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顶管穿越技术的研究与应用

 摘要:油气田地面建设顶管穿越过程中,鉴于以往施工中事先不进行顶力计算,出现中途顶力不够另换千斤顶或采用边掏边顶的探挖情况发生,给日后原有道路及障碍物的安全运行带来隐患,因此真正意义上的顶管穿越起到非常重要的作用。 

  关键词:顶力计算 后座墙强度计算 套管强度复合 刃脚设计 纠偏 操作程序 

  1 施工方法选用 

  由于长输管道、集输管道线路长,经常遇到穿越公路、铁路、地下障碍物等,为对原有设施进行保护,避免遭到破坏及影响交通,经常采用穿越施工方法,与定向钻穿越相比由于顶管穿越需要设备简单,投资少,方便操作,效率高,可很好的完成短距离穿越施工,为保证顶管质量,一套完成的顶管穿越施工技术显得非常重要。 

  2 工程概况 

  以京沈高速穿越为例,京沈高速K412+900m处顶管长度为86m。该处高速公路路面比自然地面高3.48m,管顶至高速公路中间路面4.31m,地勘报告显示地基土层由上至下为,第一层黄褐色,以冲积土为主,层底埋深1.20~1.30m。第二层粘土含碎石,黄褐色,呈碎块状,层底埋深5.00~5.50m。穿越位于第一层与第二层中间,套管以下1m无地下水。穿越套管为DRC1500×2000 QⅡAJC/T640钢筋混凝土套管。穿越过程中道路正常通车运行,要求精度高,质量高。 

  3 顶管的顶力计算 

  3.1 顶管顶力理论计算 

  顶力应大于工具的迎面阻力、周围土压力对管道产生的阻力以及管道自重与土层产生阻力之和。 

  P≥(P1+P2)L+PF 

  式中:P――计算的总顶力; 

  P1――顶进时,管道单位长度周围土压力对管道产生的阻力; 

  P2――顶进时,管道单位长度的自重与其周围土层之间产生的阻力; 

  PF――顶进时,工具管的迎面阻力; 

  L――管道的顶进长度; 

  P1分为管顶上垂直土压力和管侧的侧土压力,考虑顶管施工作业中的安全,增加安全系数,因此上述公式替换为: 

  P=KfYD[2H+(2H+D)tg2(45°-Ф/2)+ω/YD]L+Af0 

  K――安全系数,一般取1.2; 

  f――顶进时,管壁与周围土层之间摩擦系数,根据土质报告及套管取0.3; 

  D――管道外径(m); 

  H――管道顶部以上覆盖土层的厚度(m); 

  Y――管道所处土层的重力密度(KN/m3); 

  Ф――管道所处土层的内摩擦角(度),根据土质报告取25度; 

  ω――管道单位长度的自重(KN/m); 

  L――顶进管段长度(m); 

  A――管端截面积; 

  f0――土壤单位阻力,有刃脚挤压取500KN/m2。 

  P=1.2×0.3×4.31×1.8×[2×4.31+(2×4.31+1.8)tg2(45°-25/2)+1.9/1.88×9.8]×86+0.1708×500 

  =3483KN。 

  3.2 顶管顶力的经验计算 

  F=nGL=2×1.9×86=326.8t 

  n――土质系数,根据土质情况本处取2; 

  G――管节单长重量; 

  L――顶进管段长。 

  理论计算顶力值348.3t大于经验计算值326.8t,但由于在顶管期间可能出现特殊情况,施工操作因素等。计算结果偏大,按照理论计算选择液压千斤顶可以保证安全操作。 

  3.3 管道允许顶力 

  [F]=(σc・A/1000S)η=(40×100×3.14×1.5×0.15 

  /2.5)×0.7=791.28t>348.3t,强度满足要求。 

  σc――管体抗压强度(MPa); 

  A――加压面积(m2); 

  S――安全率,采用2.5~3.0; 

  η――接触系数,全园无垫层加压取0.7。 

  4 靠座墙强度计算 

  R=αB(YH2KP/2+2ChKP1/2+YHhKP) 

  R――总推力之反力(一般大于推力的1.2-1.6); 

  a――系数(取1.5-2.5之间),此处取2.0; 

  B――后座墙的宽度(M)此处取4m; 

  Y――土的容重(KN/m3)依据勘查报告1.88; 

  H――后座墙的高度(m),此处取2m,(发送坑基槽开挖深度为4.31-3.48+1.8+0.5=3.13m); 

  Kp――被动土压系数tg2(45°+Ф/2); 

  C――土的内聚力(kPa) 一般情况下取10; 

  h――地面到后座墙顶部土体的高度(m),此处取0.6米; 

  R=2×4×[1.88×2×9.8×2×tg2(45°+25°/2)/2+2×10×0.6×tg(45°+25°/2)+1.88×2×0.6×tg2(45°+25/2)]=921.44t=2.6F总顶力。 

  5 刃脚加工制作 

  为减小工作管的迎面阻力,使其能够达到完全吃土顶进的状态,混凝土套管顶管过程中必须安装刃脚,刃脚为圆周结构紧密的安装在套管外侧。 

  6 测量、纠偏 

  第一节管每顶进300mm测量一次,其它管段每顶进500mm测量一次,发现问题后及时采取措施,可以采用螺旋式千斤顶和木楔子人工校正。楔子起到阻碍管段行走,辅助千斤顶起到推动管段位置前进,方向纠偏可以在套管的前端底部支垫楔形垫块逐渐进行方向纠偏,方向纠偏量每次不能超过5′~20′。 

  7 顶管施工 

  7.1 测量放线。放出穿越的中心线,在中线位置选择两点并测量标高,作为穿越结束路面质量的检查点。 

  7.2 基坑、后座处理。发送坑底要精细找平,对后座强处理情况根据计算结果选择相应处理方案。 

  7.3 铺设导轨、靠背、就位顶管机和套管。 

  7.4 顶进前对套管进行调整、测量,顶进过程中进行测量、纠偏,同时进行管内取土施工。 

  8 结论 

  8.1 通过顶管顶力的理论计算和经验计算,其误差较小,考虑安全问题,按照理论计算选择。 

  8.2 通过计算顶力,混凝土套管能承受的抗压强度,后座强的强度,为顶管操作提供理论依据。 

  8.3 在套管与千斤顶之间加设顶极,实现套管圆周均匀接受千斤顶来顶力,避免出现轴线倾斜、混凝土套管破坏情况。 

  8.4 顶管穿越必须连续进行,避免出现套管与土层之间结合力增大。 

  8.5 顶管过程中要勤测量、勤纠偏,避免出现偏差较大,无法调整情况发生。 

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