长距离泥水平衡顶管施工工法_图文

1、长距离泥水平衡顶管施工工法(编号:SZJXGF28-2008完成单位:深圳市市政工程总公司主要完成人:李劲松、刘正雄、高俊合、黄锐文、陈德贵1.前言现代化城市的发展离不开市政管道的建设,越来越多的深埋设管道、过路管道、穿越建筑物的管道、旧城市政改造工程采用顶管施工技术,以减少拆迁的工程量,减少施工对交通的影响,减少施工对周围居民、行人的影响。顶管工程施工一般是将整个顶管工程分成若干段进行,在最佳施工条件下,普通顶管法的一次顶进长度为100米左右。但是在城市干管施工中,或管线需要穿越大型建筑群或河道时,普通顶管法的一次顶进长度就不足以顶完全程。因此,需要完善长距离顶管技术。长距离泥水平衡顶管施工

2、工法就是利用泥水平衡原理通过设置中继站、采取泥浆触变减阻等措施达到一次顶管顶进长度在200m以上。2.工法特点如下图所示: 其特点有:1采取全封闭式顶进,可有效的保持挖掘面的稳定,对管道周围的土体扰动小,能很好的控制地面沉降;2与其它类型顶管相比,泥水平衡顶管施工的总推力较小,适宜较长距离顶管;3工作井内的作业环境好,顶管自动控制,管内不用人员作业,安全性高;4由于采用泥水管道输送弃土,不存在吊土,搬运土方等容易发生危险的作业;5由于泥水输送弃土的作业连续进行,故其施工速度快,能有效保证工期。6污染小,噪音小,环保。采用泥水管道输送弃土,并经泥水处理系统处理后再进行弃土,环境污染小。7节约工时

3、,提高工效。8施工工艺简单,标准化、程序化,便于施工控制和管理。9顶进长度一次可达200m以上。10泥水加压平衡工具管与其他工具管相比,具有平衡效果好,结构紧凑,技术先进,由于出土方式是用水力机械化连续出土,所以顶进速度快,对土质的适应性强。无论是粘性土还是砂性土,均能收到良好的效果。3.适用范围1.各种土壤条件:能适用于地下水压力高、非坚硬的的地层条件,如砂质土、粘土等;不适合强风化岩、花岗岩的土层。2.管径:DN600DN3000。3.适用管材:钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管等常用顶管管材。4.工作原理泥水平衡式顶管机中,刀盘与主轴之间有一个偏心距e,而中心刀、刀排、切削刀头与主轴是同心

4、的。所以,假设刀头切削下来的强风化砂岩的颗粒较大,不会直接进入泥水仓,大颗粒的石块在破碎腔内被破碎成,比隔栅孔小的颗粒,才能通过隔栅进入泥水仓。这样,使排泥管不会被堵塞。利用水枪,将土层的强度降低,含水量增大,以利用旋转刀盘上的刀片将土层切割成为泥浆。泥水平衡顶管机施工以泥水平衡原理为基本,通过改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度来控制排土量,使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内,从而达到开挖面的稳定。通过在管壁外压注触变泥浆,形成一定厚度的泥浆套,使顶管在泥浆套中顶进,以减少阻力。中继间接力顶进,也就是在管道中间设置中继环,分段克服摩擦阻力,从而解决顶力不足的问题。中继间的千斤顶

5、组在高压油路的作用下,以其后管道为后座支承点,将其前段管道向前推进,采用这种方法,将管道分段逐次推进,从而实现长距离顶管。通过激光导向,计算机指导纠偏施工,确保顶进线路与高程准确。5.工艺流程与操作要点5.1长距离泥水平衡式顶管工艺流程: 5.2施工方案编制泥水平衡顶管施工前应编制详细的施工组织设计,其中施工方案应包括如下内容:重点是顶管机头选型及各类设备的规格、型号及数量重点是顶进方法的选用和顶管段单元长度的确定,中继段的划分与减阻措施,方向控制方案。重点是下管、挖土、运土或泥水排除的方法5.3平面布置测量出土管节在工作井两侧伸出长度500mm 注入触变泥浆减阻管道顶进前检查: 1、设备全部

6、试运转; 2、设备在轨道坡度高程; 3、洞口密封情况; 4、制定开封堵措施。室、仓库、配电间、冷作间等。布局要合理,环境整洁、卫生,并有专职人员进行管理。工作井井内布置主要是后靠背、导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯等。5.4工作井(接收井制作工作井可采用沉井法施工,如遇地下水较丰富,在沉井施工前可设置双排搅拌桩止水帷幕。工作井宽:W=D+(2.43.2mD:被顶进管子外径(m工作井长:L=L1+L2+L3+L4+L5L1:管子顶进后,尾端压在导轨上的最小长度,混凝土管一般取0.3mL2:每节管子的长度(mL3:出土工作间隙,根据出土工具确定,一般为1.01.5mL4:千斤顶长度L5:后背所

7、占工作井厚度1(*fw f s P G T K G =式中G1:需加荷载Ks:1.15T f : 沉井井壁外侧的总磨擦阻力P fw :地下水浮托力工作井(接收井采取两次浇筑成型的方式制作,即刃脚混凝土浇震憾这到一定强度后,再浇筑上部混凝土井壁,每次浇筑均须连续施工,不留施工缝。1.做好钢模板设计计算,确保沉井筒体大体积混凝土施工安全。2.脚手架搭设、钢筋笼制作安装、模板安装均应符合规范要求,特别应注意对拉螺栓定位准确与沉井平面位置准确。3.沉井下沉必须保持垂直,可根据地质状况采取不排水挖土下沉、钻吸排土法下沉和带水下沉等方法。4.沉井排土地下沉中,应加强观测,如下沉困难,及时采取措施。5.5洞

8、口密封止水出洞前,为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井,首先在管子顶进前方的坑内,浇注一道前止水墙,墙体可由级配较高的素混凝土构成,其宽度为2.05.0m,厚度约为0.30.5m,高度约为 1.54.5m。然后再在前止水墙的预留孔内安装橡胶止水圈。洞口止水圈的构造是由混凝土前止水墙、预埋螺栓、钢压环及橡胶圈组成。在顶进施工过程中又可防止减摩泥浆从此处流失,保证泥浆套的完整,以达到减少顶进阻力的效果。本工程顶管机出洞洞口外侧主要为砂质土、粘土,在封门拔除过程中土体易因其流塑性而发生坍方事故。应确保顶管快速、顺利出洞,防止洞口外侧土体涌入井内。5.6后靠墙在工作坑内,后坐墙是承受和

9、传递全部顶力的基础,必须具有足够的强度和刚度,并有足够的安全度。后靠墙内配14120双向钢筋,砼标号为C25,待砼强度达到设计强度的75%方可顶进。后背墙的受力分析 反力R应为总推力F的1.21.6倍,以确保安全。R=aB(H2K P/2+2cHK P+hHK P式中:R-总推力之反力(kn-系数(取1.5B-后座墙的宽度(m-土的容重(KN/m319KN/m3H-后座墙的高度(mK P-被动土压系数为tg2(450+/2(=400c-土的内聚力(取200kPah-地面到后座墙顶部土体的高度(m5.7顶力估算顶力计算是顶管的关键,依据我司研究的如计算式计算:F=F1十F2 (5.7式中F-总顶

10、力Fl-迎面阻力F2-顶进摩阻力Ko-静止土压力系数,一般取0.55Ho-地面至掘进机中心的厚度-土的湿重量,取1.9t/m3D-管外径式中:P-表示泥水舱管道基准面泥浆压力;Pw-表示相对于管道基准面地下水压力;P-表示泥水舱建立高于地下水压力,一般设为20Kpah-地下水位相对管底基准面水头高度粘土层中,由于基渗透系数极小,无论采用的是泥水还是清水,在较短时间内,都不会产生不良状况,这时在顶进过程中应考虑以土压力作为基础。在较硬的粘土中,土层相对稳定,这时,即使采用清水而不用泥水,也不会造成挖掘面失稳现象。然而,在较软的粘土中,泥水压力大于其主动土压力,从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。但

11、实际上,即使在静止土压力范围内,顶进停止时间过长,也会使挖掘面失稳,从而导致地面下陷。这时应适当提高泥水压力。式中:D管外径;f一管外表面平均综合摩阻力,一般为512KPa,采用触变泥浆减阻时可以取为8KPa。L顶距。5.8中继站设置估算中继站设置由总顶力决定,满足以下一个条件时应设置中继站:1.在总顶力大于主顶液压装置时;2.在总顶力管子允许的轴向力时;3.在总顶力大于以及沉井后座最大土抗力时。根据经验,在顶管管径D<1000mm时,应着重考虑管子的允许轴向力;而在D1000mm时,则应着重考虑后座最大土抗力。根据主顶液压装置,中继间的最大推力,管子允许的轴向力以及沉井后座最大土抗力以

12、后,可以确定控制顶力F控。按公式6-6,管道周边摩阻力F2=×D×L×f根据经验,在1号中继环以前,可取f=1.2t/m2,在1号中继环以后,取f=0.6t/m2 ,2号中继环以后,取f=0.4t/m21.1#中继环前长度2.其余各段分段长度为:在实际施工过程,应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。并根据计算结果,结合以往的施工经验,对中继间的位置作了适当调整,以尽量减少中继间的投入,并能确保顶进的顺利进行。5.9触变泥浆减阻泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆,是由膨润土、CMC(粉末化学浆糊、纯碱和水按一定比例配方组成。不同的土质,应采用不同的配方,

13、才能满足不同的需要。触变泥浆配比,根据不同土质和某些特定的需要通过试验确定。触变泥浆可按如下标准设置:减阻泥浆采用触变泥浆,该浆液性能稳定,且有良好的触变性,又有一定的稠度(浆液配比见下表。膨润土 水 纯碱 CMS100 600 3.5 1.5 膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间,听取供应商的建议但都必须按照规范进行,使用前必须先进行试验。一般性能见下表:膨润土 纯碱 掺加药剂 漏斗粘度视粘度CP失水量ml终应力比重 稳定性14% 5 Cms l19”221 12.6 80 1.048 00.0011.对砂性土,含水量高,渗透性强时,采用浆液的粘度要高,失水量要小,并对土层要起一定支承作用

14、。顶管出洞后管节周围能迅速形成泥浆环套。2.对粘性土,采用的浆液相对要小些。注浆主管采用50mm钢管,从泥浆站直通机头,主管沿线每间隔9m,设一个三通连接注浆支管,每条支管采用25mm橡胶管,沿顶管横断面弧形布置,支管上设34个三通,连接管壁上预留的注浆孔。顶管过程中,应专人控制、交替打开注浆孔阀门,不断地向管外壁注浆。机头尾端要紧随管道顶进同步压浆,后方各注浆点位必须跟踪补浆。1.储浆池内的触变泥浆由地面上的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆总管,并到达连通各压浆孔的软管内,通过控制压浆孔球阀来控制压浆。3.注浆量可视具体顶进过程中摩阻力变化而采取勤注调整。4.在地面压浆泵的出口处,装置压力表

15、,便于观察和调节、控制压浆的压力。在顶进距离长,一次压浆无法到位,需要接力输送。为此在管道内设置泥浆接力站,每隔200300m 设一站,解决了顶进时同步跟踪压浆和沿线补压浆的难点。顶进施工中,减阻泥浆的用量主要取决于管道周围的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45倍,但在施工中还要根据土质情况、顶进状况、地面沉降的要求等做适当的调整。5.10正常顶进正常顶进工艺流程见下图。注浆泵 注浆5.11关键技术1.机头配有主顶速度检测仪、顶管机本体倾斜仪等可对顶进速度、机头旋转、水平倾角自动进行测量,随时进行方向纠偏2.在顶进

16、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。3.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。4.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顶管工种:顶管机机械工兼测量工泥浆工 电工 电焊工 起重工 杂工 顶管管内管道:A 电缆管B 触变泥浆管C 进泥浆管D 出泥浆管E 信号线F 油管性。5.为了较好地解决测量用时问题,要尽可能减少测量接站数。工具管出洞后的轴线方向与姿态的正

17、确与否,对以后管节的顶进将起关键的作用。实现管节按顶进设计轴线顶进,做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制是关键,要认真对待,及时调节工具管纠偏千斤顶和中继间千斤顶,使其能持续控制在轴线范围内。要严格按实际情况和操作规程进行,勤出报表、勤纠偏,每次纠偏角度不得大于0.22°。即严格控制工具管大幅度纠偏造成顶进困难、管节剪切破裂。1.顶管引起地层形变的主要因素有:1工具管开挖面引起的地层损失,2工具管纠偏引起的地层损失3工具管后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面损失,管道在顶进中与地层摩擦而引起的地层扰动4管道接缝及中继间渗漏而引起的地层损失。2.在顶管施工中可采取如下措施:1及时调

18、整土压平衡值根据不同土质、覆土深度和地面沉降的情况,配合测量报表的分析,及时调整土压平衡值,同时要求坡度保持相对的平稳,控制纠偏量,减少对土体的扰动。2调整注浆压力和注浆量根据顶进速度,控制出土量和地层变形的信息数据,及时调整注浆压力和注浆量,从而将轴线和地层变形控制在最佳的状态。1.顶管机姿态的复核测量工具管进入接收井前需进行贯通测量复核,复核时应测量顶管机所处方位,用以确认顶管状态、评估工具管出洞时姿态,拟定工具管进洞的施工轴线,使工具管在此阶段的旌工中始终按预定的方案实施,以良好的姿态进洞,使其正确无误地进入接收井内。当工具管逐渐靠近洞口时,必须控制好顶进时的土压力,在工具管切口距接收井11.5m时,停止顶管顶进。并尽可能降低切口正面的土压力。2.顶管机出洞在接收井封门被破坏后工具管应迅速、连续顶进管节,尽快缩短工具管进洞时间。工具管整体进洞后应尽快把工具管和混凝土管节分离,并把管节和接收井的接头按设计要求进行处理,减少水土流失。