CN111335912B - 湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，包括以下步骤：S1：对施工区域进行地质勘察，以判定软土地基位置；S2：软土地基处理：S201、布置桩孔位置；S202、钻机就位、调平，利用钻机将带有喷头的注浆管钻设至所设定深度的土层中，用浆液高压冲击土体，使土体与浆液搅拌混合，在土中形成固结体，其中，顶管工作深度至所设定深度充填素混凝土；S203、桩基挤密夯实；采用灰土进行分层回填夯实，分别从两个方向对称下料，夯扩密实后方可填料，以此反复至地面；S3：开挖机械顶管工作井、接收井，并进行设备安装；S4：机头顶进；S5：管道顶进；S6：测量、纠偏；S7：注浆减摩设备拆除。本发明加固软土地层，经济性好。

Description

湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，特别是涉及一种湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶 管施工工艺。
背景技术
湿陷性黄土地区由于局部存在地下水、泉眼、给排水管道破损等因素，造成局部形成软 土地基，对大管径顶管施工造成不良影响。软土地基天然含水量大，天然孔隙比大，压缩性 高，强度低，渗透系数小，粘度系数低。在软土土层进行顶管施工容易出现机头沉降、跑偏、 漂移等现象，影响顶管施工以及会对管道周围的建筑物及附近土体造成扰动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种加固软土地层，经济性好的湿陷性黄土地区软土地 基大管径机械顶管施工工艺。
本发明一种湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，包括以下步骤：
S1：对施工区域进行地质勘察，以判定软土地基位置；
S2：软土地基处理，其包括：
S201、布置桩孔位置并进行标记编号，所述桩孔以正方形或长方形矩阵布设，相邻桩孔中 心距设为Sa，
Sa＝da/1.13√m；
其中，da—桩径，m—置换率；
S202、钻机就位、调平，利用钻机将带有喷头的注浆管钻设至所设定深度的土层中，用浆 液高压冲击土体，使土体与浆液搅拌混合，在土中形成固结体，其中，顶管工作深度至所设 定深度充填素混凝土；
S203、桩基挤密夯实；待素混凝土桩达到设计强度后，先将孔底夯2-3锤，然后采用灰土 进行分层回填夯实，分别从两个方向对称下料，夯扩密实后方可填料，以此反复至地面；
S3：开挖机械顶管工作井、接收井，并进行设备安装；
S4：机头顶进；
S5：管道顶进；
S6：测量、纠偏；
S7：注浆减摩设备拆除。
优选的是，步骤S2中，所述桩孔的孔径da为400mm。
在上述任一方案优选的是，步骤S202中，钻孔施工顺序为由两边向中间，隔排隔桩跳打 的方法。
在上述任一方案优选的是，步骤S203中，所述灰土包括消石灰、黏土，所述消石灰与黏 土的重量百分比为2:8。
在上述任一方案优选的是，步骤S203中，每次回填灰土的厚度400～500mm，夯锤提升 高度不小于3m，夯击次数不少于6次。
在上述任一方案优选的是，所述机械顶管采用土压平衡顶管，所述土压平衡顶管采用的 管径D2为2000～4000mm。
在上述任一方案优选的是，所述素混凝土和灰土的平均压实系数不小于0.97。
与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果为：
在进行软土地基处理时，在顶管工作深度至所设定深度充填素混凝土，由于软体地基自 身的地质特点，其地质内含水量较多，素混凝土遇水更加牢固，从而增加对顶管的承载力， 进而可避免顶管机头跑偏、漂移、沉降的现象。通过在顶管工作深度至地面回填灰土，以防 止桩基表面塌陷。同时，通过采用素混凝土桩与灰土桩混合的结构形式，能够在保证软土地 基承载力的作用下，降低施工成本，经济性好。
下面对本发明的湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺作进一步说明。
具体实施方式
本发明提供一种湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，包括以下步骤：
S1：对施工区域进行地质勘察，以判定软土地基位置；地质勘察包括岩土勘察、水质勘察。
S2：软土地基处理，其包括：
S201、布置桩孔位置并进行标记编号，桩孔以正方形或长方形矩阵布设，相邻桩孔中心距 设为布置桩孔位置并进行标记编号，桩孔以正方形矩阵布设，相邻桩孔中心距设为Sa，
Sa＝da/1.13√m；
式中，da—桩径，m—置换率；
桩孔中心距Sa的具体计算过程为：
第一步，计算顶管机底压力Pk，Pk＝Gk/A+r·h+q，
式中，Pk—顶管机底压力，Gk—顶管机自重，A—顶管机底面积，r—土容重，h—顶部埋 深，q—超载地面；
预先设定期望复合地基承载力标准值fspk，以计算置换率m，m＝(fspk-βfsk)/(λRa/Ap-βfsk)， 其中fspk≥Pk，
式中，fspk—复合地基承载力标准值，fsk—桩间土承载力标准值(天然地基承载力标准值)， β—桩间土强度发挥系数，Ap—单桩截面积(m2)，λ—单装承载力发挥系数，可按地区经 验取值，Ra—单桩竖向承载力特征值(kN)；
第二步，通过计算得出的m，计算出桩孔中心距Sa；
第三步，将上述计算得出的置换率m进行沉降S验证，以使所设定的桩孔中心距Sa满足 沉降要求，具体为，
复合地基变形计算应复合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定， 地基变形计算深度应大于复合土层的深度。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的 压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ值可按下式确定：
ζ＝fspk/fak
式中，fak—基础底面下天然地基承载力特征值(kPa)
Esp＝ζ·Es，
P0＝Pk-r·d，
S＝ψsP0Ai/Esp，
式中，P0—附加压力，d—顶管机底埋深，ψs—经验系数，Esp—压缩模量，Ai—附加应力 系数面积，Es—变形计算深度范围内压缩模量的当量值；
当所计算得出的沉降S符合施工要求，则选取计算得出的桩孔中心距Sa，若所计算得出 的沉降S不符合施工要求，改变复合地基承载力标准值fspk，再次重复上述计算，直至所计算 得出的沉降S符合施工要求，并选取相对应的桩孔中心距Sa。
S202、钻机就位、调平，利用钻机将带有喷头的注浆管钻设至所设定深度的土层中，用 浆液高压冲击土体，使土体与浆液搅拌混合，在土中形成固结体，顶管工作深度至所设定深 度充填素混凝土。
通过采用高压喷射注浆法，部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲 击力，离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。 浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力， 减少地基的变形，达到地基加固的目的，具有稳定的加固效果并有较好的耐久性能。
优选的，钻孔施工顺序为由两边向中间，隔排隔桩跳打的方法。主要是为了避免挤密效 应。主要表现是：隔壁装被挤偏、地层隆起、临近建筑物损坏等。
S203、桩基挤密夯实；待素混凝土桩达到设计强度后，先将孔底夯2-3锤，然后采用灰 土进行分层回填夯实，每次回填灰土的厚度400～500mm，分别从两个方向对称下料，夯锤提 升高度不小于3m，夯击次数不少于6次，夯扩密实后方可填料，以此反复至地面；其中，灰 土包括消石灰、黏土，所述消石灰与黏土的重量百分比为2:8。
S3：开挖机械顶管工作井、接收井，并进行设备安装；
其中，工作井划分为，土方堆放区、作业区、管材堆放区，接收井划分为，作业区，材料 堆放区。
机械顶管工作井、接收井基坑开挖。工作井土方采用机械开挖，第一层采用220型挖掘机 开挖；第二层向下采用60型挖掘机开挖，每次开挖深度2.0～2.5m，人工配合出土。每层土方 开挖完成后，立即进行钢筋模板的安装，减少土体裸露时间。工作井开挖土方临时堆放在现 场，距离工作井5m以外，并应及时进行外运，现场避免大量堆放土方；不能及时外运的土 方，现场采用统一的防尘网覆盖。机械顶管工作井开挖采用龙门吊吊运出土，接收井开挖采 用小型便捷式吊具出土。
设计基坑结构安全等级为二级，抗震等级为三级；周边荷载限值20-30KN。
设备安装。
1、导轨安装
⑴导轨采用型钢制作；根据预留洞口与底板的距离，现场调整导轨的高度。
⑵导轨的安装允许偏差为：轴线3mm，顶面高程为0～+3mm，两轨间距为±2mm。
⑶导轨固定在底板上，闪端顶到洞口下侧；防止导轨向前移动。
2、后靠安装
根据顶力估算，现场后靠采用钢后靠，尺寸为2.0×4.5m(2块)；利用龙门吊将钢后靠吊至 安装位置后，利用水平尺调整后靠的垂直度，后靠中心与轴线对齐；并在护壁上钻孔植筋， 与钢后靠焊接固定，后靠与护壁间浇筑500mm厚C30钢筋混凝土，以承受顶管反力。
主顶泵站及千斤顶安装
⑴、后靠安装完成后，随后安装千斤顶，千斤顶安装在千斤顶支架上；支架中心与轴线对 齐，千斤顶与管壁对齐；千斤顶固定在千斤架上，两侧用钢楔子卡死，防止千斤顶左右滚动。
⑵主顶泵站安放在工作井外地面上，靠近坑边位置，并根据进、出阀与千斤顶油路连通。
4、顶铁
为保证出土空间，管道与千斤顶之间采用两块130cm的U型顶铁；护口均压环厚度30cm。
5、洞口止水圈
为保证注浆效果工作井内，工作井洞口安装橡胶止水圈，止水圈压板为圆形，内径比管外 径大20cm；压板宽20cm，与护壁紧贴的压板采用整体式钢板，以保证止水圈的平整度，压 板与护壁间的空隙采用水泥砂浆填充找平。
S4：机头顶进，即初始顶进；
1、设备调试检查无误后，开始进行初始顶进。初始顶进段为机头进洞到顶进工作正常阶 段。
2、初始顶进阶段所观察、调试的项目有：
⑴刀盘电流、刀盘压力、土体硬度、顶进推力。
⑵土体稠度要达到螺栓出土机条件。
⑶机头前端是否需要注水，注水量大小确定。
⑷润滑泥浆注浆压力大小确定。
⑸渣土车运输能力是否满足顶进速度、行驶速度控制在5Km/h。
⑹顶进距离与出土量在计算控制范围内。
3、当一切运行状态达到土压平衡顶进要求后，即进入正常顶进。
S5：管道顶进；
1、正常顶进阶段主要做到以下几点：
⑴顶进速度控制，保持顶进速度与螺旋出土的平衡。
⑵机头旋转控制，保持机头刀盘与土体切削力的平衡。
⑶顶力控制，确保后方顶力在设计允许最大顶力范围内。
⑷管道顶进轴线控制，允许误差在规范允许范围内；正常状态下，可每顶进一节管道进 行一次轴线控制测量；在纠偏时，每顶进0.5m进行一次测量，以保证纠偏量，避免出现少纠 和过纠。
2、遇到下列情况时停止顶进，分析原因，处理完善后再继续顶进：
⑴顶进顶力骤升或顶力达最大值；
⑵钢后靠发生位移或后靠面混凝土开裂；
⑶千斤顶油管不通或油泵工作不正常；
⑷监视器工作不正常；
⑸管材出现裂缝或破损；
⑹洞口止水圈漏水；
⑺电路发生故障。
S6：测量；
1、泥水平衡顶管施工测量是将测量控制点引至工作井内，在主顶千斤架下方设立一个稳 定，不易破坏的点位。
2、将激光经纬仪架设在工作井内的控制点上，在经纬仪上调整好管道轴线及坡度，将激 光照射在机头前端的标靶上，通过操作室的内监控观察管道的走向。
3、每顶进一节管道时，应对仪器进行校正，以免出现误差。
4、为保证管道的顶进质量，每顶完一节管道后，应用水准仪和经纬仪复测一次管道的高 程和中线。确保万无一失。
纠偏：纠偏时要做到：慢、少、勤；实际轴线与设计轴线：“渐远重视、平行不动、渐近注意”；“先有距离、后有偏差”。
1、“慢、少、勤”是为发现偏差后要慢慢纠，不要急于一次纠正过来，每次少纠，多纠几次，缓慢纠正过来。
2、“渐远重视、平行不动、渐近注意”是当发现管道轴线与设计轴线偏差越来越大时， 要重视，找出问题，确定纠偏措施；若顶进轴线与设计轴线平行时，先不动，待快出洞时， 一次性纠正过来；若纠偏后轴线与设计轴线越来越近时，要注意，适当减少纠偏量或停纠， 防止纠偏过量，造成反复纠偏。
3、“先有距离、后有偏差”是当发现偏差后，先不急于纠偏，应根据偏差量与剩余距离 来确定纠偏量，然后再进行纠偏操作。
S7：注浆减摩设备拆除。
1、注浆由专人操作，保证开始顶进与注浆同步。
2、为保证注浆效果更佳，管道顶进前，在管外壁上烤入一层蜡，增加管外壁的润滑度及 防止管壁混凝土吸收润滑浆液的水份。
3、当管道进洞后，先由顶部注浆孔开始注浆，当左下侧和右下侧的注浆孔开始向外溢浆 时，开启下侧两个注浆阀门，开始注浆。在出土过程中(未顶进)或安装管节时，应随时注意 进行补浆，以保证管外壁的浆液保满；所注浆液比重应＞1：1.1(具体数据现场试验确定)； 做到随拌随注。浆液沉淀后，需重新搅拌再使用。
4、中继间的保浆效果不理想，为防止所注润滑浆液由中继间渗漏，在中继间管节的前后 两端均焊接1圈钢板(尾部抬高2cm，钢板宽15～20cm)。
5、管节连接处安装遇水膨胀止水条或油麻，以弥补橡胶止水圈止水效果不足的情况。
本实施例中，桩径da为400mm。机械顶管采用土压平衡顶管，土压平衡顶管采用的管径 D2为2000～4000mm。素混凝土和灰土的平均压实系数不小于0.97。
本发明所具有的优点和有益效果为：在进行软土地基处理时，在顶管工作深度至所设定 深度充填素混凝土，由于软体地基自身的地质特点，其地质内含水量较多，素混凝土遇水更 加牢固，从而增加对顶管的承载力，进而可避免顶管机头跑偏、漂移、沉降的现象。通过在 顶管工作深度至地面回填灰土，以防止桩基表面塌陷。同时，通过采用素混凝土桩与灰土桩 混合的结构形式，能够在保证软土地基承载力的作用下，降低施工成本，经济性好。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行 限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的 各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对施工区域进行地质勘察，以判定软土地基位置；
S2：软土地基处理，其包括：
S201、布置桩孔位置并进行标记编号，所述桩孔以正方形或长方形矩阵布设，相邻桩孔中心距设为布置桩孔位置并进行标记编号，所述桩孔以正方形矩阵布设，相邻桩孔中心距设为Sa，
Sa＝da/1.13√m；
其中，da—桩径，m—置换率；
S202、钻机就位、调平，利用钻机将带有喷头的注浆管钻设至所设定深度的土层中，用浆液高压冲击土体，使土体与浆液搅拌混合，在土中形成固结体，其中，顶管工作深度至所设定深度充填素混凝土；
S203、桩基挤密夯实；待素混凝土桩达到设计强度后，先将孔底夯2-3锤，然后采用灰土进行分层回填夯实，分别从两个方向对称下料，夯扩密实后方可填料，以此反复至地面；
S3：开挖机械顶管工作井、接收井，并进行设备安装；
S4：机头顶进；
S5：管道顶进；
S6：测量、纠偏；
S7：注浆减摩设备拆除。
2.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，其特征在于：步骤S2中，所述桩孔的孔径da为400mm。
3.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，其特征在于：步骤S202中，钻孔施工顺序为由两边向中间，隔排隔桩跳打的方法。
4.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，其特征在于：步骤S203中，所述灰土包括消石灰、黏土，所述消石灰与黏土的重量百分比为2:8。
5.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，其特征在于：步骤S203中，每次回填灰土的厚度400～500mm，夯锤提升高度不小于3m，夯击次数不少于6次。
6.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，其特征在于：所述机械顶管采用土压平衡顶管，所述土压平衡顶管采用的管径D2为2000～4000mm。
7.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地区软土地基大管径机械顶管施工工艺，其特征在于：所述素混凝土和灰土的平均压实系数不小于0.97。
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