机械论文:大管径顶管施工应用研究
来源:未知 2020-12-24 12:57
本文针对上海大定海与松潘系统连通管工程,地点位于杨树浦路(临青路~平定路),拟建DN3000顶管连接大定海低标排水系统改造工程和杨浦区松潘排水系统改造工程,该段顶管拟采用
机械论文:大管径顶管施工应用研究
概况
本文针对上海大定海与松潘系统连通管工程,地点位于杨树浦路(临青路~平定路),拟建DN3000顶管连接大定海低标排水系统改造工程和杨浦区松潘排水系统改造工程,该段顶管拟采用松潘排水系统已建成杨树浦路合流7#井作为本段顶管工作井,平定路合流1#井作为本段顶管接收井。拟建场地由表层填土、粘性土、淤泥质粘性土、粉性土组成。如下图所示。
表1、顶管数量表
序号 |
路名 |
路 段 |
设计管径(mm) |
工程量(m) |
埋深(m) |
备 注 |
1 |
杨树浦路 |
平定路~临青路 |
Φ3000(顶管) |
596 |
-5.20~-5.20 |
总管 |
本路段小计 |
合流总管:596m(顶管) |
研究目的
大管径泥水平衡顶管施工工艺施工难度较大,本文将详细参数各工序及施工注意事项,以期对日后同类型工程起到参考借鉴作用。
顶管施工
3.1 测量及纠偏
用极坐标法(对于深井,井口尺寸小,为防止误差,也可采用传统的魏司巴赫--二次联系三角定位法),根据设计给出的工作井坐标和顶进轴线斜坡和平坡交界的坐标,以及实际接收井中心的坐标,分别计算出他们的方位角。然后采用导线法,将控制点定在工作井上。顶管顶进时,在机头中心设置一个光靶,根据光靶反映的读数,即可知道目前机头的方位。
顶进纠偏必须勤测量、多微调,纠偏角度应保持在10'~20'不得大于1°。并设置偏差警戒线。
顶进过程中的纠偏可采取调整纠偏千斤顶的方法,进行纠组操作,若管道左则千斤顶采用左伸右缩方法,反之亦然,如同时有高程和方向偏差,则应先纠正偏差大的一面。
3.2 顶管顶进
顶管施工工序见下图。
3.2.1 技术参数
(1)总顶力估算
根据图纸显示,杨树浦路7#合流井地面标高为3.47m,设计管内底标高为-5.20m;平定路1#合流井地面标高平均为3.02m,设计管内底标高为-5.20m。
DN3000顶管段所需推力计算
F=F1+F2
其中F——总推力 F1——迎面阻力 F2——顶进阻力 F2-1——每米管壁摩阻力(kN/m)
F1=л/4×D2×P(D-管外径3.540m P-控制土压力)
P=K0×γ×H0
式中:K0——静止土压力系数,一般取0.50(根据本工程施工场地勘察报告)
H0——地面至顶管机中心的厚度,取值6.945m
γ——顶管穿越土层为按③层灰色淤泥质粉质粘土,r取17.5KN/m3
P=K0×γ×H0=0.50×1.75×6.945=6.08 T/m3
F1=л/4×D2×P=3.14/4×3.542×6.08=59.81 T
F2=лD×f×L
式中:f——管外表面综合摩阻力,此处取0.5 T/㎡ D-管外径3.54m
L——顶距596m
F2-1=лD×f =3.14×3.54×0.5=5.6T, F2=F2-1×L=5.6×596=3337.6T
总推力:F=F1+F2=59.81+3337.6=3397.41(T)
(2)中继间布置
本工程Φ3000顶管工作坑最大允许顶力为8000KN。拟用于本工程DH-3000泥水平衡机按规定主顶油缸选用200T(2000KN)油缸6只,最大顶力为12000KN。
A、顶管第一道中继环布置:
L=(P-F1)/F2-1
P——中继环设计顶力(kN)
F1——机头迎面阻力(kN)
F2-1——每米管壁摩阻力(kN/m)
经计算:L= 133.8 m,为出洞控制考虑第一个取20m
B、顶管第二道以后中继环布置:
L=P/F2-1=147m,取120m
因此本段需设置中继间,根据顶管总顶力,本段顶管需设置中继间5套(分别位于20m、130m、240m、350m、460m处各设置一套)。而在实际顶进过程中,视顶力情况而增加或减少中继间数量。
(2)土压力设定
1)被动土压力Pp
当土为粘性土时,
=249.4kpa
式中:γ——土的容重17.5kN/m3
z——地面至顶管机中心高度z=6.945m
φ——土的内摩擦角,查表得16.1º
C——土的内聚力,查表得13Kpa
2)主动土压力Pa
当土为粘性土时,
=49.2kpa
式中:γ——土的容重17.5Kn/m3
z——地面至顶管机中心高度z=6.945m
φ——土的内摩擦角,取16.1º
C——土的内聚力(kpa),取13Kpa
3)静止土压力P0
P0=K0γh=0.5×17.5×6.945=60.77kpa
式中:K0——静止土压系数,一般取0.5
γ——土的容重17.5Kn/ m3
h——地面至顶管机中心高度h=6.945m
4)控制土压力P
P=Pa+Pw±△P
Pa——主动土压力(kpa)
Pw——顶管机所处土层水压力(kpa),粘性土中不考虑
△P——土仓施加的预加压力(kpa),一般取20kpa
由于本次顶管处于粘性土中,P=Pa±△P=49.2±20 kpa
3.3 顶管出洞施工
洞口密封不严会导致地下水和泥砂就会流到工作井内,造成洞口上方地表塌陷,殃及周围建筑物、道路及地下管线的安全。会造成触变泥浆流失,影响泥浆套的形成,进而影响顶管的质量和速度。
本工程采用42.5级普通硅酸盐水泥,水泥掺入比25%,机头出洞时,将机头预抬3mm。
前二节管节(内壁预埋钢环)与机头拼装时,采用焊接连接(可伸缩调整),使管节与机头连成一个整体,以防止机头出洞时磕头。在洞口外侧,要设置钢封门,钢封门采用20#槽钢,密排布置,在洞内测先制作钢筋混凝土墙,再砌砖墙,顶进开门时,用风镐破除钢筋混凝土墙和砖墙。
为保证顶管泥浆套形成,在洞口预埋4根注浆管,注入触変泥浆可帮助泥浆套形成。同时当顶管出洞发生渗漏,可通过预埋注浆管向外压双液浆或聚氨酯进行止水。在确保顶管机运行正常的情况下开始凿除洞门。凿除洞门采用风镐凿除钻孔桩的钢筋砼。洞门凿除要连续施工,尽量缩短作业时间,以减少正面土体流失量,要及时清理干净落在洞圈底部的混凝土碎块。
3.4注浆工艺
触变泥浆配比见下表
表2、泥浆配合比
膨润土 |
水 |
纯碱 |
CMC |
稠度 |
400KG |
850KG |
6KG |
2.5KG |
12~14 |
每米管道注浆量:注浆量=理论建筑空隙×500%
V=[3.56m×3.14×0.08/4]×500%=1.11 m3
注浆为机头同步注浆和管道补浆二部分。采用通同一根总管和同一种浆液配方。
触变泥浆由地面液压注浆泵通过2”管路压送到各注浆孔。在机头处应安装隔膜式压力表,以检验浆液是否到达指定位置,在所有注浆孔内要设置球阀,软管和接头的耐压力50Mpa,支管通径为G1。
在工作井洞口止水装置前的建筑空隙处设置4个注浆孔,当管道外壁进入洞内,未与土体磨擦之前就先浸满浆液。触变泥浆随管外壁向土体渗入。
在整个管道中每间隔3个管子设1个补浆液断面共4个注浆孔,补浆应按顺序依次进行,每班不小于2次循环,定量压注。
注浆压力:注浆压力公式Pa=2rh,式中r为土体的容重,h为管道的覆土深度。第一次压浆量为管道外周空隙的1.5~2倍,每个压浆断面设置4个压浆孔,按圆周90°分布。
注浆顺序为:地面拌浆---储浆罐---恒压罐储存---启动压浆泵---打开送浆阀送浆(顶进开始)---管节阀门关闭(顶进结束)---总管阀门关闭---井内快速接头拆开---接长总管,以上过程重复进行下图所示。
3.5 进洞施工
在施工过程中,精确测量,确保该区间顶管能顺利顶至平定路1#顶管接收井预留洞口(洞口加固采用Φ800高压旋喷桩,加固范围为7.2m*2.5m*11m)。
在顶管机头进洞前,先对进水井洞口进行了探察,在对混凝土结构凿除前,先凿出5个直径5cm的孔,贯穿混凝土并进入加固区域,然后静置6~8个小时,若没有流砂或水从观测孔中流出,方可准备整个洞口的凿除。
4、地面保护措施
顶管掘进时将对其上方地层造成损失,地层损失范围近似于梯形(即管道正上方向两侧辐散近似45°角的范围内),该范围的土体均会产生损耗,从而造成地面沉降。详见下示意图
综上所述,顶管穿越或经过构筑物、管线时,必然会使顶管影响范围内的土体产生沉降,为保证构筑物、管线安全,我项目部将对顶管将穿越的构筑物、管线采取相应的保护措施,并加强对沿线构筑物及管线的监测,及时分析数据,根据监测数据适当的进行跟踪注浆处理,顶管结束后再对穿越段进行注浆加固,以稳固土体。
5、结束语
在市政工程中,穿越道路、河流等情况下,顶管技术因为其可有效的规避环境的影响从而运用较为普遍。在大管径顶管施工过程中,对其施工安全、质量的控制显的尤为重要。需要严格按照规范操作,实行过程控制,确保每一项细节的落实到位。