CN113684889B - 一种用于深水区域顶管取水的结构体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深水区域顶管取水的结构体系及其施工方法，属于河道取水工程技术领域，其技术方案要点是，包括工作平台、固定机构、垂直取水管和顶管，通过支撑机构、平面安装机构和施工作业平台共同形成一安全稳的作业平台，其具有较大的空间刚度，能保证在深水环境下水流冲击及偶然船只撞击下结构的稳定性，有效提高了深水区域顶管垂直取水施工的安全可靠性，为深水区域取水工程的安全施工提供参考借鉴，其作业平台为后续钢套管及垂直取水管的施工提供一个稳定可靠施工环境，使得本发明可在干燥环境下进行顶管与垂直取水管的连接，可为深水顶管取水工程提供参考。

Description

一种用于深水区域顶管取水的结构体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及河道取水工程技术领域，特别涉及一种用于深水区域顶管取水的结构体系及其施工方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展和城市化建设的大力推进，城镇水资源供应存在较大缺口，促使我国长距离引水工程建设迅猛发展。顶管施工作为一种非开挖铺设地下管线施工技术，在长距离引水工程中发挥着重要作用。采用顶管方式进行长距离引水施工，其核心关键技术在于取水头部的处理。为了实现顶管引水，需要在取水头部设置垂直引水管，并将其与在地层以下的顶管进行连通，从而将垂直取水管内水源引流至地层以下顶管内。由于垂直引水管与顶管的连接施工位于水下环境，因此，如何保证连接施工的准确与安全是长距离顶管引水工程需要重点考虑的问题。尤其是当取水点位于长江、珠江等水深大、流速快、河床地层情况及水面通航环境复杂的河道时，取水头部的安全可靠施工是影响整体工程成功与否的控制因素。

在目前工程实践中，常见的顶管取水点多位于水库、湖泊等静水环境或者水深较浅、水流速度较慢的河道内，而在长江等深水河道上进行引水施工的工程案例较少，相应工程经验及施工方法还较为欠缺，其不仅需要解决深水区域取水管与顶管对接问题，还需要保证在水流冲击及船只偶然撞击下的施工平台安全问题，施工困难较大。文献[1]报道了安徽省池州市长江引水工程案例，但其取水头部位于长江堤岸附近，水深较浅，水流速度较慢，且采用的是横向顶管取水设计方案，不存在取水管与顶管对接问题。专利《顶管垂直取水方法》（CN201010615181.0）基于某实际工程案例介绍了一种在长江中顶管垂直取水方法，但该专利只对取水流程作了介绍，并未给出顶管取水的结构体系布置方式，不利于实际工程参考及应用。

因此，针对上述不足之处，需要设计一种用于深水区域顶管取水的结构体系，并提出相应的工作方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于深水区域顶管取水的结构体系及其施工方法，其通过支撑机构、平面安装机构和施工作业平台的搭建，形成一安全稳定的作业平台，用于钢套筒及垂直取水管的安装施工，达到满足深水区域水流冲刷、船只偶然撞击下的结构安全的目的，并起到止水隔水效果，有利于垂直取水管与顶管的顺利连接。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于深水区域顶管取水的结构体系，其特征在于，包括：

沉放在预定水域内并安装在河床上的工作平台；

设置在工作平台上且一端插入预定河床深度的固定机构；

安装在固定机构内的垂直取水管；

埋设在河床内的顶管，所述顶管穿过所述固定机构且一端通过直角接头与所述垂直取水管连接。

进一步的，所述工作平台包括固定在河床内的支撑机构、连接在支撑机构上的平面安装机构和固定在最顶层的平面安装机构上的施工作业平台。

进一步的，所述支撑机构包括多根竖直方向上平行的支撑桩架，所述支撑桩架由多根第一桩架钢管焊接连接形成，所述支撑桩架固定在河床内。

进一步的，所述平面安装机构为可拆卸结构，其包括多根竖直方向上平行的第二桩架钢管，所述第二桩架钢管端部与支撑桩架端部之间通过法兰连接板及螺栓连接固定，所述第二桩架钢管侧壁之间通过主钢横梁及次钢横梁焊接连接固定。

进一步的，所述施工作业平台包括焊接固定在最顶层的平面安装机构上的平台钢板，所述平台钢板的外围安装有防护围栏。

进一步的，所述固定机构包括插接在河床内的钢套管，所述钢套管位于河床内的部分的外周设置有高压旋喷产生的水泥加固体，所述垂直取水管安装固定在钢套管的内部。

一种用于深水区域顶管取水的结构体系的施工方法，其特征在于，所述施工方法步骤如下：

S1、支撑桩架的沉桩施工、第二桩架钢管和支撑桩架的连接施工及钢套管的下沉施工；

S2、平面安装机构的安装焊接及施工作业平台的搭设；

S3、对相应地层进行水泥高压旋喷加固及钢套管内土体开挖；

S4、顶管的顶进施工、垂直取水管的安装施工及顶管与垂直取水管的连通施工；

S5、施工作业平台和平面安装机构的拆卸、钢套管切割及抛石保护层的施工、钢套管内混凝土填充施工。

综上，本发明具有以下有益效果：

1. 本发明提出的由支撑机构、平面安装机构和施工作业平台共同形成一安全稳定的作业平台，其具有较大的空间刚度，能保证在深水环境下水流冲击及偶然船只撞击下结构的稳定性，有效提高了深水区域顶管垂直取水施工的安全可靠性，为深水区域取水工程的安全施工提供参考借鉴；

2. 本发明提出的作业平台为后续钢套管及垂直取水管的施工提供一个稳定可靠施工环境，使得本发明可在干燥环境下进行顶管与垂直取水管的连接，可为深水顶管取水工程提供参考；

3.本发明构造简单，所用零部件加工简便且辅助设施技术成熟，具备较高的可行性。

附图说明

图1为一种用于深水区域顶管取水的结构体系的主视图；

图2为一种用于深水区域顶管取水的结构体系中两个第二桩架钢管之间的连接主视图；

图3为一种用于深水区域顶管取水的结构体系中两个第二桩架钢管之间的连接俯视图；

图4为一种用于深水区域顶管取水的结构体系中主钢横梁与第二桩架钢管之间的连接示意图；

图5为一种用于深水区域顶管取水的结构体系中次钢横梁与第二桩架钢管之间的连接示意图；

图6为一种用于深水区域顶管取水的结构体系中水泥加固体的范围俯视图；

图中：1-顶管；2-垂直取水管；3-钢套管；4-直角接头；5-填芯混凝土；6-第二桩架钢管；7-主钢横梁；8-钢拉索；9-平台钢板；10-防护围栏；11-水泥加固体；12-抛石防护层；13-法兰连接板；14-螺栓；15-连接板；16-次钢横梁；17-支撑桩架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6，一种用于深水区域顶管取水的结构体系，其包括工作平台、固定机构、垂直取水管2和顶管1。

工作平台包括固定在河床内的支撑机构、连接在支撑机构上的平面安装机构和固定在最顶层的平面安装机构上的施工作业平台；

支撑机构由8根竖直方向上平行的支撑桩架17组合形成，且每根支撑桩架17由多根第一桩架钢管的端部相互焊接连接形成，其第一桩架钢管的数量由支撑桩架17所需要下沉的距离所决定，通过焊接连接以保证在预定水域的河床下地层中支撑桩架17能顺利下沉；

平面安装机构设置为可拆卸结构，能方便进行后期拆卸，且平面安装机构可以设有多个且上下连接，其包括8根与支撑桩架17相适配的第二桩架钢管6，第二桩架钢管6的端部与支撑桩架17最上方的端部之间通过法兰连接板13及螺栓14连接固定，而相邻两根第二桩架钢管6的侧壁之间通过主钢横梁7及次钢横梁16连接固定，且主钢横梁7按照布置方向分为横向钢横梁和纵向钢横梁及交叉钢横梁，其中交叉钢横梁在交叉区域采用连接板15进行搭接，而横向钢横梁、纵向钢横梁及次钢横梁16与第二桩架钢管6侧壁之间通过焊接连接，以提高整个平面安装机构的受力稳定性；

施工作业平台包括平台钢板9，平台钢板9与最顶层的平面安装机构中的次钢横梁16焊接连接，施工人员就在平台钢板9上进行施工，同时为了保护施工人员的安全，在平台钢板9的外围安装防护围栏10；

为了加强施工作业平台整体空间稳定性，在最上两层的平面结构中布置交叉型钢拉索8，以防止水流冲击及船只偶然撞击对工作平台的安全影响，本结构尤其适用于深水、水流速度大的取水环境。

固定机构包括下沉在河床内的钢套管3，钢套管3的外周设有采用高压旋喷的方式制成水泥加固体11，来对钢套管3下沉区域的河床地层进行加固处理，垂直取水管2安装在钢套管3的内部，而埋设在河床下方的顶管1，其一端穿过水泥加固体11和钢套管3的侧壁，且位于钢套管3内部的一端通过直角接头4与垂直取水管2焊接连接。

且垂直取水管2的外壁与钢套管3内壁之间设有填芯混凝土5，填芯混凝土5的深度从钢套管3底部至河床表面，以保证垂直取水管2在长期水动力冲刷条件下的结构稳定性，适用于深水水流速度快的取水环境。

通过在垂直取水管2周边设置抛石防护层12，防止水流冲刷对河床的影响，以保证垂直取水管2的长期正常使用。

同时垂直取水管2位于河床上方的端部采用扩大头处理，以增大取水引流量；

一种用于深水区域顶管取水的结构体系的施工方法，其施工方法步骤如下：

S1：支撑桩架17的沉桩施工、支撑桩架17和第二桩架钢管6的连接施工及钢套管3的下沉施工；

a）根据设计要求，对顶管1与垂直取水管2连接区域进行测量定位，通过GPS或北斗导航系统确定8根支撑桩架的沉桩位置；

组成支撑桩架17的第二桩架钢管的直径和长度需要满足设计要求以满足上部结构的稳定性及承载要求，在实际工程中建议第二桩架钢管直径不小于600mm；

b）根据取水点地质勘察资料及设计参数选择满足沉桩功率要求的沉桩设备，将各支撑桩架17下沉至设计深度，再将第二桩架钢管6和支撑桩架17之间采用法兰连接板13及螺栓14连接起来；

c）进行钢套管3下沉施工；

钢套管3的设置主要为垂直取水管2与顶管1的连接形成干燥作业空间，钢套管3直径应大于垂直取水管2的直径，并满足后续人工作业空间要求，建议钢套管3直径在4000mm以上，钢套管3顶端的高度需要高于取水河道最高设计洪水位，以避免河道水体流入钢套管3内；

为减小钢套管3下沉对地层的扰动影响，降低管壁与地层土体的密贴性，钢套管3下沉施工建议优选采用高频、低振幅设备，在实际工程中可采用液压振动锤。

S2：平面安装机构的安装焊接及施工作业平台的搭设；

a）第二桩架钢管6和支撑桩架17安装完成后，依次进行主钢横梁7及次钢横梁16安装，以形成稳定可靠的结构；

同时布置次钢横梁16时需留出钢套管3的孔洞，孔洞直径建议要比钢套管3直径大300mm左右；

b）根据取水点水深及桩架高度大小可设置多层平面安装机构，当设计多层平面安装机构时，多层的平面安装机构的从下往上进行施工，以提高施工作业效率；

c）最顶层的平面安装机构上布置施工作业平台；

d）在最上两层平面安装机构上布置交叉型钢拉索8，用于加强平面安装机构及施工作业平台的整体空间稳定性；

S3：对钢套管3下沉地层进行水泥高压旋喷加固及钢套管3内土体开挖；

a）沿着钢套管3周边采用高压旋喷产生的水泥加固体11对河床地层进行加固处理；

在钢套管3部分结构下沉后，需要对其下沉区域的河床地层进行加固处理，沿着钢套管3周边采用高压旋喷的方式制成水泥加固体11，同时，钢套管3的底端需嵌固在不透水地层中，以防止钢套管3外水位从钢套管3底部涌出，当下沉地层无不透水地层时，需对相应地层同样进行高压旋喷加固，并将钢套3管嵌固在水泥加固体11内；

水泥加固体11的范围根据设计要求确定，一般应至少为2倍的钢套管3直径，水泥加固体11的加固深度需达到不透水地层，当实际工程中难以实现时，需加固到顶管3下方有顶管3直径的3倍以上；高压旋喷建议采用三重管设备施工，高压水压力在30~35MPa之间，压缩空气压力在0.6~0.8MPa之间，水泥浆液压力在25~30MPa之间，水泥采用32.5普通硅酸盐水泥以上，每延米水泥用量大于300kg，所形成的高压旋喷桩径在800mm以上，以提高止水隔水效果；

b）将钢套管3内的水抽干，并对其内部土体进行开挖施工；

为后续垂直取水管2与顶管3的连通提供作业空间，钢套管3内土体开挖深度应大于设计的垂直取水管2与顶管3的连接深度，以保证后续钢套管3内的连接过程具有足够的作业空间。

S4：顶管1顶进施工、垂直取水管2的安装施工及顶管1与垂直取水管2的连通施工、钢套管3内混凝土填充施工；

a）按照设计要求进行顶管1的顶进施工，通过GPS及激光定位系统对顶进轴线进行控制，确保顶管1能在设计位置进行顺利对接；为保证对接精度，顶管1顶进轴线的误差不应大于30mm；

b）顶管1接近钢套管3时，将顶管1设计穿越位置处的钢套管3壁进行切割清理，保证后续顶管1能顺利穿越钢套管3；切割清理可采用电氧气切割法，切割出的孔洞直径应大于顶管1外径30mm以上；

c）顶管1穿越钢套管3后，将顶管1端头的微型掘进机退回，同时将垂直取水管2吊装进钢套管3内并将其固定；进一步，对取水钢管2下部端头与顶管1进行连接；如图1所示，连接方式采用直角接头4进行焊接，以保证连接的可靠性，同时取水钢管2头部采用扩大头处理，以增大取水引流量；

d）顶管1与垂直取水管2连接完成后，对钢套管3进行填芯混凝土5的填充，填充深度从钢套管3底部至河床底面，以保证垂直取水管2在长期水动力冲刷条件下的结构稳定性，适用于深水水流速度快的取水环境。

S5、施工作业平台、平台机构的拆卸、钢套管3切割及抛石保护层的施工；

a）钢套管3内的填芯混凝土5强度达到设计要求后，对河床以上钢套管3进行水下切割清理；

切割清理可采用电氧气切割法，并做好人员轮换，以避免施工人员长期在水下进行作业施工，在切割清理过程中需保证钢套管3不会与垂直取水管2发生碰撞，以保证垂直取水管2的长期正常使用；

b）将施工作业平台、平面安装机构进行拆除；

主钢横梁7及次钢横梁16与第二桩架钢管6之间连接采用切割分离，相邻的平面安装机构之间通过法兰连接板13和螺栓14拆解，可避免水下切割施工的复杂性；

c）对河床表面进行抛石防护层12施工，抛石粒径应大于200mm，抛石防护层12范围应根据实际工程场地的冲刷条件确定，一般应大于20倍的垂直取水管2直径大小，以保证冲刷条件下河床的长期稳定性，确保取水管的正常使用。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (1)

1.一种用于深水区域顶管取水的结构体系的施工方法，其特征在于，包括：

所述施工方法步骤如下：

S1、支撑桩架(17)的沉桩施工、第二桩架钢管(6)和支撑桩架(17)的连接施工及钢套管(3)的下沉施工；

S2、平面安装机构的安装焊接及施工作业平台的搭设；

S3、对钢套管(3)下沉地层进行水泥高压旋喷加固及钢套管(3)内土体开挖；

S4、顶管(1)的顶进施工、垂直取水管(2)的安装施工及顶管(1)与垂直取水管(2)的连通施工、钢套管(3)内混凝土填充施工；

S5、施工作业平台和平面安装机构的拆卸、钢套管(3)切割及抛石保护层(12)的施工；

沉放在预定水域内并安装在河床上的工作平台；

设置在工作平台上且一端插入预定河床深度的固定机构；

安装在固定机构内的垂直取水管(2)；

埋设在河床内的顶管(1)，所述顶管(1)穿过所述固定机构且一端通过直角接头(4)与所述垂直取水管(2)连接；

所述工作平台包括固定在河床内的支撑机构、连接在支撑机构上的平面安装机构和固定在最顶层的平面安装机构上的施工作业平台；

所述支撑机构包括多根竖直方向上平行的支撑桩架(17)，所述支撑桩架(17)由多根第一桩架钢管焊接连接形成，所述支撑桩架(17)固定在河床内；

所述平面安装机构为可拆卸结构，其包括多根竖直方向上平行的第二桩架钢管(6)，所述第二桩架钢管(6)端部与支撑桩架(17)端部之间通过法兰连接板(13)及螺栓(14)连接固定，所述第二桩架钢管(6)侧壁之间通过主钢横梁(7)及次钢横梁(16)焊接连接固定；

所述施工作业平台包括焊接固定在最顶层的平面安装机构上的平台钢板(9)，平台钢板(9)与最顶层的平面安装机构中的次钢横梁(16)焊接连接，且在最上两层的平面结构中布置交叉型钢拉索(8)，所述平台钢板(9)的外围安装有防护围栏(10)；

所述固定机构包括插接在河床内的钢套管(3)，所述钢套管(3)位于河床内的部分的外周设置有高压旋喷产生的水泥加固体(11)，所述垂直取水管(2)安装固定在钢套管(3)的内部，且垂直取水管(2)的外壁与钢套管(3)内壁之间设有填芯混凝土(5)，填芯混凝土(5)的深度从钢套管(3)底部至河床表面。

Images