振动沉管人工扩底灌注桩

1、超长距离小口径顶管施工的控制方法及要点shajunqiang超长距离小口径顶管施工的控制方法及要点（江苏兴源电力建设监理有限公司口 沙俊强摘 要：本文以直径为 1400、一次顶进1125m的某顶管工程为例，针对施工过程中存在的问 题及采取的措施进行分析，希望通过这种分析，能为类似工程的施工提供借鉴和帮助。关键词：顶管施工土层阻力1、前言在顶管施工中，直径1400的钢管是进入顶管的最小直径，这种临界直径一直是 顶管施工的难点。1400的钢管内部，除了进泥管、排泥管、通风管及供电电缆、照 明等所占的空间外，留下作为通道的空间很小，在有中继间的地方空隙更小，给顶管操 作、维护等带来很大的不便，也带来

2、了很大的风险。目前国内这种管径的一次顶进距离 最大为760m左右。本工程一次顶进距离长达1125m,这是小口径进人顶管施工的一个 突破。2、工程概况本工程顶管为某大型煤电一体化电厂取水泵房的引水管，取水泵房紧临淮河大堤背水面，顶管从取水泵房处穿越淮河大堤、再斜向穿过一条淮河支流后伸入淮河内进行取 水。顶管为1400x 20mm、1400x 24mm两种规格的钢管，顶进距离为 1125m,管 道中心标高为10.50m 11.50m （淮河大堤顶标高为23.2m）。顶管路径上，淮河支流底 部处埋深为2m左右；其它区域埋深1116m,穿越、1、2三个土层。由于受到地方关系协调的影响，该顶管工程开工时

3、间为2007年11月份，比计划进 度推迟一年左右时间，而电厂主体工程将于次年6月投产。按水利部门的批文，汛期施 工会影响淮河大堤的安全，如果次年5月汛期前不能将水贯通，施工必须停止，到下一 个枯水季节方可施工，这样将导致电厂投产时间推迟半年以上，所造成的损失不堪设想。按正常的情况，如此长距离顶管，应该在中间设置接力工作井，以减少一次顶进的 长度，但如果设接力工作井，工作井只能设置在淮河的漫滩上，淮河水位升高时，工作 井、运输通道将被河水淹没，且涉及到租地协调问题；另外，增加接力工作井会使工期 大幅增加（增加工作井的支护、开挖、底板池壁施工、后墙加固及顶进设备安装等大量 工作），无法满足工程总体

4、要求，所以经过慎重比选，最终采用1125m 一次顶进的施工顶管施工于11月24日开始出洞，至次年5月22日管道贯通通水，顺利实现预定 的进度目标，确保电厂如期发电；且在整个施工过程未发生任何安全、质量事故，顶管 头部水平方向偏差为2.2cm，垂直方向偏差为5.1 cm,均大大高于规范标准。3、工程地质概况根据钻孔所揭露的地层特征、埋藏条件及物理力学性质指标，同时结合静力触探试 验成果，在勘探深度范围内将场地地基土划分为 8个主要工程地质层，其中顶管穿越的 、1、2 土层情况如下： 粉土：灰黄黄褐色，很湿，稍密，夹粉质粘土、粉砂，含氧化铁、云母。层顶 埋深3.30m （平均值，以下同），层厚6.

5、34m。沿引水管线分布。 1淤泥质粘土：深灰色，很湿湿，软塑可塑，夹粉土薄层，单层厚度 510cm 左右，局部夹粉细砂。该层局部相变为粉质粘土与粉土互层状或相变为粉土夹粉质粘土。层顶埋深10.04m，层厚5.00m。局部分布。2粉质粘土：深灰、灰绿、灰黄黄褐色，湿，可塑，夹粉土薄层，局部夹粉细 砂及硬砂层。层顶埋深9.25m，层厚7.25m。局部分布。4、工程特点及难点1）一次顶进距离长，达到1125m,这对主顶推力和后靠结构要求很高，系统很难满足要求，如何合理设置中继环和接力注浆系统极为重要，一旦设置不当，极易导致顶进失败。2）管径小，如前文所述，除了进泥管、排泥管、通风管及供电电缆、照明等

6、所占的空间外，管内空间仅为1m左右，不可能设置轨道，因此，所有交通、运输都是靠人 力，在这种条件下的施工难度是难以想象的，特别是在顶进距离超过600m之后，人员徒手进出都很困难，携带材料设备的难度更大。3）管道长细比过大，顶进时管道稳定性差。顶管的轴线控制和纠偏工作难度非常 大。4） 测量控制难度大。目前激光测量仪器有效发射距离只有500m。500m以上顶进 只能依靠测量人员到1400的管内转站测量，增加了测量难度和纠偏难度，影响顶进 速度。5） 地质情况复杂。根据地质勘查提供报告，顶管在淮河大堤及河滩下穿越2层 和层土，此类土层具有高压缩性，两个土层存在渗透性和固结速率的差异；另外，在 顶管

7、路径上，还存在硬砂层、古窑迹、姜结石等复杂土层。6）顶管斜向穿越淮河的一条支流，穿越处覆土厚度仅2m,如果采取措施不当，极 易造成顶管头部上浮，甚至穿透顶部，造成事故。5、施工方案的选择5.1工具头及中继环的选择、设置根据相关工程的施工经验，结合复杂的地质状况，确定顶管掘进机选型为1200遥控式泥水平衡顶管掘进机头。泥水平衡式顶管机是以在机械掘削式顶管前部的刀盘附 近安装隔板，形成泥水压力仓，将加压的泥水送入泥水压力仓，来保证开挖面的稳定， 同时将旋转刀盘切削下来的泥砂以泥水形式输送到地面为特征的顶管工法。1200遥控式泥水平衡顶管掘进机，前方筒由两段组成，后方筒为设备动力与控制段，总长度 4

8、.5m，其后为两节活络管，管段与管段，管段与工具头尾部均采用高强螺栓连接。操纵 系统由可编程序控制，在地面控制台遥控操纵。该机型对稳定土体、控制地表隆沉量以 及对恶劣地质条件有较好效果（见图1）。图1:顶管施工设备与工艺图顶管主顶系统由4根推力为200kn、行程为3.5m的双级等推力油缸与可调速的液 压泵站组成。由于本工程一次顶进距离长达1125m，仅靠主顶装置是无法完成顶进工作的， 拟采 用中继环进行接力顶进。根据工程地质情况，经计算，共需设置6只中继环。根据类似 工程的经验，一般靠近工具头的中继环启动难度及不确定性最大， 因此6只中继环设置 间距逐渐变大，分别位于工具头尾部后 30m、18

9、0m、360m、540m、720m、900m处， 中继环采用500 kn油缸10只，总顶力为5000 kn。1、计算、校核过程如下：1）工具头摩阻力及全管阻力计算工具头正面摩阻力：f 正=n d2 /4x 升=n 1.4482 /4x 500 kn = 822.96 kn工具头管外壁摩阻力：f 头=l 头 x d x n x f2= 4.5x 1.448x 3.14x 20= 395.56 kn钢管外壁采用触变泥浆减阻后与土层摩阻力：f 管=l 管 x d x n x f3= 1125x 1.448x 3.14x 6 = 30690.36 knf 总=31908.88 kn式中：f正：工具头正

10、面阻力knf头：工具头管外壁与土摩阻力 knf管：钢管管外壁与土摩阻力 knd:钢管外径1.448ml头：工具头长度4.5ml管：钢管长度 1125 mf1：工具头管正面与土层摩阻力，取值 50 t0kn/m22 2 f2：工具头管外壁与土层摩阻力，粉质粘土 1525 kn / m，取值20 kn / m f3：钢管外壁采用注触变泥浆后与土层摩阻力，取值6 kn / m2f总：钢管外壁与土层间总阻力。2）中继环顶力计算：#1中继环设置在工具头后30m。f1 = 30x 1.448x 3.14x 6= 818.41 kn#2中继环设置在#1中继环后150m。f2= 150x 1.448x 3.1

11、4x 6 = 4092.05 kn#3 #6中继环间隔180m依次设置：f3 （ f4、f5、f6）= 180x 1.448x 3.14x 6 = 4910.49 kn3）顶力情况分析 第一个中继环启动时，包括头部阻力，总阻力为：822.96+395.56+818.41=2036.93 t三5000kn，满足要求。考虑到不确定性，预留较多的余量。 #2#6中继环阻力f2 f6均小于5000kn，满足要求。 #6中继环后尚余225m钢管，需顶力6138.07kn,此顶力由后座主顶油泵8000kn 承受，满足要求。 设备总顶力为 2000x 4+5000x 6=38000kn > 31908

12、.88 kn （ f 总）。经以上计算分析，总体设计方案可行。5.2触变泥浆系统的选择使用触变泥浆是长距离顶管减少摩擦力的重要技术措施。合理使用触变泥浆，还可以保持土体稳定，减少地面沉降等作用。本工程采用机头压浆和全管段补浆相结合的方式，边顶进边压浆，顶进和压浆同时进行。在机头尾部环向均匀地布置了4只压浆孔,顶进时及时进行压浆。机头后的3节钢管管节上均设置压浆孔，以后每隔2个管节设置 1个压浆孔。管节上环向设4只压浆孔，呈90°交叉布置。压浆总管用 50mm镀锌管, 除机头及随后的3节钢管节外，压浆总管上每隔6m装一只三通，再用压浆软管接至压2、图 3）。浆孔处，压浆孔内设装单向阀，

13、以避免注浆孔堵塞（见图.ui廿1t1in11iii tomi口t, , i 一m-:!i 探:第6页共9页超长距离小口径顶管施工的控制方法及要点shajunqiang第#页共9页超长距离小口径顶管施工的控制方法及要点shajunqiang图2:泥浆处理及输送系统图第#页共9页超长距离小口径顶管施工的控制方法及要点shajunqiang图3:补浆系统图6、施工过程容易出现的问题及应对措施长距离顶管要解决的最大问题是克服顶进过程中的阻力问题，而顶力控制的关键是轴线、注浆系统及停顿时间的控制。另外，应详细了解顶管路径上的地质情况，并制订 可靠的应对措施。6.1轴线控制施工误差引起的管道轴线弯曲是影响

14、土体与管壁产生摩阻力大小的主要因素，管道轴线弯曲，可使摩阻力成倍增长。施工时应严格控制轴线波动的幅度，纠编时应控制轴 线平滑过渡，尤其要控制好出洞后的前 100m的轴线，坚持“勤测、勤纠、缓纠”的原 则。施工过程中，及时了解机头的趋势对纠偏十分有利。 可以通过顶进趋势测定装置来 指导纠偏。施工过程应确保出泥量和顶进速度相匹配，也就是泥水平衡要控制好，这样对顶力和轴线控制都有利。6.2注浆系统的控制顶进时，机头尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。补压浆的次数及 压浆量需根据施工时的具体情况确定。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3只压 浆接力站，分别负责

15、机头至200m、200m至600m及600m以后压浆，井上安排一套bw 压浆泵负责向管内蓄浆池送浆，压浆时注意观察和控制浆泵的压力。 减摩泥浆采用触变 泥浆，该泥浆性能稳定，具有良好的触变性，又有一定的稠度（浆液配比见表1）。施工中，泥浆应保持不失水，不沉淀，不固结。其配比应根据不同的地质情况作出相应的 调整，使泥浆适应不同的土质特性，起到预期的减摩效果。为了减少摩阻力和填充管外 壁的间隙，压浆必须坚持“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则。压浆时，储浆池内的触变泥浆由地面的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆总管，并达到各压浆孔的软管内，只要压浆孔处的球阀打开，即可向管壁外压浆表1 ：压浆配比（

16、重量比）材料各称膨润土cmc纯碱水重量4002.568506.3停顿时间的控制顶管过了 800m之后，管壁摩阻力、顶进的方向控制都非常困难。如果顶管机停顿， 则恢复顶进时的阻力大幅增加，停顿时间超过 12小时，则阻力几乎增加一半以上，所 以要严格控制停顿时间。引起顶进停顿主要有以下几个方面原因：1）设备出现故障时，维修时间过长。由于设备长时间高负荷工作，因此出现故障 机率较多，一旦不能及时维修，顶进的长时间停顿，将导致启动困难。施工中，我们主 要采取以下措施对设备进行管理：一是加强平时对设备的主动养护，不要出现问题再来 处理；二是配备足够数量的备品备件，以便及时对损坏部件进行更换， 避免维修时

17、间过 长。2）测量时间过长。如前文所述，目前激光发射仪器测量的有效距离只有 500m。500m 以上顶进只能依靠测量人员到管内转站测定轴线的偏移量， 由于顶管管径小（测量操作 困难）、线路长、管内雾汽大，导致测量时间过长、测量数据不可靠。在顶管顶进到810m 时，曾出现过测量一次耗时3个小时，且两次测量结果截然相反（一次偏左、一次偏右） 的情况。控制人员不知道如何操作，只好进行第三次测量，总停顿时间达到 8个小时， 再启动时非常困难。为了尽快改善这种状况，主要采取两种措施：一是加强管内通风，将原方案中两根 50mm压缩空气管中的一根改用100mm消防软管代替，通风量大幅增加，可以很快排 除管内

18、水汽、焊接产生的烟气，确保测量的准确和速度；同时顶进过程中，消防管的加 长、连接非常方便。二是改进测量方法，从前期测量成果来看，垂直方向偏差较少且较 稳定，水平方向偏移较大，为了节约时间，测量的重点控制水平方向的偏移，这样可以 适当减少测量的工程量，减少测量时间。采取上述措施后，测量速度和精确度大幅增加， 保证了顶进的正常进行。6.4针对特殊土层采取的措施根据勘测资料，顶管局部地段为硬砂层，为了降低顶管阻力，在顶管穿越该土层时， 采取35mpa高压水旋喷的方式，来破坏轴线上、下 60cm范围内砂层以降低阻力。在工具头进入237.6m处硬砂层时，顶进压力升至 25mpa,电流达32kw，排出泥

19、浆主要为粉细砂和少量粘土，这时开始采取旋喷措施，但旋喷后顶进压力反而升至 35mpa40mpa,电流达到35kw，顶力达到极限。后经研究分析，主要是旋喷过早， 顶管不能及时跟随顶进，旋喷打碎的砂层重新沉积，阻力反而加大。于是调整方案，采 取旋喷与注浆同步实施，严格控制旋喷与顶管头部的距离和旋喷时间，经过调整，顶力降至正常范围内，顺利穿过约 46m的硬砂层，取得了预期的效果。6.5对土层中可能产生的可燃性气体（瓦斯）及杂物的处理方案施工前，考虑到顶管位于淮河河滩范围内，淮河经过千百年的泛滥、沉淀，地层中 可能埋有大量的有机物及各种杂物。有机物的存在可能产生可燃性气体（瓦斯），杂物的存在可能增加阻力或影响排泥系统的正常排泥。为了确保施工安全，在加强管内通风的同时，专门购置了多台便携式可燃气体监测 仪，施工人员在每次进入管道作业前，必须携带监测仪器进行测试，特别是在管道加固 等焊接（动火）作业前，严格控制瓦斯浓度。尽管采取了上述措施，但在顶管至835m附近时，由于工人没有严格按执行“先测瓦斯浓度再作业”的要求，工人在对管节进行 焊接加固时，产生火球，所幸未造成火灾事故；在835m后，又出现多次瓦斯超标情况， 但由于监测到位，及时采取加强通风等措施，均未再发生安全险情。顶管在穿过淮河漫滩的冲填区时，遇到大量