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大口径管道的非开挖施工技术

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  近年来,天津城市基础设施建设的速度在大跨跃的发展,城市的规模逐渐扩大,污水排放量在增加,加之雨水资源的保护、雨污水管道分流、城市防汛能力的提高,使津城新建地下排水管网的建设规模,每年大幅度递增。随城市交通量逐年上升,道路的长度和宽度增加,路面下的雨污水管道长度在增加、管径在增大,用以满足城市需要.
  1.工程概况
  1.1概况;地质状况、勘察该地段施工管道所处土层地质状况
  设计管道位于道路地面下,深约7m为粉质粘土、粉土,淤泥状粉土,(4.9m以下为褐灰色加少量贝壳)。地下水情形;地域地下水位较高,地表下深约1m可见地下水。
  1.3地貌及工程特点
  1.3.1大沽南路属于市区重点道路,无论过程如何施工,均应现状道路能够保证交通通行,施工顶管的顶程必须达到井位要求,否则道路不允许开坑。
  1.3.2工地地处繁华区,道路及周边地上地下各类管线、设施,障碍较多,为保护的地下各类管道线缆安全,需要对其采取措施加固和必要切改等,给施工增加难度。
  1.3.3工地规模大,但施工场地范围狭窄。同时要求施工单位减少扰民、减少周边占地,设计管线两侧多为企事业单位、住宅楼,由于距离管线较近,施工中为了保护住宅楼的安全,如何施工,需要提供可靠工艺方案和必要的措施。
  1.3.4施工管线与桥梁等施工同时进行,如何协调在穿插作业中,精心组织立体交叉施工,并注重文明施工和环保工作,保证工程按期完成是本的重点。
  2.施工
  2.1施工准备
  2.1.1施工工艺选择;考虑到大沽南路各类顺行管线众多,污水截流设计管径d2600mm所有管道全部顶管施工。顶管施工能否达到工程要求?关键是有可靠工艺方案,要针对不同土质、顶管施工条件,,选用相适应的顶管形式。现时下澳门十大平台网站体育娱乐官网网址备有三种顶管工艺人工掘进式﹑土压平衡式,泥水平衡式顶管,各有其优势。该工程管线覆土深,地下水活动量大,若采用人工掘进式顶管首先要降低下水.由于强制降水会导致路面地基的沉降,造成建筑物的破坏,引发一系列问题,故此不宜采用人工掘进式顶管。并且本管线要在道路施工完成后施作,为了减少破路面积和保证路面不发生沉降,所有管道全部采用土压平衡式机头顶进施工。
  2.1.2确定工艺;直径达d2600mm顶管是我市目前最大口径管道顶管。我国南方施工有先例,为多刀盘机型,该施工方法可保证路面不发生沉降和周围建筑物的安全。
  本次施工d2600mm排水管、管材外壁直径为Ф3120mm,若选用多刀盘机具方法施工,机头结构较简单,经济,设备投入较比少。多刀盘机型的形式为,在大圆的机头界面内,划成四个区,在各区内有小直径的切削刀盘。受电机驱动各自独立转动,切削土体;四刀盘全部切削面积为整个端面的50%左右,其余部分靠挤压进入螺旋出土机。该机头重量较轻、相对适用于地质为流朔等软土。
  大沽南路地层下土层多变,地质资料显示土的N值大,,土质较硬。周边地面建筑物、地下构造物、埋设物较多。根据经验,顶管机械选型应选大刀盘,大截面采掘土体。工艺可行。因为大刀盘切削土的面积为100%,机型适合,土质范围广。澳门十大平台网站体育娱乐官网网址曾使用过规格d2200mm机型,经验表明;大刀盘最能适于我市粘土、粉土、流沙特征的土质。
  2.1.3机械开挖性能;本次d2600mm土压平衡掘进机顶管,选用大刀盘机型用来切削、施工前,要根据本市的地质资料等,确定d2600mm掘进机设备顶管的刀盘转矩。由于管直径增大、为刀盘截面的增加,刀盘在粘土中切土阻力的力矩要进行计算。以提供厂家加工数据。应选多大力矩而使刀盘切削力适合?在优选定刀盘转速设计为2.0rpm的条件下,据公式:T=∫10khrdr计算刀盘切削力:
  T——刀盘转矩kN·m;
  k——刀具在切削过程中单位面积上所受到的切削阻力1kg/cm2;
  h——刀具在每一转中切土的厚度0.3m;
  r——刀盘切削半径1.56m;
  通过计算d2600mm刀盘转矩为365.8kN·m折合(36.58t·m)
  满足以上刀盘转矩,应输入的电功率由以下公式计算:
  N={常数1.026×(刀盘转矩T×刀盘转速r)}/效率η=kw
  N——输入顶管用刀盘转矩的有功率(kw)
  r——刀盘转速2.0r/minη——机械效率0.85
  经计算d2600mm需要输入功率:1.026×36.58×2.0/0.85=88.308kw
  大刀盘掘进机机型的机械外型
  污水截流设计管径d2600mm,施工管道用土压平衡掘进机顶管,根据现状土质的不同选大刀盘机型,操作灵活,技术先进且排土顺畅,安全、可靠,采用的干式排土,废弃泥土对环境影响和污染最小,泥土外运处理简单。
  2.2施工设计
  2.2.1工作坑和接收坑设计
  施工是以设计图纸为依据确定检查井的位置,并以检查井位用来设定作顶管工作坑和接收坑。1#—10#施工段中1300m管线,共投入三套顶管设备地下施工顶进,顶进主工作坑为双向顶坑,向东向西各顶进长度在142m。
  测量放线后挖出桩沟,工作坑打入钢桩,1#—10#施工用履带式振动打桩机打沿坑内口线打钢桩,16t吊车配合施工。打桩时应保证钢桩的垂直度,利用震锤缓慢将钢桩全部打入地下需要标高,工作坑打入钢桩的后背间距为0.3m,其余0.8m,桩长15m,龙门口两侧距管外皮0.2m各打1棵钢桩。,用两根15×15cm方木做水平控制梁,用10×10cm角钢做垂直控制架,
  2.2.2打设水泥搅拌桩
  工作坑边打设水泥搅拌桩,为保护工作坑不塌方、不渗水,设计在坑边作防水帷幕。先在坑外侧放线,挖出桩沟,钻机入位,打设水泥搅拌桩帷幕,帷幕桩径0.7m、咬合0.20m、桩长14m水泥参量15%。重要部位如后背水泥参量20%。。水泥搅拌桩采用计量泵注浆,保证延米水泥用量。均匀搅拌操作方法成桩,咬合必须连续性完成该工程,控制喷浆量在外掺3%石膏粉来增加水泥浆凝结速度,为保证水泥强度,控制水灰比。采用双轴机架式打桩机,保证搅拌桩的垂直度和桩体的搭接。
  2.2.3确定控制土压力和顶进推力
  (1)制土压力确定要依据施工的土质条件计算:
  该地土容重γt=19.3KN/m³土内聚力C=14kpa土内摩擦角Ø=24°管中心的深度h=6.5m。
  控制土压力确定;按静止土压力和经验系数乘积,用公式P控=P0K0计算
  Ρ0—静止土压力(kpa),其是土容重γt与管中心的深度h的乘积。
  K0—静止土压力系数,经验值取0.75(该值在砂性土中K0=0.4—0.9的范围内变化,)经计算控制土压力P控=90kpa。
  由于在实际过程中,设定控制土压力不可能是一个恒定值,附加压力ΔP变化值,按经验在20kpa范围内变化,P控-取110kpa
  (2)顶进推力的计算:
  土压平衡式顶管施工,设计总顶力F总主要由管道顶进中机头迎面阻力F0和管子推进长度上综合阻力F组成,即F总=F0+F。管径ф2600mm正常顶进时迎面阻力F0约为70t,初始推力即迎面阻力,它由掘进机面前的土压力,地下水压力,及附加阻力组成,顶力按经验公式F=KfπDL计算,
  F—顶进推力(t)
  K—安全系数(取1.2)
  D—管外径3.12(m)
  L—顶进长度140(m)
  f—注浆摩擦系数(砂性土中摩擦系数取0.6)。
  140米顶进距离的设计顶力F总=1058t。
  2.3施工设备安装
  2.3.1主顶设备安装
  每一主顶工作坑内设6台液压千斤顶(320t),,千斤顶支架分三层构成安放千斤顶。在地面上配置液压站,两台高压油泵,流量2×25L/min,压力31.5Mpa高压油泵配接高压油管连接到千斤顶。用吊车吊装安装千斤顶支架,稳装千斤顶,用平垫对千斤顶的位置进行细部调整,千斤顶调整稳平,并使6台千斤顶的合力点落在管中心径处。
  2.3.2稳导轨和后背铁安装
  导轨采用自制重型复合轨,并和基础预埋钢板焊接,导轨的间距布置应使管外底离横向的槽钢顶面不小于5cm,铺设导轨时要控制高程和中线误差。后背铁采用复合定型后背铁,后背的平面垂直于导轨,后背铁与坑墙之间灌注砼(C20、厚10~15cm)垂直找平。
  2.4顶进施工
  2.4.1初顶;机头入洞口前,把工作坑洞口前的钢桩都要拔起,清除搅拌桩后开镐,将导轨上的机头推到洞口顶进土中,要机头正面和洞内的土体紧密顶严,使土仓压力表值达设定值,经一定时间压力在下降到一定数值,得出的是实际静态土压力值,用做控制土压力的参考。另外为预防刃机头扎头下跌,在第1节管与机头间,加4组M36螺栓,呈井形布置与预埋铁板焊接。
  在初顶前一定要测量好第一节管的高程和中线位移,把握好设备安装,如千斤顶不同步,或千斤顶间顶力相差较大,或安装精度不够,成顶力合力线偏差,影响整个管段顶进质量。每节顶进用管,均应上好胶圈,在胶圈上抹匀凡士林。然后下O形顶铁,开镐将稳定管子与前节管子顶紧
  在标准状态下控制入土,使整个管段顶进有一个良好的开端,在顶管机头刚进入土体时采用4个液压千斤顶(320t)顶进速度要慢,速度在2cm/min。
  土压平衡式大刀盘机型为螺旋机出土,由机头前方大刀盘缓慢掘进切削前方土壤经螺旋机出土到土斗,管内铺设15kg/m的轻型轨道土斗管内运出,在由吊车运抵至地面装车外运。
  当机头已顶进土里有10m左右时,为减小土体对管道的阻力需要开始注浆,注浆压力为0.3Mpa左右,注浆量控制在理论计算值的1.5倍左右,注浆时要遵循“先顶后注,随顶随注”的规程。
  2.4.2测量
  安装激光经纬仪;在距后背墙1米处两组千斤顶之间安装激光经纬仪,经纬仪的位置应在管道的中心线上,安装时应先安装水准仪支架,,支架用Φ40mm钢管和3mm厚的钢板制作,仪器的前方控制点通过由地面上的经纬仪将管线中心点引到坑内的经纬仪支架上.顶管前,根据管线位置和周围建筑物步设沉降观测测点.将测量结果做纪录
  测量导向采用J-2型激光经纬仪,经纬仪提供激光束打到为机头中心接收靶上,为机头定位。机仓内还装有倾斜仪,用来监视掘进机机头纵向水平状态和径向偏转状态,,纠偏要根据管子的运行趋势校正,依据仪器仪表数据计算纠偏校正值,在进行超前纠偏,使顶进的质量才能达到较高要求。
  2.4.3顶进中操作
  管内顶进操作人员所选具有资质和一定经验,在顶进过程中会绘制随机的顶进曲线,随机测量效验中线偏离误差、根据顶进需要调整顶速,以利纠偏操作。
  在顶进施工过程中,控制土压力的数值与理论计算数值相接近,在主动土压力和被动土压力之间,在实际应用中澳门十大平台网站体育娱乐官网网址将土压力控制在100kpa左右.机头控制土压力要小于刀盘前方被动土压力,且大于刀盘前方的主动土压力,操作时控制土压变化,监视刀盘电机电流.当前方土压力超过设定土压力,刀盘电机电流在增,d2600mm机设定刀盘电机4台,每台电机为额定电流的90%,22KW/37A。当前方切削力矩超过设计值,使电气开关立即被切断,机头在掘进和主顶千斤停止推进,减小顶速,可使前方力矩减小,刀盘载荷减小,开关复位.后方液压站又恢复顶进。
  顶管后背发生位移或不平整时,会使管道轴线偏差过大,使顶力合力线偏移,造成管道偏差。管道偏差过大,使管线发生弯曲,接口渗漏,甚至造成管节损坏无法恢复。
  长线顶管时,地层正面阻力不均匀,使机头受力不均匀,造成管轴线偏差。由于顶管时,管道是动态过程,顶管机头受力是经管道所传递主顶力,部分管道经受到土层的扰动力,使顶管管道如同摆积木行进呈弧线,也形成偏差,机头按设计轴线要求纠偏值控制在5mm内,在顶管过程中校正纠偏操作贯穿于始终。发现问题及时采取相应措施,保证不间断正常顶进。在接近出洞口时应加密测量,并要始终做好顶进长度、高程及中线位移、时间及顶进时的顶力记录,在3#—4#坑施工时,周围有ф600mm自来水压力管道,此处控制土压力后不能超标,否则会发生使公用设施受到影响,危及到正常使用和安全。操作人员重新确定控制土压力后谨慎操作,使管道较为顺利穿行过去,
  2.4.4减阻注浆:
  注浆是为管段顶进减阻所用,要求在砼管外层形成一个完整的泥浆套环.过去将注浆孔布置在管子中间,由于上下孔阻力不同不能很好的形成泥浆套环,减阻的效果较差.现在注浆孔布置在套环以内,首先在套环内形成一个完整浆套,注浆效果成倍提高.带注浆孔的混凝土管设置在机头后,连续放三至四节,然后为了补浆再按一定间隔放置带有注浆孔的砼管.注浆配方:在不同土质中应采用不同的配比,根据大沽路的土质情况注浆减阻的钠基膨润土配比如下:
  膨润土:水:碱
  22.8%:76.2%:1%
  减阻包括注浆和涂腊,注浆设备应靠近工作坑,包括拌浆机,储浆池,注浆泵,储水池;注浆用螺杆泵,其进浆口连接的为普通胶管,出浆口连接的为高压胶管。在砼管壁上的注浆孔预埋1″带丝扣钢管,内设塑料单向止水阀,注浆孔每节管设4个,位置沿环向均布。减阻在顶进结束按比例将粉煤灰和水泥拌合成浆,压入管道外壁.将触变泥浆置换出来,以杜绝施工后的地面沉降.
  2.4.5施工效果
  d2600mm大口径管道,经昼夜施工,工程如期完成。施工管道经有关单位测验,质量属优良:3#—4#—5#坑,两空管道高程误差最大值为:+2、-3cm,右偏差均为1cm.控制偏差在最小的范围。此次施工用泥浆套减小的摩阻力措施,控制顶进用管的顶力在140m长度的顶力为840t。两空管道顶管进度分别在9天10天完成。顶进控制依靠优选的工艺参数把地面沉降控制比较好,,经测量新路面沉降得为-15mm。
  3施工总结;本次施工总结如下:
  3.1机械顶管大幅度提高排水管道施工效率,把过去难以完成的工程量按期完成,并减少施工对周围环境影响。
  3.2工艺改变“先地下、后地面”传统的施工流程,初尝试了新铺建的道路下,在进行的顶管数据和施工经验,节省施工时间。
  3.3大口径管道,施工过优选工艺及参数,在土体被挖取后,顶进多长管,掘出多少土,,地面不沉降,路面安然无恙,道路交通继续通行。
  (由于时间匆忙稿件允许修改)
  作者简介丁翊明,男高级工程师,1955年生,国家二级项目经理;,主要从事市政工程施工,顶管研究、地铁盾构等施工及施工管理工作。
  作者地址:天津市河北区增产道东头3号(天津城建集团六澳门十大平台网站体育娱乐官网网址五分澳门十大平台网站体育娱乐官网网址)邮编:300250
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