手掘式顶管施工技术在兰州某污水管道工程中的应用_高成梁 3页

手掘式顶管施工技术在兰州某污水管道工程中的应用111223高成梁张可能许宏武刘锦荣董世平谭立(1中南大学地学与环境工程学院,长沙410083;2甘肃省机械化工程公司,兰州730060;3中国建筑第五工程局,长沙410004)摘要结合工程实例,对手掘式顶管施工的关键技术,如顶力计算、挖掘面稳定分析、中继间安设、触变泥浆减阻等进行了说明和探讨,并对顶管施工中的顶力变化和减阻措施进行了初步分析与评价。关键词顶管挖掘面稳定分析中继间触变泥浆0工程概述2顶管施工工艺选取本工程为兰州市七里河—安宁污水处理厂厂外管道主要穿越地层为较坚硬的卵石层,卵石层管道工程的一标段,建设地点从兰州市南滨河中路吴中间夹杂漂石,粒径最大可达450mm。同时,南滨家园开始,至兰州市七里河—安宁污水处理厂雁伏滩河路为黄河古河滩,部分地段存在古河堤。考虑到泵房,共敷设两种不同管径的污水干管,总计以上因素,结合现有的机械设备和管材尺寸等条件,2994.81m。其中D1200Ⅰ级钢筋混凝土大开挖直确定顶管施工方法采用排障方便、成本低廉的敞开埋管为806.54m,D1500F型钢筋混凝土管为式工具管顶进,即手掘式顶进工艺。2188.27m,采用顶管施工。全线管底标高东高西低,3主要技术措施[1]坡降约1/1000,污水由东向西重力自流到雁伏滩泵房。3.1顶力计算顶管管段基本沿黄河南岸风景线自东向西延伸,其上顶管阻力为初始阻力与顶管管道周边阻力之和:覆土层厚度自东从3.2m向西逐渐增加到9.15m。F=F0+πDLf(1)1场地工程地质及水文地质式中F———总阻力,kN;拟建管道经过地段的地貌属黄河古河滩。场址F0———初始阻力,kN,取500kN;地下水以孔隙潜水为主,卵石层是主要的含水层,第D———管节外径,m,为1.8m;三系泥岩和砂质泥岩是其下部的隔水层,管道沿线L———顶进长度,m,各顶进分段距离最大为地下水位埋深4.6～11.8m,总体上是东高西低,除180m,取180m;管线中间部分地段地下水位高于卵石层面外,其余f———采用注浆工艺时管壁与土层的摩擦系22地段均低于卵石层面。数,kN/m,取6kN/m。由施工经验丰富的技术人员对各主要参数进行准确管上设置配重块、顶管导轨采取小角度上扬等措施,定值,计算后,根据土质情况评估确定。单纯通过公才能取得较好的效果。式计算出的顶力不完全符合工程的实际情况和技术(6)顶进机头旋转会影响机头内各项仪器设备特点。的使用、操作。建议今后顶管前,在机头上焊接导向(4)减阻措施可有效降低摩阻,减轻顶管后背钢板,以解决这一问题。压力,直接影响顶进设备配置及后背结构形式设计,#通讯处:300040天津市和平区建设路54号对于降低顶管工程造价具有重要意义。电话:(022)23399427(5)顶管工程依靠单一的纠偏装置并不完善,EOmail:111722004@sohu.com还要辅以其他的技术措施,如在顶进机头后面的钢收稿日期:2005051686给水排水Vol.32No.32006\n代入相关数据,求得顶管阻力为5586.80kN,选用2台额定顶力3000kN的千斤顶。3.2挖掘面稳定分析3.2.1挖掘面自身稳定性分析如图1所示,OE是土的自然坡度,在该坡度以下,土体是稳定的。其中φ角为土的内摩擦角,也称土的自然休止角。OM则是假定挖掘斜面。图2最小覆土深度验算φγBsBc+4c×tg45°-(Bs+Bc)tgφ-2c(Bs+Bc)2Z=φ2γtg45°-(Bs+Bc)tgφ图1挖掘面自身稳定分析2如果OM上方土的内聚力忽略不计,并且无粘(4)性土的颗粒之间无粘聚力c,只有摩擦力,则只要挖Bs=Bc×ctgθ+015(假定从工具管向前挖土0.5m)33掘面不发生滑动,挖掘面就可以保持稳定。在挖掘式中γ———土的重度,kN/m,取18.5kN/m;面坡面取一微小单元体进行分析(见图1)[2],稳定Bc———工具管直径,m,为1.83m;c———土的粘聚力,kPa,取10kPa;安全系数为:φ———土的内摩擦角,°,取26°;N×tgφWcosθ×tgφtgφK===(2)θ———挖掘面坡角,°,约63°。TWsinθtgθ代入相关数据,计算得Z为1.9m。顶管管段覆土式中N———土体自重法向分力,kN;深度最小为3.2m,可见覆土深度足够。T———土体自重切向分力,kN;φ———土体内摩擦角,°;3.3中继间安设利用中继间进行接力顶进是中长距离顶管的一W———土体自重,kN;项重要技术措施。中继间的布置,要求顶力计算合θ———挖掘面坡角,°。理且操作简便,以提高顶进速度。工具管初始阻力当θ=φ时,土体呈极限平衡状态。因此,挖掘在推进过程中会因土质条件和施工情况等因素发生面的坡角小于等于内摩擦角40°时,才能保持挖掘面较大的变化,所以第一只中继间应放在比较靠前处。稳定。但由于碎石土之间存在咬合力,按《建筑地基一般第一中继间加设位置宜按中继间设计顶力的基础设计规范》(GB50007—2002)取挖掘面坡度为60%计算。其余中继间的间隔宜按中继间设计顶力1∶0.5(高宽比)。[1]的80%计算,主千斤顶所能顶推的长度应按最大设3.2.2最小覆土深度验算[3]计顶力的80%计算。如图2所示,把土块ABCM(立方体)的重力假主千斤顶最大顶进长度为:定为土层的剪力,只有当其周围土体形成的夹紧力KPZ(包括摩擦力和粘聚力)大于或等于土块ABCM重L=(5)πDf力产生的垂直剪力时,工具管上方的土体才能保持式中L———主千斤顶最大顶进长度,m;稳定。即有:PZ———主千斤顶最大设计顶力,kN;γBsBcZ=2Pa(Bs+Bc)tgφ+2cZ(Bs+Bc)(3)K———工作系数,取0.8。整理得:计算得L为141.54m。给水排水Vol.32No.3200687\n中继间安设位置:K1(P1-F0)L1=(6)πDf式中L1———工具管到中继间安设距离,m;P1———中继间最大设计顶力,kN,按照4200kN计算;K1———工作系数,取0.6。计算得L1为65.46m。因此设中继间1套,安设在工具管后第26节管节后面(每根管节长2.5m)。图3顶力与顶进距离的关系曲线3.4注浆减摩(1)手掘式顶管技术在地下水位比较低的卵石为了减小顶进过程中管道周边的阻力,采用了层或有大型障碍物的地层中使用,具有较高的性价注浆减摩技术。注浆减摩技术是顶管中非常重要的比。一项工艺,关系到顶管的成败。顶进时,通过工具管(2)手掘式顶管施工中,挖掘面容易发生垮塌及混凝土管孔,向管道与土体之间的缝隙中压入一或塌陷。因而需进行挖掘面的稳定性分析。如果稳定量的触变泥浆,从而在管道外围形成一个泥浆套,定性条件不满足,就需要采取超前支护(喷混凝土或不仅减小了管节外壁和土层之间的摩擦力,而且具注浆等)措施进行加固处理。由于需要工人在管内有临时支护土体的作用。为了保证压浆的效果,在操作,最小管径宜大于800mm。工具管尾部环向均匀地布置了3个压浆孔,在工具(3)注浆减摩是顶管施工中的一个重要环节,管后的连续3节管节都设置注浆孔,以后每隔3节良好完整的泥浆套将大大减小顶进阻力,减少中继设置1节具有压浆孔的管节,每根管节的3个孔间间的使用数量,节约投资,简化工序,大幅提高顶进呈120°。压浆孔设置在管节插口一侧靠近边缘处,速度。值得指出的是,为了防止地面沉陷,应该在顶这样在管节拼接后注浆孔就完全被前一管节的钢环进工作完成后,利用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆对所遮盖,压出的浆液会先在钢套环与混凝土管节外触变泥浆进行置换。壁之间形成浆套然后再被挤出,因此泥浆套容易形参考文献成,减摩效果比较明显。触变泥浆的性能要稳定,施工期间要求泥浆不1余彬泉,陈传灿.顶管施工技术.北京:人民交通出版社,20032陈希哲.土力学地基基础.北京:清华大学出版社,1997失水、不沉淀、不固结。注浆压力一般控制在0.2～3何莲.长距离顶管中继间设计方法的研究.给水排水,2004,300.4MPa,先压浆后顶进,随顶随压。同时应根据土(6):93～96质的变化适当调整配方,以满足施工需要。4魏纲,徐日庆,邵剑明,等.顶管施工中注浆减摩作用机理的研4施工效果分析究.岩土力学,2004,25(6):930～9345窦斌,蒋国盛.非开挖顶管铺设大直径管道施工实践.探矿工程以现场记录的数据为依据,绘制了顶力与顶进(岩土钻掘工程),2001,(4):56～57长度的关系曲线(见图3),可见顶力大小随注浆效果呈上下波动趋势,说明注浆减摩效果较好。实际#通讯处:410083湖南长沙中南大学地学楼113施工过程中没有启用中继间也反映了这一事实。因电话:13787108504此在后续施工中,只要保证泥浆套的完整性,即可不E2mail:gaotian_csu@163.com设置中继间。收稿日期:200508055经验及体会88给水排水Vol.32No.32006