组及后靠、机坑导轨安装就位、泥水系统机坑旁通阀组有管道系统安装就位、操纵平台搭建、电气控制线路布置、储水箱及泥水泵安装就位、压浆系统及其管道安装就位、顶管机头下井就位、各部分设备调试运行、联机总调试、洞口地基加固措施、顶进轴线复测、管节堆放检验、触变泥浆搅拌储存。

2、出洞及正常顶进阶段：

打开洞门、机头顶入洞口后下设备段。转接油管、电缆及泥水管后继续顶进。油缸顶到位后，拆除泥水管和电缆，第一节砼管下井，设备段与第一节砼管合拢，接通泥水管和电缆继续顶进。重复上述过程。顶至预定长度后，将准备好的中继环放下，联机调试一次，重复上述过程。在顶进过程中每顶一节管对顶进轴线作一到二次测量，确定纠偏的方向和时机；并对机头前10m，后20m 的地面沉降监测点作一测量，以便当班施工人员能及时采取相应措施，控制沉降幅度。整个顶进管道从机头后设备段、第一节砼管到最后一节管道，每隔6M 设置一圈触变泥浆注入管道，以便顶进时定量定点压浆，减小顶进时管外壁阻力，填充扰动土中空隙，减小地面沉降。泥水系统的设定水压力一般比地下水水压高0.05kg/cm2.这要根据埋深及地下水位高低情况而定。在顶进中根据机头和沉降情况再对工作土压和水压进行修正。顶进过程中严格执行交接班一小时衔接制度，交待上班各类情况，共同观察工作现状，以保证全顶程连续无间断。

3、进洞及后期收尾工作：

该部分工程包括：托架搭建、接收导轨就位，洞口止水装置安装、洞口地基加固，机头偏差复测。井位复测、打开洞门、机头进洞并吊运、管道清洗、防腐涂料、管节偏差测量记录。为了减少顶进管节的后期沉降，在顶进完毕后还要在

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压浆孔向管外压水泥砂浆，以填充管外扰动土缝隙，提高管外土体的承载能力。

4、最大顶力及其限制措施 推力的理论计算： F=F1十F2 其中F—总推力

Fl一迎面阻力 F2—顶进阻力

F1＝π/4*D2*P (D—管外径1800m P—控制土压力) P＝Ko*γ*Ho

式中 Ko—静止土压力系数，一般取0.55 Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值4m γ—土的湿重量，取1.9t/m3

对本工程每种管径及每段顶管进行计算，若顶管的最大顶力超出了工作井的极限承载力，则施工中需要设置中继间。由于设计图纸对最大顶力未明确规定，待中标后我方将根据设计要求进行计算和调整。

5、触变泥浆减阻

从机头后第一节砼管至管道最后一节砼管，每隔6M 安置一圈压浆管道，每个压浆孔上安装一只1 寸球阀，由橡胶软管压浆总管相连，压浆总管是一根2 寸白铁管，连接压浆泵。压浆泵选用隧道公司生产的江南泵。以上压浆系统上设有流量、压力调节阀。触变泥浆选用标准配方的浆料，在拌料筒内按一定比便兑水充分拌制后，储放24 小时后方可使用。

压浆分三类，分别控制。

① 机尾同步压浆：以形成原始浆套，填充固有间隙；

②沿线（及洞口）压浆；以补充管道不直形成的沿线浆套缺损。

③定点压浆：根据沉降测量反馈数据，对沉降过大处补偿性压浆，以支承地表荷载。

各作业班在顶管施工时作好压浆量、点的记录，确保压浆工作到点到量，以降低管外壁摩擦阻力，提高顶管质量。地面沿线有专人巡视，防止打穿地层造成浆套损坏。

6、顶管机遇地下障碍物的措施

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本机头刀盘为大断面切削型，刀盘上焊有硬质合金刀具，并有硬质合金堆焊耐磨保护层。断面小于30CM 的木桩，可以在切削成碎片后从管道中排出。非结构型石块可推其前进，在顶进一段时间后，遇疏松土层时，可将它挤入旁边土层中。以上两种障碍物已在同类型中口径管道顶进时遇到，并顺利通过。

7、顶进线型控制及测量

顶管施工时采用全站仪、经纬仪、水准仪、激光测距仪进行测量。具体测量的技术要求参见桥梁工程测量的技术要求。顶进轴线的偏差与管道顶进阻力、地面沉降、管道接口的水密性及管道水力条件有很大关系，所以下面的控制及量测方法是必不可少的。在工作井后靠前设置一牢固的测量平台，平台高度与轴线标高相匹配并可作少量调节，激光经纬仪安置在平台上，调整红外线激光方向、高度与设计轴线一致。现场结合机头前后壳体间折角、机头滚动角，二维倾斜仪读数，即可测出机头的现存偏差及发展趋势。从而确定纠偏动作的方向、大小及时机。以上各参数均可在地面操纵台的电视屏幕、仪表板上看到。对某一纠偏动作，机头前后壳体即在这方向上产生一定量的折角，在顶进时，机头即沿此方向纠偏。每次纠偏操作的执行均需仔细讨论，记录在册，并密切观察其后反应。当班从员须将整个管道的线型偏差量以曲线图形式绘出，以利操作控制。为了消除测量基准的误差，每顶进50M 还要对测量基准作一次复测。在机头进洞前20M 处，对机头的偏差进行一次精确的测量，确定纠偏控制措施，以确保机头以尽可能小的偏差进洞。

8、地下、地上弃土的处置

从机头切削下的土体稀释搅碎后由污泥泵送到地面。地面砌筑宽6M×长30M×深2M 的泥浆沉淀池，排放入沉淀池的泥浆水经初步沉淀后重复使用。池内沉淀下的泥砂由挖土机挖出，装车运到工地附近土方临时堆放处进一步脱水，待含水量低于60％时用土方车运到永久性弃土处。

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9、导轨铺设

基坑导轨是安装在工作井内为管子出洞时提供一个基准的设备。顶管施工中常常有出洞正常了，顶管的二分之一就正常了的说法，可见导轨之重要。导轨必须具备坚固、挺直，管子压上去不变形等特性，由于DK顶管机重量重，为此采用了复合型基坑导轨。每一根导轨上都有两个工作面：水平的一个面是供顶铁在其上滑动的，而倾斜的一个面则是与管子接触的。为了测量及导轨安放的方便，导轨水平的那个面仍然与钢筋混凝土管内管底标高同一处水平面上。每一副复合导轨中还设有六只可以调节高低的撑脚，安装起来很方便。

9.1在工作井外合理位置布置触变泥浆注浆机。 9.2供电照明、通讯、监控

本工程中，本公司计划采用380伏电压输电。

为了防止电缆线接头松动，接触电阻增加而影响供电质量，本公司使用电缆接头箱，即保证了接头质量，又可以避免包扎受潮而产生的漏电事故。

另外由于变压器到顶管作业点的距离较长，可能造成沿途的较大电压降，为了防止不可预见情况的发生，本公司还要安装一套225A自动增压装置，当线路压降过大时，增压装置开启，稳定施工用电电压，保证顶进设备的正常动作。

顶进施工时，顶管机所需要电力由操纵平台上的电箱用50mm2电缆直接输送到工作面，电缆采用三相五芯制，井口采用航空接头，便于拆卸，管道内用接头箱进行电缆连接，确保使用安全。

照明采用36V安全电压，由管道内电箱中的1KVA变压器提供36V电源，每只变压器连接9-10只行灯进行照明，根据顶进长度业决定使用变压器的数量。

顶管施工必须保证信息交换的畅通，同时对施工操作人员要进行监护，防止发生安全事故，因此本公司必要设立了通讯、监控系统。

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通讯采用数字程控交换机，各联络点之间可以通过电话自由通讯，在管道内空气潮湿，应使用防潮防爆的矿用电话机，以保证通话质量。

监控采用了两台监视器，分别对顶管机操作面和主顶操纵台进行监控。这样地面人员能及时了解施工情况，发生问题可以立即着手解决。为了解决传输信号长距离输送衰减的问题，将信号通过放大器放大后再送上地面，保证了图像的清晰。

10.顶进

DK式土压平衡顶管掘进机采用计算机闭环控制的土压平衡机理，电脑控制。将土体搅拌后，经由螺旋机送到密封舱板后出土。密封舱内有两个土压传感器将测定的土压力转换成电信号输入到土压平衡控制器内，由其自动调节螺旋机变频器，改变螺旋机转速，从而改变出土速度，使之与主顶顶速相匹配，使土压舱内的压力始终控制在土体的主动土压力与被动土压力之间。

顶进时，一般情况下主顶顶速是恒定的，随着土质的变化可能引起正面土压力的变化，当正面土压力高于设定土压力时，螺旋机出土加快，使正面土压力下降，降到低于设定土压力时，土压平衡控制器又会调节螺旋机变频，使出土减慢，土压力回复到设定范围，也就是维持一个动态平衡的过程。

顶进施工时，必须根据覆土厚度作土质情况计算出顶管掘进机正面的水土压力，作为设定土压力，输入土压平衡控制器，此后就可以靠土压平衡控制器自动控制正面土压力。土压平衡控制器分手动和自动两种控制方式，手动控制方法能将实际的正面土压力控制在更小的波动范围内，对于控制地表沉降十分有利。

在整个施工过程中，要针对不同的覆土和土质情况及时调整设定土压力值，以利顶时的顺利进行。

顶管机的螺旋机采用轴向出土。螺旋机出的土直接卸在土箱内，

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土箱装满后，由无轨小车运出管道，至工作井内由吊车吊上地面弃土。

（1）管节接口处理措施

管节接口处理是顶管工程的关键部分，保证做好接口部分是顶管工程成败的关键，因此对组成接口的每一部分都必须严格遵照有关规程的要求逐一分别严格制作。顶进前应对砼成品管、钢套环、橡胶密封圈和衬垫板从尺寸、规格、性能、数量等均作详细检查，必须符合标准设计图的要求。顶进前还必须在现场作试安装，对不合格的砼成品管应予以剔除。砼管接头的槽口尺寸必须正确，光洁平整无气泡。橡胶圈的外观和任何断面都必须质密、均匀、无裂缝、无孔隙或凹痕等缺陷，橡胶圈应保持清洁、无油污，不能在阳光下直晒。钢套环必须按设计要求进行防腐处理，刃口无疵点，焊接处平整，脚部和钢板平面垂直，堆放时整齐搁平。衬垫材料为多层胶合板，其应为一应变关系应符合试验曲线要求，误差±5%。粘贴时，凸凹口对中，环向间隙符合要求。插入安装前滑动部位应均匀涂薄层硅油等润滑材料，对橡胶元侵蚀性，减少摩阻。严禁使用其它油脂及肥皂水等润滑剂。承插时外力必须均匀，橡胶圈不移位、不反转、不露出管外，否则应拔出重插。顶管结束后，应按设计要求在内间隙嵌以弹性密封膏，要求与二管口抹平。

钢管顶进采用钢丝网水泥砂浆和肋板保护层时，焊接后应补做焊口处的外防腐层。

（2）顶管进洞技术措施

为保证顶管机能顺利进入接收井预留洞，在离接收井15M左右时要加强对顶进轴线的观测，及时纠正顶进轴线的偏差，保证顶管机能顺利地按设计轴线进入预留洞。

为防止预留洞封门打开后洞外的土体涌入接收井内，在顶管机到达接收井前，在接收井内预留洞处安置一道橡胶止水带，以防止顶管机进洞时水土涌入井内。

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接收井内按顶进轴线安装接收机架，使顶管机平稳地进入接收井，防止进洞后顶管机直接落到接收井底板上，造成后续管节接口质量问题。

顶管机进洞后，尽快把顶管机和砼管节分离，并把管节和工作井、接收井的接头按设计要求进行处理。

6.中继环设置

根据设计，不能满足全管段顶力要求，在顶进时设中继环。顶管的关键设备是工具管，长距离顶进的关键设备是中继环。距离较长的管道，因管道四周的摩阻力越来越大，单凭主站油缸顶推是不够的。一方面主站的顶力有限，不可能无限增加，另一方面主站所能施加的顶力受到砼管允许顶力和后背允许顶力的制约。为了解决上述问题，就出现了中继环。中继环的作用是分散主站的顶力，管道由中继环分段顶进。

理论计算：

当管外壁采取注浆减阻措施时，顶管的总顶力值可以按下式估算：

F=F1+F2 F——总顶力

F1——工具管正面阻力 F2——管道摩阻力

在本工程的施工中,计划采取了注浆减阻磨擦措施,所以总顶力按上式进行计算，现取W53—W52段为例进行计算。

已知：管道的外径 D1=1040mm 管道长度 L=100m

工具管正面阻力F1可以根据下式求得

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F1=1/4*πγHD2 D——工具管外径 γ——土的重度 H——管顶覆土高度

则 F1=1/4×3.14×16×4.68*1.492=130.5KN 管道摩阻力：F2=f2L

f2——单位长度管道摩阻力 f2=πDf

式中f—触变泥浆中管壁与土的平均摩阻力（kpa），按表取用。

土的类别 平均摩阻力混凝土管 f（kpa） L——管道总长度

F2=3.14*1.49*5*100=2339.30KN

得F=F1+F2=2469.80KN>2400KN（设计主顶力） 钢筋混凝土管的允许顶力可按下式计算 F=π/Kδ（t--L1--L2）（d+t） 式中F---钢筋混凝土管允许顶力（KN） K---安全系数，取K=5 δ---混凝土抗压强度（Kpa） L1---密封圈槽底与外壁距离（M）

L2---木垫片至内壁的预留距离（M） d---钢筋混凝土管内径（M）

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1软粘土 4.0—6.0 粉性土 6.0—10.0 粉细土 10.0—16.0 宁波市市政设施建设开发公司 鄞州区五乡片区污水管网工程（Ⅱ标段）顶管专项方案

公称管径内径（MM） 外径（MM） 壁厚（MM） （MM） 800 800 1040 120 8000>2400(设计顶力) 允许顶力（KN） 注：1.混凝土标号为C30 2.适用直线顶管。

本工程φ800钢筋砼管允许顶力计算时取2400KN。

因为本工程设计顶力极限为2400KN，所以在本工程施工中应设置中继环。计算时，允许顶力取2400KN。

中继环设计顶力应小于或等于主站的最大允许顶力 P2≤P1

P1——主站最大允许顶力（KN） P2——中继环设计顶力（KN） 第1号中继环安装位置

L1=（P2-F1）K1/f2 （1）

式中：L--第1号中继环安装位置（M） F1--工具管正面阻力（KN） f2--单位长度管道摩阻力（KN/m） f2=πDf

K1--工作系数 取K=0.60

(2)中间环间距

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L0=P2K2/ f2 (2) 式中:L0-----中继环的间距(M) K2------系数,取K=0.7 (3)主站顶推管最大长度 Lm=P2K3/ f2 （3）

式中：Lm----主站顶推管道最大长度（M） L3----工作系数取K=0.9 代入数据得

L1=（P2-F1）K1/f2

=（2400-130.5）*0.6/3.14*1.44*5 =60.2M 中继环间距

L0=P2K2/ f2

=2400*0.7/3.14*1.44*5 =74.3M

主站顶推管最大长度 Lm=P2K3/ f2

=2400*0.9/3.14*1.44*5 =95.5M

经上述计算,本工程顶距小于95.5米管段可一次性顶进；大于95.5小于169米设置一个中继环，大于169米设置两个中继环。

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7.通风设备

顶管施工管道内的通风是必要的，操作人员在地下作业要不断补充新鲜空气，作业中产生的废气需要及时排除。

本工程采用一套专用的通风设备，该设备采用压缩空气通风。压缩空气经过干燥、净化后送到工具管或管内的其它工作面。压缩空气通内的原理见图，来自空压机的压缩空气先送入储气泡，并保持在0.6MPa的压力。从储气罐出来的压缩空气再送入冷却器和油水分离器，通过两次冷却除水和两次油水分离压缩空气，再通过干燥再次除去空气中的水分，后进入净化器除去空气中的杂质，然后经过送风管，送到工具管和管其它工作面。送风口有消音器，以减少送风时的噪音。净化压缩空气通内，一般直送工具管，这是因为工具管内操作人员最多，净化气向后推移，就能更新管内的空气。

8.出泥

管道内出泥本公司计划采用无轨小车运泥，小车前设有牵引力为30KN的牵引机。当无轨小车行至工作井底后，用工作井顶部的钢结构工作平台上的起吊机吊出并堆放在场内临时堆土处，再集中运至指定倾倒场地。

9.过河段倒虹管顶进技术措施

本工程过河段较多，此段顶管施工前需要对河道顶管位置覆土进行勘测，并采取必要的技术措施。

10.1河道穿越：顶管段需穿越河道，涉及二个方面问题 （1）河床覆盖土太薄； （2）河岸保护； 10.2对策

（1）对河床断面应详细测定，并绘制出完整的断面图。 （2）当河床覆土与管顶距离为<3M时，应采取措施，防止管道

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“上冒”或“涌水”措施如下：在管道中心线两侧15米范围河道围堰排水并用草袋压实，保证管顶覆土大于3米。

11. 顶进过程中障碍物的处理方案

11.1顶进过程中遇到障碍物时，在加气压的情况下，打开DK式土压平衡顶管机在密封舱左厕半腰的人孔，进入掘进机正面排除障碍物。

11.2顶进过程中遇到流砂时，在DK式土压平衡顶管机板的上部四个加泥孔加入水或泥改良土体，使土体在密封舱内呈软塑一流塑状，使土体分布更均匀，顶管机正常运行。

12.质量保证措施

精心根据现场地表变形监测，适当掌握推进顶力，推进速度，开口面积和出土量，使开挖面土体比较接近或保持原始状态。向顶管外周空隙中精心注浆。控制顶管顶力的偏心度。确保顶管承压壁的后靠结构处于稳定状态。

在顶管施工之前，对工具管尾端与管道搭接处的环形橡胶密封装置，各管节接头的环形橡胶密封装置，管节本身尤其是管节端部的钢筋砼的搞裂防水性等各种可能导致漏泥水的环节，都要严格检查。

要求所使用的管节的精度、强度、搞裂防水性，橡胶带的尺寸和物理力学性能以及管节接缝间的垫板压缩模量都要检验合格的质保书。

在顶管施工过程中，对管节的运输、起吊、就位，顶进千斤顶后靠承杖板的敷设、顶进设备及匀压环的安装、管节接缝隙间防水胶带及垫板的安装，以及顶进中的测量纠偏，都应按照明确而严格的规程进行操作，务必防止管节在搬运过程中碰撞损坏。

顶进纠偏措施：建立地面与地下测量控制系统，管道顶进过程中根据测量结果分析偏差产生的原因和趋势，确定纠偏的措施。

每顶进一步20CM或一个千斤顶冲程即用经纬仪测量一次，发现

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偏位立即纠正，每顶进一节管节，即时所有设备检测一次，发现移动，立即调正，管道纠偏通过工具管端的纠偏千斤顶校正工具管方向，调正幅度视偏移情况而定。

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