朱奎1,罗海军2,阮素华3(1.温州市瓯海区施工安全监督站浙江温州325000;2.浙江大学浙江杭州310027;3.温州瓯海建筑工程公司浙江温州325000)
【摘要】介绍了机械式泥水平衡顶管施工工法特点、工艺原理、施工工艺、主要材料及机具、质量控制措施,环保措施、安全措施,该工法具有平衡开挖面侧向土压力和平衡地下水的双重作用,无论停机或挖掘时,都能控制正面土体的稳定,保证各种地面环境的安全。
【关键词】机械式泥水平衡;顶管;施工工法ConstructionmethodofmechanicaljackingpipebalancewithslurryandwaterZhuKui1,Luohai-jun2,RuanSu-hua3(1.ConstructionSafetySupervisionStationofOuhaiWenzhouZhejiang325005;2.ZhejiangUniversityHangzhouZhejiang325005;3.WenzhouOuhaiconstructioncompanyWenzhouZhejiang325000)
【Abstract】Theconstructionmethodcharacteristic,principlesofcraft,constructioncraft,mainmaterial,machinesandqualitycontrolmeasure,environmentalprotectionmeasure,safetymeasureofmechanicaljackingpipebalancewithslurryandwaterareintroduced.Thisconstructionmethodhasdualfunctionincludingexcavatedsurfacelateralearthpressurebalanceandgroundwaterbalance,whichcancontrolthestabilityofpositivesoilbody,andguaranteethesecurityofgroundenvironment,regardlessofstoporexcavation.
【Keywords】mechanicalbalancewithslurryandwater;jackingpipe;constructionmethod.
1.前言
机械式泥水平衡顶管掘进机从结构原理上能够保证安全、优质、高效地完成在砂土、粉质粘土及两层土体之间的顶进施工任务。该类掘进机的构造是在掘进机的前部设置一隔板,形成泥水压力仓;能够预设刀盘压力、可根据土体压力大小自动伸缩、极限位置能够自动报警的切削刀盘,安装在掘进机的前端;刀盘切土口的增减具备手动或根据刀盘的伸缩量自动增大或减小,可随时调节切削量。〖HTH〗
2.工法特点
2.1可有效保持挖掘面的稳定,对管体周围的土体扰动较小,因此施工引起的地面沉降也较小。
2.2与其它顶管方法比较,施工时总推力较小,且可长距离输送泥土。
2.3不影响地下各类管线,不影响道路交通及地面建筑物安全;可长距离顶进,无环境污染。
3.适用范围
本工法适用于粘土、粉质粘土、砂质粉土、中细砂、砂砾的地层中顶管施工,也适用于地表沉降要求严格的部位顶管施工。
4.工艺原理
4.1土体的平衡原理。
顶管掘进机正常工作时,刀盘按预先设定的压力紧贴在被切削的土体断面,在后方顶力作用下一方面旋转切削土体,一方面向前推进维持土体的平衡。顶进中如果土体硬度增大,顶速不变时,刀盘受到迎面阻力大于预设定的刀盘压力,刀盘渐渐向后缩回,保持刀盘对土体的压力不变。在刀盘缩回时,刀盘的切土口自动增大,切削土体的量增大,土体对刀盘的压力减小,土体压力增大,刀盘仍然以预设定的土压力与土体在新位置保持平衡。配合手动调节刀盘切土口和预设压力大小的调节功能,可以使土体侧压力得到非常精确的平衡。停机时手动关闭切土口,刀盘仍然保持预定压力紧贴土体,并且将泥水仓与开挖面隔离。无论土体过软或过硬,当自动调节范围到达极限值时,刀盘报警装置报警,提醒操作人员注意,通过调节顶速,重新设定刀盘压力等手段,使土体维持新的平衡。
4.2土层中地下水的平衡原理。
向开挖仓注入一定压力的泥浆,该泥浆除能够将土层中的颗粒带走外,通过控制出泥流量的大小,就可以简单而准确地控制泥水仓中的水压力,平衡地下水。
5.施工工艺
5.1工艺流程。
测量放线→工作井施工→装配式后背墙安装→导轨安装→主顶千斤顶安装→油泵安装→顶铁安装→进出洞施工及密封→管道顶进→出土
5.2测量放线。
布设临时水准点和管道轴线控制桩,施工放线时,可每隔20m设中心桩,另外在检查井处应设置中心桩,必要时应设置控制桩。
5.3工作井施工。
5.3.1在工作井上口预留槽口内安装钢筋砼预制板,槽口内要座浆饱满,板缝要按规定勾缝。在预制板预留口处砌砖墙,所有砖要浸透水,砌筑时应满铺、满挤,上下搭砌,水平灰缝厚度和竖向灰缝宽度应均匀,不得有竖向通缝。
5.3.2在砌筑检查井时,应同步安装踏步,位置要准确,踏步安装后在砌筑砂浆未达到规定抗压强度前不得踩踏。
5.3.3井内壁设计规定要求封面时,应分两层抹成,第一道抹成后刮平并使表面造成粗糙纹;第二道砂浆抹干后,应分两次压实抹光。浆与基层之层间应粘结紧密牢固,不得有空鼓及裂纹等现象。
5.3.4抹面平整度不应大于15mm。抹面砂浆凝固后,应保持湿润养护,养护时间不少于14d。
5.4装配式后背墙安装。
5.4.1装配式后背墙采用方木、型钢和钢板等组装,组装后的后背墙应有足够的强度和刚度;后背土体必须均匀密实,壁面应平整,并与管道顶进方向垂直;后背土体壁面应与后背墙紧贴,有孔隙时应采用砂石料填塞密实。
5.4.2装配式后背墙的底端在工作坑底以下500mm,从而使后千斤顶着力中心高度不小于后背方木高度的1/3,这样能使着力点与墙后被动土的合力点保持一致,有助于减少后背的倾斜。
5.4.3装配式后背墙垂直度允许偏差为0.1%装配式后背墙高度,水平扭转度允许偏差为0.1%装配式后背墙长度。
5.5导轨安装。
5.5.1导轨安装时和工作井底板预埋钢板焊牢,并用型钢支撑或用混凝土围牢。导轨安装前要先复核管道中心位置,确保导轨的高程、轴线位置准确。导轨定位必须稳固,在顶进中承受各种负荷时不位移、不变形、不沉降。
5.5.2导轨必须符合中线、高程的要求,且在安装后和顶管前,其轴线位置、高程等必须进行验收,轴线位置偏差不超过3mm,顶面高程偏差不超过3mm,两轨内距偏差不超过2mm。
5.5.3导轨端不能距工作壁太远,一般应控制在500mm左右,导轨安装时预留缝高度以100~150mm为宜,导轨以水平安装为佳,特别在软土中顶进,不能带坡操作。
5.5.4每进完一节管子应校对导轨高程、中线及水平,并随着管道顶进荷载的变化及时校正导向轨。
5.6主顶千斤顶安装。
5.6.1千斤顶必须符合中线和水平要求,且要以管道中心线为轴对称布置。主顶油缸架安装要定位准确,保证油缸受力点的位置正确,其高程和平面安装误差应控制在3mm以内。安装在油缸架上的油缸中心误差控制在3mm以内。
5.6.2千斤顶固定在支架上,其合力的中心点在管道中心线上;千斤顶的油路应并联,每台千斤顶应有进油、退油的控制系统。
5.6.3千斤顶的位置宜位于管道垂直直径的1/3~1/4处,使千斤顶合力位置和顶进抗力的位置在同一轴线上,避免产生顶力偶,使管道发生高程误差。
5.7油泵安装。
5.7.1油泵设置在千斤顶附近,油管宜顺直、转角少;油泵应与千斤顶相匹配,并有备用油泵;油泵安装完毕,进行试运转。
5.7.2顶进开始时缓慢进行,待各接触部位密合后,再按正常顶进速度顶进;顶进中若发现油压突然增高,立即停止顶进,检查原因并经处理后方可继续顶进;千斤顶活塞退回时,油压不得过大,速度不得过快。
5.8顶铁安装。
5.8.1顶铁应有足够的刚度,宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型;当采用焊接成型时,焊缝不得高出表面,且不得脱焊。
5.8.2单行纵向顶铁中心线与管道轴线一致;双行纵向顶铁的两条中心线要平行,并与管轴线距离相等,且要垂直于管端平面。
5.8.3顶铁的相邻面互相垂直,顶铁上有锁定装置,顶铁放置时应能保持稳定。
5.8.4纵向顶铁与管端面相接触时,必须使纵向顶铁着力点高度位置位于外直径1/3~1/4处,以防止着力点太高造成前管低头。
5.8.5当顶力较大时,管端面应加弧形顶铁钢板,以增大管端的受力面积,改善其受力情况,防止管子在顶力过大时损坏。
5.8.6更换顶铁时,先使用长度大的顶铁,顶铁拼装后应锁定。
5.8.7顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫,当顶力接近管节材料的允许抗压强度时,管端应增加环形顶铁。
5.8.8顶进时,工作人员不得在顶铁上方及侧面停留,并随时观察顶铁有无异常迹象。
5.9进出洞施工及密封。
5.9.1设备安装完毕后应对全套顶进设备做一次系统调试,在确定顶进设备运转情况良好后,开始顶进工作。
5.9.2长距离顶进时,为减少顶进阻力,在洞门处制作密封圈以使灌入的触变泥浆发挥减阻效果。
5.10管道顶进。
5.10.1在拆除封门后,应立即开始顶进机头,顶进300mm以后,开启加泥系统注入泥浆,以便调节渣土的塑流性和保持土压平衡。机头初入土时,因机头在轨道上没有足够抵抗力矩,使刀盘转动时机头易产生旋转,故在入土的初始2m时,顶进速度控制在5mm/min以下,以防止机头旋转,并不间断地观测机头倾角和旋转角,倾角发生变化用纠偏千斤顶调正,旋转角大于±50,刀盘开反转调正;在顶进2m后机头不旋转的情况下,逐渐加大顶进速度。机头尚未完全入土时,土仓压力控制在0.1~0.15MPa。机头全部入土后,下第一节管做后封闭。后封闭完后,向机头壳体注浆孔注1:2水泥砂浆充填机头外超挖的空间,注浆压力控制在0.4MPa。为防止机头初出洞时洞口土质不稳定而产生塌方,在洞口处内置刚性涨圈。后封闭采用环形橡胶板紧贴土体,洞口侧墙用环形钢板覆压,防止加注触变泥浆时发生跑浆现象。
5.10.2顶进时按照预定参数控制土仓压力,遇有砂砾石层、距离建筑物较近时,土压设定适当加大,提高安全系数。在一些复杂地段,如地质情况较差且距民房较近时,通过机头壳体注浆孔注浆,对土体进行加固。加固浆液采用水泥浆或酸性水玻璃。
5.10.3触变泥浆减阻:触变泥浆减阻是长距离顶管施工经常采用的减阻方式,能有效减小阻力,最大限度地加长顶距。在机头尾部设有触变泥浆注浆孔,每节钢筋混凝土管设注浆孔,顶进时随时注浆。
5.10.4在前1~4节管顶进的过程中如果停机,则有可能出现顶进管段回弹,这时需要在回镐下管时加方木支撑,或在回镐之前多顶100~200mm,可保持前几节管回弹而不影响后节管的安放。
5.10.5顶进速度控制在30~50mm/min,前30m和纠偏时用低速,之后视出土搅拌、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度。下管时,在机头停止顶进状态下,刀盘空转3~5min,在停机时关闭螺旋输送机排泥液压门,并断电以保证土压仓土压。
5.11出土。
顶管机工作过程中所挖掘的土,先经螺旋输送机输送到皮带运输机上,再经皮带运输机输送到电瓶车中,电瓶车运送至工作井,最后垂直吊运至地面存土场,定期外运。
5.12测量。
初始顶进时每300mm测量一次,并做记录。正常顶进时在工作井可随时用全站仪测量,每顶进0.5m做一次记录。遇有纠偏时每300mm做一次记录。测量记录上分别绘制高程、中心曲线图,随时掌握机头顶进趋势。
5.13纠偏。
5.13.1当顶管机头尚未全部进洞前,在机头中心、高程偏差不大于±20mm时,不考虑纠偏,因为此时轨道在控制前进方向,若纠偏不但没效果反而会使第一节管道偏离轨道。若中心、高程偏差大于±20mm,则要立即停止顶进,纠偏校正应缓慢进行,使管节逐渐复位,不得猛纠硬调。其中纠偏高程时,轨道上的管子要加配重;纠偏中心时,轨道上的管子要加两侧支撑。
5.13.2当机头全部入洞后,且高程、中心偏差大于10mm时,要及时采用机头纠偏设备进行纠偏,中心控制在5mm以内,高程控制在±10mm以内,校正方法采用工具头自身纠偏法。这种纠偏方法可有效控制工具头上下左右四个方向的状态,每次纠偏幅度以5mm为一个单元,根据工具头的测斜仪及激光经纬仪测量偏位判断,如果趋势没有减少时,增大纠偏力度;如果趋势稳定或减少时,应保持该纠偏力度,继续顶进;当偏位趋势相反时,则需要将纠偏力度逐渐减少。
5.13.3在管道顶进过程中,如果在粉细砂土层中顶进速度偏低,可调低进泥的泥浆浓度,减小顶进速度。当遇到软硬程度不同的土层时,通过刀盘的转矩判断地质条件。若突然变硬,则应向土仓内加入水或泥浆。如果对地质勘察资料掌握比较准确时,且当穿越的软弱地层长度小于15m时,入洞前可以采取机头与管道、管道与管道间加接连接杆的方式进行固定,以增加其刚性,并辅以适当纠偏方式,防止机头和管道“叩头”现象发生。此外,当穿越含水比较丰富的地层,且软弱地层长度大于15m时,施工前必须要进行抽排水,降低水位,待场地沉降稳定后再进行顶进施工。
6.主要材料及施工机具
6.1主要材料。
顶管、泥浆
6.2主要施工机具。
全套设备包括:掘进机(工具管)、纠偏装置、中继间、300t液压千斤顶、油泵、基座导轨、顶铁、控制系统、皮带运输机、螺旋输送机、加泥系统、测斜仪、激光经纬仪。
配套设备有:电瓶运输车辆、泥土卸载系统、拌浆注浆系统。
6.3劳动力组织(见表1)。
7.质量控制
7.1做好后封闭,减少顶进阻力。封闭效果好可充分发挥触变泥浆的作用,使顶进距离加长。
7.2根据土质情况调整加泥量。机头前方加泥可改变土体性质,增加其流动性以利土压平衡,出泥顺畅。在亚砂土、粉砂土的土质条件下,加泥量为总出土量的30%为宜,而对于粘土质可适当减少加泥量。
7.3顶进钢承口管道时,将注浆孔位置放在插口处,让浆液直接注入钢承口缝隙之间,浆液再由缝隙向管身外注入土与管壁的缝隙,形成很好的减阻环,加大管外壁触变泥浆的饱满度。
7.4顶进前应将千斤顶逐台调试好,采用同种规格的油缸,并使液压泵到各千斤顶之间的距离相等,管径一致。
7.5顶管施工前应对管道通过地带的地质情况认真调查,设置测力装置指导纠偏。严格控制顶管轴线偏差,纠偏应按照勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法进行。
7.6采用同种规格的千斤顶,使其顶力、行程、顶速相一致,保持顶力合力线与管道中心线相重合。
7.7加强顶管后背施工质量的控制,确保后背不发生位移,并应使后背平整,以保证顶进设备的安装精度。
7.8当掘进机停止作业时,一定要防止泥水从土层或洞口及其他地方流失。不然,挖掘面就会失稳,尤其在出洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水。
7.9在掘进过程中,应注意观察地下水压力的变化,特别是有压力水头出现时,需及时采取相应的措施,保持挖掘面的稳定。
7.10在顶进过程中,随时要注意挖掘面是否稳定、进排泥泵的流量及压力是否正常。防止排泥泵的排量过小而造成泥浆的淤积和堵塞现象。
8.安全措施
制定详细的顶管作业人员的安全规章制度,要求顶管作业人员严格执行制度的有关规定。在项目内部落实安全管理责任制,建立考核制度,具体技术措施如下:
8.1在顶管施工前必须了解土层的变化情况,对于要经过的回填土地段,需要提前加固处理,以防顶管施工后地表有过大的下沉。
8.2顶管施工的地层可能会遇到有毒气体,对施工人员的健康和生命构成危害;同时由于顶管深度和长度会造成内部空气含氧量降低,对人员造成窒息;所以有人员在顶管内操作的情况下,需要定时监测管内气体含量,采用通风装置予以解决。
8.3对每一个进入管道内的施工人员做详细的身体健康检查,并同时对每个施工人员进行安全教育,对操作人员进行救护知识、急救用品使用、内套环安装方法的培训,使职工了解毒气对人体的危害性及突发情况下的急救和自救知识。
8.4施工现场配备足够的急救物资和防护面具,对管内作业人员要保证每人一个防护面具,防止人员中毒。
8.5对于进入管道内的施工人员,进行出入登记,每个施工人员进入管道前必须将自己工作卡挂于进出牌上,让地面管理人员详细了解管道内施工人数和人员名单。
8.6进入管内作业人员,必须穿着项目部统一发放的全棉工作服,防止静电产生。必须将防毒面罩挂在脖子上,在发现毒气浓度较高时及时佩戴。
9.环保措施
9.1管道施工完毕后,剩余的材料随即运出现场,做到施工结束,场地干净。
9.2要掌握过路各种管线位置,调查研究有可能存在的其它管线位置,在施工过程中采取对管线的保护措施,保证沿线水、电、通讯等畅通。
9.3施工现场材料堆入必须做到散材成方,型材成线。
10.效益分析
本工法社会效益和经济效益显著,主要有以下:
10.1顶距长。
一般土层可顶进50~60m左右,加设中继间可顶进90m左右。
10.2减少拆迁量。
在城区内施工可有效减少拆迁量和工作井,节约投资。
10.3无须降水。
能有效实现开挖面的土压平衡,维持土体稳定,同时有效平衡了地下水,故在地下水位高的地区施工,除工作井位置外,顶进过程中无须降水,有效避免地下水资源的破坏与浪费。
10.4施工进度快。
泥水输送弃土的作业连续不间断,故施工进度较快。
11应用实例。
11.1工程实施例1。
某污水管工程采用顶管施工方法。顶管全长为163m,共分二个顶段施工:第一顶段直径为1200mm,顶进长度为78m;第二顶段直径为1500mm,顶进长度为85m。该工程穿过的地层区域大部分为粉质土层,该土层凝聚力小,加之地下水位高,形成卸力拱的能力较差,故顶进过程中容易包裹混凝土管,增加阻力;管道埋设深,土层摩擦力大。采用本工法施工,确保长距离顶管的顺利实施。
11.2工程实施例2。
某污水管工程管长510m,直径分别为900、1200、1400mm,埋深为2.0~2.5m,地质土层为杂填土、粉质粘土夹淤泥层。采用手掘式顶管施工时,地面沉降量和误差都较大。采用本工法施工,有效保持挖掘面的稳定,对管体周围的土体扰动较小,施工引起的地面沉降也较小。
参考文献
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[2]测量规范[S],GBG50026-93.北京:中国建筑工业出版杜,1993
[3]公路路基施工技术规范[S],JTGF10-2006.北京:中国建筑工业出版杜,2006
[文章编号]1006-7619(2009)09-09-834
[作者简介]朱奎(1975-),浙江温州人,博士、高级工程师、经济师。