南京经济技术开发区新港大道拓宽改造工程K2+500—K4+430北侧顶管施工管理与控制

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  新港大道位于南京经济技术开发区北部,毗邻长江,起自南京二桥桥下,终于仙新路与杨家边路交叉口,是开发区内东西方向的一条重要通道。全长6.5公里。本工程为南京经济开发区新港大道拓宽改造工程K2+500-K4+430北侧污水管道。
  一、工程概况
  本工程位于南京经济技术开发区新港大道,根据设计图纸K2+500-K4+430北侧污水管道为D800顶管施工。顶管全长约2000米。
  参考设计图纸本段拟设有30座井,单项顶程最短60米,最长80米,具体尺寸明细如下表:
  顶管衬砌结构均采用"F"型预制钢混凝土管节,相邻两管节间采用特制接头承插连接,衬砌接缝防水采用天然橡胶制成的鍥型橡胶圈。根据新港大道地区地质情况,在确保安全、质量因素的情况下,我公司计划采用泥水平衡式掘进机,泥水平衡顶管是一中以机械切削土体,以泥水压力来稳定挖掘面及平衡地下水压,并以泥水作为输送挖掘弃土介质的一种顶管形式。
  二、现场环境及管线布置
  现场拟建井位处于慢车道及人行道上,临近无高层建筑物。施工时在沿线布置监测点,测量观测沉井顶管对沿线路面及小型路灯结构物的影响。
  管线布置情况说明:根据南侧开挖路床情况,了解过路管道及管线布置,共有过路自来水管道一处,强电管线一处,燃气管线一处,还有许多不明弱电及小型管道。现场放线出井位后,对照南侧过路管线位置,合理布置调整井位所在位置,避免沉井基坑开挖时对地下既有管线的破坏。现场施工时拟挖探槽,确认后在进行井位开挖。
  三、主要施工方案
  1.沉井施工方案
  本工程设沉井20座,具体明细如下:
  本工程沉井拟穿越①-2层填筑土,①-3层素填土及②-2层淤泥质粉质粘土夹粉土层。顶管标高位于②-2层。为防止顶管时打开洞口,流砂土体涌入井内,影响施工人员作业安全,对沉井洞口采用D800双重管高压旋喷桩加固4排防渗。
  2.基坑测量放样
  根据沉井图纸和工程地质报告所揭示的地质情况,沉井基坑开挖深度取2米,沉井刃脚外侧面至基坑边的工作距离取2米,基坑边坡采用1:1放坡。整平场地后,根据沉井的中心座标定出沉井中心桩、纵横轴线控制桩及基坑开挖边线。施工放样结束后,须经监理工程师复核准确无误后方可开工。
  3.基坑开挖
  经监理工程师认可的基坑开挖边线确定后,即可进行挖土工序的施工。挖土采用反铲挖掘机,并与人工配合操作。基坑底面的浮泥应清除干净并保持平整和干燥,在底部四周设置排水沟与集水井相通,集水井汇集的雨水及地下水及时用水泵抽除,防止积水而影响刃脚垫层的施工。开挖的土方随即用车辆外运。
  4.沉井脚手架搭设
  钢筋绑扎验收后,应进行架立外模和支架。井壁内外模使用穿心螺丝固定,穿心螺丝采用?16的圆钢,中间设置止水片,两端设置铁片控制井壁的厚度尺寸,圆钢两端头上铰成螺纹,用定制钢螺帽固定,螺杆的间距不得大于500mm,并使用双螺帽拧紧固定。拆模时拆去钢螺帽,割去外露部分,再用同标号防水砂浆二度抺平,确保不渗水。外模支架必须稳、牢、强,保证在浇捣混凝土时,模板不变形,不跑模。立井筒内模和支架由于顶管沉井高度达7米以上,因此,井身混凝土分二节浇捣,内模同样分二节安装。井筒模板采用木模及钢模组合形式,以保证模板的密封性。井身内模支架采用空心钢管支撑。钢管支架必须架设稳固,如有必要,可采用对撑支架,增加内模的稳定性。
  5.不排水法下沉与封底
  1、沉井下沉:混凝土或砌体砂浆达到设计强度的100%,其上各节达到设计强度的70%以后,才允许下沉,下沉安全系数应大于1.15。沉井下沉根据现场施工情况,适时采用不排水挖土下沉方法。不排水下沉方法:根据要求,采取不排水下沉。采用抓斗挖掘井底中央部分的土,使沉井形成锅底。可有两种情况。
  (1)若沉井自重大于下沉阻力,沉井即可靠自重下沉,而将刃脚下的土挤向中央锅底,然后再由抓斗继续抓土,沉井便可继续下沉。
  (2)若沉井自重小于下沉阻力,需采取助沉措施:
  ①采用加重法即在沉井顶面铺设平台,放上泥土、沙袋或石块等重物,使沉井有足够的下沉自重。
  ②在软粘性土层中,对下沉系数不大的沉井,采取连续挖土,连续下沉,中间停歇时间不要过长。
  ③采用射水法即在井壁腔内的不同高度处对称预埋射水管,在井壁外侧留有喇叭口朝上方的射水嘴,遇下沉缓慢或停沉时,用高压水射水以减少井壁与土层之间的摩阻力。
  ④采用泥浆润滑套法即在井壁周围空隙中充填触变性较大的泥浆(膨润土20%、火碱5%、水75%)或黄泥浆,使其形成一个具有润滑作用的泥浆套,可以大大减少作用在井壁上摩阻力,并加强管理,防止泥浆流失。
  ⑤对于不排水下沉的沉井,可采用抽水法,可以从井孔中抽出一部分,以减少浮力,增加向下压力使沉井下沉。
  沉井若下沉中要严格测量下沉标高,控制下沉速度,若有超沉现象,可采取压密注浆、井点降水等防止超沉措施:增加井壁摩阻力及忍脚下土体的支撑反力。
  2、沉井封底及底板浇筑:沉井下沉至设计标高后观察其稳定性,在8小时内沉井自沉累计量不大于10mm和每小时观察自沉量,在沉井下沉已经稳定时,才进行封底。
  6.主要施工技术措施与质量控制
  6.1、沉井施工的质量标准
  (1)刃脚平均标高与设计标高的偏差不得超过50mm。
  (2)沉井水平位移不得超过下没总深度的1%。
  (3)矩形沉井刃脚底面四角中的任何两角的高差,不得超过该两角间水平距离的1%,且最大不得超过300mm。
  (4)下沉总深度是沉井下沉前刃脚底面标高与下沉结束后刃脚底面标高之差。   6.2、质量控制的一些相关措施
  (1)沉井制作的相关要求
  ①钢筋绑扎立模,浇注砼均要求严格按设计文件、规范等进行施工。
  ②要求对角线距离相等,沉井尺寸准确。
  ③要求钢模板拼装整齐、平直、漏缝嵌密实,防止漏浆。
  ④要求模板内清洗干净,才允许浇灌砼。
  ⑤分层浇灌砼用振捣器振捣密实。
  6.3测量控制与观测
  沉井平面位置与标高的控制是在沉井四周的地面上设置纵横十字控制线、水准基点进行控制。沉井的垂直度的控制,是在井筒内按4或8等分标出垂直线,以吊线锤对准下部标板进行控制。在挖土时随时观测垂直度,当线锤距离墨线大于50mm,或四面标高不一致时,应及时纠正。沉井下沉的控制,通常在井壁上的两侧用白油漆或红油漆画出标尺,可采用水平尺或水准仪来观测沉降。在沉井下沉中,应加强平面位置、垂直度和标高(沉降值)的观测,每班最少观测两次,并作好记录,如有倾斜、位移和扭转,应及时通知值班负责人,指挥操作负责人,及时纠偏,使偏差控制在允许范围之内。
  7.沉井洞口高压旋喷桩加固
  本工程顶管轴线标高位于②-2层淤泥质粉质粘土夹粉土层。为防止顶管时打开洞口,流砂涌入井内,影响施工人员作业安全,对沉井洞口采用D800双重管高压旋喷桩防渗帷幕加固4排,搭接20cm,桩长为洞口上下各2米。水泥参入量400-450kg/m,确保把流砂封堵在洞口外.加固平面示意图如下:
  7.1、高压旋喷桩施工工艺流程
  7.1.1双重管高压旋喷桩施工流程:
  旋喷桩施工过程中一般先钻孔至设计深度,再下注浆管,用高压泵(一般为25~35MPa)将水泥浆液通过特殊注浆管端头的喷嘴(ф1.8),以高速喷入土层,喷嘴在喷浆液时,一面缓慢旋转(10rpm)、一面徐徐提升(10~15cm/min),高压喷出的浆液不断切削土层,并使强制切削下来的土体与浆液充分混合,最后在喷射力的有效射程范围内形成一个混合物圆形凝柱体,依据实际地质情况旋喷法采用的二重管法,即:同时压入水泥浆和压缩空气,使用φ73钢管为注浆管,喷射流为浆液,以30MPa压力从喷嘴中喷出,直接冲击切削土体,达到水泥浆置换土体颗粒,满足设计要求。施工流程详见旋喷注浆施工工艺流程。
  7.1.2、双重管高压旋喷桩施工方法:
  施工时首先钻孔,再用旋喷机喷射,即先把浆液管下到预定加固范围最深点,然后自下而上进行高压喷射注浆切割土体,将开孔和灌注桩体同时进行,一次成桩,其工作步骤为:
  (1)钻机就位:钻机需平置于牢固坚实的地方,钻杆对准孔位中心,偏差不超过5cm。
  (2)钻孔下管:钻孔的目的是将注浆管顺利置入预定位置,在下管过程中,需防止管外泥砂堵塞喷嘴,确保下管顺利,下管过程中同时输送压缩气流,当注浆喷头下到预定位置(预定加固范围最深点)。
  (3)制浆:不同地层选取不同注浆材料,本项目旋喷桩喷射注浆材料采用普通硅酸盐水泥(42.5#),由于淤泥质粉土渗透系数大,依據施工实际情况,可建议适量掺加水玻璃(水玻璃参量为水泥重量的1.364%)和木质素磺酸钙(木质素磺酸钙参量为水泥重量的0.2%),加快沉淀凝结。
  (4)试管:当注浆管置入土层预定深度后应用清水试压,若注浆设备和高压管路安全正常,则可搅拌制作水泥浆,开始高压注浆作业。
  (5)高压注浆作业:高压射浆自下而上连续进行,注意检查浆液初凝时间、注浆流量、压力、旋转和提升速度等参数,应符合操作规程要求。启动高压注浆泵,开始注浆,当注浆压力和电机转速稳定并达到施工设计参数后,再按施工设计提升速度开始提升钻杆,边旋转边喷浆边提升。
  (6)喷浆结束与拔管:喷浆由下而上至设计高度后,停止喷浆,拔出喷浆管,喷浆即告结束,把浆液填入注浆孔中,多余的清除掉,但需防止浆液凝固时产生收缩的影响,拔管要及时,切不可久留孔中,否则浆液凝固后将难以拔出。
  (7)注浆设备清洗:当喷浆结束后,立即清洗高压泵、输浆管路、注浆管及喷头。
  7.1.3、旋喷桩质量标准及保障措施
  1、质量标准
  (1)保证项目
  旋喷桩使用的水泥品种、标号、水泥浆的水灰比符合设计要求。
  检验方法:检查出厂证明、合格证、试验报告。
  (2)基本项目
  高压旋喷桩桩体深度、直径和桩体强度等符合设计要求。
  检验方法:钻孔取芯检验、标准贯入试验等。
  检查桩体均匀性:可采取钻孔取芯的方法,该方法也可用来检验桩体的抗压强度。依据设计要求,一般高压旋喷桩桩体强度通过钻孔取芯满足28d的无侧限抗压强度大于0.8MPa即可判定为合格。
  (3)允许偏差
  旋喷桩的允许偏差和检验方法应符合下表的规定。
  2、施工注意事项
  (1)钻机就位后应进行水平、垂直校正,钻杆应与桩位吻合,偏差控制在10mm内。
  (2)旋喷桩施工前必须确定旋喷施工参数:旋喷速度、提升速度、喷嘴直径等。
  (3)旋喷桩管达到预定深度后,应进行高压射水试验,合格后方可喷射浆液,待达到预定压力排量后,再逐渐提升旋喷管,深层旋喷时应先喷浆后旋喷和提升,防止注浆管扭断。
  (4)旋喷冒浆处理
  冒浆:旋喷时高压喷射流在地基中切削土体,其施工范围就是喷射距离加上渗透部分长度为半径的圆柱体。一部分细小的土粒被喷射浆液所置换,随着液流被带到地面上(俗称冒浆),其余与浆液搅拌混合。在旋喷过程中往往有一定数量土粒随着一部分浆液沿着注浆管冒出地面,通过对冒浆观察,冒浆量小于注浆量20%为正常现象,超过20%或完全不冒浆者,应查明原因,采取相应的措施。地层中有较大的空隙而引起不冒浆,则可在浆液中掺加适量的外加剂(水玻璃和木质素磺酸钙),使浆液在一定范围内凝固。   (5)在插管旋喷过程中,要注意防止喷嘴被堵,压力和流量必须符合设计值,否则要拔管清洗,再重新进行插管和旋喷。插管过程中,为防止泥砂堵塞,可边射水边插管,以免泥砂堵塞。
  (6)选用水泥应经试验及过筛,其细度应在标准筛(孔径0.08mm)的筛余量不大于15%,浆液搅拌后不得超过1小时。
  (7)钻杆的旋转和提升必须连续不中断,拆卸钻杆要保持钻杆有0.1m以上搭接长度,以免旋喷固结体脱节。为提高旋喷桩桩体质量,在桩底部1m范围内应采取较长持续时间的措施。
  (8)旋喷桩体的施工质量是保证施工期间基坑底稳定的关键,旋喷桩施工时,应严格按照施工规范进行施工。其施工要点如下:
  ①高压喷射注浆的施工参数应根据地质条件,通过现场施工经验调整,并在施工中严格加以控制。
  ②施工时应保证钻孔的垂直偏差不应超过0.5%,桩位偏差不应大于50mm。
  ③喷射压力,提升速度对成桩直径有较大影响,根据桩径(桩径为ф800)进行调整。
  7.2顶管施工方案
  7.2.1、机头选型
  本工程污水干管采用C50钢筋混凝土管顶管,干管管径为D800mm由于本工程工期紧,为确保工程质量万无一失,确保绝对工程安全,我公司根據以住施工经验,决定采用具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机。
  8.2.2、工作特点
  ①顶管机、主千斤顶、泥水循环系统和泥水分离装置(DESANDMAN)成套化。
  ②带锥形破碎机的条幅刀盘,能破碎小于外径30%,一轴强度196Mpa(2000kg/cm2)的砾石。
  ③该机能适用各种土壤条件,如粘质土、砂土、砂砾混合卵石土和软岩上。
  ④使用安装在轨道上的主顶油缸。一次顶进长度超过100m。
  ⑤该机由一人在地面遥控操纵即可。
  ⑥可在控制台上进行电视监测及方向控制,精度高。带有ISEKI专利的RSG双光靶方向控制系统,有经验的操作人员可以将方向误差控制在10mm之内!
  ⑦使用主千斤顶不间断便可单独顶进一节管子。
  ⑧泥水分离装置DESANDMAN是一种密封性好,操作灵活的分离系统,且能节省安装空间。
  此机型在现今使用较广,我们有着成功施工经验、技术成熟、可靠,对土层扰动少的特点。偏心破碎泥水平衡顶管掘进机是根据含水量较高的沙砾土而专门设计的。因此特别适应本工地基顶管的施工。
  7.3.2、平面布置、井内布置及管内布置
  (1)在工作井范围内实行全封闭隔离施工并布置以下必要的设施,地面指挥监测中心、办公室、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。
  (2)现场布置、设备进场时采用50t履带吊
  (3)管道顶进时,起吊设备采用跨距为14m的龙门行车(起重能力为30t),行车导轨与顶管中心线应平行铺设,并与管中心左右对称。
  (4)井内布置
  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。
  7.3.3、出洞方案
  为防止出洞口及顶进过程中泥水压力过大涌入工作井内,在洞口内预先安装一个单法兰穿墙钢套管,用于安装橡胶止水圈及止水封板。由于顶进距离长,造成管材表面及F型钢套环、砂等对橡胶止水圈不可避免的磨损,需经常更换橡胶止水圈。因此,我们在洞口里侧增加一道橡胶止水圈,当需更换外部橡胶止水法兰时,洞口内部的橡胶止水圈可防止地下水进入井内。
  7.3.4.顶进开始调试阶段以及土体取样:
  顶管下井前应作一次安装调试,油管安装先应清洗,防止灰尘等污物进入油管,电路系统应保持干燥,机头运转调试各部分动作正常,液压系统无泄漏。
  机头下井后刀盘应离开封门1米左右,放置平稳后重测导轨标高,高程误差不超过5mm,既可开始凿除砖封门,砖封门应尽量凿除干净,不要遗留块状物,同时可进行土体取样工作,使用Ф100,L=500mm的两根钢管在洞口上下部各取长400mm的土样,取样工作完成后随既顶机头,使机头刀盘贴住前方土体。
  机头属于刀盘不可伸缩型,土压力表所显示的土压力为泥仓土压,显示的土压力与实际顶进的土压力存在一个压力差ΔP,此值一般取15-30T,由于进泥口是衡定的,TCZ机头的土压控制主要通过顶速来调节,每次初顶时先调节好送水压力,然后打开机内止水阀,转动刀盘,关闭机内旁道,待流量达到额定值的80%时既可开始顶进,送水压力可通过机内压力调节既可完成。
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