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(南京东部路桥工程有限公司,江苏南京210000)
摘 要:近年来随着城市经济的飞速发展,城市建成区、规划建设区规模的不断扩大,做为城市基础设施之一的市政配套管道设施的建设在不断完善、不断发展;并且随着国家对建设项目环保要求的提高和人民群众环保意识的增强,对城市市政配套管道设施建设中技术性、环保性、安全性、经济性的要求日益提高.顶管技术是一项用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术.优点在于不影响周围环境或者影响较小,施工场地小,噪音小,而且能够深入地下作业.但是顶管技术也有缺点,施工时间较长,工程造价高等.本文就在顶管施工过程中以泥水平衡法对技术控制的要素谈点粗浅的意见.
关键词:顶管工程;技术控制;工程造价
中图分类号:F530.63文献标识码:A
文章编号:1000176X(2013)05009004
一、顶管技术的发展历史
顶管法施工是继盾构施工之后发展起来的地下管道施工方法,最早于1896年美国北太平洋铁路铺设工程中应用,已有百年历史.20世纪60年代在世界各国推广应用,近20年日本研究开发土压平衡、水压平衡顶管机等先进顶管机头和工法.顶进速度最快美国1980年9.5小时顶进49m.顶进距离最长,国外首次一次最大顶进距离1 200m.1970年德国汉堡下水道混凝土顶管直径为2.6m. 国内创造混凝土顶管世界记录——一次最大顶进距离为2 050m.2001浙江嘉兴污水顶管钢筋砼管直径2m,国内创造钢管顶管世界记录——一次最大顶进距离为1743m.1997年上海黄浦江上游引水工程的长桥支线顶管钢管直径3.5m,中国从50年代从北京、上海开始试用.1986年上海穿越黄浦江输水钢质管道应用计算机控制激光导向等先进技术,单向顶进距离1 120m顶进轴线精度左右±150mm、上下±50mm.1981年浙江镇海穿越甬江管道直径2.6m,单向顶进581m,采用5只中继环,上下左右偏差10mm.
国内顶管施工从最初几十米发展到现在的两千多米,一次顶进距离大于一千米的很常见.顶管的种类大致可分为土压平衡、气压平衡、泥水平衡等.
二、顶管的设备组成
顶进设备、掘进机(工具管)、中继环、工程管和排土设备等五部分组成.
1.顶进设备:主顶进系统——主油缸:2—8只,行程1~1.5m,顶力300~1 000t/只,
单只千斤顶顶力不能过大:千斤顶、管段、后座材料.主油泵:32-45-50MPa,操纵台、高压油管.顶铁:弥补油缸行程不足,厚度﹤油缸行程导轨:顶管导向中继间——中继油缸、中继油泵或主油泵.
2.掘进机:按挖土方式和平衡土体方式不同分为:手工挖土掘进机、挤压掘进机、气压平衡掘进机、泥水平衡掘进机、土压平衡掘进机.工具管——无刀盘的泥水平衡顶管机又称为工具管,是顶管关键设备,安装在管道最前端,外形与管道相似,结构为为三段双铰管.作用:破土、定向、纠偏、防止塌方、出泥等功能.组成:冲泥仓(前)、操作室(中)、控制室(后)设水平铰链和上下纠偏油缸,调上下方向(即坡度);设垂直铰链和水平纠偏油缸,调左右方向(水平曲线).泥浆环、控制室、左右调节油缸、上下调节油缸、操作室、吸泥管、冲泥仓、栅 格、工具管结构.
3.起吊装置
4.导轨、后背
5.测量系统
6.注浆系统
7.工程管:管道主体一般为圆形,直径多为1.5—3m.长度2—4m.国内管道材料类型:
钢筋砼管:C50以上,应用最多,用于短距下水道中;钢 管:列应用第二位,用于自来水、煤气、天然气等长距离顶管;钢管、钢筋砼复合管:外钢内砼,用于超长距顶进;钢管、塑料复合管:外钢内塑,用于强酸性液体及高纯水输送.
8.排土设备:人工出土——人工挖土时.螺旋输送机——土压平衡顶管机.吸泥排泥设备——泥水平衡、泥水加气平衡顶管机.
一、顶管施工的常见问题及技术关键
(一)顶管施工的前期准备及注意事项
调查施工现场地上、地下管线分布具体情况;生活区临设搭建及临时用水源、电源铺设或架设;现场施工测量准备工作完成;施工主要材料设备进场,项目部技术、管理人员、施工人员进驻工地;项目部组织学习施工图纸,进行图纸设计施工交底,监理、监督交底等;组织编写施工组织设计和专项方案,并报上级部门审批;现场封闭围挡,进行施工组织设计交底工作,进入基坑开挖状态.顶进过程中,应严格控制顶力在允许的范围内,并留有足够的安全系数.作好地质勘察及资料整理工作,认真编制好施工方案和通过不同土层的技术措施及纠偏措施,确保管道的顺利顶进.加强操作控制,使顶管均匀平稳,受力均匀,尽可能减少顶进过程中的倾斜、偏移、扭转,防止管壁出现裂缝、变形.
(二) 顶管施工技术关键
1.顶力问题
增加中继环和泥浆润滑,中继环间距20—200m,越靠近工具管间距越小;泥浆作用是润滑和减沉.泥浆材料采用膨润土泥浆,稳定、失水少.注入孔设置为轴向——工具管相邻3—4节为有孔管,之后每隔2—5节设有孔管.环向——周圈均匀设3—4个压浆孔.压浆原则是先压后顶,随顶随压,及时补浆.
2.方向控制
包括计算机控制、激光导向和三段双铰管.
3.正面土体控制
包括局部加压(冲泥仓)、泥水平衡和土压平衡顶管机应用.
顶管设备:千斤顶1 000t,行程200mm,一般两只.油管,15KW电动泵,千斤顶500t,行程200mm,一般两只.
二、顶管前期沉井及施工过程中的问题控制要点
(一)沉井下沉的标高控制
1.沉井的作业顺序安排
下沉准备工作→设置垂直运输机械设备→挖土下沉→井内外排水、降水→边下沉边观测→纠偏措施→沉至设计标高→核对标高、观测沉降稳定情况→封底→底板钢筋施工与隐蔽工程验收→底板混凝土浇筑→砖砌井壁→回填土.
2.沉井下沉的主要方法和措施
(1)沉井制作完成后,其混凝土强度必须达到设计强度等级的100%后方可进行刃脚垫架拆除和下沉的准备工作.
(2)井内挖土应根据沉井中心划分工作面,挖土应分层、均匀并对称地进行.挖土要点是:先从沉井中间开始逐渐挖向四周,每层挖土厚度为0.3m,沿刃脚周围保留0.5—1.5m的土堤,然后再沿沉井井壁每2—3m一段向刃脚方向逐层全面、对称并均匀地削薄土层,每次削5—10cm,当土层经不住刃脚的挤压而破裂时,沉井便在自重的作用下挤土下沉.
(3)井内挖出的土方应及时外运,不得堆放在沉井旁,以免造成沉井偏斜或位移.如确实需要在场内堆土,堆土地点应设在沉井下沉深度2倍以外的地方.
(4)沉井下沉过程中,应安排专人进行测量观察.沉降观测每8小时至少2次,刃脚标高和位移观测每台班至少1次.当沉井每次下沉稳定后应进行高差和中心位移测量.每次观测数据均需如实记录,并按一定表式填写,以便进行数据分析和资料管理.
(5)沉井时,如发现有异常情况,应及时分析研究,采取有效的对策措施:如摩阻力过大,应采取减阻措施,使沉井连续下沉,避免停歇时间过长;如遇到突沉或下沉过快情况,应采取停挖或井壁周边多留土等止沉措施.
(6)在沉井下沉过程中,如井壁外侧土体发生塌陷,应及时采取回填措施,以减少下沉时四周土体开裂、塌陷对周围环境造成的不利影响.
(7)为了减少沉井下沉时摩阻力和方便以后的清淤工作,在沉井外壁宜采用随下沉随回填砂的方法.
(8)沉井开始下沉至5m以内的深度时,要特别注意保持沉井的水平与垂直度,否则在继续下沉时容易发生倾斜、偏移等问题,而且纠偏也较为困难.
(9)沉井下沉近设计标高时,井内土体的每层开挖深度应小于30cm或更薄些,以避免沉井发生倾斜.沉井下沉至离设计底标高10cm左右时应停止挖土,让沉井依靠自重下沉到位.
3.井内挖土和土方吊运方法
沉井内的分层挖土和土方吊运采用人工和机械相配合的方法.根据本工程的沉井施工特点,在沉井上口边配备一台5吨的W-1001履带式起重机(也即抓斗挖机),负责机械开挖井内中间部分的土方和将井内土方吊运至地面装车外运.井内靠周边的土方以人工开挖、扦铲为主,以此严格控制每层土的开挖厚度,防止超挖.井内土体如较为干燥,可增配一台小型(0.25m3)液压反铲挖掘机,在井内进行机械开挖,达到减少劳动力和提高工效的目的.
井内土方挖运实行人机同时作业,必须加强对井下操作工人的安全教育和培训,强化工人的安全意识,并落实安全防护措施,以防止事故发生.
(二) 顶管施工过程中的问题控制
1.出洞磕头
通常来说,顶进的管道比重总是比土低,但顶管机相对来说比较重,其重心又比较靠前,如果机头从工作井导轨上顶出后,悬臂段过长,土体支撑力不够,就会发生磕头现象,特别是在砂性土层中容易发生.
沉井施工动画演示:第18讲:沉井施工
(1)原因分析
一是工作井外的土体受到扰动后变得松软,使得土体支撑力不够.二是在遇到软硬程度完全不同的两层土质时,顶管机很容易偏向软的土层.
(2)防治措施
一是顶管出洞时,将顶力中心降低,使得顶管机的受力方向向上倾斜,避免顶管机的磕头.
二是将前部管子同机头连接成整体.
三是对洞口外土体进行加固处理,使土体具有自立性、隔水性和一定的强度,防止磕头现象.对于砂性土质,应当在工作井洞口区重点做好降水加固土体.
2.轴线失控
轴线失控主要是由于机头周围土体的特性不均匀,对行进中的机头产生的力矩不平衡,从而使机头产生某一方向的偏差.如果土体的差别过大,力矩不平衡严重,提供的纠偏力矩不足以抵消相反方向的力矩时,机头就会沿着已形成的轨道偏下去.
(1)原因分析
一是由于测量仪器误差过大所引起的.
二是由于顶管机的开挖面不稳定、水土压力不平衡所致.
三是顶管机纠偏液压系统工作不可靠或者发生故障.
(2)防治措施
一是严格执行测量放样复核制度,测量仪器必须保持完好,必须定期进行计时校正.
二是施工前对顶管机进行认真的保养和修理,无故障投入施工.
三是施工过程中严格控制开挖面的水土压力,稳定开挖面.
四是对不良地质,施工前做好土体改良的施工辅助技术措施.
3.管节破裂
顶进就位的管节发生开裂,会影响管道的闭水功能和管道的整体强度,在顶管过程中,须严防发生.
(1)原因分析
一是钢管接口的焊接质量不合格,尤其是焊缝位于钢管的底部,又有导轨等挡着,焊缝不饱满,这非常危险.如果在焊缝处产生弯折,焊缝就很容易产生破坏.二是管道顶进后期,由于管道的中心或高程误差的存在,使管道摩阻力增大,如不能及时调整顶进误差,使摩阻力接近极限顶力,管节会因顶力达到极限而压裂.
(2)防治措施
一是检查钢管接口处的焊接质量,焊接坡口是否标准,焊缝是否焊透.
二是采用触变泥浆降低顶进阻力.
三是管道顶进中坚持“先挖后顶”和“随挖随顶”的原则.
四是顶进过程中认真控制好方向,纠偏不要大起大落.
五是管节已被破坏,应当更换新管.
4.顶力过大
顶力过大是指顶力超过了顶管的控制顶力.
(1)原因分析
一是土质的突变如沿线遇到障碍物,会造成迎面阻力的急剧上升.
二是在偶然情况下,如果管线偏轴线幅度太大,或轴线失控,导致受力不均,也会使顶力增大.
三是泥浆套破坏,如果机头泥浆套没能良好地形成,以致沿线的摩阻力不正常地增加,可能导致顶力过大.
(2)防治措施
一是施工前要做好详细的地质调查,避免暗桩等因素.
二是避免泥浆套破坏.
三是顶力一旦过大,应立即停止作业,否则可能导致管节破裂等恶性事故.
四是如果机头遇到障碍物,经判断,刀盘可以磨掉的,比如木村、水泥之类,就让刀盘将它慢慢地磨掉,并缓慢地推进油缸.如果不可以磨掉,比如钢筋、钢板桩之类,只能开挖取出.
5.沉降过大
严格地讲,在顶管施工过程中,地面沉降是不可避免的.但是,不同的施工方法,会有不同的沉降结果.同一工法,由于土质、覆土深度和管道直径不同,也有不同的沉降.
(1)原因分析
一是超挖,如果机头开挖面沉降,基本是由于顶速相对过慢,导致超挖,迎面土压力小于主动土压力,开挖面土体坍塌造成沉降.
二是如果是机尾土体沉降,一方面由于机头纠偏量过大,其轴线与管道轴线形成了一个夹角,在顶进中机头的开挖坑道成为椭圆形,此椭圆面积与管道外圆之差值,即为机头纠偏引起的地层损失,纠偏量越大,土体沉降也越大;另一方面是机尾的注浆不及时.周围土体挤入环形空隙中,也会导致机尾地层损失而产生沉降.
(2)防治措施
一是针对具体沉降测点的位置进行分析,控制好出土量,做到不超挖.
二是同步注浆,控制好注浆压力.每节管开顶时,要检查注浆情况,确保管节浆液与机尾浆液通畅,形成完整泥浆套.发现机尾缺浆,要及时补浆.
三是顶完全程后,用充填浆将润滑浆完全置换出来.
四是如果沿线不断沉降,就说明浆套已损坏,应立即进行修补.
6.机头旋转过大
在顶进过程中,机头会发生旋转.机头发生旋转会带动其的管节旋转,在顶进过程中必须时刻注意机头的偏转情况,不让其偏转大于5°.机头偏转较大时不仅不容易纠正,而且偏转会越来越大,给操作、测量、纠偏以及排土都带来不利的影响.
(1)原因分析
一是机头进洞时,由于机头与导轨之间的摩阻力较小,难以平衡刀盘切入土体时的反力矩,机头产生旋转.出洞后,虽然机头后有管节,但是有时还不能平衡反力矩,还会带着管节一起旋转.
二是主顶油缸安装不平行同样会使管节产生旋转.
三是纠偏过大,特别是在轴线两侧来回摆动.
(2)防治措施
一是配重压回.在顶管机内需纠正的一侧加上一些配重,以平衡顶管机的布置不均衡.加了配重以后,顶管机的重量增加了,要注意防止顶管机偏低的走向趋势.
二是用刀盘的转向来纠正顶管机的旋转,正确的方法是从顶管机后方看,如果顶管机产生顺时针方向的转动,那么刀盘也必须向顺时针方向旋转.反之亦然.通常能将顶管机的旋转纠正过来.
三是尽量提高土仓内的压力而使刀盘的转矩增大,也可暂时关掉排泥水泵再慢慢顶进,目的也是提高刀盘的转矩.还要注意土仓的压力,不能超过顶管机所能允许的最高土压力.
四是在顶管机刀盘部分注浆,以增大土的强度,从而增加刀盘的转矩.注浆以后需待浆固化后再启动刀盘.
五是停止造成轴线往复摆动的错误的纠偏方法.
(三)沉降控制
地下工程的施工不可避免会扰动地层,产生压力重新分布,引起地层变形.变形传至地面,产生沉降现象,对地上的古树产生不利影响.顶管掘进过程中应尽量保证顶管的最佳推进状态,具体控制措施如下:
1.控制开挖面土的压力
保持开挖面土的压力平衡可以减少开挖面土体的坍塌、变形和土体损失,控制开挖面土压力可以控制地表隆陷.以泥水压力来平衡地下水压力和土压力,为了稳定开挖面,泥水压力Pm按下式进行设定:
Pm等于Pw+Pp(1)
式中Pm表示泥水压,Pw表示地下水压,Pp表示预压,按经验取0.01—0.02Mpa.
2.控制推进速度
速度的选取是为了保证土体不被过量挤压,因为过量的挤压必定会增加地层的扰动.如果推进速度过快,泥水仓内土体来不及排除,会造成土的压力失稳.
3.管外壁完整泥浆套的建立
完整泥浆套的建立可以避免管外壁产生背土现象,从而有效控制地面沉降的发生.在顶进过程中在机头尾部及后续管节上安三个断面,对管道背面的环形空隙的处理办法是进行同步注浆和补浆.注浆压力控制在主动土压力与被动土压力之间,补浆根据地面沉降的监测结果进行,注浆量要大于管道外径空隙体积的2.5倍以上,松软土质、机头纠偏时,注浆量相应增加.
4.及时纠偏
顶管在顶进过程中,因各种因素的存在,必然会使顶管的姿态发生变化.及时解决顶管发生的偏移、偏转达和俯仰等偏向问题能有效控制地面沉降.需要注意一次纠偏量不能过大,否则可能造成超挖,影响周围土体的稳定,要做到勤测勤纠.当管道偏差>5mm时,需进行纠偏.
五、结束语
在城市高速发展的过程中,顶管施工是管道施工的一个重要方法.总之,顶管技术是一门综合性的技术,顶管施工随着管道建设的发展已越来越普及,应用领域也越来越宽,相信顶管施工会在实践中不断完善.
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(责任编辑:巴红静)
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