04 流沙地质顶管穿越公路施工方法

1流沙地质顶管穿越公路施工方法2010年10月21引言顶管施工是继盾构施工之后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、铁路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是目前长输管道常用的一种穿越施工方法。西气东输二线工程东段28标段地处江西吉安地区的水网地段，江河、沟渠众多，地下水丰富，水位埋深平均约0.8米。在GO038-GO040处顶管穿越高速公路引路施工中，通过探坑发现，3该处1.5米以下地质为流砂，地下水位高，属于流砂地质，且管线的钢嵌套混凝土套管管径较大（管外径2160mm），使用常规的公路顶管穿越施工方法，将会导致公路塌陷，穿越该处公路遇到了较大的困难。2流砂地质顶管穿越施工方法顶管施工就是借助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坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这41.边坡2.套管3.环向顶铁4.纵向顶铁5.横向顶铁6.千斤顶7.方木8.基础图1顶管穿越公路示意图一种常用的非开挖的敷设地下管道的施工方法。顶管示意图见附图1，顶管施工流程见附图2。5测量放线挖操作坑和接收坑顶管（边顶、边清土）安装顶管靠背停顶退程加顶铁退程加接管检查顶管（边顶、边清土检查清除管内泥土复测监理、业主验收接管顶管安装轨道和设备图2顶管施工流程流砂地质顶管穿越的施工流程与常规的顶管穿越施工相同，但是由于地质比较特殊，给顶管操作带来了很大困难，在以下的操作过程中的采用不同于传统顶管的施工方法。62.1开挖操作坑西气东输二线管道工程东段28标段GO038-GO040处顶管穿越高速公路使用的钢嵌套混凝土套管长度为44米，每节套管长度为2米，套管管径×壁厚为2160×180。顶管操作前需要在公路两侧开挖两个操作坑，即发送坑（混凝土套管顶进端，长×宽×深为4m×4m×5m）和接收坑（混凝土套管顶出端，长×宽×深为2m×2m×5m）；由于地质为流砂，不能成型，正常开挖公路两侧的发送基坑和接收基坑难度很大，容易坍塌，顶管过程中存在很大的安全7隐患，且在坍塌过冲中需要不断的清理，因此增加了工程量和占地面积。为提高顶管操作的安全性，采用钢筋混凝土沉井方法修建发送基坑和接收基坑，基坑底部为混凝土浇筑，并在发送基坑底部低点位置设一集水坑，用于收集和排除基坑四周和顶管过程的渗水。根据顶管操作时的荷载，发送基坑的后背墙要独立为钢筋混凝土墙，以承载顶管过程的反作用力。作用力的计算公式如下：8W1=f{k1(Pv+Pn)DL+Po}式中：W1为管壁与土层的摩阻力（以吨计）f为管壁与土层摩阻系数：流砂f为0.46k1顶力折减系数：L=44m，k1=0.75；Pv顶管上垂直土压力（t/m2）Pv=rh，r为管顶上土容量（t/m2）流砂为1.7，h为管顶上土厚度（m）（包括路面厚度），h取3m；Pn=管壁上土的水平压力（t/m2）Pn=Pvtg2(45°-φ/2)φ为土壤内摩擦角,流砂为30°9D为管外径（m）；L为顶进总长度（m）Po为顶进全部管道自重（t）以44m长度计算：W1=f{k1(Pv+Pn)DL+Po}=0.46×{0.75(3×1.7+3×1.7×tg230°)×1.5×44+132}=329t2.2减少顶进阻力的方法在顶进过程中，由于流砂含水量高，流砂中的水容易通过套管顶进端流入套管，使混凝土套管外壁与周围的流砂形成负压，增加了顶进的阻力。为克服该困难，套管的顶10管端安装带有注浆孔的密封圈，和顶管机具相接的套管前端安装密封圈，使套管外壁和砂土之间形成一个密封空间，在顶管间歇，通过注浆孔将膨润土注入套管外壁和流砂之间。作用如下：A、防止流砂中的水流入套管内而形成负压。B、进行注浆润滑，可以减少套管外壁的摩擦系数。2.3顶进操作方法和方向控制顶管过程中难度较大的是控向问题，如果按常规顶进，随着水和流砂的流出，势必造成套管圆周方向的塌陷，至使套管因重力11作用在轴线方向产生偏差，严重造成套管与套管间错缝，主管无法穿入，甚至造成路面塌陷。为了解决此问题，我们在套管前端装上控向机头简称顶管机具（附图3），12机具前端机机具前舱门机具前舱门机具后舱门附图3：顶管机具及组成机具前端机具后端机机具前舱门机具前舱门机具前端机具后舱门13顶管机具分前端和后端，前端是一个密封舱，后端是一个控向装置，后端镶嵌在前端后部；密封舱带有一方形舱门，舱门上装有进气管和排气管，在第一节钢嵌套混凝土套管和顶管机具间安装一个舱门，形成第二个舱作用同前舱门，起第二道密封作用。在顶进过程中后舱门关闭，第一个舱门打开，用气泵由舱门上的进气阀向其注气进行气密封水，密切观察舱门上内、外侧的压力表，压力控制在0.02～0.04MPA,（作业人员在0.02～0.04MPA压力下安全）,在压力作用下，流砂中的水得以控制，流砂变成含水14很低的砂，两名作业人员位于后舱内，密切观察顶进情况。顶进停止后，作业人员进入前舱挖砂，挖土要求如下：A、第一次开挖采取多顶少挖的原则，以后则边顶边挖，严禁超挖。B、根据流砂的特征，工作面向前挖至0.2～0.4m时，顶进一次，挖出的土要及时外运。C、开挖后要及时顶进，及时测量，可使顶力限制在较小的范围内。D、挖砂时尽量开挖中心以下部分，避免在水泥套管外侧形成空洞。挖砂时直接将砂土由前舱倒到后舱；倒砂完15毕后，作业人员进入后舱，关闭第一个舱门继续注入空气加压，始终维持第一个舱的封水气密压力；打开排气阀放掉后舱压力，打开舱门将砂土用小车运走，运完后，关闭第二个舱门，开始下一轮顶进操作，这样周而复始工作。当顶进过程中如果发现左右、上下偏差，通过顶进机具的后端控向装置圆周均布的四个油压小千斤顶进行微调，调整顶进的方向。3结束语采用流砂地质顶管穿越公路施工方法，安全可靠、有效防止了公路塌陷；施工完毕16后的混凝土套管相互承插接缝间隙小、轴线方向上平整、控向精度高，施工质量容易保证，符合规范要求（见图4）。17采用该施工方法，每工作日平均顶进达到6米，较常规顶管施工每工作日顶进可提高2米，有效加快了施工进度，缩短工期，取得了良好技术经济效益，为今后类似地质条件下的大口径管道顶管穿越施工提供了成功经验。