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非开挖顶管施工工艺

时间:2018-01-18 17:46 作者:admin 点击:

非开挖顶管施工工艺

  顶管施工是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、铁道、地面建筑物以及地下管线等。它最早其始于1986年美国的北太平洋铁路铺设工程施工中。我国顶管施工据了解始于1953年的北京,后来上海也在1956年开始顶管试验。

  随着顶管不断发展,顶管施工技术已逐步发展成为一种以气压平衡、泥水平衡和土压平衡为理论基础的非开挖施工技术。顶管掘进机形式也进一步细化,可分为泥水式、泥浆式、土压式及岩石掘进机。

  目前,顶管施工技术已成为一种常规的施工方法被采用,自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环系统等许多管道也采用了顶管施工技术。尤其是污水治理工程中顶管施工技术得到了普遍使用。长距离大口径顶管、小口径微型顶管、曲线顶管也得到了长足的发展,成为顶管家族中的骄傲。为使读者进一步了解顶管施工技术,下面就顶管施工工艺的介绍。

  一、顶管工作原理及工艺选择

  顶管工作原理:顶管施工是以顶管工作井为起始点,在工作井内安装主顶千斤顶系统提供水平推力,先将安装在导轨上的顶管机头从前墙预留的出洞口破封门推入土中,由机头导向,然后将钢筋砼管跟随机头一节一节地推向前顶进。与此同时,机头挖掘的泥土被不断排出,经水平运输至工作井,再经垂直运输至地面外运弃土。采用24小时连续施工,直至机头进入接收井回收,完成该次顶管管道铺设。

  顶管工艺选择:顶管有土压平衡法、泥水平衡法及气压平衡法等多种施工方法,是由顶管工具管(机头)的功能分类而定的。应根据机头穿越的土层性质和地下水情况等因素,选择合适的顶管机头。顶管机头安装在管道的前端,它具有控制顶管方向、挖掘和防止坍方等功能,其外形和尺寸与管节相近。本工程拟选择泥水平衡平衡机头。

  二、设备配置和安装

  (1)井内顶推设备

  1、主顶千斤顶:每套顶进总站配置3台300t油压千斤顶,其中1台备用。

  2、组合支架:主顶千斤顶固定在组合支架上,按管道截面左右对称布置。

  3、油泵:为保证油压千斤顶行程同步,共同作用,采用1台电动高压油泵形成并联油路向千斤顶供油压。每个千斤顶均备有独立的控制阀。

  4、后座承压壁:主顶油缸提供水平推力将管道在土层中向前推进,其反推力作用在后座钢构件上并传递扩散到工作井后壁上。后座结构采用50mm厚钢板(重约2t),和厚50cm砼墙体组成。后座与工作井后壁之间垫一层5cm厚木板,这样即可将2台油缸的集中顶力传递扩散到工作井壁上。

  5、顶铁和分压环:分压环外径、内径与钢筋砼管一致,其长度为50cm,二台主顶油缸的顶推力作用在分压环上,分压环再均匀扩散传递到砼管的后端面。环形顶铁的结构与分压环一样,它的作用是由于油缸的一次行程不足以将一节砼管推顶到位,需要将油缸收回后,在分压环与油缸之间加垫该顶铁结构,然后利用油缸的第二次行程再推,这样反复多次即可将一节大大超过油缸行程长度的砼管推顶到位。本工程1.0m长度的顶铁各两件,采用20cm厚钢板加工而成,重量约1t。

  6、中继间的设置及位置

  A、Ø800中继站由10个30T的液压千斤顶组成,总顶力为300t,伸缩量均为30cm,中继间在管道上的分段安放位置,可通过顶进阻力计算确定。

  B、 按常规,由于机头前方迎面阻力和管道外壁阻力等不确定因素太多,为留有较大的安全顶力储备,因此第一号中继间应尽量设置在距机头比较近的位置处,一般设置在距机头20m处附近(,后面的中继间再按一定长度布置。本工程每段顶管只需设置一座中继间,即1#中继站。

  三、顶管工具管安装

  顶管机头维修调试好,运到现场后,被吊放到工作井内导轨上。检查测定机头与轨道是否平衡、吻合,机头的前后端中心方向和相对高差小于2mm,然后对机头的油路、泥浆和操纵系统等设备进行逐一连接,各部件连接牢固,不得渗漏,安装正确,并对各系统进行认真检查和试运行。

  四、工作井地面设施

  1、膨润注浆系统:包括膨润土拌合池、压浆泵、管道等。对于长距离顶管,泥浆泵的泵压能力要求更高,压力不得低于3Mpa。

  2、弃土泥浆池:采用泥水平衡,井上地面需设置弃土泥浆池。弃土泥浆经过泥浆泵送入泥浆车运到政府指定地点排放。沉淀池设置两个连在一起的循环过滤池。单个泥浆池内空尺寸为长10m,宽5m, 高度为2m,四周井壁采用750mm砖砌墙体,采用Mu100的砖,M10水泥砂浆砌筑,内外抹20mm厚的水泥砂浆;井底采用30cm厚的C15混凝土基础底板。

  3、蓄水池:采用泥水平衡,机头前方需要大量水供高压水破土,需在地面上建造一蓄水池,蓄水池内空尺寸为长5m,宽5m, 高度为2m,四周井壁采用750mm砖砌墙体,采用Mu100的砖,M10水泥砂浆砌筑,内外抹20mm厚的水泥砂浆;井底采用20cm厚的C15混凝土基础底板。

  4、高压油泵站:包括高压油泵、油管、油箱、限压阀、溢流阀和压力表等指示保护装置。选用1台50Mpa高压油泵,液压系统设备安装完毕后要进行试车,使用过程中定时检修维护,及时排除故障。

  5、空压站:是向管道内及机头供气,以确保管道内工作人员的呼吸安全和气仓内带压条件。由空压机生产压缩空气,通过净化后输入管道内。采用1台3m3的空压机。

  6、泥浆站:包括压浆泵、搅拌机、泥浆池、管道、压力表和阀门等,用以向管道内供应减阻泥浆。共配置1台压浆泵(0.8Mpa)。

  7、起重设备:选用一台25吨汽车式起重机。

  五、顶管出洞

  当井内、井外的准备工作全部完成后,可将机头吊放到井内导轨上,调整好方向,开始顶管的出洞,工作井壁前墙有机头及管道出洞的预留洞口。由于地下水位比较丰富,为防止井外水土从预留洞口与机头外壁之间的缝隙流入工作井内,预留孔洞与管道间取消常规的密封装置而改用动密封装置。

  1、洞口密封结构:出洞口密封结构的作用是阻止在顶管过程中泥水从管节与洞口间的间隙流入井内。由于地下水位较高,改一般性的密封结构

  根据管道中心线与井壁预留孔的位置,制作一个双层钢结构的内套环,套环内圈设有多层橡胶止水带,止水带之间填充黄油,套环安装在预留孔与管节之间,外围焊接在孔的预埋钢板上,内圈橡胶紧贴管节。

  2、破墙的出洞:当机头前端进入洞口密封圈后,即可破墙出洞。工作井预留洞口已用钢封门临时封堵,在顶前采用气割按水平方向一点点地将封门割除,然后将机头推进,切入土体中,随后即可进行正常顶管施工。为保证顶管机头出洞的万无一失,除采用大管径井点外,应事先对洞口周围一定范围内的土体进行双液注浆压密,更有效地防止外侧的水土进入工作井。双液注浆压密范围为:长2m×宽4m×深6m。

  3、方向监测:顶管出洞方向控制得好,整条管道才有可能顶好,顶管出洞不好,整条管道都难于顶好,故必须严格控制顶管出洞精度,采用跟踪测量,随时调整机头出洞的方向及高程偏差。

  六、顶进施工

  A、当工具管顶入沉井前壁外的土体后,留其尾部约30cm长搁置在导轨上,收回千斤顶活塞杆,卸走顶铁,安装管节和分压环,开始进行管道的顶进施工。

  B、为实现有一次能顶进80m的距离,本工程拟采用下述两项技术措施:第一、在管壁外压注触变泥浆,形成一定厚度的泥浆套,利用触变泥浆的润滑作用,以减少顶进阻力;第二、采用中继间接力顶进技术,实行分段逐次顶进。

  C、注浆减阻:压注触变泥浆填充管道的外周空隙,是减小地层损失控制地面沉降,减小顶进阻力实现长距离顶管的重要措施。对顶管机头尾端的压浆,要紧随管道顶进同步压浆。为使管道外周形成的泥浆始终起到支承地层和减阻作用,在后续管道的适当点位,还必须进行跟踪补浆,以补充在顶进中的泥浆损失量。压浆所用设备有:①注浆泵(螺杆泵,排量1000L/min,压力3Mpa);②搅拌器;③注浆管道(主管φ50mm钢管,支管φ25mm);④管道阀门和压力计。所用的触变泥浆是由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成。施工现场按重量计的触变泥浆配合比为:水:膨润土=8:1,膨润土:CMC=30:1,本工程拟购置膨润土袋装复合材料,在现场施工加水拌和。压浆量为管道外围环形空隙的1.5倍,压注压力根据管顶水压力而定。

  七、测量与纠偏

  ①顶管测量控制

  测量控制网及井下测量平台的建立:开工前根据设计图纸和业主提供的测量控制点,在工作井周围布设一个高精度的测量控制网,设置临时水准点。按设计要求在地面定出管道中心线,并在工作井的两端放设中心线桩,并按照设定的管道中心线和工作井井位建立地面与地下测量控制系统。控制桩设在不易扰动,视线畅通便于校核的地方。

  在顶进工作井内的顶管轴线上,靠近后靠背处,设置测量平台,其上设置由地面水准点引入的临时水准点,在交接班时进行仪器高程的校对与调整。顶进轴线由设计管道中心通过经纬仪或挂垂线的方法引入井内的,并在井内布设2—3个后视点,以便相互校核。设置的井下测量平台必须稳固,不与管道、设备、后靠背接触,不受顶管操作的影响。

  ②顶管轴线与标高测量

  顶管方向和管轴线偏差采用激光经纬仪测定,以控制掘进机的定线准直。测量方法是将激光经纬仪设备在井下测量平台的起始点,对准设在管内测点的激光靶板,激光经纬仪发射的激光束偏离光靶中心的距离,即为顶管轴线的偏差值,但方向相反。顶管标高采用水准仪测定。

  ③顶管地面测量控制

  顶管施工地面或多或少会产生沉降,关键是要随时进行沉降观测并采取有效的措施。一般是在顶管轴线上每间隔10米设置一组沉降观测点进行定点定时观测,发现有较大的沉降就应进行处理。处理方式是采取地面注浆的方式,处理面积按测量情况确定。

  ④顶管纠偏

  管道是否沿设计管轴线顶进,是靠测量方法进行检查,管道轴线位置偏差采用经纬仪测量检查,管道内底高程采用水准测量。

  管道在顶进过程中所发生的偏差,是通过操纵机头内的纠偏千斤顶组来调整机头方向完成偏差。

  纠偏时应做到在顶进中纠偏,采用小角度分次逐步纠偏,做到勤测、勤纠。

  顶管施工是继盾构施工之后而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、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于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井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时,也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间,以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题,在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的,它将为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。