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大口徑管道的非開挖施工技術

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  近年來,天津城市基礎設施建設的速度在大跨躍的發展,城市的規模逐漸擴大,汙水排放量在增加,加之雨水資源的保護、雨汙水管道分流、城市防汛能力的提高,使津城新建地下排水管網的建設規模,每年大幅度遞增。隨城市交通量逐年上升,道路的長度和寬度增加,路面下的雨汙水管道長度在增加、管徑在增大,用以滿足城市需要.
  1.工程概況
  1.1概況;地質狀況、勘察該地段施工管道所處土層地質狀況
  設計管道位于道路地面下,深約7m爲粉質粘土、粉土,淤泥狀粉土,(4.9m以下爲褐灰色加少量貝殼)。地下水情形;地域地下水位較高,地表下深約1m可見地下水。
  1.3地貌及工程特點
  1.3.1大沽南路屬于市區重點道路,無論過程如何施工,均應現狀道路能夠保證交通通行,施工頂管的頂程必須達到井位要求,否則道路不允許開坑。
  1.3.2工地地處繁華區,道路及周邊地上地下各類管線、設施,障礙較多,爲保護的地下各類管道線纜安全,需要對其采取措施加固和必要切改等,給施工增加難度。
  1.3.3工地規模大,但施工場地範圍狹窄。同時要求施工單位減少擾民、減少周邊占地,設計管線兩側多爲企事業單位、住宅樓,由于距離管線較近,施工中爲了保護住宅樓的安全,如何施工,需要提供可靠工藝方案和必要的措施。
  1.3.4施工管線與橋梁等施工同時進行,如何協調在穿插作業中,精心組織立體交叉施工,並注重文明施工和環保工作,保證工程按期完成是本的重點。
  2.施工
  2.1施工准備
  2.1.1施工工藝選擇;考慮到大沽南路各類順行管線衆多,汙水截流設計管徑d2600mm所有管道全部頂管施工。頂管施工能否達到工程要求?關鍵是有可靠工藝方案,要針對不同土質、頂管施工條件,,選用相適應的頂管形式。現時下公司備有三種頂管工藝人工掘進式﹑土壓平衡式,泥水平衡式頂管,各有其優勢。該工程管線覆土深,地下水活動量大,若采用人工掘進式頂管首先要降低下水.由于強制降水會導致路面地基的沈降,造成建築物的破壞,引發一系列問題,故此不宜采用人工掘進式頂管。並且本管線要在道路施工完成後施作,爲了減少破路面積和保證路面不發生沈降,所有管道全部采用土壓平衡式機頭頂進施工。
  2.1.2確定工藝;直徑達d2600mm頂管是我市目前最大口徑管道頂管。我國南方施工有先例,爲多刀盤機型,該施工方法可保證路面不發生沈降和周圍建築物的安全。
  本次施工d2600mm排水管、管材外壁直徑爲Ф3120mm,若選用多刀盤機具方法施工,機頭結構較簡單,經濟,設備投入較比少。多刀盤機型的形式爲,在大圓的機頭界面內,劃成四個區,在各區內有小直徑的切削刀盤。受電機驅動各自獨立轉動,切削土體;四刀盤全部切削面積爲整個端面的50%左右,其余部分靠擠壓進入螺旋出土機。該機頭重量較輕、相對適用于地質爲流朔等軟土。
  大沽南路地層下土層多變,地質資料顯示土的N值大,,土質較硬。周邊地面建築物、地下構造物、埋設物較多。根據經驗,頂管機械選型應選大刀盤,大截面采掘土體。工藝可行。因爲大刀盤切削土的面積爲100%,機型適合,土質範圍廣。我們曾使用過規格d2200mm機型,經驗表明;大刀盤最能適于我市粘土、粉土、流沙特征的土質。
  2.1.3機械開挖性能;本次d2600mm土壓平衡掘進機頂管,選用大刀盤機型用來切削、施工前,要根據本市的地質資料等,確定d2600mm掘進機設備頂管的刀盤轉矩。由于管直徑增大、爲刀盤截面的增加,刀盤在粘土中切土阻力的力矩要進行計算。以提供廠家加工數據。應選多大力矩而使刀盤切削力適合?在優選定刀盤轉速設計爲2.0rpm的條件下,據公式:T=∫10khrdr計算刀盤切削力:
  T——刀盤轉矩kN·m;
  k——刀具在切削過程中單位面積上所受到的切削阻力1kg/cm2;
  h——刀具在每一轉中切土的厚度0.3m;
  r——刀盤切削半徑1.56m;
  通過計算d2600mm刀盤轉矩爲365.8kN·m折合(36.58t·m)
  滿足以上刀盤轉矩,應輸入的電功率由以下公式計算:
  N={常數1.026×(刀盤轉矩T×刀盤轉速r)}/效率η=kw
  N——輸入頂管用刀盤轉矩的有功率(kw)
  r——刀盤轉速2.0r/minη——機械效率0.85
  經計算d2600mm需要輸入功率:1.026×36.58×2.0/0.85=88.308kw
  大刀盤掘進機機型的機械外型
  汙水截流設計管徑d2600mm,施工管道用土壓平衡掘進機頂管,根據現狀土質的不同選大刀盤機型,操作靈活,技術先進且排土順暢,安全、可靠,采用的幹式排土,廢棄泥土對環境影響和汙染最小,泥土外運處理簡單。
  2.2施工設計
  2.2.1工作坑和接收坑設計
  施工是以設計圖紙爲依據確定檢查井的位置,並以檢查井位用來設定作頂管工作坑和接收坑。1#—10#施工段中1300m管線,共投入三套頂管設備地下施工頂進,頂進主工作坑爲雙向頂坑,向東向西各頂進長度在142m。
  測量放線後挖出樁溝,工作坑打入鋼樁,1#—10#施工用履帶式振動打樁機打沿坑內口線打鋼樁,16t吊車配合施工。打樁時應保證鋼樁的垂直度,利用震錘緩慢將鋼樁全部打入地下需要標高,工作坑打入鋼樁的後背間距爲0.3m,其余0.8m,樁長15m,龍門口兩側距管外皮0.2m各打1棵鋼樁。,用兩根15×15cm方木做水平控制梁,用10×10cm角鋼做垂直控制架,
  2.2.2打設水泥攪拌樁
  工作坑邊打設水泥攪拌樁,爲保護工作坑不塌方、不滲水,設計在坑邊作防水帷幕。先在坑外側放線,挖出樁溝,鑽機入位,打設水泥攪拌樁帷幕,帷幕樁徑0.7m、咬合0.20m、樁長14m水泥參量15%。重要部位如後背水泥參量20%。。水泥攪拌樁采用計量泵注漿,保證延米水泥用量。均勻攪拌操作方法成樁,咬合必須連續性完成該工程,控制噴漿量在外摻3%石膏粉來增加水泥漿凝結速度,爲保證水泥強度,控制水灰比。采用雙軸機架式打樁機,保證攪拌樁的垂直度和樁體的搭接。
  2.2.3確定控制土壓力和頂進推力
  (1)制土壓力確定要依據施工的土質條件計算:
  該地土容重γt=19.3KN/m³土內聚力C=14kpa土內摩擦角Ø=24°管中心的深度h=6.5m。
  控制土壓力確定;按靜止土壓力和經驗系數乘積,用公式P控=P0K0計算
  Ρ0—靜止土壓力(kpa),其是土容重γt與管中心的深度h的乘積。
  K0—靜止土壓力系數,經驗值取0.75(該值在砂性土中K0=0.4—0.9的範圍內變化,)經計算控制土壓力P控=90kpa。
  由于在實際過程中,設定控制土壓力不可能是一個恒定值,附加壓力ΔP變化值,按經驗在20kpa範圍內變化,P控-取110kpa
  (2)頂進推力的計算:
  土壓平衡式頂管施工,設計總頂力F總主要由管道頂進中機頭迎面阻力F0和管子推進長度上綜合阻力F組成,即F總=F0+F。管徑ф2600mm正常頂進時迎面阻力F0約爲70t,初始推力即迎面阻力,它由掘進機面前的土壓力,地下水壓力,及附加阻力組成,頂力按經驗公式F=KfπDL計算,
  F—頂進推力(t)
  K—安全系數(取1.2)
  D—管外徑3.12(m)
  L—頂進長度140(m)
  f—注漿摩擦系數(砂性土中摩擦系數取0.6)。
  140米頂進距離的設計頂力F總=1058t。
  2.3施工設備安裝
  2.3.1主頂設備安裝
  每一主頂工作坑內設6台液壓千斤頂(320t),,千斤頂支架分三層構成安放千斤頂。在地面上配置液壓站,兩台高壓油泵,流量2×25L/min,壓力31.5Mpa高壓油泵配接高壓油管連接到千斤頂。用吊車吊裝安裝千斤頂支架,穩裝千斤頂,用平墊對千斤頂的位置進行細部調整,千斤頂調整穩平,並使6台千斤頂的合力點落在管中心徑處。
  2.3.2穩導軌和後背鐵安裝
  導軌采用自制重型複合軌,並和基礎預埋鋼板焊接,導軌的間距布置應使管外底離橫向的槽鋼頂面不小于5cm,鋪設導軌時要控制高程和中線誤差。後背鐵采用複合定型後背鐵,後背的平面垂直于導軌,後背鐵與坑牆之間灌注砼(C20、厚10~15cm)垂直找平。
  2.4頂進施工
  2.4.1初頂;機頭入洞口前,把工作坑洞口前的鋼樁都要拔起,清除攪拌樁後開鎬,將導軌上的機頭推到洞口頂進土中,要機頭正面和洞內的土體緊密頂嚴,使土倉壓力表值達設定值,經一定時間壓力在下降到一定數值,得出的是實際靜態土壓力值,用做控制土壓力的參考。另外爲預防刃機頭紮頭下跌,在第1節管與機頭間,加4組M36螺栓,呈井形布置與預埋鐵板焊接。
  在初頂前一定要測量好第一節管的高程和中線位移,把握好設備安裝,如千斤頂不同步,或千斤頂間頂力相差較大,或安裝精度不夠,成頂力合力線偏差,影響整個管段頂進質量。每節頂進用管,均應上好膠圈,在膠圈上抹勻凡士林。然後下O形頂鐵,開鎬將穩定管子與前節管子頂緊
  在標准狀態下控制入土,使整個管段頂進有一個良好的開端,在頂管機頭剛進入土體時采用4個液壓千斤頂(320t)頂進速度要慢,速度在2cm/min。
  土壓平衡式大刀盤機型爲螺旋機出土,由機頭前方大刀盤緩慢掘進切削前方土壤經螺旋機出土到土鬥,管內鋪設15kg/m的輕型軌道土鬥管內運出,在由吊車運抵至地面裝車外運。
  當機頭已頂進土裏有10m左右時,爲減小土體對管道的阻力需要開始注漿,注漿壓力爲0.3Mpa左右,注漿量控制在理論計算值的1.5倍左右,注漿時要遵循“先頂後注,隨頂隨注”的規程。
  2.4.2測量
  安裝激光經緯儀;在距後背牆1米處兩組千斤頂之間安裝激光經緯儀,經緯儀的位置應在管道的中心線上,安裝時應先安裝水准儀支架,,支架用Φ40mm鋼管和3mm厚的鋼板制作,儀器的前方控制點通過由地面上的經緯儀將管線中心點引到坑內的經緯儀支架上.頂管前,根據管線位置和周圍建築物步設沈降觀測測點.將測量結果做紀錄
  測量導向采用J-2型激光經緯儀,經緯儀提供激光束打到爲機頭中心接收靶上,爲機頭定位。機倉內還裝有傾斜儀,用來監視掘進機機頭縱向水平狀態和徑向偏轉狀態,,糾偏要根據管子的運行趨勢校正,依據儀器儀表數據計算糾偏校正值,在進行超前糾偏,使頂進的質量才能達到較高要求。
  2.4.3頂進中操作
  管內頂進操作人員所選具有資質和一定經驗,在頂進過程中會繪制隨機的頂進曲線,隨機測量效驗中線偏離誤差、根據頂進需要調整頂速,以利糾偏操作。
  在頂進施工過程中,控制土壓力的數值與理論計算數值相接近,在主動土壓力和被動土壓力之間,在實際應用中我們將土壓力控制在100kpa左右.機頭控制土壓力要小于刀盤前方被動土壓力,且大于刀盤前方的主動土壓力,操作時控制土壓變化,監視刀盤電機電流.當前方土壓力超過設定土壓力,刀盤電機電流在增,d2600mm機設定刀盤電機4台,每台電機爲額定電流的90%,22KW/37A。當前方切削力矩超過設計值,使電氣開關立即被切斷,機頭在掘進和主頂千斤停止推進,減小頂速,可使前方力矩減小,刀盤載荷減小,開關複位.後方液壓站又恢複頂進。
  頂管後背發生位移或不平整時,會使管道軸線偏差過大,使頂力合力線偏移,造成管道偏差。管道偏差過大,使管線發生彎曲,接口滲漏,甚至造成管節損壞無法恢複。
  長線頂管時,地層正面阻力不均勻,使機頭受力不均勻,造成管軸線偏差。由于頂管時,管道是動態過程,頂管機頭受力是經管道所傳遞主頂力,部分管道經受到土層的擾動力,使頂管管道如同擺積木行進呈弧線,也形成偏差,機頭按設計軸線要求糾偏值控制在5mm內,在頂管過程中校正糾偏操作貫穿于始終。發現問題及時采取相應措施,保證不間斷正常頂進。在接近出洞口時應加密測量,並要始終做好頂進長度、高程及中線位移、時間及頂進時的頂力記錄,在3#—4#坑施工時,周圍有ф600mm自來水壓力管道,此處控制土壓力後不能超標,否則會發生使公用設施受到影響,危及到正常使用和安全。操作人員重新確定控制土壓力後謹慎操作,使管道較爲順利穿行過去,
  2.4.4減阻注漿:
  注漿是爲管段頂進減阻所用,要求在砼管外層形成一個完整的泥漿套環.過去將注漿孔布置在管子中間,由于上下孔阻力不同不能很好的形成泥漿套環,減阻的效果較差.現在注漿孔布置在套環以內,首先在套環內形成一個完整漿套,注漿效果成倍提高.帶注漿孔的混凝土管設置在機頭後,連續放三至四節,然後爲了補漿再按一定間隔放置帶有注漿孔的砼管.注漿配方:在不同土質中應采用不同的配比,根據大沽路的土質情況注漿減阻的鈉基膨潤土配比如下:
  膨潤土:水:堿
  22.8%:76.2%:1%
  減阻包括注漿和塗臘,注漿設備應靠近工作坑,包括拌漿機,儲漿池,注漿泵,儲水池;注漿用螺杆泵,其進漿口連接的爲普通膠管,出漿口連接的爲高壓膠管。在砼管壁上的注漿孔預埋1″帶絲扣鋼管,內設塑料單向止水閥,注漿孔每節管設4個,位置沿環向均布。減阻在頂進結束按比例將粉煤灰和水泥拌合成漿,壓入管道外壁.將觸變泥漿置換出來,以杜絕施工後的地面沈降.
  2.4.5施工效果
  d2600mm大口徑管道,經晝夜施工,工程如期完成。施工管道經有關單位測驗,質量屬優良:3#—4#—5#坑,兩空管道高程誤差最大值爲:+2、-3cm,右偏差均爲1cm.控制偏差在最小的範圍。此次施工用泥漿套減小的摩阻力措施,控制頂進用管的頂力在140m長度的頂力爲840t。兩空管道頂管進度分別在9天10天完成。頂進控制依靠優選的工藝參數把地面沈降控制比較好,,經測量新路面沈降得爲-15mm。
  3施工總結;本次施工總結如下:
  3.1機械頂管大幅度提高排水管道施工效率,把過去難以完成的工程量按期完成,並減少施工對周圍環境影響。
  3.2工藝改變“先地下、後地面”傳統的施工流程,初嘗試了新鋪建的道路下,在進行的頂管數據和施工經驗,節省施工時間。
  3.3大口徑管道,施工過優選工藝及參數,在土體被挖取後,頂進多長管,掘出多少土,,地面不沈降,路面安然無恙,道路交通繼續通行。
  (由于時間匆忙稿件允許修改)
  作者簡介丁翊明,男高級工程師,1955年生,國家二級項目經理;,主要從事市政工程施工,頂管研究、地鐵盾構等施工及施工管理工作。
  作者地址:天津市河北區增産道東頭3號(天津城建集團六公司五分公司)郵編:300250
  電話022—26782807五分公司總工辦電子信箱dr126-05@126.com

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