一种用于复杂地质层的顶管施工方法
技术领域
本发明涉及一种用于复杂地质层的顶管施工方法。
背景技术
污水海湾排放是污水排放出口设在海湾并向海水中排放的一种污水排放形式。由污水处理厂引出的排海管由陆域段和海域段连接而成。陆域段排海管要在陆地上进行埋设至海岸,再通过陆域过渡段与海域段排海管连接。考虑管道的埋深、开挖条件和经济性等因素,在埋深较大、无开挖条件的管道多采用顶管施工。顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法,它不需要开挖面层,并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力,把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时,也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间,以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。但是若顶管要穿越复杂地质层时,如顶管要穿越残积土、微风化花岗、强风化花岗、粉质粘土和砾质黏土等多种地层,地质变化频繁,岩石最高强度约115MPa。同时顶进轴线上有多块强度较高的孤石时,设备难以控制方向且破碎难,因此顶进速度慢,对地层扰动大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种用于复杂地质层的顶管施工方法,它根据管道所穿越地层地质特点,采用泥水平衡模式进行顶进施工,可减少顶进过程中对地层的扰动。
本发明的目的是这样实现的:一种用于复杂地质层的顶管施工方法,采用泥水平衡复合刀盘破岩式顶管机;所述顶管施工方法包括以下流程:顶管井内设施安装、管道安装、顶管始发、顶管顶进、中继间施工以及顶管到达接收井;
进行顶管井内设施安装流程时,包括以下步骤:后背墙加强、后靠背安装、顶管机的主顶油缸下井就位、两根始发轨道安装、顶管机的掘进机安装、测量仪器安装以及洞门密封止水装置安装;所述顶管井具有底板;后背墙形成于顶管井的后侧面;后靠背紧贴在后背墙的前侧面并且垂直地面;所述主顶油缸布置在两根始发轨道上且后端抵靠在后靠背的前侧面,主顶油缸的前端能够推送管道;两根始发轨道平行地铺设在主顶油缸前方的顶管井的底板上,用于限定管道的顶进方向;所述掘进机布置在两根始发轨道上,并位于所述管道的前方;
进行管道安装流程时,将管道缓慢吊至顶管井内的两根始发轨道上;第一节管道的前端与掘进机的尾端为承插式连接,第一节管道的前端的承口上安装两道止水密封圈,然后被主顶油缸推到掘进机的尾端插口中,并与掘进机的螺杆连接;第二节管道的前端与第一节管道的尾端也为承插式连接,第二节管道的尾端设有焊接坡口并与第三节管道焊接连接,第三节管道与后续的管道之间均为焊接连接;管道插接或焊接完成后再顶进;第一节管道顶进时采用U型铁压在第一节管道的尾部上;
进行顶管始发流程时,掘进机出洞时,用U型铁压在掘进机的尾部;
在掘进机带着管道向前顶进时,要向管道的外表面与地层之间的间隙压注一定量的润滑泥浆,使掘进机、管道与地层之间形成一层泥浆套;先计算出润滑泥浆的理论注浆量,再根据理论注浆量和地质状况计算润滑泥浆的实际注浆量;实际注浆量用如下公式计算:V=2π×(R2-r2)×L×f
式中:V为实际注浆量,m3;
R为顶管机的开挖直径,m;
r为顶进的管道外径,m;
L为顶进长度,m;
f为实际注浆量与理论注浆量之间的差异系数,取1.5~3.0;
顶管始发时掘进机的掘进参数:掘进面水压>静水压0.1bar;刀盘转速为≥2.0rpm;刀盘扭矩为80bar;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量>150m3/h;润滑泥浆比重≥1.05;
润滑泥浆在掘进机尾部后0~20m以内应充分注浆,以形成一个稳定、完整的泥浆套;掘进机尾部后0~20m以内的润滑泥浆的同步注浆量为所述间隙容积的2~3倍,再后面的润滑泥浆的同步注浆量为所述间隙容积的1.5~2倍;对于顶管曲线段超挖、顶管纠偏、地层特别松散、裂隙发达、透水性强的地段,润滑泥浆的同步注浆量不超过所述空隙容积的5~6倍;每个断面均布地布置3~5个注浆孔;相邻断面上的注浆孔平行布置或交错布置;每个注浆孔均要安装球阀;掘进机尾部的几节管道应连续设置注浆孔;在顶管井的顶出洞口周围和接收井的顶进洞口上均应预埋注浆孔,在顶管始发、管道顶进时用于注入润滑泥浆,而在管道贯通需要封闭洞门时用于注入水泥浆封水;
进行顶管顶进流程时,包括正常顶进和管道焊接;
当顶进残积土地层时,采用泥浆模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.1~0.2bar,根据潮汐变化,保证大于静水压力0.2~0.3bar;刀盘转速为1.0~2.0rpm;刀盘扭矩为80~120bar,连续大于120bar时,空转破碎;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量≥150m3/h;润滑泥浆比重≥1.05;
当顶进砂层时,采取泥水平衡模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.1~0.2bar,根据潮汐变化,保证大于静水压力0.2~0.3bar;刀盘转速为1.0~1.5rpm;刀盘扭矩为80~120bar,连续大于120bar时,空转破碎;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量≥180m3/h;润滑泥浆比重≥1.1;
当顶进岩石层时,采取泥水平衡模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.1~0.2bar,根据潮汐变化,保证大于静水压力0.2~0.3bar;刀盘转速为≥2.0rpm;刀盘扭矩为80~120bar,连续大于120bar时,空转破碎;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量<150m3/h;润滑泥浆比重≥1.1;
当顶进下硬上软地层时,采取泥水平衡模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.18~0.22bar;刀盘转速为≥1.5rpm;刀盘扭矩为100bar;推进压力为90bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量>150m3/h;润滑泥浆比重≥1.15;
进行中继间施工流程时,中继间的密封装置包括两道径向可调的橡胶密封圈和两道橡胶止水圈;两道径向可调的橡胶密封圈用于中继间伸缩时密封,在两道径向可调的橡胶密封圈之间设置四只注油孔;一道橡胶止水圈用于顶管结束以后,切割法兰和拆卸两道径向可调的橡胶密封圈时的临时防水;中继间的工作顺序是:第一中继间顶完后卸油压开始第二中继间顶进,最后开始顶管井内主顶油缸的顶进,完毕,再开始循环顶进;
进行顶管到达接收井流程时,掘进机的掘进参数:掘进面水压>静水压0.15bar;刀盘转速为≥2.0rpm;刀盘扭矩为100bar;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;泥浆流量>150m3/h;润滑泥浆比重≥1.05。
上述的用于硬岩石地层的顶管施工方法,其中,进行管道顶进流程时:第三节管道和后续管道两端的焊接坡口为V型坡口,并将每节管道上部230°范围的坡口的开口朝管壁外,形成上部外坡口,将管道下部130°范围的坡口的开口朝管壁内,形成下部内坡口;焊接时,两节管道均吊装并放置在两根始发轨道上,将两节管道的上部外坡口对准上部外坡口,下部内坡口对准下部内坡口;上部外坡口在管道外焊接,下部内坡口在管道内焊接;焊接前,下部内坡口要在管道的外壁黏贴陶瓷垫片,上部外坡口要在管道的内壁黏贴陶瓷垫片,并在前一节管道内外壁的后端均焊接管码,管码卡接在前、后节管道上的搭接宽度均为150mm,通过管码的定位压力使前、后节管道的管壁平齐并在同一水平上,然后点焊固定,边焊接边拆除管码。
上述的用于硬岩石地层的顶管施工方法,其中,所述润滑泥浆的配比为:水︰膨润土=4~5︰1,土︰掺合剂=20~30︰1;掺合剂采用废机油或粉煤灰;润滑泥浆的注浆管路包括主管和支管,主管采用直径为40~50mm的钢管,支管采用25~30mm的橡胶管,并要求管路的接头在压力1kPa下无渗漏现象。
本发明的用于硬岩石地层的顶管施工方法具有以下特点:根据管道所穿越地层地质特点,采用改进过的泥水平衡复合刀盘破岩式顶管机以泥水平衡模式进行顶进施工,并选择合适的顶进参数,可撕裂中风化、部分孤石和混凝土块等障碍物,机舱具有二次破碎功能,适应各种不同地层长距离顶管施工,减小地层压力损失,将地表隆陷控制在允许的范围内,可减少顶进过程中对地层的扰动。
附图说明
图1是本发明的用于复杂地质层的顶管施工方法采用的每节管道的轴向剖面图;
图2是图1中的A-A向视图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的用于复杂地质层的顶管施工方法,采用泥水平衡复合刀盘破岩式顶管机,并包括以下流程:顶管井内设施安装、管道安装、顶管始发、顶管顶进、中继间施工以及顶管到达接收井。
进行顶管井内设施安装流程时,包括以下步骤:后背墙加强、后靠背安装、顶管机的主顶油缸下井就位、两根始发轨道安装、顶管机的掘进机安装、测量仪器安装以及洞门密封止水装置安装;顶管井具有底板;后背墙形成于顶管井的后侧面;后靠背紧贴在后背墙的前侧面并且垂直地面;主顶油缸布置在两根始发轨道上且后端抵靠在后靠背的前侧面,主顶油缸的前端能够推送管道;两根始发轨道平行地铺设在主顶油缸前方的顶管井的底板上,用于限定管道的顶进方向;掘进机布置在两根始发轨道上,并位于管道的前方;
进行管道安装流程时,将管道缓慢吊至顶管井内的两根始发轨道上;第一节管道的前端与掘进机的尾端为承插式连接,第一节管道的前端的承口长度为140mm,在承口上安装两道止水密封圈,然后被主顶油缸推到掘进机的尾端插口中,并与掘进机的螺杆连接,防止掘进机反转;第二节管道的前端与第一节管道的尾端也为承插式连接;第二节管道的尾端设有焊接坡口并与第三节管道焊接连接,第三节管道与后续的管道之间均为焊接连接;
第三节管道和后续管道两端的焊接坡口均为V型坡口;每节管道上部230°范围的坡口的开口朝管壁外,形成上部外坡口,将管道下部130°范围的坡口的开口朝管壁内,形成下部内坡口(见图1和图2);焊接时,两节管道均吊装并放置在两根始发轨道上,将两节管道的上部外坡口对准上部外坡口,下部内坡口对准下部内坡口;上部外坡口在管道外焊接,下部内坡口在管道内焊接;焊接前,下部内坡口要在管道的外壁黏贴陶瓷垫片,上部外坡口要在管道的内壁黏贴陶瓷垫片,并在前一节管道内外壁的后端均焊接管码,管码卡接在前、后节管道上的搭接宽度均为150mm,通过管码的定位压力使前、后节管道的管壁平齐并在同一水平上,然后点焊固定,边焊接边拆除管码;
管道插接或焊接完成后再顶进;第一节管道顶进时采用U型铁压在第一节管道的尾部上,防止掘进机的机头产生叩头现象;
进行顶管始发流程时,掘进机出洞时,用U型铁压在掘进机的尾部,防止掘进机叩头,出洞过程中要跟踪测量,控制掘进机的出洞方向,确保顶管机的轴线位置准确;
在掘进机带着管道向前顶进时,要向管道的外表面与地层之间的间隙压注一定量的润滑泥浆,使掘进机、管道与地层之间形成一层泥浆套;先计算出润滑泥浆的理论注浆量,再根据理论注浆量和地质状况计算润滑泥浆的实际注浆量;实际注浆量用如下公式计算:V=2π×(R2-r2)×L×f
式中:V为实际注浆量,m3;
R为顶管机的开挖直径,m;
r为顶进的管道外径,m;
L为顶进长度,m;
f为实际注浆量与理论注浆量之间的差异系数,取1.5~3.0;
润滑泥浆的配比为:水︰膨润土=4~5︰1,土︰掺合剂=20~30︰1;掺合剂采用废机油或粉煤灰;
顶管始发时掘进机的掘进参数:掘进面水压>静水压0.1bar;刀盘转速为≥2.0rpm;刀盘扭矩为80bar;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量>150m3/h;润滑泥浆比重≥1.05;
润滑泥浆在掘进机尾部后0~20m以内应充分注浆,以形成一个稳定、完整的泥浆套;再后面注入的润滑泥浆是用以不断补充,使泥浆套保持连续。如果有较长时间停止顶进,注浆工作也不能停止,必须每隔3~4小时全线补注一次润滑泥浆;掘进机尾部后0~20m以内的润滑泥浆的同步注浆量为间隙容积的2~3倍,再后面的润滑泥浆的同步注浆量为间隙容积的1.5~2倍;对于顶管曲线段超挖、顶管纠偏、地层特别松散、裂隙发达、透水性强的地段,润滑泥浆的同步注浆量不超过空隙容积的5~6倍;每个断面均布地布置3~5个注浆孔;相邻断面上的注浆孔平行布置或交错布置(见图1和图2);每个注浆孔均要安装球阀;润滑泥浆的注浆管路包括主管和支管,主管采用直径为40~50mm的钢管,支管采用25~30mm的橡胶管,并要求管路的接头在压力1kPa下无渗漏现象。
掘进机尾部的几节管道应连续设置注浆孔;在顶管井的顶出洞口周围和接收井的顶进洞口上均应预埋注浆孔,在顶管始发、管道顶进时用于注入润滑泥浆,而在管道贯通需要封闭洞门时用于注入水泥浆封水;
进行顶管顶进流程时,包括正常顶进和管道焊接;
正常顶进时一定要严格控制开挖土量,防止出现超挖和欠挖,否则都会出现危险;如果实际开挖土量超过掘进机掘进过程中应开挖量,就会出现超挖,引起地层沉降;相反,如果开挖土量少于掘进机掘进过程中应开挖量,就会出现欠挖,引起地层隆起;泥水平衡式掘进机的开挖土量由公式:VR=πr2L计算,式中,VR为掘进开挖土量,m3;r为顶进的管道外径,m;L为顶进长度,m;
当顶进残积土地层时,采用泥浆模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.1~0.2bar,根据潮汐变化,保证大于静水压力0.2~0.3bar;刀盘转速为1.0~2.0rpm;刀盘扭矩为80~120bar,连续大于120bar时,空转破碎;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量≥150m3/h;润滑泥浆比重≥1.05;
当顶进砂层时,采取泥水平衡模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.1~0.2bar,根据潮汐变化,保证大于静水压力0.2~0.3bar;刀盘转速为1.0~1.5rpm;刀盘扭矩为80~120bar,连续大于120bar时,空转破碎;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量≥180m3/h;润滑泥浆比重≥1.1;
当顶进岩石层时,采取泥水平衡模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.1~0.2bar,根据潮汐变化,保证大于静水压力0.2~0.3bar;刀盘转速为≥2.0rpm;刀盘扭矩为80~120bar,连续大于120bar时,空转破碎;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量<150m3/h;润滑泥浆比重≥1.1;岩石地层由于岩屑的存在往往会发生岩屑抱死管节的现象;施工前管节设计冲洗孔,必要时对管节外部进行冲洗作业;
当顶进下硬上软地层时,在掘进时受下硬上软地层的影响,容易造成掘进机的机头上扬趋势与控向困难,采取泥水平衡模式掘进,掘进机的掘进参数:掘进面水压≥静水压0.18~0.22bar;刀盘转速为≥1.5rpm;刀盘扭矩为100bar;推进压力为90bar;导向油缸行程为70~80mm;润滑泥浆流量>150m3/h;润滑泥浆比重≥1.15。
进行中继间施工流程时,当顶进阻力即顶管掘进迎面阻力和管壁周围摩擦阻力之和超过主顶油缸的允许总顶力或管道允许的极限压力或工作井后靠土极限反推力,无法一次达到顶进距离要求时,应采用中继接力顶进技术,实行分段顶进,使每段管道的顶力降低到允许顶力的范围内;采用中继接力技术时,将管道分为数段,在段与段之间设置中继间;中继间将管道分割成前后两个部分,中继油缸工作时,后面的管道段为后座,前面的管道段被推向前方。中继间油缸按先后逐个启动,管道分段顶进由此达到减小顶力的目的。
顶管中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式钢结构件;每个中继间安装28个500KN双作用油缸,总推力为14000KN,油缸行程为500mm;为了提高工程的可靠性,在每套中继间处设一台三柱式液压动力机组;中继间的密封装置包括两道径向可调的橡胶密封圈和两道馒头形橡胶止水圈;两道径向可调的橡胶密封圈用于中继间伸缩时密封,在两道径向可调的橡胶密封圈之间设置四只注油孔,以减少橡胶圈的磨损;一道馒头形橡胶止水圈用于顶管结束以后,切割法兰和拆卸两道径向可调的橡胶密封圈时的临时防水;中继间的工作顺序是:第一中继间顶完后卸油压开始第二中继间顶进,最后开始顶管井内主顶油缸的顶进,完毕,再开始循环顶进。
进行顶管到达接收井流程时,掘进机的掘进参数:掘进面水压>静水压0.15bar;刀盘转速为≥2.0rpm;刀盘扭矩为100bar;推进压力为70~100bar;导向油缸行程为70~80mm;泥浆流量>150m3/h;润滑泥浆比重≥1.05。
以上实施例仅供说明本发明之用,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变型,因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴,应由各权利要求所限定。