长距离泥水平衡顶管施工工法

1长距离泥水平衡顶管施工工法(编号：SZJXGF28-2008)完成单位：深圳市市政工程总公司主要完成人：李劲松、刘正雄、高俊合、黄锐文、陈德贵1．前言现代化城市的发展离不开市政管道的建设，越来越多的深埋设管道、过路管道、穿越建筑物的管道、旧城市政改造工程采用顶管施工技术，以减少拆迁的工程量，减少施工对交通的影响，减少施工对周围居民、行人的影响。顶管工程施工一般是将整个顶管工程分成若干段进行，在昀佳施工条件下，普通顶管法的一次顶进长度为100米左右。但是在城市干管施工中，或管线需要穿越大型建筑群或河道时，普通顶管法的一次顶进长度就不足以顶完全程。因此，需要完善长距离顶管技术。长距离泥水平衡顶管施工工法就是利用泥水平衡原理通过设置中继站、采取泥浆触变减阻等措施达到一次顶管顶进长度在200m以上。2．工法特点2.0.1泥水平衡顶管包括：泥水加压平衡式掘进机由主机、纠偏系统、进排泥系统、主顶系统和压浆系统组成。如下图所示：2.0.2长距离顶管管道与摩阻力随管道的长度成正比，顶进长度增加，必须加大顶力。当顶进长度达到一定距离时，顶力加大会使管体或后背损坏。长距离泥水平衡式顶管工艺就是通过润滑剂减阻和中继接力技术，减少顶进过程阻力，中继接力顶力，从而达到一次完成长距离顶管的技术。其特点有：21采取全封闭式顶进，可有效的保持挖掘面的稳定，对管道周围的土体扰动小，能很好的控制地面沉降；2与其它类型顶管相比，泥水平衡顶管施工的总推力较小，适宜较长距离顶管；3工作井内的作业环境好，顶管自动控制，管内不用人员作业，安全性高；4由于采用泥水管道输送弃土，不存在吊土，搬运土方等容易发生危险的作业；5由于泥水输送弃土的作业连续进行，故其施工速度快，能有效保证工期。6污染小，噪音小，环保。采用泥水管道输送弃土，并经泥水处理系统处理后再进行弃土，环境污染小。7节约工时，提高工效。8施工工艺简单,标准化、程序化，便于施工控制和管理。9顶进长度一次可达200m以上。10泥水加压平衡工具管与其他工具管相比，具有平衡效果好，结构紧凑，技术先进，由于出土方式是用水力机械化连续出土，所以顶进速度快，对土质的适应性强。无论是粘性土还是砂性土，均能收到良好的效果。3．适用范围3.0.1与普通泥水平衡式工法相同，适用于：1．各种土壤条件：能适用于地下水压力高、非坚硬的的地层条件，如砂质土、粘土等；不适合强风化岩、花岗岩的土层。。2．管径：DN600~DN3000。3．适用管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管等常用顶管管材。4．工作原理4.0.1泥浆形成机理泥水平衡式顶管机中，刀盘与主轴之间有一个偏心距e，而中心刀、刀排、切削刀头与主轴是同心的。所以，假设刀头切削下来的强风化砂岩的颗粒较大，不会直接进入泥水仓，大颗粒的石块在破碎腔内被破碎成，比隔栅孔小的颗粒，才能通过隔栅进入泥水仓。这样，使排泥管不会被堵塞。利用水枪，将土层的强度降低，含水量增大，以利用旋转刀盘上的刀片将土层切割成为泥浆。4.0.2泥水平衡工作原理泥水平衡顶管机施工以泥水平衡原理为基本，通过改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度来控制排土量，使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内，从而达到开挖面的稳定。4.0.3触变泥浆减阻原理通过在管壁外压注触变泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力。4.0.4中继间接力顶进原理中继间接力顶进，也就是在管道中间设置中继环，分段克服摩擦阻力，从而解决顶力不足的问题。中继间的千斤顶组在高压油路的作用下，以其后管道为后座支承点，将其前段管道向前推进，采用这种方法，将管道分段逐次推进，从而实现长距离顶管。。4.0.5长距离制导通过激光导向，计算机指导纠偏施工，确保顶进线路与高程准确。5．工艺流程与操作要点5.1长距离泥水平衡式顶管工艺流程：5.1.1泥水平衡式顶管一般工艺流程：3施工准备工作（接收）井施工顶力计算管材设计、制造全套设备调试顶管机出洞穿墙初始顶进正常顶进一个管段顶进结束吊出机头、转至下一个管段井内外设备安装注浆减阻泥浆制备重复、直至整个工程完工45.1.2长距离泥水平衡顶管工艺流程如下图所示：5.2施工方案编制泥水平衡顶管施工前应编制详细的施工组织设计，其中施工方案应包括如下内容：5.2.1施工依据、内容、范围5.2.2顶管设备的选择：重点是顶管机头选型及各类设备的规格、型号及数量5.2.3施工工艺：重点是顶进方法的选用和顶管段单元长度的确定，中继段的划分与减阻措施，方向控制方案。5.2.4施工工艺参数的计算：顶力计算、后背设计和洞口的封门设计，中继接力计算。5.2.5垂直运输和水平运输布置；重点是下管、挖土、运土或泥水排除的方法5.2.6工作井的设计和施工方法5.2.7设备安装调试的技术措施5.2.8施工过程控制的技术措施：包括减阻措施，控制地面隆起、沉降的措施，注浆加固措施5.2.9质量安全的技术措施5.2.10应对突发事件的预案5.3平面布置5.3.1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、办公施工测量主顶站施工设备安装调试顶管机头顶入土层吊放第一节管与机头连接顶进施工吊入新管与洞口管连接吊放中继站机头进入接收井顶进结束按设计要求进行管接口处理吊出机头全线测量全线测量出土管节在工作井两侧伸出长度≮500mm注入触变泥浆减阻管道顶进前检查：1、设备全部试运转；2、设备在轨道坡度高程；3、洞口密封情况；4、制定开封堵措施。5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。5.3.2现场布置采用8t汽吊，设备进场时，采用16t汽车吊车。5.3.3管道顶进时，起吊设备采用龙门行车，行车导轨与顶管中心线应平行铺设，并与管中心左右对称。5.3.4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。5.4工作井（接收井）制作工作井可采用沉井法施工，如遇地下水较丰富，在沉井施工前可设置双排搅拌桩止水帷幕。5.4.1工作井尺寸计算工作井宽：W=D+（2.4～3.2）mD：被顶进管子外径（m）工作井长：L=L1+L2+L3+L4+L5L1：管子顶进后，尾端压在导轨上的昀小长度，混凝土管一般取0.3mL2：每节管子的长度（m）L3：出土工作间隙，根据出土工具确定，一般为1.0～1.5mL4：千斤顶长度L5：后背所占工作井厚度5.4.2沉井下沉力计算)1(*fwfsPGTKG−−=式中G1：需加荷载Ks：1.15Tf:沉井井壁外侧的总磨擦阻力Pfw:地下水浮托力5.4.3工作井（接收井）施工方法工作井（接收井）采取两次浇筑成型的方式制作，即刃脚混凝土浇震憾这到一定强度后，再浇筑上部混凝土井壁，每次浇筑均须连续施工，不留施工缝。1．做好钢模板设计计算，确保沉井筒体大体积混凝土施工安全。2．脚手架搭设、钢筋笼制作安装、模板安装均应符合规范要求，特别应注意对拉螺栓定位准确与沉井平面位置准确。3．沉井下沉必须保持垂直，可根据地质状况采取不排水挖土下沉、钻吸排土法下沉和带水下沉等方法。4．沉井排土地下沉中，应加强观测，如下沉困难，及时采取措施。5.5洞口密封止水5.5.1安装洞门止水装置出洞前，为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井，首先在管子顶进前方的坑内，浇注一道前止水墙，墙体可由级配较高的素混凝土构成，其宽度为2.0～5.0m，厚度约为0.3～0.5m，高度约为1.5～4.5m。然后再在前止水墙的预留孔内安装橡胶止水圈。洞口止水圈的构造是由混凝土前止水墙、预埋螺栓、钢压环及橡胶圈组成。在顶进施工过程中又可防止减摩泥浆从此处流失，保证泥浆套的完整，以达到减少顶进阻力的效果。5.5.2顶管出洞本工程顶管机出洞洞口外侧主要为砂质土、粘土，在封门拔除过程中土体易因其流塑性而发生坍方事故。应确保顶管快速、顺利出洞，防止洞口外侧土体涌入井内。65.6后靠墙在工作坑内，后坐墙是承受和传递全部顶力的基础，必须具有足够的强度和刚度，并有足够的安全度。后靠墙内配φ14@120双向钢筋,砼标号为C25,待砼强度达到设计强度的75%方可顶进。后背墙的受力分析潮湿程度类别0＜Sr≤0.5（稍湿）0.5＜Sr≤0.8（很湿）0.8＜Sr≤1（饱和）种植土40°30°～35°25°淤泥35°20°15°亚砂土、亚粘土、粘土40°～45°.30°～35020°～25°反力R应为总推力F的1.2～1.6倍，以确保安全。R=aB(γH2KP/2+2cH√KP+γhHKP)式中：R-总推力之反力（kn）α-系数（取1.5）B-后座墙的宽度（m）γ-土的容重（KN/m3）19KN/m3H-后座墙的高度（m）KP-被动土压系数为tg2（450+θ/2）（θ=400）c-土的内聚力（取200kPa）h-地面到后座墙顶部土体的高度（m）5.7顶力估算顶力计算是顶管的关键，依据我司研究的如计算式计算：F=F1十F2(5.7)式中F---总顶力Fl---迎面阻力F2---顶进摩阻力5.7.1迎面阻力计算F1＝P×π/4×D2(5.7.1-1)P＝Ko*γ*Ho(5.7.1-2)Ko---静止土压力系数，一般取0.55Ho---地面至掘进机中心的厚度γ---土的湿重量，取1.9t/m37D---管外径5.7.2泥水压力核算P≥PW＋ΔP(5.7.2-1)式中：P-----表示泥水舱管道基准面泥浆压力；Pw----表示相对于管道基准面地下水压力；ΔP---表示泥水舱建立高于地下水压力，一般设为20KpaPw=γw×h(5.7.2-2)h----地下水位相对管底基准面水头高度粘土层中，由于基渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，在较短时间内，都不会产生不良状况，这时在顶进过程中应考虑以土压力作为基础。在较硬的粘土中，土层相对稳定，这时，即使采用清水而不用泥水，也不会造成挖掘面失稳现象。然而，在较软的粘土中，泥水压力大于其主动土压力，从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。但实际上，即使在静止土压力范围内，顶进停止时间过长，也会使挖掘面失稳，从而导致地面下陷。这时应适当提高泥水压力。5.7.3顶进摩阻力计算F2＝πD×f×L(5.7.3)式中：D—管外径；f一管外表面平均综合摩阻力，一般为5~12KPa，采用触变泥浆减阻时可以取为8KPa。L—顶距。5.8中继站设置估算中继站设置由总顶力决定，满足以下一个条件时应设置中继站：1．在总顶力大于主顶液压装置时；2．在总顶力管子允许的轴向力时；3．在总顶力大于以及沉井后座昀大土抗力时。根据经验，在顶管管径D＜1000mm时，应着重考虑管子的允许轴向力；而在D≥1000mm时，则应着重考虑后座昀大土抗力。5.8.1设定控制顶力F控根据主顶液压装置，中继间的昀大推力，管子允许的轴向力以及沉井后座昀大土抗力以后，可以确定控制顶力F控。5.8.2中继站分段确定按公式6－6，管道周边摩阻力F2=π×D×L×f根据经验，在1号中继环以前，可取f=1.2t/m2，在1号中继环以后，取f=0.6t/m2，2号中继环以后，取f=0.4t/m21．1＃中继环前长度L1＝（F控－F1）/(π×D×f)5.8.2-12．其余各段分段长度为：Ln＝F控/(π×D×f)5.8.2-25.8.3中继站的调整在实际施工过程，应根据顶进施工所获得的数据计算管节外壁和周围土体的摩阻力。并根据计算结果，结合以往的施工经验，对中继间的位置作了适当调整，以尽量减少中继间的投入，并能确保顶进的顺利进行。5.9触变泥浆减阻泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆，是由膨润土、CMC(粉末化学浆糊)、纯碱和水按一定比例配方组8成。不同的土质，应采用不同的配方，才能满足不同的需要。触变泥浆配比，根据不同土质和某些特定的需要通过试验确定。触变泥浆可按如下标准设置：5.9.1浆液配比减阻泥浆采用触变泥浆，该浆液性能稳定，且有良好的触变性，又有一定的稠度（浆液配比见下表）。膨润土水纯碱CMS1006003.51.5膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间，听取供应商的建议但都必须按照规范进行，使用前必须先进行试验。一般性能见下表：