0 引言
該市政規(guī)劃路給排水施工項(xiàng)目位于廣東某開發(fā)區(qū)內(nèi),該工程中的W334~W337設(shè)計(jì)為頂管施工段。管材采用帶橡膠圈III級鋼筋混凝土承插管,管徑為1500mm,總長270m。其中工作井、接收井均采用矩形鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)。
1 頂管施工技術(shù)方案選擇
1.1 經(jīng)調(diào)查分析研究及結(jié)合本公司在設(shè)備和施工及相關(guān)的技術(shù)能力,采用了密封泥水平衡式頂管工藝進(jìn)行施工。
1.2 泥水式平衡頂管機(jī)相比于土壓式平衡頂管機(jī),能有效平衡地下水、對付流沙和淤泥質(zhì)地層。同時泥水式平衡頂管施工比土壓式平衡頂管施工具有以下優(yōu)點(diǎn):
、倏蛇B續(xù)頂進(jìn)作業(yè),施工速度快;
、谌藛T不用進(jìn)入管道作業(yè),安全性高;
、墼谟倌噘|(zhì)和砂層中頂進(jìn),對地質(zhì)環(huán)境影響小,能有效控制施工精度,而且成本低等。
1.3 頂管施工主要設(shè)備 該工程選取了GTNSΦ1500泥水平衡頂管機(jī),50T吊機(jī)1臺、25T吊機(jī)1臺,后座泵站2套、整體式頂進(jìn)構(gòu)架2套、泥水處理系統(tǒng)2套、激光水準(zhǔn)儀1臺、全站儀1臺、水準(zhǔn)儀1臺、經(jīng)緯儀1臺,另外還有通用設(shè)備電焊機(jī)、水泵等。
1.4 頂管施工工藝流程 施工前期準(zhǔn)備→測量放樣、復(fù)核→工作井施工→攪拌樁施工→工作井上下設(shè)備安裝準(zhǔn)備→工具頭吊裝下井、全套設(shè)備調(diào)試→工具頭穿墻頂進(jìn)→后續(xù)吊放管道→管道頂進(jìn)、測量控制及糾偏→管道排泥和廢泥漿外運(yùn)→下一管節(jié)吊放就位→下段頂管頂進(jìn)→管道貫通、回收工具頭→閉水試驗(yàn)→竣工驗(yàn)收、清場。
1.5 施工順序 頂管法施工采取先施工頂管工作井及接收井,后頂進(jìn)管道,然后施工檢查井的施工順序。頂管工作井及接收井施工、管節(jié)制作、頂進(jìn)施工、檢查井施工盡可能平行交叉進(jìn)行,以縮短工期。
2 頂管工程力學(xué)參數(shù)確定
2.1 頂力計(jì)算
本工程采用頂管總頂力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:
F=F0 F1
F0=αpeBC2π/4
F1=RSL
F0——初始頂力(kN)
F1——管壁摩擦力(kN)
α——綜合系數(shù),本工程取淤泥質(zhì)土系數(shù)值1
pe——土倉的壓力(kpa),pe=150kpa
BC=管外徑(m),取2.238m
R——綜合摩擦阻力(kpa),本工程取淤泥質(zhì)土值2;
S——管外周長(m),3.1415×2.238=7.03m;
L——推進(jìn)長度(m),本工程考慮L=400m。
初始頂力:F0=1.5×150×2.2382×π/4=885kN
管壁摩擦力:F1=2×7.03×400=5624kN
總推力:F=885 5624=6509 kN=651T
說明:以上的管壁摩擦力計(jì)算沒有考慮觸變泥漿減摩效果,施工是采用觸變泥漿減摩,可以有效折減管壁摩阻力。
工具頭正面泥水壓力:F1=π×D2/4×P其中
F1——頂管泥水阻力(t)
D——頂管外徑(m)
σ——頂管泥水最大壓力(t/m2)
σ與土層密實(shí)度、土層含水量、地下水位狀況有關(guān)。根據(jù)有關(guān)工程統(tǒng)計(jì)資料和本工程的分析,估算工具頭正面泥水壓力為50t/m2左右,F(xiàn)1=π×D2/4×P=π×2.2382/4×50=196T
管壁摩擦阻力: F2=S×L×f其中
S—頂管外周長(m)
L—最長一段頂管長度(m)
f—綜合摩擦力系數(shù)(T/ m2)
f與管道的埋設(shè)深度、土質(zhì)、地下水位等因素有關(guān)。根據(jù)有關(guān)工程統(tǒng)計(jì)資料和本工程的分析,估算綜合摩擦力系數(shù)f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π×2.238×60×1.0=421T
在考慮一次頂進(jìn)距離為60-70m時,頂管總阻力為以上阻力之和:F=F1 F2≈617t
根據(jù)該管徑鋼管的要求,其不能承受的以上頂力,頂力較大,需要增加中繼環(huán),頂進(jìn)的后座采用4個200T的千斤頂,中繼環(huán)采用10個30T千斤頂,共計(jì)300T。頂管中繼環(huán)布置按照“工具頭20m—中繼環(huán)—后座60m”來布置。另外,頂管過程還要采用減阻措施,通常減少管壁摩擦阻力的措施有:管壁與泥土間壓觸變泥漿減阻(優(yōu)質(zhì)膨潤土拌制而成),注漿需要管節(jié)間的密封良好,否則漿體會在管節(jié)間泄漏起不到應(yīng)有的作用,減阻效果好時,f—綜合摩擦力系數(shù)可以降低到0.3-0.8T/m2左右,將觸變泥漿的減阻作為保險(xiǎn)系數(shù)。
2.2 管材受力計(jì)算 鋼管內(nèi)徑d=2220mm,厚度t=18mm,每節(jié)管長度6000mm,管的端頭采用焊接接頭。端面受力面積s=π× (2.238×2.238-2.22×2.22)/4=0.063m2
可承受的最大頂力為:F=s×5000T/m2/4=78.8T。
3 各主要工序施工方法
3.1 頂進(jìn)前準(zhǔn)備所有機(jī)械設(shè)備交班檢查 頂進(jìn)前,機(jī)械工需要進(jìn)行交接班手續(xù),將記錄的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況表交給下一個班組的機(jī)械工,并進(jìn)行口頭的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況交班,剛上班的機(jī)械工需要對控制臺、各個泥漿泵、管道、測量系統(tǒng)、工具頭等進(jìn)行例行檢查。
3.2 工具頭刀盤轉(zhuǎn)動、開進(jìn)出渣漿泵 交班和例行檢查完畢后,接通電源,將工具頭的刀盤轉(zhuǎn)動,當(dāng)設(shè)備的參數(shù)穩(wěn)定后,開進(jìn)出渣漿泵,開始泥漿循環(huán)。
3.3 調(diào)整進(jìn)出渣漿泵流量達(dá)到平衡 工具頭的操作全部采用在管道外(工作井上)控制臺控制,只需1個機(jī)手操作,可實(shí)現(xiàn)對工具頭刀具的轉(zhuǎn)動、糾偏控制、壓力顯示、時時監(jiān)控(工具頭安裝了攝像頭、控制臺上安裝了電視機(jī))。頂進(jìn)千斤頂,觀察工作倉的土壓力表,調(diào)節(jié)渣漿泵的流量達(dá)到工作倉的泥水平衡,其平衡的原理是,當(dāng)進(jìn)泥和吸泥泵穩(wěn)定工作時,調(diào)節(jié)進(jìn)泥和吸泥的泵量,使工作倉內(nèi)應(yīng)保持一定壓力,倉內(nèi)泥水壓力應(yīng)與地下水壓力相平衡,泥水壓力過大,地面隆起;泥水壓力過小,地面沉陷,所以控制頂進(jìn)與出泥的速度相當(dāng)關(guān)鍵。
3.4 泥水處理系統(tǒng)處理好砂土、裝車、外運(yùn) 采用泥水平衡式工具頭出土,需要在工具頭中注入含有一定泥量的泥漿,通過大刀盤切削工具頭前方的原狀土,與注入的泥水?dāng)嚢,泥水通過吸泥泵排到地表泥水處理系統(tǒng)處理,泥漿可以反復(fù)循環(huán)使用,處理好的泥沙用泥漿車外運(yùn)。
3.5 測量工具頭的偏位、作好記錄、糾偏 測量方法,在工作井后座位置設(shè)置測量機(jī)座,測量基座由地面引入地下,避免工作井的變形引起的誤差,將全站儀放置在其上調(diào)平后,使全站儀發(fā)射的激光沿著頂進(jìn)方向水平射出,打在工具頭的測量靶位上,通過望遠(yuǎn)鏡讀出工具頭的偏差。每隔0.5m記錄一次。
3.6 1個行程頂完后,整體式頂進(jìn)構(gòu)架調(diào)節(jié)頂塊 當(dāng)頂完1個行程后,停止頂進(jìn),調(diào)節(jié)整體式頂進(jìn)構(gòu)架頂塊,可繼續(xù)頂進(jìn)下一個行程。
3.7 觸變泥漿系統(tǒng) 頂進(jìn)過程中,需要經(jīng)常進(jìn)行壓觸變泥漿工作,以減少頂進(jìn)的阻力,觸變泥漿系統(tǒng)由拌漿、注漿和管道三部分組成。拌漿是把注漿材料兌水以后再攪拌成所需的漿液(造漿后應(yīng)靜置24小時后方可使用)。注漿是通過注漿泵進(jìn)行的,根據(jù)壓力表和流量表,它可以控制注漿的壓力(壓力控制在水深的1.1~1.2倍)和注漿量(計(jì)量桶控制)。管道分總管和支管,總管安裝在管道內(nèi)一側(cè),支管則把總管內(nèi)壓送過來的漿液輸送到每個注漿孔上去。注漿孔布置為:工具頭后3節(jié)管各設(shè)一道、之后每間距5m設(shè)一道補(bǔ)漿孔(間隔2節(jié)砼管)。
注漿流程:造漿靜置→注漿→頂管推進(jìn)(注漿) →頂管停頂→停止注漿
3.8 頂完一節(jié)管后,拆開各管路、鋼管吊裝、各管路安裝 頂完一節(jié)管后,拆開所有管線(電力電纜、信號線、油管、進(jìn)出泥漿管、觸變泥漿管),進(jìn)行鋼管吊裝焊接后,安裝好所有管線,繼續(xù)頂進(jìn)。
3.9 其他附屬施工方法
、夙敼芄ぷ髅媾潘晒ぷ髅媪飨蚬ぷ骶樱儆帽门懦龅孛。
、陧敼軆(nèi)面無人,如果需要進(jìn)去維修設(shè)備等,進(jìn)管之前需要通風(fēng),采用壓入強(qiáng)制性通風(fēng)措施,用風(fēng)機(jī)通過1.5英寸鐵管向頂管工具頭壓風(fēng)。
、凼┕び秒娭鞲删采用380V三相五線制,接通地面、工作井、管道內(nèi)、工具頭、管道照明采用12-24V低壓電源供電。
4 總結(jié)
頂管過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程,它涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科。但頂管施工必須嚴(yán)格控制好頂管推力,而對頂管計(jì)算復(fù)核能夠準(zhǔn)確估計(jì)頂管的推力。頂管的推力就是頂管過程管道受的阻力,包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。泥水平衡壓力:在封閉的工作倉內(nèi)加泥水壓力平衡地下水壓力,是防止泥砂涌入的重要方法。泥水壓力一定要合理。壓力較小,大量的泥砂涌入,會造成路面破壞,地表設(shè)施受損;壓力過大,會增大主千斤頂負(fù)荷,嚴(yán)重的可能產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象。該工程通過了嚴(yán)密的頂管計(jì)算,采取了先進(jìn)的頂管設(shè)備,成功高效地完成了該路段頂管施工的工作。