顶管工艺在污水处理工程中的应用

顶管工艺在污水处理工程中的应用【摘要】：顶管施工技术——非开挖技术（TrenchlessTechnology）是近20年来国际上新兴的一种地下管线施工技术。自20世纪90年代中期以来，我国非开挖技术发展很快，工程施工量和设备数量均以每年30～40％的高速度增长。市政工程中采用顶管施工工艺可以将施工的作业面转移到地下，避免对地面交通的影响。在施工前选线、施工方法适当的情况下，地面构筑物不会妨碍施工。本文就顶管施工工艺以及在城市污水处理系统中的应用技术进行阐述，由于它的上述优点，可望成为市政建设中的一种通用工艺方法。【导语】自从上世纪80年代我国开始大规模经济建设以来，城市建设过程中，城市道路被频繁开挖严重影响了人民的生活，尤其是道路开挖被称为“拉链”。我们介绍的此项非开挖施工（TrenchlessTechnology）技术——顶管施工技术，不需开挖地面，并且能够穿越公路、铁路、河道、湖泊、建筑物、以及各种地下管线等，解决了市政施工难题。非开挖技术（TrenchlessTechnology）的发源地主要在日本、，美国和英国等国家。日本和英国因为国土面积和道路狭小，城市交通拥挤，使用开挖方法来施工污水管道极为困难，加之法律涉及物权问题，经营成本非常高，因此，科研单位产生了开发新的施工方法的想法。在日本，由政府、公共事业管理部门、科研院所、制造商、承包商和大学通力合作，研发出来微型顶管施工方法。比较典型的象伊势机械株式会社、RASA和小松等很多公司都生产微型顶管机设备，20世纪80年代后，我国上海等地使用较多的是伊势机公司的产品。同时，德国顶管设备也发展很快，象海瑞克公司的顶管机设备等在中东阿拉伯国家和欧洲使用的比较广泛。顶管管材和其它国家一样，大量的是采用钢筋混凝土管和钢管，其中钢管主要用于上水管，混凝土管主要用于下水管。随着玻璃钢制管技术的引进，上海周边地区玻璃钢顶管已经开始。2001年，在浙江省上虞污水工程中，将直径1200mm的玻璃纤维增强夹砂钢管，用顶管法分别穿越一级公路和运河，各顶进84m和74m，获得了成功。随后在广州，沈阳等地都有采用。事实表明，顶管施工随着城市建设的发展已越来越普及，已运用到给排水、煤气、电力、通信等管道的施工。一、顶管施工的方法由于技术、设备和地质条件、成本等因素影响，顶管施工常采用的施工方法分为敞开人工手掘式和密封机械式顶管施工方法，其中机械式顶管施工常用的施工方法又有泥水平衡式和土压平衡式两种，顶管施工常用的管材有砼管、钢管、玻璃夹砂钢管。施工所采用的主要设备为信息化及全自动化泥水平衡顶管机。二、顶管法施工适用条件在污水管道直径较大（Φ600mm以上），施工现场无法有采用明沟开挖埋管施工的条件或者成本限制，而管道设计的沿线没有其它建筑物基础时，可采用使用顶管法施工。三、顶管法施工原理顶管法施工原理，是在管道的沿线按设计的方案要求，预先设置工作井和接收井，工作井内设置坚固的后座，吊进液压千斤顶和附属设备，要顶进的钢管或混凝土管的材料，接好照明、泥浆管、油管等管线，通风降温设备、地面支援设备，施工时用油压千斤顶缓慢顶进，顶进的过程中，通过压浆设备使管节周围形成泥浆套，这样，使得管道在泥浆套中滑行推进，同时，在顶进的过程中通过激光经纬仪测量顶管的方向，边顶进边排土边调整，直至将钢管或混凝土管顶至接收井内。这样，必须解决的问题是：1、施工设计中顶管管线线路和工作井井位的确定顶管管线定线和施工图设计过程中主要考虑如下几个方面：1)要遵循整个管网系统的总体定线设计，符合市政建设需要；2)工作井位置确定：沿管线中心线方向，通常是按照所顶进管子长度加木垫圈的整倍数来确定，同时要考虑侧向支管线的连接。还要考虑机械顶进附属设备所需场地等因素；3)在定位时要尽量避开地下和地面上（包括高低压电线）设施，地下设施往往是最为难以解决的问题，如果资料不完整，地下设施就难以探测，不可预见，所以，在确定井位前，要在两个方向上挖出足够深度和足够长度的探坑。2、顶管管材选用根据顶管技术规范，可以使用混凝土管、玻璃钢夹砂管（简称GRP管）和带有玻璃钢夹砂管内衬的砼管（或者称砼外包管）。一般来说，污水处理工程使用的顶管直径从250mm到2000mm共16种规格，为了经济有效，可以选用GRP顶管和配套顶管机，将16种顶管分为5大类，即DN500,DN1200,DN1400,DN1600和DN2000，根据顶进距离和压力等级又把同一管径分成不同厚度的顶管。GRP顶管管接头一般可以选用“F”型连接型式，GRP连接管箍带橡胶密封圈。在施工过程中，为了减少顶进摩擦力，对于直径大于1200mm的，可以每三节设置一节带有注浆孔顶管，注浆孔设置在顶管中间，同一断面3个注浆孔，相互间隔120°，注浆孔由外套管、单向阀和丝堵所组成。3、顶管机选型顶管机的选型是至关重要的，根据各种顶管机适应范围，一般可以选择泥水平衡式顶管机系统。技术比较成熟的有德国海瑞克公司，德国wirth公司，日本伊势机以及日本Rasa等公司，从实际施工经验来看，因为日本设备在价格和技术普及上具有一定的优势，可以考虑选用日本伊势机公司产品。以上述管材施工来看，比较适合的型号有四种，即：TCSOD546型、TCSOD1250型、TCM-SOD2190型、TCCID1620型。四、顶管的施工1、工作井、接收井、检查井的施工对比根据施工的地质情况及现场条件，采用适当的支护方式开挖，尽快做好底板及壁板混凝土防护，进行顶管所需的后座混凝土以及土体的强度实验，确定混凝土以及钢板垫块的厚度。这是管节能否顺利顶进的关键所在。传统的工作井和接收井施工方法有明挖、灌注桩法，沉井法，现浇砼法，高压旋喷桩，钢板桩等方法。灌注桩法成本最贵；沉井法，由于工作井尺寸大，不适用于水下沉井施工；高压旋喷桩一是水泥消耗量大，成本高，二是旋喷不均匀性，安全性较差。对于没有地下水或者水位较浅的工作井可以采用明挖施工。根据不同位置，不同的地质条件，可以采取不同的施工方法。2、顶管施工工序顶管施工顶进的工序，包括设备的安装、顶进、顶管机头回收、灌浆和测量验收等工序。顶进操作，包括调偏如果设备技术达到，可以全部在地面中控室来完成。当工作井施工就绪后，就可以移交顶管工区，开始进行设备安装。首先，要根据顶管管线设计图进行测量和放线，检查验收土建移交的工作面质量，尤其是强度是否满足顶管安装的要求。随后是依次安装密封圈、轨道和后顶进系统，再次测量，对线路中心线进行核对校订，达到精度要求后，可加固支撑轨道。此后，再进行顶管机头吊装和顶铁安装，自此准备工作完成。接下来，进行顶管推进，首先是机头“出洞”，即机头穿过砼墙，大部分情况下，机头顶入之后，停止前进，液压缸回缩，把后方筒吊入井内和顶管机头连接上，在没有后方筒的情况下，可以直接吊入3m长GRP顶管，进行顶进，重复过程，同样地把顶管一节一节地顶进到预定位置。顶管机头最后从接收井里破土顶出来的过程叫“进洞”，“进洞”以后，进行中心线测量、灌浆和复测，符合要求即完成一个顶段施工。实践经验证明，在顶进过程中，机头调偏和泥水系统管理是十分重要的，要不断地通过实际操作去摸索总结。尤其是泥水系统的管理，地质条件的不同，泥水浓度也不一样。3、顶进力计算在泥水平衡式顶管中，为了便于计算，顶进力F采用如下方法进行计算：F=F。+f。L（kN）式中：F。—初始顶进力（kN），f。—每米顶进管的综合阻力（kN/m），L—最大顶进长度（m），L=150mF。＝（P1+P2+△P）x3.14xDxD/4式中：P1—挖掘面前土压力，P1=150kPa；P2—地下水压力，P2=90kPa；△P―附加压力，一般取20kPa；D—GRP顶管外径，D＝2.16m；则：F。＝（150+90+20）x3.14x2.16x2.16/4=952.25(kN)f。=RS+wf(kN/m)式中：R―综合摩擦阻力（kPa），对于砂砾石一般为8～20，S―顶进管的外周长（m），S=3.14x2.16=6.78m；W—每米顶进管的重力（kN/m），根据GRP厂家提供的资料：W＝12.92kN；f―管子重力在土中的摩擦系数，f＝0.2；则：f。＝8x6.78+12.92x0.2=56.82(kN)即：5.682t/m（设计顶进4～4.5t/m）最大顶进力为：DN2000顶管机F=952.25+56.82x150=9475.25(kN)。4、管节的选用：管节必须全面检验，发现有明显缺陷的禁止使用。管道吊放之前要提前上好橡胶止水圈。将管节吊放在轨道上，安放环形顶铁，缓慢推进，让接头平顺对接。如发现有破坏、翻转、出槽等现象，必须退出管节重新更换、调整橡胶圈，重新安装对接。接头对好后，继续开动设备将管节顶进。5、管节顶进随着顶管距离的增加，阻力上升很快。为避免管节超过材料强度遭到毁坏，管壁外的减阻是技术关键。施工时，采用管节周围注触变泥浆，将管节与土之间的干摩擦变为湿摩擦，达到减阻的目的。触变泥浆可以按膨润土：烧碱：CMC：水=0.3：0.2：0.01：1的配比配制后静置24小时后使用。施工时通过压浆系统从机头，前三节管的注浆孔压入触变泥浆，形成约10mm厚的泥浆套，使顶管在泥浆套中滑行，减少摩阻力。根据压力表和流量表，控制压浆的压力约为自然地下水压的1.1～1.2倍。在施工操作时，必须先压浆，后顶管。边压浆、边顶进，停顶进要补浆的办法维持泥浆套良好的润滑性能。6.顶进线路的精度控制由于机头自身有一段纠偏段，纠编最大角度范围能够达到上下1.7°左右1.2°。顶进线路的精度控制主要依靠设备的正确操作以及操作人员的预见性。实际施工中，为了使管道按照设计要求的高程、方向正确顶进，在顶进的过程中应不断对工具管的高程方向、转动进行测量，根据测量反馈结果，调整纠偏千斤顶，使机头改变方向，确保管道按设计轴线顶进。纠偏贯穿顶进施工的全过程，尽量做到纠偏在偏位发生的开始阶段。对于精度测量，主要是采用2″激光经纬仪进行方向测量，对于扭转，由机头的角度仪测出。激光经纬仪经校正后，固定在千斤顶端，然后管道的机头端安装反射玻璃，并将测量的结果直接输出至控制液压千斤顶的电脑上。顶管出洞时要防止工具管发生偏差。在出洞的初期，因入土较少，工具管的自重仅由两点支承，一点是导轨，另一点是较浅的土体。土体支承面由于承载力较低，使机头容易产生下沉现象。所以，机头进洞时，在穿墙管下部要有支托，工具管的推进要迅速，缩短穿墙管内的土体暴露时间。管道出洞及在长度3－4m范围内的偏差是影响全段偏差的关键，特别是出墙洞时，由于管段长度短，机头重量大，近出洞口土质容易受扰动等因素的影响，往往会导致下偏，应该综合运用机头自身纠偏和调整千斤顶的作用力合力中心来控制顶管方向。7.其他注意事项：（1）泥土外运排出的泥屑由泥水系统随泥浆管排出，在泥浆池过滤土渣并及时外运。（2）管内动力及照明管内动力主要用来顶进、纠偏、出土，一般是选择380V动力电源。由于管内环境潮湿，照明必须采用安全36V安全电压照明。（3）顶管注意事项施工过程中，必须注意地面的沉降或隆起：在顶管施工沿线按一定间距布设沉降观测点和传感器，监测顶管顶进施工期间的地面沉降量，配合纠偏。其次，开挖端面的取土过多或过少，都会在一定程度上会造成地面的沉降或隆起。为避免上述情况，可以根据具体情况采取辅助措施：在压浆时要控制好压力，能平衡泥浆套以上土体的压力。严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。另外，在某些管节埋藏较浅的地方，或者距离地面不足1.5米的位置，可采用沿管线局部压钢板，上堆砂包加载负重的方法，防止管节顶进时触变泥浆上浮，使泥浆套失效。还要注意的是，工具管纠偏后，刃脚后形成一个空隙，有一定的真空负压，管道顶进时周围的土体会塌入空隙，造成地面沉降。为避免这种情况，在顶管顶进时，要及时测量，勤测勤纠，避免大角度纠偏。五、实际施工案例：（一）、工程概况：某市污水处理厂工程，是国务院淮河流域水污染防治重点工程之一，是利用第四批日本协力基金贷款和国内配套资金进行建设的环境治理、城市基础设施建设工程项目，被列为省、市的重点工程。此工程是是淮河流域