CN109372532A - 复杂地址环境下顶管施工工法 - Google Patents

复杂地址环境下顶管施工工法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂地址环境下顶管施工工法,是采用面板式中3.5m大刀盘土压平衡顶管掘进机,被切削的土体从主切削刀刃的缝隙中进入泥水舱,泥水舱内土体在刀盘后的搅拌棒和泥水的共同作用下破碎成为泥浆;通过控制泥水舱的泥水压力和泥浆比重来半衡外挖面的水土压力,使开挖面始终处于稳定状态。对于土质较差且管道埋深较大的或是位于繁华地段、上部有建(构)筑物或交通干线以及周围环境对位移、地下水有严格限制的地段,本发明采用大口径土压平衡顶管法施工容易安全、质量高、投资少、工期省,有效控制了对周边管线的挤压和地面的沉降,在保护地下重要管线施工的同时又保证了地面交通运行流畅。

Description

复杂地址环境下顶管施工工法
技术领域
本发明涉及一种复杂地址环境下顶管施工工法,属于建筑工程施工技术领域,适用于管径在2700mm-3500mm范围内、埋深超过9m的淤泥质或粘性土层内暗挖管道工程施工。
背景技术
在城市核心区的复杂环境下,采用传统的大开挖方式已无法满足文明施工和安全技术的要求,而顶管施工是一种地下管道施工方法,它不需要开挖面层,并能穿越公路、铁道、地面建筑物及各种管线。
顶管施工的主要特点是顶管单次顶进长度最长达274米,单次顶进长度长,包含混凝土直线+曲线顶管(R=810),对顶进过程中的测量控制要严格。而且顶管穿越土层土质为淤泥质粉质粘土,土质较差,土体各项指标变化较大,更容易对地铁隧道的稳定产生破坏,对顶进过程的控制要求高。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂地址环境下顶管施工工法,以克服现有的复杂地址环境下顶管施工工法存在的不足。
本发明的技术方案如下:
一种复杂地址环境下顶管施工工法,主要有以下技术要点:
首先,本发明采用面板式中3.5m大刀盘土压平衡顶管掘进机,被切削的土体从主切削刀刃的缝隙中进入泥水舱,泥水舱内土体在刀盘后的搅拌棒和泥水的共同作用下破碎成为泥浆。通过控制泥水舱的泥水压力和泥浆比重来半衡外挖面的水土压力,使开挖面始终处于稳定状态。面板式大刀盘切削刀的设计和布置还参考了日本有关掘进机的形式,满足最佳的切削效果,同时使得进泥流畅,对开挖面的扰动又最小,使开挖面处于最佳的平衡状态,机头正面土体产生的挤压应力大为减小,切削面以外土体的扰动相应减小。
其次,本发明采用触变泥浆系统,在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套,不仅可使顶进阻力成倍的下降,而且对控制地表沉降、减少土体的扰动有很好效果。
其中,触变泥浆系统是在顶进过程中,通过压浆环管向节外壁压注一定数量的减摩泥浆,采用多点对称压注使泥浆均匀的填充在管节外壁和周围土体间的空隙,在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套。这里的泥浆的重量配比为:膨润土:CMC:纯碱=1000:60:8;膨润土:水=1:6。
本发明的有益效果:对于土质较差且管道埋深较大的或是位于繁华地段、上部有建(构)筑物或交通干线以及周围环境对位移、地下水有严格限制的地段,本发明的技术方案相比开槽明挖法施工采用大口径土压平衡顶管法施工容易安全、质量高、投资少、工期省,有效控制了对周边管线的挤压和地面的沉降,在保护地下重要管线施工的同时又保证了地面交通运行流畅,满足文明施工和安全技术要求。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图;
图2是本发明的顶管机结构示意图;
图3是图2的顶管机剖视图;
图4是注浆孔布置示意图。
附图标记说明:1-刀盘;2-刀盘主轴;3-前段壳体;4-隔舱板;5-主轴减速器;6-刀盘电机;7-纠偏油缸;8-壳体密封;9-光靶;10-后壳体;11-吊杆,12-出土管,13-弯头,14-注浆法兰,15-自落式单向阀,16-三通,17-胶管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不作为对本发明的任何限制。
本发明的技术方案是采用面板式中3.5m大刀盘土压平衡顶管掘进机,被切削的土体从主切削刀刃的缝隙中进入泥水舱,泥水舱内土体在刀盘后的搅拌棒和泥水的共同作用下破碎成为泥浆。通过控制泥水舱的泥水压力和泥浆比重来半衡外挖面的水土压力,使开挖面始终处于稳定状态。面板式大刀盘切削刀的设计和布置还参考了日本有关掘进机的形式,满足最佳的切削效果,同时使得进泥流畅,对开挖面的扰动又最小,使开挖面处于最佳的平衡状态,机头正面土体产生的挤压应力大为减小,切削面以外土体的扰动相应减小。
采用触变泥浆系统,在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套,不仅可使顶进阻力成倍的下降,而且对控制地表沉降、减少土体的扰动有很好效果。下面给出一个具体的实施例。
实施例1:
工程概况:“虹桥商务区东片区综合改造市政配套一期工程二标段”项目位于上海市虹桥商务区东片区范围内。施工范围包括:迎宾五路、空港一路、空港三路、空港八路、东航路、雨水泵站、污水消毒站及污水泵站、给水泵站等三个泵站的施工。采用本发明的施工工法在迎宾五路至友乐路DN2700-DN3500雨水管616.39m管段顶管施工中得到良好的应用。顶管施工段地表沉降控制良好,地表整体略有沉降趋势,其中仅2#~1#顶管段DB9~DB13测点处地面出现裂缝,最大沉降值在DB12-4测点为129.75mm,其余段测点处于正常范围内。
1施工工艺流程及操作要点
1.1施工工艺流程图如图1所示。
1.2操作要点
1.2.1施工准备
1管线搬迁准备。在现场2个接收井、2个工作井以及顶管顶进施工过程中,要提前对现场的管道进行摸排,确保在现场4个井以及顶管施工之前,对施工围墙范围内的管线进行搬迁、截流或者改道,确保施工不影响现场管道的运行,所有管道的搬迁、截流或者改道均需经过管线所属单位的同意,并编制相关管线保护及搬迁方案,确保现场施工的顺利进行。
2技术准备。施工前详细了解周边交通的具体情况,针对本工程顶管施工工作将对现场道路及交通产生影响编制交通组织部署方案,并及时上报交警部门。针对危险性较大方案,组织专家进行论证,对现场管理人员、施工班组以及劳动作业人员进行详细的安全技术交底。
3所有物资、机具、检测仪器、人员准备完毕,满足现场施工条件。提前对大型机械设备进行组装和调试,确保设备的投入不影响现场的施工进度。
1.2.2工作井设置与施工
1顶管施工过程共包括2个工作井(2#、4#),2个接收井(1#、3#)以及一个进水闸门井。土方开挖深度均大于5.0,m,属于深基坑施工,基坑开挖深度约7.8m-14.6m,基坑开挖深度深,安全要求高。
2 1#接收井和2#工作井的围护结构采用的工法桩,三轴搅拌桩采用履带式三轴搅拌桩机进行施工,H型钢采用汽车吊进行施工,三轴水泥搅拌桩用SMW工法桩;基坑围护、坑内加固、进出洞口止水加固用SMW工法。坑内土体加固分为坑底以下及坑内两部分。坑底以下土体加固采用42.5水泥,水灰比0.5-0.7,水泥掺量为20%。坑内一下土体加固采用42.5号水泥,水灰比为0.5-0.7,水泥掺量为8%-10%。设计要求:应保证加固体的连续性,每一施工段应连续施工,相邻桩体施工间隔不得超过24小时。
3 3#接收井和4#工作井的围护结构采用钻孔灌注桩施工,3#接收井围护灌注桩有等多种形式,灌注桩桩长为26.7m,共计灌注桩数量为28根;4#工作井的围护灌注桩为灌注桩桩长为29.0m,共计灌注桩数量为38根;灌注桩混凝土等级为水下C30,抗渗等级为S8,采用导管浇筑混凝土。现场投入2台GPS—10钻机施工灌注桩,先进行4#工作井的灌注桩施工,现采用顺时针跳打施工;待4#工作井灌注桩施工完成后3#接收井附近的高架桥已通行且一标段的下沉式地下通道施工完成后,将灌注桩机转移至3#工作井施工,施工顺序按照逆时针跳打的方向施工。
4本工程中顶管井内侧的水平支撑均采用钢管支撑施工,灌注桩内侧钢圈梁采用双拼H800×300×14×26,吊装机械QY-25T吊机。具体各个工作井的钢支撑概况如下表5.2.1所示:
1.2.3顶管掘进机选择
1本工程采用D型土压平衡顶管掘进机掘进(DN2700、DN3000、DN3500各一台),为加快出土速度,布置泥水系统。根据设计文件和地质报告提供的资料,顶管施工主要涉及第③及③t层。第③层以淤泥质粘性土为主,呈流塑状态,土质较均匀,局部夹少量薄层粉砂,顶进阻力小,易于顶进;而第③t层以粉性土为主,松散状态,呈透镜体状局部分布,在动水压力下易产生流砂和管涌。该层Ps值约1.14MPa,顶进阻力稍大,故顶管顶进涉及第③t层时,阻力有一定差异。顶管施工时应注意到第③及③t层土性有差异,需注意顶进阻力变化时易使管道产生轴向偏离,故应采取一定措施,如在管壁四周压注触变泥浆等。
2本发明采用的顶管机结构如图2和图3所示,主要特点为:该设备主要分为前段壳体3和后壳体10,还设有壳体密封8。①刀盘1是针对淤泥质粘土地质设计的,安装在刀盘主轴2上,设置在前段壳体3中,通过隔仓板4与后面部分隔开。刀盘1开口率大,提高刀盘1开挖效率,保证了出土的效率。②还可配置有注浆设备,同步注浆系统的注浆管路在顶管上,另设备用注浆管路,可保证同步注浆的可靠性。注浆设备还可用于顶管中继间的二次注浆。③开挖面加泥装置对送入开挖面的泥浆浓度和流量进行监测,调节土压力、流量,使泥浆输入量和土碴的开挖量相一致,保持土压压力与土层压力和水压力平衡,保证工作面的稳定。出土设备由出土管12和吊杆11等部件构成。④变频电机作为刀盘电机6驱动,与主轴减速器5配合,传动效率高,便于刀盘1调速,驱动系统紧凑,可靠性高。同时还设置了纠偏油缸7。⑤通过激光导向姿态控制系统保证掘进方向的准确性和对顶管机姿态的控制,通过光靶9进行导向。⑥顶管机上安装的摄像系统可实现在地面,对整个掘进过程进行远程监控。
1.2.4触变泥浆系统布置
1在顶管顶进施工过程中,对于一定的土层和管径,其迎面阻力为一定值;而沿线管道所受到的摩阻力将会随着顶进长度的增加而增加。管道与周围土体的摩阻力,在正压力不变的情况下,摩擦系数是其主要影响因素。因此,要降低摩阻力就必须要降低摩擦系数的值。目前主要采用膨润土触变泥浆来降低摩擦系数的大小。
2在顶进过程中,通过压浆环管向节外壁压注一定数量的减摩泥浆,采用多点对称压注使泥浆均匀的填充在管节外壁和周围土体间的空隙,在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套,来减少管节与土体间摩阻力,起到降低顶进阻力的效果,不仅可使顶进阻力成倍的下降,而且对控制地表沉降、减少土体的扰动有很好效果。因此,在实施穿越时,为了确保完整泥浆套的形成,严格控制泥浆质量并选用优质膨润土,并根据穿越前100m的顶进情况,不断优化泥浆配比,以确定泥浆配比为:膨润土:CMC:纯碱=1000:60:8(重量比,下同);膨润土:水一1:6。在控制好泥浆配比的同时,控制泥浆拌制质量;拌制好的泥浆静置24h后,要求漏斗粘度时间大于26S,并使用前再次搅拌。其次,在压浆时还着重控制以下4点:①出洞口的止水装置要确保不渗漏,管节接口和中继问的密封性能良好,是形成泥浆套的先决条件;②从出洞口开始压浆,出洞口的压浆可以避免管子进入土体后被握裹,进而引起“背土”的恶果;管道在“背土”条件下的运动将对土体产生很大的扰动;③机尾的同步压浆,使泥浆套随机头不断延伸,若不及时压浆,机壳外面也很容易产生背土现象,尤其是在穿越地铁隧道阶段,确保机尾处泥浆套形成对减少土体扰动非常重要;④对管道沿线定时补浆,不断弥补浆液向土层的渗透量.在穿越过地铁隧道后的后续顶进中,不断地补浆有助于减少管道前移时对地铁隧道上方土体的摩擦扰动。
3注浆孔布置:①顶管机尾部环向均匀地布置了4只压浆孔,用于顶进时跟踪注浆。②连接环(过渡环)布置一道4孔注浆孔。③长距离顶管,前200m顶进时每2节管节布置1组,每组4只孔。管底不布置注浆孔,每个中继间处均布置注浆孔。④注浆孔采用自落式单向阀15。⑤每20节(50米)设置一只一个浆液压力监察孔,安装压力表,以控制浆液压力。⑥进出洞口设置安装压力表监测洞口浆液压力。⑦注浆管安装总阀门、分阀门,可同时注浆亦个单独注浆。⑧为确保同步注浆的压浆量,二段长距离顶管在第一节中继间前放储浆筒,专门负责机头及前面管节的同步注浆,亦可向后补浆;短距离顶管直接注浆。⑨注浆孔最后处理:单瓣单向阀,用六角螺塞塞好,螺纹压氧密封膏封堵,然后进行密封试验,确保每个注浆孔封堵合格。如图4所示。
1.2.5导轨安装
先复核管道中心位置,计算导轨轨距。采用装配式轻型导轨,按轨距安放在砼基础面上。二根轨道必须互相平行、等高,导轨面的中心标高按设计管底标高设置,坡度与设计管道坡度相一致,工作坑的砼基础面标高为管底标高减去导轨的构造高度和10mm以下调整的薄铁板厚度。导轨定位后必须稳固、正确,在顶进中承受各种负载时不位移、不变形、不沉降。
1.2.6顶进设备安装
将主顶千斤顶对称布置为4或6个,固定在组合千斤顶架上作整体吊装。每台千斤顶规格一致,行程同步,油路并联,共同作用,均备有独立的控制阀,伸出的最大行程小于油缸行程10cm左右。油泵设备设在距离主顶千斤顶的近处,并设置防雨棚,油路安装顺直,减小转角,接头不漏油,油泵的最大工作压力不大于32KPA,装有限压阀、溢流阀和压力表等指标保护装置,安装完毕后必须进行试车,在顶进中定时检修维护,及时排除故障。选择符合要求刚度的马蹄形顶铁,受力后无变形,相邻面垂直,排列不扭曲,单块放置稳定性好,连续部位不脱焊,不凸面,与导轨的接触面平整,顶进前滑动部分抹牛油润滑。环形顶铁与钢筋砼管口相吻合,中间用软木板衬垫。
1.2.7顶进施工
1顶管机进洞
在顶管机进洞前,需对顶管机、主顶进装置等主要设备进行一次全面的检查、调试工作,对存在问题及时解决;同时,充分准备好顶管出洞施工所需材料,并在各相关位置就位。仔细检查好洞口橡胶衬压密效果,以确保顶管机正常进洞。工作井洞口止水装置应确保良好的止水效果。根据设计预留的法兰,我们在法兰上安装洞口止水装置。该装置必须与导轨上的管道保持同心,误差应小于2mm。洞口围护墙凿除完成后,顶管机迅速靠上开挖面,并调整洞口止水装置,贯入工作面进行加压顶进,尽量缩短开挖面暴露的时间。
2顶管试顶进
顶管机在进洞后顶进的前50m作为顶进试验段。通过试验段顶进熟练掌握顶管机在本工程地层中的操作方法、顶管机推进各项参数的调节控制方法;熟练掌握触变泥浆注浆工艺;测试地表隆陷、地中位移等,并据此及时详细分析在不同地层中各种推进参数条件下的地层位移规律,以及施工对地面环境的影响,并及时反馈调整施工参数,确保全段顶管安全顺利施工。
3进洞施工注意事项
顶管机进洞前要根据地层情况,设定顶进参数。开始顶进后要加强监测,及时分析、反馈监测数据,动态地调整顶管机顶进参数,同时还应注意以下几点:①进洞前在基座轨道上涂抹油,减少顶管机推进阻力。②进洞前在刀头和密封装置上涂抹油脂,同时在刀头上包一层油布,避免刀头损坏洞门密封装置。③进洞基座要有足够的抗偏压强度,导轨必须顺直,严格控制其标高、间距及中心轴线。④及时封堵洞圈,以防洞口漏浆。⑤防止顶管机旋转、上飘。顶管机出洞时,正面加固土体强度较高,由于顶管机与地层间无摩擦力,顶管机易旋转,宜加强顶管机姿态测量,如发现顶管机有较大转角,可以采用刀盘正反转的措施进行调整。顶管机刚出洞时,顶进速度宜缓慢,同时加强后背支撑观测。⑥在顶管机靠上正面土体后,需立即开启刀盘切削系统进行土体切削,以防顶管机对正面土体产生过量挤压,使切削刀盘扭距过大。⑦由于顶管初出洞处于加固区域,为控制顶进轴线。保护刀盘,顶进速度以0.5cm/min为宜。⑧在顶管初出洞段顶进施工过程中,对顶管机姿态要勤测勤纠,力争将出洞段顶管轴线控制到最好,为后阶段顶管施工形成一个良好的导向。⑨顶管机完全贯入地层,顶管机以及出发的各设备均处于极不稳定状态,顶进中要经常检查,发现异常,立刻停止顶进,进行妥善的处理。
4顶进操作及注意事项
出洞工作结束后,即可进行正常的顶进施工。一节管节顶进结束后,缩回主千斤顶,焊接下一节管节,再继续顶进。考虑到附近轨交10号线及航油管每天顶管顶进速度控制在5~10m,并加强周边环境监测。
顶进施工期间,管道内的动力、照明、控制电缆等均应结合中继间的布置分段接入,接头要可靠。管道内的各种管线应分门别类的布置,并固定好,防止松动落。在工具管处应放置应急照明灯,保证断电或停电时管道内的工作人员能顺利撤出。
顶进中还需注意地层扰动,顶进引起的地层形变的主要因素有:工具管开挖面引起的地层损失;工具管纠偏引起的地层损失;工具管后面管道外周空隙因注浆填充不足引起的地面损失;管道在顶进中与地面摩擦而引起的地层扰动;管道接缝及中继间缝中泥水流失而引起的地层损失。所以在顶管施工中要根据不同土质、覆土厚度及地面建筑物等,配合监测信息的分析,及时调整土压平衡值,同时要求坡度保持相对的平稳,控制纠偏量,减少对土体的扰动。根据顶进速度,控制出土量和地层变形的信息数据,从而将轴线和地层变形控制在最佳状态。
5曲线顶管施工
本工程2#工作井~3#接收井处采取曲线顶管,曲率半径R=810m。管道顶进时要使其形成曲线需要采取必要的强制手段。一般在前20米的管道形成了曲线后,后方跟进的管节基本沿原来的“曲线轨道”前进。为确保每个管节的接口张开均匀保证曲线的线型质量,须用液压千斤顶来调整接口张开量。当接口张开后,用垫制的厚木垫嵌入开口处而使接口张开量保持恒定。
曲线顶管测量措施:①转点数的确定:根据管径、曲率半径可计算出曲线段管内可通视两点间的距离最大弧长,考虑到实际曲线的偏差存在,再设定曲线段内需设的转点,方可测出机头的位置。②测量的精度控制:每次测量数据采用支导线法读出,误差应小于4秒。③测量频率:每顶进1个管子测1次机头位置;本工程小曲率半径顶管根据实际情况加大测量频率。④测量数据及其处理:施工前先将设计曲线段上的点的坐标计算列表;再顶进时,将基坑至转点、转点之间的距离,方位角测出,在计算器处理之后,可得到直观的机头位置值,与设计值比较后,就可知机头实际位置偏差值。
管道顶进时要使其形成曲线必须要有强制手段,本工程利用机头纠偏油缸使(管道)机头一侧“伸展”形成曲线,这种“伸展”所产生的曲线部位稳定可靠。一般来讲,当前20米的管道形成了曲线后,后方跟进的管节基本沿原来的“通道”前进。为确保接口张开量均匀,保证曲线的线型质量,须用液压千斤顶来调整接口张开量。放置千斤顶的管节接口处要预埋钢盒,在机头后3节管节的接口处预埋钢盒。
顶管施工中使用的润滑减阻浆液性能的优劣是决定施工能否顺利进行的关键,工作浆液需具有以下性能:稳定和支撑土体,防止坍塌,降低顶进摩擦阻力,减少腐蚀以及对施工人员和环境不会造成危害等。目前常用的工作浆液是以膨润土为主,添加多种聚合物从而达到润滑减阻以及护壁的目的。应用于顶管施工中的聚合物主要有聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维素(CMC)、多阴离子纤维素(PAC)等,此等高分子具有长网链状结构,可使膨润土颗粒嵌于网眼中,堵塞土体孔隙。最终我们选定羧甲基纤维素(CMC)作为浆液添加剂,羧甲基纤维素(CMC)相比其他聚合物可明显改善浆液滤失性能,漏斗黏度、塑性黏度、静切力随CMC掺量增大呈线性增大趋势。
以上只是本发明的具体应用范例,本发明还有其他的实施方式,凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种复杂地址环境下顶管施工工法,其特征在于:采用面板式中3.5m大刀盘土压平衡顶管掘进机,被切削的土体从主切削刀刃的缝隙中进入泥水舱,泥水舱内土体在刀盘后的搅拌棒和泥水的共同作用下破碎成为泥浆;通过控制泥水舱的泥水压力和泥浆比重来半衡外挖面的水土压力,使开挖面始终处于稳定状态。
2.根据权利要求1所述的复杂地址环境下顶管施工工法,其特征在于:采用触变泥浆系统,在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套。
3.根据权利要求2所述的复杂地址环境下顶管施工工法,其特征在于:所述触变泥浆系统是在顶进过程中,通过压浆环管向节外壁压注一定数量的减摩泥浆,采用多点对称压注使泥浆均匀的填充在管节外壁和周围土体间的空隙,在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套。
4.根据权利要求3所述的复杂地址环境下顶管施工工法,其特征在于:所述泥浆的重量配比为:膨润土:CMC:纯碱=1000:60:8;膨润土:水=1:6。
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