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泥水平衡法顶管施工技术实例分析

 【摘要】:随着经济的不断发展以及城市化进程的加快,市政工程的施工量越来越大,顶管施工已越来越普及,其应用的领域也越来越广泛。对于小直径管道或地下水位较高的地区,泥水平衡式顶管施工技术优势明显。结合工程实例,探讨了泥水平衡顶管法的施工工艺,对顶进过程的测量纠偏措施做了简单介绍。 

  【关键词】:泥水平衡法;顶管施工技术;实例 

  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号: 

  1.泥水平衡式顶管工作原理 

  泥水平衡顶管是通过泥水压力来平衡管周土体和地下水压力,通过改变泥水仓的送、排泥水量以及顶进速度来控制排土量,使泥水仓内的泥水压力值稳定,使开挖面和周边土体保持稳定。 

  2.泥水平衡式顶管的工艺流程 

  顶管施工准备→工具头刀盘转动→顶进调整→泥浆制作→砂土沉淀、外运→测量纠偏→整体顶进、调节顶块→管路拆安→一个循环借结束,重复顶进一个行程。 

  3.泥水平衡顶管法的设备 

  具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机具有多种形式。刀盘由设在主轴左右两侧的电动机驱动,其刀盘正面的开口比较大,开口的面积约占顶管机断面的15%~20%。便于大块的卵石能进入顶管机。在掘进机工作时,刀盘一边转动、一边偏心运动把石块轧碎,被轧碎的石块通过与泥水仓联接的间隙进入掘进机的泥水仓,然后从排泥孔排出。此外,在刀盘运动过程中,泥土仓和泥水中的间隙不断循环变化着,因此,除了能轧碎土块,还能保证进水泵的泥水能通过此间隙到达土仓中,从而保证了掘进机不仅在砂土中,即使在粘土中也能正常工作。 

  4.工程实例 

  4.1工程概况 

  国内某城市的一段排污管道采用泥水平衡式顶管施工技术,该管道管径为800mm,平均埋深6~7m,顶管长度110m。该地段地势北高南低,地形起伏不大,场地地层自上而下依次为杂填土、粉土、粉质粘土和泥质粉砂岩。管道穿越的土质主要有杂填土、粉土和中细砂层,地下水在地表以下2m左右,管道处于地下水位以下。 

  4.2施工部署 

  4.2.1机头选型 

  本工程由于一次顶进距离较长,为确保工程安全,决定采用日LEMOL型TCZ600具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机。该掘进机的优点是:(1)顶管机、主千斤顶、泥水循环系统和泥水分离装置成套化;(2)带锥形破碎机的条幅刀盘,能破碎小于外径30%,强度2000kg/cm2的砾石;(3)该机能适用各种土壤条件,如粘质土,砂土,砂砾混合卵石土和软岩上;(4)使用安装在轨道上的升顶油缸,一次顶进长度超过100m;(5)由一人在地面遥控操作即可。 

  4.2.2顶进工艺 

  (1)顶力计算: 

  F=F1+F2 (1) 

  式中:F-总推力;F1-迎面推力;F2-顶进推力。 

  F1=πD2P/4 (2) 

  F2=πDfL(3) 

  P=K0γH0(4) 

  式中:K0-静止土压力系数,取0.55;γ-土的湿重度,取1.9t/m3;H0-地面至掘进机中心的厚度,取最大值6m;F-管外表面平均综合摩阻力,取0.8t/m2;D-管外径,取0.86m;L-顶距,取110m。 

  通过上述公式计算得到总推力F=3.64+237.6=241(t)。在总推力、工作井所能提供的最大顶力及管材的轴向允许推力中取最小值。已知工作井能承受的最大顶力为400t,管材的轴向允许推力为300t,所以主顶油缸选用2台200t的油缸,千斤顶总推力达到360t。无需增加额外的顶进系统即可满足施工要求。 

  (2)顶进调试及土体取样 

  顶管下井前应作一次安装调试,油管安装前先应清洗,防止灰尘等污物进入油管,电路系统应保持干燥,机头运转调试保证各系统无泄漏。机头下井后,刀盘应离开封门1m左右,放置平稳后重测导轨标高,高程误差不超过5mm。凿除砖封门,并留块状物,同时进行土体取样工作,使用100mm,L=500mm的两根钢管在洞口上下部各取长400mm的土样,取样工作完成后随即将盘贴住前方土体。 

  TCZ机头属于刀盘不可伸缩型,土压力表所显示的土压力为泥仓土压,显示的土压力与实际顶进的土压力存在一个压力差,由于进泥口是衡定的,TCZ机头的土压控制主要通过顶速来调节,每次初顶时先调节好送水压力,然后打开机内止水阀,待流量达到额定值的80%时即可开始顶进,送水压力可通过机内压力调节即可完成。 

  (3)触变泥浆系统 

  顶进过程中,需要经常调节压触变泥浆,以减少顶进的阻力,触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道3部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24h后方可使用);注浆是通过注浆泵进行的,根据压力表和流量表,它可以控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1~1.2倍)和注浆量(计量桶控制);管道分总管和支管,总管安装在管道内一侧,支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。注浆孔布置为:工具头一道、第1节混凝土管设一道、之后每间距7.5m设一道补浆孔。注浆流程为造浆静置→注浆→顶管推进(注浆)→顶管停顶→停止注浆。 

  (4)顶进过程中的方向控制 

  由于TCZ机头本身所具有的方向诱导装置,操作员只要通过纠偏动作,始终保证激光点测量与方向控制即可。初始推进阶段,方向主要是主顶油缸控制,因此,一方面要减慢主顶推进速度,另一方面要不断调整油缸编组和机头方向;布设在工作井后方的基座必须避免顶进时移位和变形,必须定时复测并及时调整;顶进纠偏的角度应保持在10~20之间,不得大于0.5,并设置偏差警戒线。 

  (5)出土方案 

  泥水平衡式顶管的出土采用全自动的泥水输送方式,被挖掘的土通过在机内搅拌和泥水形成泥浆,然后将泥浆抽出,在沉井上部砌2只沉淀池。沉淀的余土外运需按施工要求和渣土处理办法,运到永久堆土点,不得污染道路环境。 

  为防止出洞口及顶进过程中泥水压力过大涌入工作井内,在洞口内预先安装一个单法兰穿墙钢套管,用于安装橡胶止水圈。由于顶进距离长,造成管材表面及F型钢套环、砂等对橡胶止水圈不可避免的磨损,需经常更换橡胶止水圈,因此也应在洞口内侧面放置橡胶止水圈,当需要换外部橡胶止水法兰时,洞口内部的橡胶止水圈可防止地下水进入井内。 

  4.3施工测量 

  4.3.1顶进前的测量 

  顶进前要对工作井的方位、高程进行复测,并标定管道中心线,设立临时水准点,开始顶进的第一节管道必须平稳进洞,位置准确。 

  4.3.2顶进过程中的测量 

  管道轴线和高程主要采用经纬仪进行测定,主要对首节管进行测量,每天不少于2次,每顶进一段要对整个顶进管段进行复测,判断管道前进趋势,检查中间管节有无下沉现象,当发现管道顶进有偏斜时,应及时采取纠偏措施。 

  4.3.3地面观察测量 

  为检查地面有无隆起或沉陷,开始顶进前应在路面选好基线,每隔一定的距离设置水准点,以保证顶进控制的精度,在管道通过地段的顶端选点作为沉降观察点,工程竣工后还要进行1次或2次的稳定性测量,确定符合规定标准。 

  4.4纠偏校正 

  4.4.1偏差预防措施 

  顶管施工前应对地质情况进行认真调查,项目部派专门人员负责全过程的测量,顶进过程中确保后背不位移并随时绘制顶进曲线,采用同规格的油压千斤顶,保持顶力与管道中心线重合。 

  4.4.2偏差纠正方法 

  顶管纠偏应在顶进过程中小角度逐渐进行纠正,其校正的方法主要有:(1)挖掘校正法:采用在不同部位调整挖土量,以达到纠偏的目的。这种方法校正误差范围一般不大于10~20mm;(2)衬垫校正法:当局部地基软弱,地基承载力不足而使管头下沉,应在管底衬垫,换填砂石加木板等增加地基强度;(3)强制校正法:当偏差大于20mm时,应用千斤顶强制进行纠偏。 

  5.结束语 

  泥水平衡顶管施工在保证质量的前提下可缩短工期,且能有效保持挖掘面的稳定,对管体周围的土体扰动也小,因此适用于长距离的管道施工中。本工程的顶管施工,由于各个技术环节考虑充分、全面,质量措施得当、管理到位,施工任务圆满完成,可为类似工程提供一点参考。 

  【参考文献】: 

  【1】方启超,罗星燕,钟显奇.泥水平衡顶管施工技术在珠江三角洲地区的应用【J】.广东土木与建筑,2004. 

  【2】胡远辉,邓继华.两种顶管工法在市政工程中的应用【J】.重庆建筑,2008. 

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