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摘要本文总结了非开挖铺设管道技术的特点、适用的范围和不同地质条件对各种非开挖技术的影响,着重对非开挖管道置换技术进行了简要的说明,并对管道置换技术的使用范围及优缺点进行了阐述。
关键词非开挖技术 顶管 管道置换
中图分类号:TU99文献标识码:A
1 非开挖铺设地下管道技术概述
人工顶管法是使用最早的也是最普遍的非开挖法管道铺设技术,由于采用人工在管内进行掘进取土,因此铺设管道的管径受到很大限制,主要铺设管径1.0米≤D≤3.0米。随着机械设备和岩土钻掘技术的快速发展,使得非开挖技术在小口径和超大管管道铺设施工成为了可能。与传统的开挖施工相比,非开挖铺设管道方法在繁忙路段、地下管线复杂的条件下,经济上具有相当大的优势。目前,非开挖铺设管道技术在城区市政系统改造设计过程中应用非常广泛。
2 地质构造对非开挖铺设管道的影响
地质情况不仅影响施工成本,更关系到施工方法和设备的选择。由于微型隧道技术实际上是包含在顶管技术中,所以大量的关于顶管技术的论述对于其他的非开挖技术同样适用,下面以顶管为例来简要阐述不同的地层对非开挖铺设管道的影响。
2.1 非粘性土
砂性土指粒径大于0.075mm颗粒小于全重的50%并且塑性指数不大于10的土。在砂土层中顶管比在粘性土中顶管困难。砂性土层具有含水量大,摩擦阻力大,有液化现象和易塌方等特点。在管道顶进砂土层时,砂土凝聚力差,管上土体塌落后压在管道之上,增加管道上部的压力,顶力随之增大,必要时应对管顶土采取灌浆加固等稳定措施,以保证管道的顺利顶进。
2.2 粘性土
粘性土指塑性指数大于10的土。粘性土由于表面静电的作用使土颗粒粘结在一起,形成粘性土体。天然含水量的粘性土对顶管有利,管前可以超挖,如果管顶粘土层足够厚形成卸力拱,施工时可按规定纵深超挖,顶进时所需顶力小,顶进设备也简单。随着含水量的增大会使工作环境恶化,可采用加大顶力克服阻力增大的现象。顶管在地下水以下可以采用封闭工作面和降水等方法保证施工顺利进行。
2.3 其他土层
(1)软土。软土有高压缩性,低渗透性和触变性的特点,其结构极易遭到破坏,以致出现管道沉陷、接口错位等事故。应预先采取措施,预防顶进途中出现问题。(2)砂砾石层。松散的砂砾石层极易塌方,管道顶进后对其管顶和周围空隙要及时填实以防塌方,应考虑顶进前后的灌浆加固。地下水以下由于砂砾石层渗透性极大,必须降水后才能顶进。
3 顶管施工技术简介①
顶管施工就是借助于主顶油缸以及中间继的顶进力,把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶到接受坑内吊起。与此同时,把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。一个完整的顶管施工(如图1所示)主要包括:工作坑和接受坑、顶管掘进机、主顶装置中间继、顶铁、基坑导轨、后座墙、顶进用管、输土装置、地面起吊设备、测量和校正系统以及注浆系统、供电照明系统、和通风换气系统等。根据挖掘方法不同,顶管机可分为手掘式顶管机和机械挖掘式、水力破碎式顶管机。根据工作面平衡方式的不同,顶管机可分为自然平衡式、气压平衡式和泥水平衡式顶管机。
图1顶管施工示意图
1-混凝土管;2-运输车;3-扶梯;4-主顶油泵;5-行车;6-安全扶梯;7-润滑注浆系统;8-操纵房;9-配电系统;10-操纵系统;11-后座;12-测量系统;13-主顶油缸;14-导轨;15-弧形顶铁;16-环形顶铁;17-混凝土管;18-运土车;19-机头。
3.1 手掘式顶管机
手掘式顶管机是目前国内应用最为普遍的顶管机,尤其是在短距离的顶管施工中,由于昂贵的机械挖掘设备一次性投入比较大,影响施工的经济性,普遍采用手掘式顶管施工。手掘式顶管机结构形式主要取决于工作面对土压力的平衡方法。工作面自然平衡手掘式顶管施工主要适用于降水后地下水位以上稳定的粘性土层,工作面土体比较稳定在自然情况下能够实现自支撑。
3.2 机械挖掘式(水力破碎式)顶管机
在长距离和深度较大的顶管施工中,常常采用机械式顶管设备,机械挖掘式顶管具有顶进能力强、施工速度快、距离长、自动化程度高的优点。机械式挖掘顶管机内部装有挖掘机械或刀盘,机械破碎(或水力破碎)下来的土石可以通过传送带或螺旋钻杆等设备输送至后面的运输设备。在顶进过程中,只有(下转第82页)(上接第80页)当所处土层地下水压力和土压力处于平衡状态,并且排土量与掘进机顶进所占去的土的体积也处于一种平衡状态时,才能使顶进不至于产生地面的沉陷或隆起。机械挖掘式顶管机多采用土压平衡工作面和泥水平衡工作面。②
(1)土压平衡工作面原理。土压平衡顶管是指在顶进过程中,利用土仓内的压力和螺旋输送机械排土来平衡地下水压力和土压力。与泥水平衡工作面相比,其最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要进行泥水分离等二次处理。其基本原理是通过机头前方的刀盘切削土体并搅拌,同时由输土机械输出挖出的土体。在掘进机的机头前方面板上装有压力感应装置,操作者通过控制输土机的出土量和顶进速度来控制顶进面的压力,和前方静止土压力保持一致,以防止地面沉降或隆起。
(2)泥水平衡工作面原理。泥水平衡顶管是指在顶进过程中,用水力切削泥土以及虽然用机械切削泥土而采用水力输送弃土,同时利用泥水压力来平衡地下水和土压力的这一类顶管。泥水平衡顶管施工适用土质范围较广,尤其适用于地下水压力变化范围较大的环境,其对顶管周围土体扰动较少。如采用泥水管输送弃土,可以极大提高顶管工作环境的安全性,作业时速度较快。但施工时弃土的存放和运输相对困难,泥水处理的噪音和大量泥浆的产生对环境的影响较大,同时对渗透性不同的土层必须采用不同的泥浆浓度,对设备和施工技术的要求相对较高。
3.3 非开挖管道置换
非开挖管线置换是一种新型非开挖施工技术,管道置换是指在旧管道的原位,将旧管道破碎的同时拉入或顶入新管道的更换技术。管道破碎一般采用静压和气动两种方式,静压碎管置换管道施工方法是利用拉杆机牵引碎管头将旧管道破碎并挤入土层,同时拉入新管线的施工方法。气动碎管置换管道的方法为利用气动夯管锤的冲击力将旧管破碎,并将碎片挤压到周围的土层中,同时将新管带入由气动夯管锤形成的孔内。工艺缺点:置换管道管材范围较小,一般可为300～ 600mm混凝土管、PE管、PVC管、铸铁管或陶土管;置换的新管直径一般不大于旧管管径2个级差,如旧管直径为300 ,新管管径一般为315、 350 、 400 ;因此不适用于置换为较大管径的设计,不能改变原有管线的坡度,只能按照原有管线坡度设计。同顶管一样受地质条件的影响加大,粉质粘土施工较易;砂层施工较难; 卵石层不宜采用该法施工。
4 结论
非开挖铺设排水管道这种经济、安全的施工方法,只要合理的根据实际地质情况作出相应合理的设计,往往会比明挖施工得到更好的经济和社会效益,应在今后的设计工作中大力推广。
注释
①严纯文,蒋国盛,叶建良. 非开挖铺设地下管线工程技术. 上海:上海科学技术出版社,2005.
②马保松,D.Stein,蒋国盛. 顶管和微型隧道技术. 北京:人民交通出版社, 2004.
关键词非开挖技术 顶管 管道置换
中图分类号:TU99文献标识码:A
1 非开挖铺设地下管道技术概述
人工顶管法是使用最早的也是最普遍的非开挖法管道铺设技术,由于采用人工在管内进行掘进取土,因此铺设管道的管径受到很大限制,主要铺设管径1.0米≤D≤3.0米。随着机械设备和岩土钻掘技术的快速发展,使得非开挖技术在小口径和超大管管道铺设施工成为了可能。与传统的开挖施工相比,非开挖铺设管道方法在繁忙路段、地下管线复杂的条件下,经济上具有相当大的优势。目前,非开挖铺设管道技术在城区市政系统改造设计过程中应用非常广泛。
2 地质构造对非开挖铺设管道的影响
地质情况不仅影响施工成本,更关系到施工方法和设备的选择。由于微型隧道技术实际上是包含在顶管技术中,所以大量的关于顶管技术的论述对于其他的非开挖技术同样适用,下面以顶管为例来简要阐述不同的地层对非开挖铺设管道的影响。
2.1 非粘性土
砂性土指粒径大于0.075mm颗粒小于全重的50%并且塑性指数不大于10的土。在砂土层中顶管比在粘性土中顶管困难。砂性土层具有含水量大,摩擦阻力大,有液化现象和易塌方等特点。在管道顶进砂土层时,砂土凝聚力差,管上土体塌落后压在管道之上,增加管道上部的压力,顶力随之增大,必要时应对管顶土采取灌浆加固等稳定措施,以保证管道的顺利顶进。
2.2 粘性土
粘性土指塑性指数大于10的土。粘性土由于表面静电的作用使土颗粒粘结在一起,形成粘性土体。天然含水量的粘性土对顶管有利,管前可以超挖,如果管顶粘土层足够厚形成卸力拱,施工时可按规定纵深超挖,顶进时所需顶力小,顶进设备也简单。随着含水量的增大会使工作环境恶化,可采用加大顶力克服阻力增大的现象。顶管在地下水以下可以采用封闭工作面和降水等方法保证施工顺利进行。
2.3 其他土层
(1)软土。软土有高压缩性,低渗透性和触变性的特点,其结构极易遭到破坏,以致出现管道沉陷、接口错位等事故。应预先采取措施,预防顶进途中出现问题。(2)砂砾石层。松散的砂砾石层极易塌方,管道顶进后对其管顶和周围空隙要及时填实以防塌方,应考虑顶进前后的灌浆加固。地下水以下由于砂砾石层渗透性极大,必须降水后才能顶进。
3 顶管施工技术简介①
顶管施工就是借助于主顶油缸以及中间继的顶进力,把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶到接受坑内吊起。与此同时,把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。一个完整的顶管施工(如图1所示)主要包括:工作坑和接受坑、顶管掘进机、主顶装置中间继、顶铁、基坑导轨、后座墙、顶进用管、输土装置、地面起吊设备、测量和校正系统以及注浆系统、供电照明系统、和通风换气系统等。根据挖掘方法不同,顶管机可分为手掘式顶管机和机械挖掘式、水力破碎式顶管机。根据工作面平衡方式的不同,顶管机可分为自然平衡式、气压平衡式和泥水平衡式顶管机。
图1顶管施工示意图
1-混凝土管;2-运输车;3-扶梯;4-主顶油泵;5-行车;6-安全扶梯;7-润滑注浆系统;8-操纵房;9-配电系统;10-操纵系统;11-后座;12-测量系统;13-主顶油缸;14-导轨;15-弧形顶铁;16-环形顶铁;17-混凝土管;18-运土车;19-机头。
3.1 手掘式顶管机
手掘式顶管机是目前国内应用最为普遍的顶管机,尤其是在短距离的顶管施工中,由于昂贵的机械挖掘设备一次性投入比较大,影响施工的经济性,普遍采用手掘式顶管施工。手掘式顶管机结构形式主要取决于工作面对土压力的平衡方法。工作面自然平衡手掘式顶管施工主要适用于降水后地下水位以上稳定的粘性土层,工作面土体比较稳定在自然情况下能够实现自支撑。
3.2 机械挖掘式(水力破碎式)顶管机
在长距离和深度较大的顶管施工中,常常采用机械式顶管设备,机械挖掘式顶管具有顶进能力强、施工速度快、距离长、自动化程度高的优点。机械式挖掘顶管机内部装有挖掘机械或刀盘,机械破碎(或水力破碎)下来的土石可以通过传送带或螺旋钻杆等设备输送至后面的运输设备。在顶进过程中,只有(下转第82页)(上接第80页)当所处土层地下水压力和土压力处于平衡状态,并且排土量与掘进机顶进所占去的土的体积也处于一种平衡状态时,才能使顶进不至于产生地面的沉陷或隆起。机械挖掘式顶管机多采用土压平衡工作面和泥水平衡工作面。②
(1)土压平衡工作面原理。土压平衡顶管是指在顶进过程中,利用土仓内的压力和螺旋输送机械排土来平衡地下水压力和土压力。与泥水平衡工作面相比,其最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要进行泥水分离等二次处理。其基本原理是通过机头前方的刀盘切削土体并搅拌,同时由输土机械输出挖出的土体。在掘进机的机头前方面板上装有压力感应装置,操作者通过控制输土机的出土量和顶进速度来控制顶进面的压力,和前方静止土压力保持一致,以防止地面沉降或隆起。
(2)泥水平衡工作面原理。泥水平衡顶管是指在顶进过程中,用水力切削泥土以及虽然用机械切削泥土而采用水力输送弃土,同时利用泥水压力来平衡地下水和土压力的这一类顶管。泥水平衡顶管施工适用土质范围较广,尤其适用于地下水压力变化范围较大的环境,其对顶管周围土体扰动较少。如采用泥水管输送弃土,可以极大提高顶管工作环境的安全性,作业时速度较快。但施工时弃土的存放和运输相对困难,泥水处理的噪音和大量泥浆的产生对环境的影响较大,同时对渗透性不同的土层必须采用不同的泥浆浓度,对设备和施工技术的要求相对较高。
3.3 非开挖管道置换
非开挖管线置换是一种新型非开挖施工技术,管道置换是指在旧管道的原位,将旧管道破碎的同时拉入或顶入新管道的更换技术。管道破碎一般采用静压和气动两种方式,静压碎管置换管道施工方法是利用拉杆机牵引碎管头将旧管道破碎并挤入土层,同时拉入新管线的施工方法。气动碎管置换管道的方法为利用气动夯管锤的冲击力将旧管破碎,并将碎片挤压到周围的土层中,同时将新管带入由气动夯管锤形成的孔内。工艺缺点:置换管道管材范围较小,一般可为300～ 600mm混凝土管、PE管、PVC管、铸铁管或陶土管;置换的新管直径一般不大于旧管管径2个级差,如旧管直径为300 ,新管管径一般为315、 350 、 400 ;因此不适用于置换为较大管径的设计,不能改变原有管线的坡度,只能按照原有管线坡度设计。同顶管一样受地质条件的影响加大,粉质粘土施工较易;砂层施工较难; 卵石层不宜采用该法施工。
4 结论
非开挖铺设排水管道这种经济、安全的施工方法,只要合理的根据实际地质情况作出相应合理的设计,往往会比明挖施工得到更好的经济和社会效益,应在今后的设计工作中大力推广。
注释
①严纯文,蒋国盛,叶建良. 非开挖铺设地下管线工程技术. 上海:上海科学技术出版社,2005.
②马保松,D.Stein,蒋国盛. 顶管和微型隧道技术. 北京:人民交通出版社, 2004.