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   顶管工艺


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长距离顶管施工主要技术措施
发布日期:2010-03-04 阅读:2773 字体:[ ] 大

一、工程概况


  φ2000mm排海管道工程是嘉兴市污水处理工程的一个重要组成部分。正常排放管总长2060m,管道内径2000mm,从高位井向大堤外顶进,埋深9.30~21.81m,出洞口管内底标高为-20.23m,前1747.5m为下坡(-2.5‰)顶进,最后302.5m为平坡顶进,终点管内底标高为-24.60m.顶进施工采用F-B型钢承口式钢筋混凝土管、楔形橡胶圈接口、多层胶合板衬垫。


  二、地质资料


  顶进轴线上方覆土为粉土层;淤泥质粉质粘土,局部夹少量薄层粉土;粉质粘土。地质剖面见图1。


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  三、工具管选型


  正常排放管在出洞后的150~200m范围内是④层砂质粉土夹粉砂,然后穿过④a层粉质粘土、⑤层淤泥质粉质粘土~淤泥质粘土。经多方论证,最终决定采用大刀盘泥水平衡式工具管。


  四、主要技术措施


  1.减阻泥浆


  顶进施工中,减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。顶进时,通过工具管及混凝土管节上预留的注浆孔,向管道外壁压入一定量的减阻泥浆,在管道外围形成一个泥浆套,减小管节外壁和土层间的摩阻力,从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏,直接关系到减阻的效果。


  为了保证压浆的效果,在工具管尾部环向均匀地布置了4只压浆孔,顶进时及时进行压浆。工具管后面的3节混凝土管节上都有压浆孔,以后每隔2节设置1节有压浆孔的管节。混凝土管节上的压浆孔有4只,呈90°环向交叉布置。压浆总管用φ50mm白铁管,除工具管及随后的3节混凝土管节外,压浆总管上每隔6m装1只三通,再用压浆软管接至压浆孔处。


  顶进时,工具管尾部的压浆要及时,确保形成完整、有效的泥浆套。混凝土管节上的压浆孔供补压浆用,补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。由于顶进距离长,一次压浆无法到位,需要接力输送,因此在管道内共设置5只压浆接力站,平均每隔300m左右设1站。压浆接力站的作用有两个,一是运输作用;二是承担至前面压浆接力站管道部分的补压浆。


  减阻泥浆的性能要稳定,施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结,既要有良好的流动性,又要有一定的稠度。顶进施工前要做泥浆配合比试验,找出适合于施工的最佳泥浆配合比。表1是本工程所采用的减阻泥浆控制参数,表2是减阻泥浆的配合比。


  表1减阻泥浆的控制参数


  表2减阻泥浆配合比(kg/m3


  拌制减阻泥浆要严格按操作规程进行,催化剂、化学添加剂等要搅拌均匀,使之均匀地化开,膨润土加入后要充分搅拌,使其充分水化。泥浆拌好后,应放置一定的时间才能使用。通过储浆池处的压浆泵将泥浆压至管道内的总管,然后经压浆孔压至管壁外。施工中,在压浆泵、工具管尾部等处均装有压力表,便于观察,从而控制和调整压浆的压力。顶进施工中,减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性,由于泥浆的流失及地下水等的作用,泥浆的实际用量要比理论用量大得多,一般可达到理论值的4~5倍,但施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。本工程的减阻泥浆运用十分成功,全长2060m的顶进最大顶力不超过8500kN.把顶进过程中的顶力曲线和泥浆用量(实际用量与理论用量之比,用百分比表示)曲线通过处理后可以得到顶力、泥浆用量与距离之间的关系图(图2)


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  图2顶力和泥浆用量与距离的关系图


  由图2可以看到,除出洞阶段外,顶力曲线很平滑,顶力增加十分缓慢,最大值为8500kN.由于在出洞阶段无法建立完整的泥浆套,因而泥浆用量较少,但当泥浆套建立好以后,泥浆的用量就随着顶进距离的延长而增加,顶进结束时,泥浆的用量达到理论值的8倍。泥浆的用量之所以随着顶进距离的延长而有较大增加,主要是补压浆造成的,因为随着线路的增加,补压浆的量要大大超过工具管尾部的压浆量。


  管道外壁和土体间的摩阻力的大小是衡量泥浆减阻效果的标准,图3是本工程顶进过程中管道外壁和土体间的摩阻力曲线图。


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  图3摩阻力曲线图


  图3真实反映了顶进过程中侧向摩阻力的变化情况。在出洞阶段,由于泥浆套无法建立,因而侧向摩阻力比较大,随着泥浆套的建立,摩阻力急剧减小。顶至200m时,侧向摩阻力为2.1kN/m2;顶至600m时,侧向摩阻力为1.1kN/m2;顶至1500m时,侧向摩阻力为0.5kN/m2;顶至2000m时,侧向摩阻力为0.3kN/m2。上述值均远小于规范中的取值及利用经验公式计算的值,也远小于以往同类工程中的实际值。显然,侧向摩阻力随着顶进距离的增加而逐渐减小,是和泥浆的用量随着顶进距离的延长而增加有直接关系的。


  2.中继间应用


  正常排放管总长2060m,在出洞后的150~200m范围内,顶进断面主要为④层砂质粉土夹粉砂,随后的顶进主要在⑤层淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土中进行。因土层变化较大,顶进阻力在各土层中不同,考虑到长距离顶管的特殊性并结合以往同类工程的施工经验,原施工组织设计中拟布置14只中继间进行接力顶进。


  中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构,偏转角α=±2°,端部结构形式与所选用的管节形式相同,外形几何尺寸与管节基本相同。在铰接处设置2道可径向调节密封间隙的密封装置,确保顶进时不漏浆,并在承插处设置可以压注润滑脂的油嘴,以减少顶进时密封圈的磨损。中继间的铰接处设置4只注浆孔,顶进时可以进行注浆,减小顶进阻力。


  顶进至194.1m时,根据顶进施工所获得的数据计算,管节外壁和周围土体的摩阻力介于2~3kN/m2,是比较小的,根据计算结果,并结合以往的施工经验,对中继间的位置作了适当调整,以减少中继间的投入,并能确保顶进的顺利进行。由于第1、第2号中继间已经放置,第3号中继间位置也已确定(因电缆等的长度已定),因而中继间布置从第4只开始调整。


  调整后,正常排放管共设置9只中继间,具体布置位置见表3。


  注:表中间距及累计距离中未计中继间长度,其长度在第9号中继间后计入调整。


  顶进至1102.3m时(中继间布置了5只),管节外壁和周围土体的摩阻力为0.5kN/m2左右,波动基本不超过0.1kN/m2.经计算并结合顶进施工的工艺要求,又对中继间的位置作出了调整(因第1至第5号中继间已经放置,因而中继间布置从第6只开始调整)。


  调整后,正常排放管共设置8只中继间,具体布置位置见表4。


  注:表中间距及累计中未计中继间长度,其长度在第8号中继间后计入调整。


  由于先后两次根据实际情况调整了原来的中继间布置,最终只设置了8只中继间,节约了大量的资金,也减少了后期处理工作。


  3.测量及轴线控制


  在顶进过程中,经常对顶进轴线进行测量,检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下,每顶进1节混凝土管节测量1次,在出洞、纠偏、到达终点前,适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测,以保证测量的精度。


  随着顶进距离的不断增长,轴线偏差测量需接站观测,从而产生接站误差。因此顶进前按不同的顶进里程,制定了相应的轴线平面偏差测量方法;高程偏差测量采用水准接站测量,先测得工具管中心标高,再与设计高程相比较就可得高程偏差。


  另外,指示轴线在顶进工程中,必须利用联系三角形法定期进行复测,以保证整个顶进轴线的一致性。


  为了较好地解决测量用时问题,要尽可能减少测量接站数,在转站处利用特殊发光源作为目标,再利用放大倍率较大的瑞士T2经纬仪观测;测定工具管前进的趋势,同样能达到减少测量时间的目的。


  在实际顶进中,顶进轴线和设计轴线经常发生偏差,因此要采取纠偏措施,减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值,使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时,通过调节纠偏千斤顶的伸缩量,使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。


  施工过程中,及时了解工具管的趋势对纠偏十分有利。如果轴线偏差较小,且趋势较好(沿设计方位),就可省去不必要的测量和纠偏,提供更多的顶进时间;如轴线偏差较小,但工具管前进趋势背离设计轴线方向,则要及时进行有效的纠偏,使工具管不致偏离较大。测量采用高精度的全站仪,激光经纬仪和水准仪。工具管内设有坡度板和光靶,坡度板用于读取工具管的坡度和转角,光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。


  图4-1、图4-3是根据施工过程的轴线偏差绘制的曲线,图4-2、图4-4是竣工后的轴线偏差曲线。


  


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图4-1施工过程轴线水平偏差曲线


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  图4-2竣工后轴线水平偏差曲线


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  图4-3施工过程轴线高程偏差曲线


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  图4-4竣工后轴线高程偏差曲线


  从图4可以看出,竣工后的测量结果与顶进过程中的测量数据基本上是吻合的,说明所采用的测量方法是合适的,测量精度能够满足施工的要求。


  4.纠旋转的技术措施


  正常排放管前300m(100节管书)的平直线段内,共布置了16只垂直顶升口,垂直顶升口对旋转有很高的要求,转角不得超过1°,否则就会影响垂直顶升的施工,因此,控制好前300m管道的旋转十分重要。


  为了减小管节之间的相互转动,在前300m范围内的管节的两端设置了止转装置。通过止转装置将前300m管道连接成一个整体,从而减小整段管道在顶进过程中的旋转。


  虽然安装了止转装置,但由于施工过程中管道受力不均衡,管道还是产生了比较大的转角,为此,施工时根据各垂直顶升口的转角大小,辅以一定数量的压重块纠正转角,这种方法效果很明显。顶进结束时,16只垂直顶升口的转角均控制在允许的范围内。


  5.水力机械化施工


  正常排放管的顶进距离为2060m,因此泥水系统的配置相当关键,根据本工程的特点布置了泥水系统。沉淀池利用工地原有的虾塘,进行必要的加深,留有足够的容量,筑坝分隔成清水池和泥浆池,并用φ300钢管连通泄水。在清水池旁设置2台5级泵,向管路供水,进水管路采用φ150无缝钢管、卡箍式活络接头,中继间处用橡胶波纹管过渡,以适应中继间之伸缩,满足顶管施工的工艺要求。


  实际施工时,前1500m是利用清水池旁2台并联的清水泵供水,1500m以后才用多级泵供水。这样配置的好处是节约了大量的能源,也降低了施工时的操作难度。


  排泥采用φ100无缝钢管、卡箍式活络接头,中继间处也采用橡胶波纹管过渡。废弃泥浆用管道泵串联水平输送,管道内每隔200m左右设置1台。工作井内设置1台大功率管道泵,担负泥浆的垂直输送。


  五、结语


  本次排海工程正常排放管一次顶进距离2060m,由于工具管选型得当,技术措施合理、施工中未用中继间接力顶进,轴线偏差符合规范要求。顶进只用了144天,取得了良好的社会效益及经济效益。


  减阻泥浆的成功运用,极大地减小了侧向摩阻力,为快速顶进和轴线控制创造了有利条件。


  中继间的布置是长距离顶进施工中的难点,布置多了会造成不必要的浪费,布置少了无法满足顶进需要。因此,长距离顶进时的中继间布置,在满足施工工艺的前提下,应充分考虑到施工时各种有利条件或不利条件的影响。通过本工程的施工,为更长距离或更大口径的顶管施工积累了经验。


 


                                                                                                                                            来源:建设工程教育网


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