泥水平衡机械顶管施工工艺

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  【摘 要】 顶管法施工工艺是一种历史比较长的地下管道施工方法,它最早是美国在1896年开始成型的,而直到1984年前后,我国的一些大城市先后开始引进国外先进的机械式顶管设备,从而,使我国的顶管技术上了一个新台阶。顶管施工除了传统的人工开掘式,挤压法,水冲法之外,目前比较流行的有气压平衡,泥水平衡和土压平衡法等三种平衡理论。而泥水平衡和土压平衡顶管设备则代表着现在世界非开挖施工技术的最高水平。
  【关键词】 泥水平衡式;顶管施工;顶进;施工工艺
  一、前言
  随着我国经济持续稳定地增长,城市化进程的进一步加快,我国的地下管线的需求量也在逐年增加。加之人们对环境保护意识的增强顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。通过先进技术的引入,顶管施工得到飞跃性的发展。泥浆平衡法顶管施工技术也应运而生,并得到广泛推广使用。泥水平衡机械顶管施工是市政管道铺设的一项新技术,它省却了全线降水(仅基坑降水)工序,具有地面沉降小,对地面构筑物的稳定性影响小,施工不影响地面交通,顶进速度快(平均顶进速度15m/d以上),适应的土质广等优点。
  二、泥水平衡机械施工技术主要特点
  泥水平衡法顶管施工技术在非开挖顶管施工技术中具有如下几个明显优点:
  1、由于对所顶管道周围的土地改动很少,这样可以保持挖掘地区的安全稳定性,防止地面沉降较大。
  2、在进行长距离顶管施工时,因为泥水顶管施工时所需的总推力相对较小,这就大大提高了施工的简易性。
  3、施工条件要求低:在地下水压高,变化大且土质范围广等条件下都可以进行。
  4、施工技术偏精度较高,如今的纠偏技术已经达到了3.5度的水平。
  5、泥水平衡法顶管施工整个过程的经济性明显高于其他技术。
  6、泥水可输送废土,连续作用,进度很快。由于非开挖顶技术的优越性主要体现在如下方面:不需要对地方建筑物进行拆迁,不影响地面交通,施工条件要求低,不需开挖路面,不会造成环境污染,不影响管道的沉降變形问题。所以,非开挖顶技术具有绿色环保,施工安全性能好,经济性高,施工高效安全等优点。
  三、工程概况
  本工程位于北京市通州区内环路,位于东六环以里,由我单位承接的标段为:西起九棵树东路,东至玉带河过河桥全长1.3公里。直接参与的工程范围包括:道路工程,排水工程,以及再生水工程,其中排水工程又划分为雨水方沟工程和污水工程两大部分。其中污水主干线采用泥水平衡机械顶管。另外,污水管线管径DN1750mm-DN1950mm,全长1243米,管线埋深8.9-10.8m。关于该地区地址情况如下:粘土层约4米,4米以下为流沙,地下水位较高,基本在流沙层。根据施工所穿越的土质状况,确定采用泥水平衡机械顶管方法对该工程进行施工。
  四、泥水平衡机械顶管施工原理及工艺流程
  1、泥水平衡机械顶管施工原理
  泥水平衡式顶管施工技术是利用泥水力来平衡压力和地下水压的一种顶管施工方法。其基本原理是由掘进机头内电机驱动刀盘旋转,按预先设定的压力使刀盘紧贴在被切削的土体断面,切削的土体通过掘进机头面上的小孔进入封闭的泥水仓内,土体粉碎的过程中,机头不断前进。进入泥水仓内的粉碎土与送水泥浆泵输送进的泥浆(或清水)形成浓度更高的泥浆,再由排泥泵排出泥水仓,通过泵管排到地面上的泥浆池中。泥浆池中的泥浆经过沉淀形成淤泥,通过挖掘机将其清理外运。上部较清澈的泥水由送水泵再送至泥水仓,并经机头内旁通压力调整阀及调整排泥泵转速来调整进水压力大小,使其平衡地下水压及挖掘面压力,尽量使掘进机刀盘在平衡压力下工作,从而可防止由于挖掘面的失稳,造成地面沉降和隆起。此外,在顶进过程中,应做到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。顶进结束时,及时利用注浆孔对管外壁充填水泥浆。
  2、泥水平衡法顶管施工工艺
  顶管施工工艺流程如图所示:
  3、施工顺序
  先施工顶管工作井及接收井,后顶进管道,然后施工检查井。顶管工作井及接收井施工、管节制作、顶进施工、检查井施工和路面恢复可以交叉进行,以缩短工期。
  4、施工工艺
  (1)工作井及接收井施工
  工作井采用沉井结构(可采用不排水下沉法施工),其尺寸大小、顶力计算、后背安全系数核算等均按相关规范执行。工作井下沉至设计标高后,采用混凝土封底。底板采用钢筋混凝土制作。在工作井后座墙及前导墙外侧,设置水泥搅拌桩。搅拌桩在完成沉井封底、底板浇筑以后施工。
  (2)顶管工作坑
  工作坑亦称竖井,其位置可根据地形、管线设计、地面障碍物等因素决定,是顶管施工现场设置的临时性设施。在顶进过程中,顶管的管节从外面吊入工作坑内安装顶进,管内的出土通过泥浆泵及排泥管道抽排到地面排泥场。工作坑中除安装有顶进系统外,还设有导轨、后背及后背墙、密封圈、排水坑等设备。因顶管施工全过程需在工作坑中实施,顶管坑设计是否合理直接影响顶管施工,首先,为保证顶管施工方便及安全施工工作坑需采取防渗措施,常规做法采用水泥搅拌桩或拉森钢板桩闭水、防渗,避免顶管坑周围土体渗漏、流失引起坑边塌方;第二,顶管工作坑尺寸中宽度主要考虑顶进管材直径、两侧保留足够操作空间;长度要保证上一节管留置长度、管材长度及顶进设备长度等空间;第三,由于顶管施工全部顶力反力由顶管工作坑后背墙提供,后背墙设置要严格按照理论计算结合施工经验确保顶管施工不因后背墙破坏而无法进行。
  (3)顶管施工
  针对不同的地质情况、施工条件和设计要求,选用与之适应的顶管施工方式,如何正确地选择顶管机和配套辅助设备,对于顶管施工来说将是非常关键的。
  ①顶管设备的选型。首先进行顶力计算,顶进力为初始顶进力与各种阻力之和。通过顶力计算,确定设备型号和类型。   ②顶管出洞、进洞施工。由于顶管的部分操作在工作井内进行,顶管过程中起始点和后视点发生位移是完全可能的,顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中,开始正常顶管前的过程,是顶管的关键工序,也是容易发生事故的工序;顶管进洞:一段管道顶完,顶管机破进洞口封门进入接收井,并作好顶管机后一节管与进洞口的密封联接的过程。
  ③掘土及出土。泥水平衡顶管机前部切削土体,通过压力水进行充分搅拌后,变为泥水,通过泥水软管依靠污泥泵输送至工作井上部泥水沉淀池内。经过沉淀后,再通过高压水泵进入顶管机前部,尽量做到水资源的循环利用。
  五、本工程中顶管具体施工过程
  (1)测量准备:接到设计图纸、定线资料后,对设计资料数据进行核算。结合工程的设计文件、施工组织设计和施工技术规范,提前做好工程所需测量数据的计算准备工作,数据由第二人进行复核,合格后方可进行现场施工放线。内业计算时,高程计算取值精确到1mm。
  (2)工作坑锚喷:顶坑锚喷施工采用水平钢格栅挂钢筋网片倒挂逆作,分层开挖、分层载砼进行支护,根据土质及水文情况,采用结构厚为350mm。为保证顶坑结构稳定,在坑边设现浇砼锁口梁一道尺寸为0.5*0.8米,锁口梁上口内侧设置0.4米高240砖墙,钢筋混凝土冒梁压顶。
  (3)喷射砼:工程喷射砼设计强度等级为C30,喷射厚度为350mm,用425#普通硅酸盐水泥、中粗砂、豆石(粒径在0.5~1.5cm),配比为水泥:砂子、石子=1:2:2,速凝剂掺量为水泥重量的5%,FS-Ⅰ防水剂掺量为水泥重量的8%。水泥、砂子、豆石用搅拌机搅拌,混合料在搅拌机附近掺入速凝剂,混合料随伴随用,不掺速凝剂的干料其存放时间不应超过45分钟。另外,喷射作业分层、分片、分段依次进行,喷射顺序应自下而上,沿水平方向螺旋式移动,回旋直径为300mm左右,一圈压一圈,一次喷射厚度不得大于100mm,分三层喷满,不得在一处堆积。在喷射过程中,喷射手必须穿雨衣,带胶皮手套,戴防护眼睛河防尘口罩,喷射前必须检查工具、设备、材料是否齐全完备,喷射时管道不许有死弯,非操作人员不得在附近逗留,喷抢前严禁站人。同时,喷射机司机必须做到开始时先送风、再开机、再给料,结束时应待料喷完后再关风。向喷射机送料必须连续均匀,机器正常运转时,料斗内应保持足够的存料。喷射机的工作风压,应满足喷头出的压力为0.1Mpa左右,喷射作业完毕或因故中断喷射时必须把喷射机和运料管内的积料清除干净。
  (4)坑下布置:坑下设三道圈梁。圈梁采用HW300X300X10X15腰梁,四邊支撑,四角设八字撑,四个角点的位置下用一品混凝土立柱支撑,钢梁下方用锚杆固定,并与钢筋格栅结构焊牢。锚杆长度为2米,外漏50cm,钉入1.5米。间距为50cm—100cm。
  (5)坑上平台:顺长向码放四组共十根地梁(30#工字钢),分别为两侧各一组,每组两根,靠近中间的两组为三根一组,中间要求满足下管的宽度,工字钢比工作坑长3-4米,并且嵌入土内夯实。外侧工字钢之间应用短钢管4根(φ100)焊牢。
  (6)运输起重设备:钢筋混凝土管装卸、运输中应加倍注意接口部位的损伤。起重设备安装后,在正式作业前应试吊,吊离地面1米左右时,检查重物、设备有无异常,确认安全后方可起吊。另外,起重设备设专人操作,必须制定并严格遵守操作规程。
  (7)设备安装及顶进:顶管机放置在导轨上要正,偏转仪显示的偏转角度不应大于0.5度。另外,因为运输过程中倾斜仪可能松动,所以,还要用水平尺测量一下顶管机的水平状态,同时调整一下倾斜仪的读数,使之与实际状态保持一致。在调整机器时应当注意的是:顶镐安放在固定导轨上,必须栓固或锚固,以防不同心产生侧滑、顶力跑偏等,并随时观察顶管设备的完好情况。顶进时为保证混凝土管受力均匀,且不使母材受伤,必须加置护铁,短距离行程(10m)时可用其他方法代替。坑下也必须设置安全梯,坑内严禁使用易燃、易爆器具,碘灯不准在顶管时使用。
  此外,顶管机安装好以后可通电进行联机调试,因为刀盘的切削外径比顶管机壳体大,所以要在顶管机的壳体前端与导轨之间临时垫上20mm钢板,防止刀盘碰上导轨,试运转后再抽去。试运转正常后把井内洞口的砖墙等拆除,再把顶管机徐徐推进洞内准备顶进。其中,在本项目中,顶进采用的是D1950泥水平衡掘进机顶管,该机器总长约5.2m左右,装机容量33KW。
  (8)检查井砌筑:现浇式混凝土检查井的施工本次施工全部检查井设计均为现浇式混凝土检查井井室,流槽为砖砌式抹面流槽。由于土质多为砂土,因而全线井坑均采用锚喷式支护。
  六、工程施工操作控制管理要点
  (1)施工中所使用的水准仪、经纬仪、钢尺必须有检定合格证,超过检定周期的需重新进行检定方可进场。有关测量资料应及时报给驻地监理工程师。每个施工段要及时做好竣工测量工作,整理并保存资料,满足工程施工条件。
  (2)在喷射砼过程中,喷射手施工操作应遵守以下规定:喷射手应经常保持喷头有良好的工作性能;喷头与受喷面应保持垂直,宜保持0.6~1.0m的距离,喷射砼时应控制号水灰比,保持砼表面平整。并且在每次喷射砼前,应将前次喷射砼的接茬部位凿毛,清除表面粘附的泥土,应保障接茬处砼的密实。
  (3)在顶进过程中,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。顶进结束时,及时利用注浆孔对管外壁充填水泥浆。
  (4)在顶管顶进过程中,连续观察光靶上激光点的行走轨迹,如发生偏移大于20mm,预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时,要采取纠偏措施。具体做法如下:开动纠偏千斤顶,千斤顶顶出最大不超过1.5°。纠偏时每1m测量1次,并做机头和机尾的数据比较,有回归趋势时,保持一段顶进距离后,要停止纠偏,以防止左右摆动。纠偏的原则是勤纠、微纠,每次纠偏量不要过大,而且要注意发展趋势,当上、下、左、右均发生偏差时,先纠上、下,后纠左、右。
  (5)注浆泵、搅拌机、注浆管,注浆机械设备由专人进行全面设备维护检修,确保设备完好可用,并随时有维修人员在施工现场负责设备的维修工作,提前备注维修配件和消耗材料,(盘根、螺栓、工具等)所用注浆泵设备加装隔膜型压力表,确认注浆压力,并为注浆记录提供参考压力数据。
  七、结束语
  泥水平衡式机械顶管掘进机能够保证安全、优质、高效地完成顶进施工任务。但在顶管前,必须进行详细的调查研究,在了解土层变化情况、地下水位情况及外部气候条件下,编制可行的施工方案,在施工过程中严格控制施工工艺,按规范执行。把顶管不利因素降到最低,且不能凭经验盲目顶进,否则会造成很大的经济损失。
  参考文献:
  [1]潘海涛:《泥水平衡顶管施工在城市污水管网改造中的应用》,《科技资讯》,2008年19期
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