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土压平衡顶管施工工艺①
来源:西安鸿友 作者:张坤 发布时间: 2018-11-27 浏览数:658 分享到:
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1 前言1.1 概况土压平衡顶管施工,是一种机械式顶管施工工法。它与手掘式顶管和其他形式顶管施工工法相比,又具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段的优点。因而,这种土压平衡顶管施工工法越来越受到...

1 前言

1.1 概况

土压平衡顶管施工,是一种机械式顶管施工工法。它与手掘式顶管和其他形式顶管施工工法相比,又具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段的优点。因而,这种土压平衡顶管施工工法越来越受到业内人士和技术人员的欢迎。

该法顶进施工中,利用土舱内的压力和螺旋输送机的排土来平衡地下水压力和土压力。该法掘进机排出的土可以是含水量较少的干土或含水量较多的泥浆,一般都不需要再进行泥水分离的二次处理。随着土砂泵的应用,该工法将会更加得到普及推广使用。

1.2 工艺原理

土压平衡顶管是根据土压平衡的基本原理,利用顶管机的刀盘切削和支承机内土压舱的正面土体,抵抗开挖面的水、土压力以达到土体稳定的目的。以顶管机的顶速即切削量为常量,螺旋输送机转速即排土量为变量进行控制,待到土压舱内的水、土压力与切削面的水、土压力保持平衡,由此则可减少对正面土体的扰动及减小地面的沉降与隆起。

2 工艺特点

2.1 它适用的土质范围广。从软黏土到砂砾土都能适用,是一种全土质的顶管施工方法。

2.2  能保持挖掘面稳定,地面变形极小。

2.3  施工时的覆土可很浅,最浅为0.8倍管外径。这是其他任何形式顶管施工所无法做到的。

2.4  弃土的运输、处理都较方便、简单。

2.5  作业环境好。既没有气压式那样的压力环境下作业,也没有泥水式那样的泥水处理装置等。如采用土砂泵输土,作业环境还会更好。

2.6  操作安全和方便。

2.7  该法在砂砾层和黏粒含量少的砂层中施工时,必须采用添加剂改良土体。

3 适用范围

3.1  本工法适用于N值0-50的淤泥到砂砾等各种土质条件下施工。

3.2  本工法不仅可在穿越河流、公路、铁路、房屋等覆土较深的条件下施工,而且可在覆土深度不小于0.8倍管外径的浅覆土条件下施工。

3.3  本工法不仅适用于DN800~3000mm口径的钢筋混凝土管施工,而且也适用于钢管施工。

4 主要技术标准

《给排水管道施工及验收规范》(GB50268)、《顶管施工技术及验收规范(试行)》(中国非开挖技术协会行业标准)、《顶管工程施工规程》(DG/TJ08-2049)(J11324)。

5 施工方法

设管道前,先建造一个工作井。在井内顶进轴线的后方,布置一组行程较长的千斤顶,一般每组为4 只到6 只,将设的管道放在千斤顶前面的导向轨架上,管道的最前端是一台土压平衡顶管机,工具管与管段之间需刚性连接。千斤顶顶推时,以工具管开路,推进管段穿过坑壁上的穿墙孔,把管道压入土中。与此同时,通过土压平衡顶管机的螺旋输出装置将掘进面板前方的土体输出,采用输送带或人工运至工作井中,吊出外运。当千斤顶达到最大行程后,全部缩回,放入顶铁,千斤顶继续前进。如此不断加入顶铁,管段不断向土中延伸, 当顶管机和第一节管段几乎全部顶入土中后,吊去全部顶铁,断开顶管机的动力电源及压浆管路,将第二节管段吊入,接好管接头,连接动力电源线和压浆管路继续顶进,如此循环施工,直至全部顶完。

管道外壁注活性膨润土润滑浆,以减少四周的摩阻力。

当管道顶进阻力超过主千斤顶的顶进能力时,则采用中继接力技术,将管段分成数段,段间加入中继间,以接力方式分段克服摩阻力。

管道的顶进方向与高程采用激光经纬仪进行测量监控。

6 工艺流程及操作要点  

6.1 施工工艺流程

土压平衡顶管施工的工艺流程如图1所示。 

   

1 土压平衡顶管施工工艺流程

6.2 操作要点

6.2.1 施工准备

在工程施工准备阶段,应编制详尽的施工组织设计,并做好如下几项工作:

1 施工场地地质条件、施工内容、范围确定

场地地质条件是选择施工方法的前提,工程施工前,应根据业主提供的地勘报告确定施工工艺,必要时应进行补充勘察;工程施工前,应组织施工人员认真学习施工图纸、相关规范、标准,明确工程施工内容和技术要求,对图纸中与现场不符内容联系设计人员进行补充设计或变更设计。

2 开工前,应对顶管轴线两侧各5m范围内进行地质勘察,核对地质是否与设计相符,并核对附近是否有既有建筑物。如地质与设计不符或有不良地质(如流砂层),则要扩大勘察范围,并与设计单位联系,采取相应的措施。

3 顶管设备选择

土压平衡顶管机有多种类型,应根据不同的地质条件选择适用的机型,以达到良好的顶进效果。

4 施工工艺参数的计算

工艺参数计算主要为管段顶力的计算,管段顶力根据《给水排水管道工程施工及验收规范》6.3.4经验公式,即:

FP  =πD0Lƒk + NF

注:FP—— 管道顶进阻力(KN);

D0—— 管道外径(m);

L—— 管道设计顶进长度(m);

ƒk—— 管外壁与土体单位摩阻力(KN/m2);

NF—— 顶管机迎面阻力(KN)。

5 施工工艺确定

根据现场地质条件、顶管设备及工艺参数确定施工工艺。施工工艺主要包括:顶管区间段长度的确定,是否使用中继间以及中继间的数量和布置;初始顶进的方案及措施;测量及纠偏的方法;长距离顶进减阻的方案及措施等。

6 设备安装调试的技术措施

施工设备的安装、调试的技术措施主要包括:施工设备的安装位置、安装精度和牢固要求、安装顺序、调试方法和要求等。

7 施工过程控制的技术措施

施工过程控制的技术措施包括:工作井内管子的吊运安装、泥水处理、测量等作业的空间布置以及平行或交叉作业的安排等;顶管入洞及出洞措施;施工过程中操作室与掘进机头、中继间的联络方式等。

8 质量安全技术措施

质量及安全技术措施主要包括:控制顶进轴线、高程误差及其他质量因素的措施;顶进操作及设备维护的技术与安全措施;控制地面隆起、沉降的措施;穿越重要构筑物的技术与安全措施。

9 应对突发事件的预案

进行施工过程中技术、质量、安全的风险分析,制订处理风险事件的应急措施。

10 顶管施工记录

记录包括顶进过程中的顶进长度、顶力数值或油泵压力表数值、管位偏差及其校正情况、机械运转情况、中继间施工情况、土质水位变化及出现的问题等。

6.2.2 设备安装及试运行

设备安装前,根据设备的操作要求及施工方便的原则确定各设备的安装位置、各种管线和电缆的铺设位置及走向等。对设备的吊运、安装顺序进行计划和安排。

1 设备的安装

1)主顶设备底盘的安装应支撑牢固、防止产生受力变形或位移。底盘的调整定位宜在将顶管机吊运至底盘导轨上后进行。

2)主顶设备液压系统宜设置在主顶设备附近以便于操作,液压软管接头连接清洁无污染。

3)吊运完成后,调整底盘及顶管机机头的位置、高程、中线、仰俯角、旋转角等。

4)工作井总电源闸箱及用电设备必须执行三相五线制,且安装漏电保护装置,工作坑及管内施工采用36V以下的照明设备;总电源的匹配大于顶管施工过程中需同时运行的全部设备功耗之和;长距离顶管时须考虑电缆的电压降。顶管机头内应设有应急照明电源,顶管机机头、工作坑及地面设备之间设置通讯联络设备。

5)工作井内测量仪器的基座不能固定在主顶装置底盘、工作井后背或其他可能在顶进受力时产生变形或位移的基础上,应安装在独立的固定基座上,以减少重复移动和调整次数;宜使用激光经纬仪或激光指向仪与安装在顶管机内的激光目标靶共同组成方位误差测量系统,对顶进的高程的轴线误差进行全过程的监控。

6)顶进时应根据所顶管道的管径确定安装通风设备的位置及长度。通风设备结合管内的工作环境条件选定,保证管内有足够的氧气。

2 设备试运行

设备试运行之前,应对设备的安装、各种管线、电缆的链接进行检查,确认安装和连接无误后方可接通电源。

设备的试运行应遵照设备说明书进行。通过试运转查找和消除设备可能存在的所有问题,确认其处于完好状态。主要包括以下内容:

1)不加载的情况下,电源电路开关的接通、切断工况试验的检查。

2)液压系统控制阀件的动作灵敏、正确,特别注意有无控制电路反接现象、操作台显示动作与实际动作是否一致。

3)设备润滑和密封系统供油正常,油路畅通,供油压力可在设定的范围内调节。

4)刀盘正反转动作正确,无异常响声。

5)纠偏千斤顶的伸缩动作正常,编组动作与操作台显示一致。试查完毕将千斤顶回缩到工作零位。

6)顶进千斤顶伸缩动作正常,试查完毕将千斤顶回缩到工作零位。

7)注浆系统输送泵的试运转符合设备说明书的规定。

8)对注浆管路进行加压试验和检查,保证管路畅通、无泄漏。

其调试顺序为:将操作台输出电缆分别与对应的接口接好后,逐步送电,观察各仪表电压值是否正常;然后依次送电检查各设备运行状态,送水泵、排泥泵、抽水泵以及搅拌筒电机旋转方向,排泥泵的调速系统是否正常,若旋转方向相反则调换该电机两相电源线,若发生异常声音或气味,立刻停电检查故障原因,尽快排除;注浆泵一般采用螺杆泵,不能在无浆液下运行,在调试或运行之前先用管钳扭动转轴,待灵活以后可加水运转,看泵的旋转方向与出口压力;将掘进机各电缆接好,开启操作按钮、动力按钮,并使后方动力站运行(运行前检查油箱内油量是否充足,有无污染);调速旋钮拨至10位,千斤顶切换成伸出,逐渐将调速器拨至0位使全速运行,全部伸出以后再退回,反复操作1-2次进行排气;关闭后方动力站,打开机内动力站,刀盘运行,TV开,看刀盘旋转方向是否正确,转矩仪是否正常,将转矩仪设定于0位,看报警系统是否正常,倾斜仪指示情况,开、关旁通阀和止水阀,动作是否灵活,操作纠偏控制按钮,观察纠偏指针在光靶上移动情况,能否达到最大位置;关闭机内动力站,待机10-15分钟,观察掘进机破碎锥体内有无油滴滴下,若有少量渗出无滴下,可视为合格,停止刀盘运转,TV及动力回路操作回路;拆除掘进机电缆线,可以吊装掘进机于导轨之上,准备顶进。

3 顶进

设备安装、调试和试运行正常后开始正式顶进。

1)初始顶进

我们把从破洞一直到第三节砼管全部推进入土中的全过程称之为初始顶进。在顶管施工中,初始顶进是一个至关重要的阶段,它的成败将决定整个顶管过程的成败。

初始顶进分为以下几步:

第一步是破洞。在破洞之前,洞口必须要有防止土体或砂层塌方的措施。在土质均匀的黄土中顶进时,一般洞口采用砖砌封门;但是在砂土中,比较有效的是采取深层搅拌桩和高压旋喷桩两种方法。

第二步是让顶管机入土。当封门破除后,可把顶管机刀盘开动,用主顶油缸徐徐把顶管机推入土中。这一过程中应注意防止刀盘嵌入砂土中不转而顶管机壳体旋转,应采取控制顶进速度和在顶管机左右两侧加设角撑的办法来防止其旋转。

第三步是将机头后方的两根砼管与机头管连接,形成一个整体,用来控制顶进段的高程和中线。至此,初始推进工作完成,此时应停下来进行一次全面的测量,并把测量数据绘成曲线,便于分析。

同时,在初始顶进中还应注意,应在初始顶进的后期方可进行正常的方向校正工作,这是因为如果当第一节砼管尚未与顶管机后壳体联接时进行纠偏,这时顶管机的前壳体已在土中,后壳体仍在导轨上,纠偏时前壳体不动,后壳体则有可能偏离导轨,不仅起不到纠偏作用,反而会带来更多麻烦。在初始顶进阶段若必须纠偏,这时只能用纠偏油缸推出(即用纠偏油缸伸出),而不能用纠偏油缸拉(即不能用纠偏油缸缩回)。

2)顶管机刀盘转速和扭矩控制和调整

在顶进过程中,根据土质情况和顶进效果进行刀盘转速和扭矩的控制和调整。

正常顶进情况下刀盘应调至高转速、中低扭矩的状态工作,以获得较好的切削和土仓泥土搅拌效果。在施工中需停止刀盘回转时,应先停止顶进,让刀盘空转一段时间,观察到刀盘工作电流(或工作油压)开始回落后方可停止刀盘回转。在顶进过程中发现刀盘工作电流(或油压)异常上升时,应降低顶进速度或停止顶进,待刀盘电流(或油压)平稳后再按正常速度顶进。

当顶管机头发生自转时,应将刀盘回转方向调至与顶管机头自转相同方向进行顶管机头的旋转偏移纠正。

刀盘的重新启动应采取一切可能的措施降低启动阻力,在确认不会对设备造成破坏或进一步加大顶进困难后,方可加大扭矩启动刀盘。

3)顶进设备操作

顶进设备的操作应按前方顶进反馈的控制信息要求实施。

初始顶进或中途停机重新顶进时,都应遵循从低速到高速的控制原则。

顶进速度应尽量控制平稳,尤其要避免顶速突然加大的现象。对顶进过程中出现的任何工作油压波动都应及时分析原因并采取相应措施。遇到下列情况时应立即停止顶进,及时分析原因并采取相应措施,处理完善后再继续顶进:

① 顶进顶力骤升或顶力达最大值时;

②后背发生位移或后背开裂时;

③千斤顶油管不通或油泵工作不正常时;

④监视器工作不正常时;

⑤激光经纬仪工作不正常时;

⑥砼管出现裂缝或破损时;

⑦洞口止水圈漏水时;

⑧电路发生故障时。

4)纠偏操作

顶进过程中的纠偏是顶管作业质量好坏的关键,若操作不当,可能造成顶力骤升、管接口破损,严重时可能造成管道无法顶进,引发严重的安全、质量事故和重大经济损失,尤其是在砂层中顶进,管道极易因为泥水过度冲刷造成顶管机机头下沉,因此,对于顶进过程的纠偏显得尤为重要。

在机头和机头连接工具管出洞前,即使发生中线和高程偏差,也尽可能不要纠偏,因为此时纠偏,机头连接管尚位于导轨上,起不到纠偏效果;机头连接管出洞后,若高程中线在±2cm以内时,可不纠偏,当高程或中线超出标准值2cm以上时,根据监视器内的光点位置变化趋势进行纠偏,必须有一个提前量,纠偏遵循“先纠高程,后纠中线,小角度连续纠偏”的原则,纠偏油缸的伸出量一次不得太大(以不超过2cm为宜);当光点位置有反向移动趋势或移动速度放缓时,可将纠偏油缸缩回,停止纠偏,纠偏时还应观察监视器内仰俯角和旋转角变化,作为参考数值,仰俯角和旋转角最大偏差不得超过原始值3°。

当监视器中光点发生显著变化时,应停止顶进,测量人员须下坑对经纬仪进行重新校正复核,查找是否属仪器被触碰或震动所致;若不是,须进行原因分析,并会商处理办法。

顶进过程中,操作人员应随时监测监视器各项数据的变化,并及时记录,在分析记录数据的基础上进行纠偏。

顶进过程中,操作人员必须对顶管各项数值进行记录,顶进记录应做到记录准确、清楚、完整、及时,顶进记录每顶进一根砼管记录数据不得少于一次,每班次不少于6次,尤其是交接班前,无论该管是否完全顶进都应进行记录,交接班必须履行交接班手续,测量人员应相互沟通。

测量人员应对激光经纬仪进行每作业班次不少于两次的校核,并保留校核记录。

6.2.3 测量与监控

1 编制测量及监控方案

顶管施工开始前,应根据设计文件规定的工程内容与现场环境条件及顶管施工特点编制工程的测量与监控方案,主要包括:

1)平面与高程控制测量方案。

2)工作坑内及管道内控制测量方案。

3)顶管施工中的测量项目、内容、要求。

4)顶管贯通前的测控方案。

5)地面及周边建筑物隆沉监控方案。

2 高程及中线误差监测

1)土压平衡顶管施工测量应建立地面及地下测量控制系统,控制点应设在不易扰动、视线清楚、方便校核、易于保护处。

2)为了实现对前端顶管机偏离轴线的动态监测、提高施工测量效率并与机械化顶管技术相适应,土压平衡顶管应采用激光导向进行监控。

3)宜以激光测量数据作为顶进过程中判断前端顶管机高程及中线误差的主要依据。在施工经验不足的情况下,应使用水准仪和经纬仪进行高程和中线误差的校验测量;这种测量方法还用于对顶进管段高程及中线误差的测量。

4)使用水准仪和经纬仪对顶管机进行测量应安排在工作间隙进行,在纠偏过程中应增加测量次数,反之在顶进正常情况下可减少测量次数。

5)每完成一节管道的顶进,应测量一次管中心线和高程;每个接口应测一点,有错口时测两点,并形成文件。

6)工作坑与接收坑贯通后,应进行管道最终验收测量。确定管道的中心线与管底高程、井位位置。

3 地面隆沉情况监控

对顶管施工中地面隆起情况进行监控,监控应符合下列要求:

1)监控基准点应设在施工影响区域外,并具有良好通视与防干扰条件。

2)隆沉观测点应沿顶管机前进轴线方向对称安排布置,具体布设尺寸应结合初始顶进试验,由施工设计确定。

3)对需要保护的建筑物、构筑物等应设监控点。

5)对已完成的管段应继续进行隆沉观测,观测间隔时间按控制测量方案确定。

4 数据记录与反馈

准确填写顶管施工过程中每次及最终测量数据,形成完整的测量记录。每次测量、监控的轴线误差与地面隆沉数据,并及时进行纠偏。

6.2.4 触变泥浆与填充注浆

1 制订方案

触变泥浆的加注应按施工方案进行,顶管完毕应通过注浆进行管外空隙填充和泥浆置换。施工方案应包括以下内容:

1)泥浆配合比、注浆时间及注浆压力确定。

2)制备和输送泥浆的设备及其安装规定。

3)注浆系统及注浆孔布置。

4)顶进洞口封闭泥浆的措施。

5)填充注浆和泥浆的置换。

2 加注触变泥浆

1)顶管机外径宜比顶进管道外径大2-6cm,注浆后使土体与管子间形成10-30mm厚的泥浆环。

2)应根据管道直径、土质条件、计算注浆量等确定每个注浆面上注浆孔的数量。

3)注浆应从顶管机后的第1、2节管开始进行,并通过对注浆分闸门的控制,使管道的前端在顶进过程中始终得到注浆补充。

4)顶进过程中还应通过后续管道的补浆孔进行补浆,补浆孔的间距和数量取决于土质、顶速等,宜相隔2-5节管子布置补浆孔。

5)注浆压力因管道上方土体的塌落程度、土体的渗透系数以及注浆管路沿程压力损失等而存在差异,注浆压力控制宜遵循以下原则:

①浆液能以较平稳的工作压力连续注入。

②防止浆液窜入管道内。

③注浆压力的上限不允许超过管道上方覆土的承压能力。

3 填充注浆

顶管终止顶进后,应向管外壁与土层间形成的空隙,或减阻触变泥浆层进行充填、置换,保障被穿越的地面构筑物安全。注浆应符合下列要求:

1)应由管内均匀分布的注浆孔向外测空隙压注浆液;注浆应与地面监控相配合,应采用多点注浆将管道与土层的间隙充分填满,注浆量宜按计算空隙体积的150%控制。

2)注浆压力应根据管顶覆盖土层的厚度计算或试验确定,宜为0.1-0.3MPa,砂卵石层宜控制在0.1-0.2MPa。

3)注浆结束后,应在规定时间内将注浆孔封闭。

6.2.5 中继间顶进

施工中继间接力顶进是长距离顶管的重要技术措施,随着顶进距离的增加,管壁与土体的摩阻力随之加大,虽然利用触变泥浆可以减阻,但其作用毕竟有限。长距离顶管应设置中继间,采用中继间接力顶进技术,可提高一次顶进的距离,并减少工作井,降低施工成本。

1 应根据顶进作业总顶力的计算和顶进管材的管壁承受能力等在施工方案中确定中继间的设置及其使用数量。

2 中继间应符合下列要求:

1)具有足够刚度、卸装方便,在使用中具有良好的连接性和密封性;

2)中继间的设计最大顶力不宜超过管子承压面抗压能力的70%。

3 中继间应在主顶设备顶力达到中继间设计顶力的3/4前使用。

4 中继间的液压设备与工作井顶进设备宜集中控制。顶进时,距离顶管机最近的中继间先顶,其他的中继间保持不动,在所有中继间依次完成顶伸后,工作井内主顶千斤顶完成最后的顶进作业。

6.2.6 顶管机的接收

1 接收井一般设在管线的检查井位置。接收井的开挖、支撑方式与工作井类似。在有地下水地段应进行降水处理。

2 接收井的尺寸应满足顶管机与首节管子脱离后进行设备检查、维护及吊运所需空间要求。

3 接收井应预留顶管机出洞口,洞口直径宜大于顶管机直径10-20cm。

4 顶管机临近接收坑井壁1-2m时,应调整、控制顶管机顶进速度,加密对顶管机轴线的测控。

6.2.7 对建筑物的保护措施

如在顶管轴线10m范围内存在地下管线、建筑物等,则要按照实际情况采取相应的保护措施。

1 对于地质相对较好的粘质土、强风化砂岩等地层,一般不对建筑物进行加固处理,在顶进通过建筑物时,顶进速度放慢,尽量减少对既有建筑物的扰动。

2 对于地质相对较软、自稳能力差的地层,一般要对该范围内的建筑进行加固处理。加固处理的方式可采取地面注浆及打桩等形式。

3 顶管穿越既有建筑物时,根据实际情况,除对建筑物进行加固处理外,还要进行监控测量,如发现建筑物及地表有沉降现象,应立即会同监理单位、设计单位采取必要的保护措施。