浅析某来水厂顶管及取水头安装施工控制措施

浅析某来水厂顶管及取水头安装施工控制措施摘要自来水厂取水与我们生活息息相关，对于长江中游城市武汉来说，本工程是目前武汉经济技术开发区唯一的自吸式取水项目。工程位于长江左岸，由于该工程处于地质比较复杂的区域，因此施工过程中难度比较大。2、关键词取水头、钢管桩、蘑菇罩、沉管、泥水平衡、顶进阻力、摩擦力、触变泥浆、挤压阻力3、工程概况某自来水厂取水工程近期设计规模9万m3/d，其中顶管工程利用取水泵房作为工作井，向长江内顶进双排DN1220*14钢管，单根顶进长度90米，合计180米。取水头安装包含DN600钢管桩6根，钢筋混凝土预制梁3道，取水头蘑菇罩2个。4、物资投入主要物资需求表主要施工机械设备进场计划5、顶管施工取水管道顶管自取水泵房至长江边，共计两趟DN1200钢管顶管，顶管长度单趟90m，共计180m，沉管长度20m。直接利用取水泵房作为顶管工作井。根据现场情况，本工程顶管采用泥水平衡顶管掘进机进行顶管施工。5.1顶力计算顶管施工技术顶力计算是一项很重要的工作，它是正确选用施工机具确定后背加固方案、施工进度的依据。根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268－2008），结合实际经验，顶进阻力计算可以按下列经验公式进行计算。其中：——顶力（kN）；——管道的外径（m）；——管道设计顶进长度（m）；——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2），通过试验确定；根据岩土工程勘察报告，顶管管壁与土单位面积的摩阻力为15-20kN/m2，采用触变泥浆为7kN/m2；——工具管的迎面阻力（kN）；不同类型工具管的迎面阻力可参照表5.1－2算。采用触变泥浆的管外壁单位面积平均摩擦阻力fk（kN/m2）表4.1-1注：1、－顶管机外径，工具管刃脚壁厚取0.02m，d1200顶管机外径1.24m。2、－挤压阻力（kN/m2），根据规范取400kN/m2；3、，为土的重度（KN/m3），查地质报告土的重度为18.6KN/m3；为管顶覆土高度（m）。根据计算可得DN1200钢管顶力：=1491.5KN5.2、顶管钢管从取水泵房向长江顶进，顶进至设计长度后，工作船挖开掘进机头覆土，潜水员水下切割顶管机，用大型驳船吊吊出水面。（1）泥水平衡顶管施工工艺原理顶管施工工艺原理图如下图示。图1顶管施工工艺原理示意图1-切削刀盘；2-破碎室；3-碎石空间；4-主轴承；5-传动装置；6-驱动电机；7-排泥管道；8-压力墙门；9-供应管道；10-盾尾密封；11-导向油缸；12-目标靶；13-伸缩油缸；14-旁路装置；15-支腿；16-支腿油缸；17-压力墙；18-人员舱；19-舱内座位；20-舱门图2顶管掘进机构造详图图3顶管施工平面示意图②工艺流程顶管施工工艺过程分为顶进设备安装和顶进施工两大部分。顶进设备安装流程见下图。③顶进设备安装a、基坑导轨安装基坑导轨是安装在工作坑内为管道出洞时提供一个基准的设备。导轨采用HM350×250H型钢制加工，导轨面上设有滑块支撑管道，滑块与管道之间设10mm厚橡胶板。顶进时滑块在轨道上滑动，钢管与管道不直接接触以保护管道表面不被磨损。为了预防顶管机进入土体时下沉，安装导轨时，导轨前端须抬高，抛高量20mm。导轨高程安装允许偏差为0～+3mm，导线中线安装允许偏差为±3mm。导轨底部用预埋螺栓固定在工作井底板上，安装调整完毕后导轨下用混凝土进行填充。b、顶进后座钢靠背安装钢靠背是安装在工作井后座墙与主千斤顶之间的钢结构件。它的作用是把主千斤顶产生的集中在几个点上的巨大推力的反作用力，均匀地分布到工作井的后座墙上。钢靠背必须有足够的刚度，它采用钢板和型钢焊接成整体结构。钢靠背外形尺寸为3m×2.2m×0.3m，作用面积6.6m2。用起重机将钢靠背吊到工作井后背处，并用经纬仪和线坠配合，使钢靠背平面与顶进轴线垂直，并用φ16钢筋与井壁预埋件焊接固定。钢靠背距工作井井壁300mm。钢靠背安装好后，用模板补齐靠背两侧的空隙，插入钢筋网片，浇筑C20后背混凝土。c、安装主千斤顶支架、安装操作台、油泵及千斤顶1）主顶设备包括组合千斤顶架、主顶油缸4只、油泵站及管阀、环形顶铁、U型顶铁。2）每只主千斤顶最大推力300t，最大行程1750mm。安装后的4台主千斤顶合力中心线比管道设计轴线低200mm。3）主顶泵站设置在两组主顶千斤顶中间，用高压橡胶软管连接至主千斤顶，检查接头不得有渗漏现象。4）油泵的最大工作压力不大于32MPa，检查安全阀和压力表等指示保护装置，安装完毕后必须进行试车，在顶进中应定时检查维护。5）环形顶铁外径与管道直径一致，宽度300mm。U形顶铁宽度1500mm，每组4个，两组共8个。顶铁外形大小一致，可以相互通用，要求刚度大，受力后不变形，相邻面垂直，排列不扭曲，不脱焊，与导轨的接触面必须平整。d、顶管机的安装调试1）顶管机整机重约16t，由起重机吊装入井。2）起吊前将钢丝绳试放到井内，确保钢丝绳够长度。起吊中应使用专用吊具，保证平稳、缓慢、严禁冲击、碰撞，并由专人指挥。3）在工作井内用连接丝杆将顶管机两段壳体拉拢，组装顶管机。4）顶管机安放在导轨上后，测定前后端的中心方向偏差和相对高差，做好记录，如符合顶进要求，应据此调整掘进机内的倾斜仪。掘进机壳体与各滑块应接触密实，滑块受力均匀。5）对掘进机的电路、水路、油路、泥水管路和操纵设备进行逐一连接，各部件连接牢固，无跑、冒、滴、漏现象，对各部分分别调试并进行全面的试运行。④、进洞口技术措施a、安装洞口止水圈顶管过程中，管子从工作井出洞时，管道外壁与洞口之间预留一定的间隙。如果该间隙未能够采取有效的密封措施，地下水和泥砂就会从该间隙中流到工作井中。处理措施不得当势必会造成事故，因此必须有可靠的技术措施。b、洞口止水圈的设计由于管道埋深较大，并顶至长江，顶进距离较长，为达到防止江水、触变泥浆沿顶管外侧压入泵房内，顶进时洞口密封必须可靠。如果洞口密封不严，地下水和泥砂就会流到取水泵房中。本工程采用平板式橡胶洞口止水圈，为保证止水效果，止水圈使用优质天然橡胶制作，厚度20mm，具体要求是：拉伸量＞300%，肖式硬度在50±5度范围以内。c、顶管完成准备工作完成后，起重机将拆除的结构逐个吊出工作井。⑤顶进施工1）正常顶进时的技术措施a.拆除封门，将机头顶入洞口后下设备段。连接油管、电缆及泥水管后顶进。b.分析顶进速度、顶力、机头土仓内的土体侧压力、刀盘扭矩、泥水浓度等参数，顶进速度应根据机头泥水仓内压力的大小确定，严格根据预定的泥水仓内压力、刀盘扭矩顶进，禁止机头超负荷运转。c.泥水平衡顶管机械的刀架上的刀可以双向切削，并可前后伸缩。前伸时切削量增加，开口度也因刀架后退而减小，进泥量减小。刀架的前伸和后缩是通过进泥口的开闭装置来实现的。刀盘后面是隔板，将前段分成两部分，隔板的前方是进泥仓，承受泥水压力，后方是动力仓，处于常压。刀盘的主轴通过隔板、轴座固定在隔板上。隔板下方，左右排列进出泥管，进出泥管上各有控制阀门。工具管的后段与顶进管段相联。随着工具管的推进，刀盘在不断转动，进泥管不断供泥水，排泥管不断将混有弃土的泥水排出泥水仓。泥水仓要保持一定的压力，使刀盘在有泥水压力的情况下向前钻进。2）顶进方向控制a.由于本工程顶管管道为钢管管道，具有一定的柔性，管道发生偏差后具有一定的纠正能力，顶进方向较易控制。b.由长距离顶管自动测量导向系统为顶管施工测量导向，操作台上实时显示有高精度的顶管机偏差和姿态数据。c.在推进过程中，必须注意偏差发展的趋势。纠偏的原则是：务必让偏差保持在较小的波动范围内，并且做到勤测勤纠，小幅度纠和看趋势纠。严格控制纠偏角度，严禁大角度纠偏。d.不间断分析管道顶进中偏移轨迹的变化，确定合理的纠偏幅度。导向系统设有历史轨迹曲线查询和实时轨迹曲线显示，可直观地分析判断顶管机的偏差趋势。e.严密监视顶管机高精度倾斜仪的读数变化，分析判断机头轨迹发展变化。倾斜仪读数是采取高程纠偏措施的主要依据，同时也是评估纠偏效果的重要数据。f.顶管机4只纠偏油缸的油路上，设有压力监控装置，通过分析监控装置的数据来分析顶进中的不平衡外力的状况，预测顶管机的前进轨迹，为采取纠偏提供辅助参考信息。g.顶管机刚产生偏转时，就必须用改变刀盘的转向来校正，校正方法是顶管机向哪个方向发生偏转，刀盘就朝哪个方向转动。顶管机设有高精度倾斜仪，能精确显示顶管机0.01度的旋转角度变化，可及时判断顶管机的偏转和校正效果。若改变刀盘转向的校正方法效果不佳时，可采取加快推进速度、降低螺旋输土机转速、适当提高控制土压的方法。h.顶进至穿越河流以及靠近桥桩的区间时，密切注意偏差发展方向，防止顶管出现上浮趋势。此时应减少纠偏频率和纠偏角度，拉紧顶管机。i.导向系统设有远程监控装置，在地面就可监控顶管机的实时各种导向信息。导向系统整合了顶管机的控制仪表信息，可以显示顶管机的姿态、纠角度以及偏油缸行程等信息。现场技术员及工班长及时掌握顶管机的信息，发现异常现象及时停止顶进施工。j.一旦发现顶管机自身的纠偏动作效果不佳，偏差数值急剧发展无法控制时，须在顶管机与第一节承插管之间增设150t液压千斤顶进行辅助纠偏。3）管道内弃土水平及井内垂直输送本工程采用泥水系统进行管道内弃土水平及井内垂直输送。进排泥管均为DN100钢管，设置在隔板下方，进排泥管上设有控制阀门和泥浆泵。随着顶管机的推进，刀盘在不断转动，进泥管不断供泥水，排泥管不断将混有弃土的泥水排出泥水仓并输送到地面的泥浆池。4）触变泥浆减阻注润滑泥浆减少顶进管周边摩擦阻力，是顶管施工中一种可增加顶进距离、减小顶力的最为经济的手段。触变泥浆是长距离顶管的重要保证措施之一。a.润滑材料的选择顶管润滑浆注浆用的膨润土必须是天然钠基膨润土，再经过严格的烘干、粉碎、干燥、球磨、过筛等加工艺，加工成半成品。然后，再根据不同的使用要求，添加各种辅助材料。最后，再对产品进行一系列的试验，合格以后才可包装为成品出厂。b.润滑泥浆的配置浆液的调制也是一个极须引起重视的问题。调制浆液时，必须经过充分搅拌。浆料采用ZJ-400型高速旋流搅拌机进行搅拌，每次最多可搅拌400L浆液。浆液配比为25kg浆料+300kg水，每次搅拌不得低于3min。现场设5m3塑料存储罐2只，搅拌均匀的浆液输送至存储罐中静置2小时以上，充分膨胀以后才能使用。c.注浆管道的布置注浆采用工业胶管泵进行注浆。注浆孔布置的位置：注浆孔分组布置，每组3个一环。在掘进机后钢管每2米布置一组，共布置三组。这三组注浆孔最为重要。在顶管掘进机顶进时随顶随注，使顶管掘进机后部在顶进中即形成完整的浆套，填充并支撑由于顶管掘进机外径大于管道外径所留下的注浆空隙。以后每隔4m布置一组注浆孔，这些注浆孔主要起补浆作用。当顶进一段时间后，先前注入的润滑浆可能失水而导致浆液质量差，这时为补充这部分缺失需进行补浆。e.注浆减阻注浆分为机头尾部同步压浆和沿线及洞口补浆。机头同步压浆以形成原始浆套，填充固有间隙和纠偏间隙。顶管机附近设1m3储浆灌和注浆泵，同步压浆由设在顶管机附近的注浆泵完成，操作为随顶随压、先压后顶；注浆压力控制在0.2～0.5MPa之间，严格限制最高注浆压力不得超过0.5MPa。注浆量按照每顶进1m长度0.3～0.6m3进行控制。补浆用以补充管道沿线因润滑浆液失水而造成的浆套缺失，该操作在顶进时或停止时均可进行。补浆操作方法为从前往后依次开启各个注浆环的阀门，每次只开启一组，每组注浆环应开启足够时间，并有足够量的浆液注入。补浆操作一般每班进行一次，每组注浆孔注浆量控制在0.2～1m3之间，根据顶力增长的实际状况，适当调整补浆操作次数和补浆量。正常顶进时，注浆或补浆均以控制注浆量为主。压浆分两类分别控制：①掘进机尾部同步压浆，以形成原始浆套，填充固有间隙和纠偏间隙，操作为随顶随压、先压后项；②沿线及洞口补浆，以补充管道沿线因润滑深层次套失水告示原因形成的浆套缺失，该操作在顶进时或停止时均可进行。5）顶进通讯为了保证顶进施工的正常顺利进行，顶管施工各个工作岗位上必须保持密切的联系。需要相互保持联络的岗位有管道内顶管机操作员、泥土泵司机、井内主顶操作员，以及地面注浆泵、鼓风机控制，起重机司机,相互之间联络采用无线对讲机。6）顶管内供电顶管供电采用380V电压输电，保证顶进设备的正常运作。5.3、水下取顶管机头两趟引水管顶完后，在紧邻机头的顶管端头内焊接盲板，盲板固定后，潜水员水下断开机头，用工作船吊运至岸边，用车运至岸上。5.4、管道连接及防腐⑴焊接钢管焊缝质量不应低于二级（设计）。卷制钢管时，同一横断面宜采用同一条纵向焊缝；管段接长时，相邻管段纵缝的圆心角宜相隔90°。前、后下井管段的纵缝宜偏离管道中心垂直面的管顶处45°，且前、后下井管段的纵缝的圆心角宜相隔90°。下井管段连接采用K形坡口对接焊缝。焊接时，先焊内环缝，焊外环缝前应先用碳弧气刨挑根，将未焊透部分刨去，然后再焊外环缝。下井管段，两端应各留出100mm不做防腐处理，待井下焊接验收合格后再做防腐处理，管内防腐可在管道全线顶管施工结束后施工。顶管工程验收标准应符合《给水排水工程顶管技术规程》CECS246:2008第13.2.1条中钢管列的规定。⑵顶进中管节的焊接检验钢管的外观质量检查应符合下列要求：①.每节钢管管节允许有两道纵向接缝，两纵向接缝之间距离应大于300mm。②.取水泵房内钢管组对两纵缝间距应大于100mm。③.钢管周长及椭圆度偏差，应符合国标中相应管径的允许误差值。④.对接纵缝处为3mm，离管端200mm的对接纵缝处应为2mm，其它部位为1mm。⑤.钢管端面与中心线的垂直偏差不应大于管子外径的1%，且不大于3mm。平直度偏差不应大于1mm/m。⑶钢制管节的内、外涂层防腐施工①.管道内、外防腐应达到以下要求：首先进行喷砂除锈工序，除锈后的质量应达到Sa2.5级。除锈完成后应及时进行防腐涂料的涂刷，内外壁均采用设计要求的涂料。每遍涂料在涂刷时，应严格遵守其说明书规定的干燥时间及干燥的施工方法。②.管节在工作井中的防腐管节在工作井内组对焊接完毕后，由于顶进施工连续性的限制，只能使用快干型的防腐涂料。施工时应及时清理焊渣、飞溅，对管节接口手工除锈，涂刷使用GZ-2高分子防腐涂料，手工进行防腐涂刷。注意在规定的干燥时间后（2小时），方允许继续顶进管道在工作井中的内防腐，应在管道全部顶进完成后进行，待掘进机内部设备拆卸完成，管道重新清理后，再对管道焊接接口部位全部进行手工除锈，使用原设计规定的管道内防腐涂料，按地面制作规定的施工工艺、涂刷遍数、涂刷厚度、干燥时间进行防腐作业。6、取水管支座及桩基施工6.1取水管承台支座基坑的开挖取水管支座基坑的开挖量不大，直接采用工作船配合长臂挖掘机开挖，测量设备控制定位，岸边设水上标尺控制开挖深度及基坑底部高程。基坑地面应开挖至设计标高。基坑底面范围每侧不宜小于取水管支座以外1m。基坑边坡宜取1:1.5～1:1.75，实际施工边坡应视施工时的水深、流速、施工设备及施工经验可作相应调整。基坑形成之后，应对其底部及边坡进行水下修坡及平整，对基坑凸凹不平的地方进行修整，从而达到使用要求。6.2承台钢管桩施工（1）钢管桩运输我们将由专业厂家加工的Φ600的钢管桩，直接用船运至施工区域即可。钢管桩起吊、运输和堆存过程中须避免因碰撞等原因而造成管身变形的损伤。注意在钢管桩沉放前再次检查管节焊缝。（2）钢管桩沉放沉放前先计算出每根钢管桩的坐标，在大堤上针对各桩分别布置一条基线，基线上的每一个观测点用全站仪精确测量其坐标位置，并用水准仪测出其高程；然后计算出每一根桩上观测点的坐标及交会角，并汇总成表供观测沉桩使用。沉放时在正面布置一台全站仪观测定位，侧面设置两台经纬仪校核。钢管桩沉放使用90KW振动锤，能提供额定振动力为135t，可以满足本工程的要求。起吊设备采用100t工作船配合汽车吊。工作船抛锚定位后，先期依靠钢管桩重力插入覆盖层中，上部用缆绳绑在吊船边，待桩身有一定稳定性后，再利用汽车吊吊上振动沉桩机夹住钢管桩，开始振动沉桩机振动下沉钢管桩到位。钢管桩沉放应注意：振动锤中心和桩中心轴应尽量保持在同一直线上；每一根桩的下沉应连续，不可中途停顿过久，以免土的摩阻力恢复，继续下沉困难。沉放过程加强观测，钢管桩偏位不得大于10厘米，垂直度不得低于0.1%。（3）钢筋笼制作、吊装①钢筋笼在岸上分节进行制作。焊接加工要确保主筋在搭接区断面内接头不大于50%；焊接采用单面焊，焊缝长不小于10d（d为钢筋直径）。②加工好的钢筋笼首先由岸上50T履带吊水平吊运至码头尽头后，由履带吊配合工作船上汽车吊将钢筋笼竖直后进行安放。钢筋笼竖直后，检查其竖直度，进入孔口时扶正缓慢下放。钢筋笼连接采用单面焊，焊接长度10d的搭接，并且保证各节钢筋笼在同一竖直轴线上，钢筋笼下到设计标高后，定位于孔中心，将主筋或其延伸钢筋焊接在钢管上，以防骨架在浇注混凝土时上浮及移位。钢筋笼下放完成后，马上下放导管进行二次清孔，并做好水下混凝土灌注工作。（4）水下混凝土灌注钢管下沉至设计标高后并经监理工程师检查合格后，即可进行水下混凝土灌注。开始浇注混凝土要满足首批混凝土需要量要求，保证首批混凝土灌注后导管埋深1m以上。首批混凝土用顶塞法浇注，首批混凝土灌入孔底后，立即探测孔内混凝土面高度，计算导管埋置深度，确信符合要求后即可正常灌注，混凝土浇注过程应注意以下事项：①灌注开始后，应紧凑连续进行，并注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况，及时测量孔内混凝土面高度，正确指挥导管的提升和拆除。导管在混凝土内埋深控制在2m～6m左右。②混凝土浇筑面上升到钢筋骨架下端时，为防止钢筋骨架被混凝土顶托上升，浇注速度适当放缓，而当混凝土进入钢筋骨架4~5m以后，适当提升导管，减小导管在钢筋骨架下的埋置深度。③在混凝土灌注过程中，后续混凝土要沿导管壁徐徐灌入，以免在导管内形成高压气囊。另外，为保证桩基础的密实，要定时抽插振动导管，达到振捣效果。④根据设计要求，钢管桩混凝土分两次浇筑，第一次浇筑至桩顶以下2.5m处，待预制取水管支座梁安装后，再进行第二次浇筑。⑤混凝土浇注过程可能遇到的问题及其处理：a.首批混凝土灌注失败：用带高压射水的Ф300mm空气吸泥机将已灌注混凝土吸出，重新按要求灌注。b.导管进水：如因导管埋深不足而进水，则将导管插入混凝土中，用小型潜水泵抽干导管内的积水，再开始灌注；如因导管自身漏水或接头不严而漏水，则应迅速更换已经拼接检查好的备用导管，然后按前面做法处理；如上述两种方法处理不能奏效，则应拆除灌注设备，用带高压射水的Ф300mm空气吸泥机将已灌注混凝土吸出，清孔后再重新灌注混凝土。c.卡管：初灌时隔水拴卡管，或因混凝土自身卡管，可用长杆冲捣导管内混凝土，用吊绳抖动导管，或在导管上安装附着式振捣器使隔水拴下落。如仍不能下落，则将导管连同其内混凝土提出钻孔，另下导管重新开灌。如因机械发生故障或因其他原因使混凝土在导管内停留时间过长，孔内首批混凝土已初凝，宜将导管拔出，用吸泥机将孔内表层混凝土和泥渣吸出，重下新导管灌注。灌注结束后，此桩宜做断桩予以补强。6.3取水管支座预制取水管支座钢筋、混凝土、模板严格按