大管径管道顶管施工

1 工程概况

香港荔枝角至青衣污水治理工程, 西起青山路至青衣污水处理厂, 其中穿越机场三号干线及机场铁路桥的一段采用双排混凝土顶管施工, 该段顶管全长310m×2, 管节外径为3540mm, 内径为3000mm, 管节长度3000mm, 顶管坡+0.095%, 管顶覆土厚度为6.8m。顶管施工采用外径3560mm的土压平衡式多刀盘顶管机, 最大后顶力为1000t。顶管衬砌结构均采用"F"型预制钢混凝土管节, 相邻两管节间采用特制接头承插连接, 衬砌接缝防水采用天然橡胶制成的锲型橡胶圈。

2 地质条件

本工程范围内的土层从上往下依次为:填土、褐黄色粘土、灰色粉质粘土、灰色淤泥质粘土。顶进断面全线上部处在灰色粉质粘土内, 下部处在灰色淤泥质粘土内, 见表1。

3 进出洞施工措施

从工作井中出洞开始顶进是整个施工过程中的关键环节之一。为确保顶管机顺利出洞, 防止土体坍塌涌入工作井, 出洞前先在砖封门前打设一排钢板桩, 钢板桩入土深度达到工作井底板以下。当顶管机出洞时, 先把砖封门拆除, 这时由于钢封门挡住, 土体不会涌入。等到顶管机推进到距钢封门5 0 m m~100mm时, 洞口止水圈已能发挥作用了, 然后再按出洞口一侧向另一侧依次拔除钢板桩。为减少钢板桩拔除过程中对顶管机正面土体的扰动及可能出现的建筑间隙, 钢板桩全部拔除后应立即顶进, 缩短停顿时间。

在出洞施工初期, 由于顶管机正面主动土压力远大于机头及混凝土管节的周边摩阻力和与导轨间摩阻力的总和, 因此极易产生管节后退, 引起顶管机前方土体不规则坍塌, 使顶管机再次推进时方向失控和向上爬高。为此, 采取在洞口两侧各安装一只手拉葫芦, 当主顶油缸回缩之前, 先将最后一节管节拉住不让其后退, 同时在出洞之初就预设了一定的向下纠偏量, 尽可能克服出洞时机头抛高的情况。从实际施工的效果来看还是比较理想的, 出洞期间的高程最大偏离值, 北侧为-2.8cm, 南侧为+4.5cm。顶管机进洞施工与出洞相比较为简单, 当顶管机靠近洞门时, 须控制好土压力, 在切口距封门20~50cm时停止顶进, 并尽可能降低切口正面土压力, 确保拆除封门时的安全, 拆除封门后将顶管机迅速、连续顶进, 直到进洞洞口止水圈发挥作用为止, 这就完成了进洞进程。

4 长距离顶进施工措施

4.1 顶进轴线控制长距离顶管施工的核心问题是对顶力的控制计算管壁土压的公式:

Pv-管道上竖向土压力;PL-管道上侧向土压力;γ-土体容重;H-覆土层厚度;D-管道外径。

上述公式是基于土柱的受力模型, 适用于不稳定土层或覆土层厚度小于卸力拱高度的情况下。从公式中可以清楚地看到单位长度上的顶进阻力与管径、覆土层厚度、土体容重、土层性质有关。但是在实际顶管施工中纠偏对顶力的影响非常明显, 顶管机在顶进过程中由于受力不均匀, 导致偏离管道设计轴线, 所以必须对机头的前进方向和旋转进行纠偏, 使其沿设计方向平稳前进。纠偏在顶进过程中是不可避免的, 是自始至终伴随着顶进而进行的。每次纠偏时必须对顶管机施加力矩使之改变前进方向, 施加的力矩就相当于附加了一个土压力从而使阻力增大。这一附加阻力在规范中没有反映, 但它却是一个不可忽视的因素。纠偏阻力的估算方法:

注:地面标高+3.5 m

a-纠偏阻力;f-管壁与土体间的摩擦系数;σ-侧壁土压力;L-顶管机长度

4.2 注浆减摩

注浆减摩是长距离顶管中非常重要的一项工艺, 是关系到顶管成功与否的一项关键的技术。为确保减小管道外壁的摩阻力采取了以下技术措施: (1) 保证润滑泥浆的稳定性, 根据土质的变化适当调整配方, 以满足不同的需要。 (2) 合理布置注浆孔。在混凝土管节雄头一侧按120°设置三个孔, 压浆总管安装于管节断右侧, 每隔6m接一三通阀门至管节注浆孔, 在顶管机后的连续3节都设置注浆孔。 (3) 制定合理的压浆工艺, 严格按压浆操作规程进行。为使顶进时形成的建筑间隙及时被泥浆所填补形成泥浆套, 必须坚持"先压后定、随压随顶、及时补浆"的原则, 泵送出口处的压力控制在1~1.25kg/cm2。 (4) 压浆孔的位置设在管节雄头一侧靠近边缘处, 这样在管节拼接后注浆孔就完全被前一节的钢环所遮盖, 压出的浆液先会在钢套环与混凝土管节外壁之间形成浆套然后再被挤出。这样泥浆套就较容易形成, 减摩的效果也就比较明显。

4.3 中继间

利用中继间进行接力顶进是中长距离顶管的一项重要技术措施。中继间的布置要求顶力及操作的要求, 以提高顶进速度。第一只中继间应放在比较前面, 因为顶管机的正面土压力在推进过程中会因土质条件和施工情况等因素发生较大的变化, 所以当总推力达到设计推力的60%时就安放第一只中继间, 以后当达到计推力的80%时安放下一只中继间, 而当主顶推力达到设计推力的90%时就必须启用中继间。

土压力设定值:P=γhtg2 (45°+φ/2) =1.45 kg/c m2

管机正面阻力:F=πd2/4×p=143t管壁摩阻系数:取0.6t/m2

设计推力1000t, 中继间推力按设计推力80%计算:

第一套中继间设置里程:L1=98m;第二套中继间设置里程:L2=120m

本工程总顶程3 1 0 m, 设中继间两套, 与顶管机切口距离分别为98m、218m。以北侧顶管为例, 实际施工时在105m处放置了第一只中继间, 但由于泥浆减阻的效果显著, 顶进轴线控制较好, 实际顶进阻力远小于理论计算值, 所以中继间一直未使用, 直到最后进洞过程中才第一次启用。致使顶进程序大大简化, 顶进速度大大提高。

5 双排顶管施工技术措施

顶管由于工期紧迫, 因此在经过充分论证的前提下决定采用双排顶管前后同时顶进施工方法。相对于单条分别顶进施工, 双排顶管主要有三个方面的问题有所不同:

5.1 顶管工作井后靠土体的稳定性

但由于顶力P的反复作用, 沉井后靠土体反复产生压缩变形, 孔隙水压力增大, 有效应力降低, 及沉井侧面与土体之间的孔隙未填实等原因。因地下水位较高, 沉井受到的浮力足以抵消井体自重, 为保证工作井后靠土体的稳定性, 施工时需避免南北两条顶力同时达到最大值, 顶力之和控制在1900t以内

5.2 双排顶管两顶管机纵向间距的确定

双排顶管前后同时顶进的施工方法, 关键是要确定两管的纵向间距L, 这对于减少两管间的相互干扰和对中间部分土体的扰动至关重要。

P 0-静止土压力;D-顶管机外径

在上式中F按施工中控制压力的上限取值, 计算所得的结果偏于安全。除顶管机挤土产生的影响外, 尚需考虑到因顶管机纠偏引起侧向土体的扰动。另外, 由于机头无注浆孔, 摩擦力引起的对侧向土体的扰动也必须考虑。

5.3 双排顶管引起的地层损失和沉降槽的预测

双排平行同步顶管引起的地层损失, 近期常采用有限元法, 可以考虑多种地层, 机头尾部空隙、灌浆等施工因素。在施工中为了便于应用, 选择了Peck公式经验预测法, Peck假定顶管施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的, 所以沉降槽体积应该等于地层损失的体积, 并且地面沉降曲线的横向分布是正态分布曲线。

Sx-距中心为x的地面沉降量;V1-地层损失量, 等于单位长度的沉降槽体积;S m a x--管道中心处最大沉降量;I--沉降槽宽度系数:

I=H/[2.5 tg (45°-φ/2) ] (H-覆土厚度;R-顶管半径)

其反弯点在X=I处, 该点出现最大沉降坡度, 在X=3I及X=0处, 出现最小曲率半径。双排顶管沉降曲线Peck公式的地层损失理论有关论述, 考虑到沉降在数值上远小于覆土厚度、顶管直径和沉降槽宽度, 所以采用叠加法来估算双顶管的最大沉降, 也基本可以满足等面积代换的原则。

在出洞阶段由于打拔板桩、纠偏、泥浆套尚未形成等原因, 实测最大沉降较理论计算值偏大, 达到4.12cm;而在其它阶段由于泥浆及时填充了部分土层间隙使得最大沉降较理论计算值偏小, 仅为2.8 2 cm。

6 结语

随着城市化的发展, 人民生活质量的日益提高, 为减少土地占用和加快施工速度, 顶管的施工方法将在许多城市的地下管线工程中得到运用, 有着广阔的发展前景。本工程中所使用的多刀盘土压平衡式顶管机具有价格低廉、结构简单、操作容易和自重较轻等特, 适用于软粘土层中的顶管施工。

摘要：随着城市迅速发展, 已有的基础设施已不能适应城市发展的需要, 基础设施需要更新或者升级, 以满足人们的需要。为减少对交通及人流影响及满足施工要求, 采用管道顶管施工技术能很好地避免以上限制, 又将对交通及人流的影响减少至最低, 因此道顶管施工技术最近得到广泛的应用。本人在香港完成了多项顶管工程, 而香港荔枝角至青衣污水治理工程比较有代表性, 望借此与国内同行分享顶管工程施工经验。

关键词：管线放线,顶管出洞,后座墙制做施工,施工控制