土压平衡式顶管施工技术实例分析

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　　摘要：近年来，随着科学技术的快速发展，顶管施工作为一种现代化管道敷设技术，笔者就多年的工作经验结合工程实例，从顶管的施工工艺原理、 施工布置及管道顶进技术分析了土压平衡式顶管的施工技术。
　　关键词：土压平衡式顶管；施工工艺；布置；管道顶进技术
　　由于城市建设的发展，对施工周围的环境保护提出了较高的要求，随着施工经验的积累、科学技术的进步与机电制造水平的提高，使顶管机的形式向着机械旋转切削式、泥水平衡式、土压平衡式以及能适应软硬土层的先进机型发展。土压平衡式顶管顶进工法是利用土压平衡顶管机完成断面的隧道施工，其结构断面的合理性可减少土地征用量和掘进面积，降低工程造价。下文就多年的工作经验结合工程实例，阐述顶管的施工工艺原理、 施工布置及管道顶进技术。
　　一、工程概述
　　某线路全长约为27.10 km。全线采用顶管施工工艺,顶管井约有57座。管道中心间距7.2 m,钢管壁厚34 mm,设计最大流速2.68m/s,水力坡度1.39‰。另外,管道沿线部分顶管井内有隔断阀门、连通阀门、单向补压塔以及排气、排水、测流测压等附属设施。该工程工程QYZ-C8标段内工作井有3座,接收井有2座,每座接收井均设有排气排水井1座。工作井和接收井平面尺寸见表1。
　　表1工作井和接收井平面尺寸
　　
　　主要施工方案:井体采用地下连续墙围护；坑底及顶管进出洞口采用水泥土搅拌桩加固；水泥土搅拌桩与地连墙之间采用压密注浆处理；工作井之间DN 3600钢管采用顶进工艺进行施工。本文主要介绍DN 3600钢管顶进施工技术。
　　二、顶管施工技术
　　本标段顶进施工长度: J33工作井～J35工作井顶进距离为810.66 m, J33工作井～J31-1接收井顶进距离为355.22m、J35工作井～J32-2接收井顶进距离为437.70m,J30-1接收井～J31-1接收井顶进距离为939.75m, J31-2接收井～ J32-2接收井顶进距离为899.80 m, 属长距离、超长距离顶管,管道穿越地下公用管线、建(构)筑物、河道,地质条件差。本工程施工难度较大,对顶管设备、施工工艺与技术要求较高,因此,要有可靠的技术保障措施。
　　1顶进设备的比较选型
　　长距离顶管施工常用的顶管机主要有2种:土压平衡式和泥水平衡式。
　　(1)土压平衡式顶管机是用土舱内具有塑性、流动性和止水性土产生一定的压力来平衡地下水压力和土压力的,用螺旋输送机排土。其优点是适应土质范围广、 劳动强度低、 安全性能好, 排出的土不需处理;缺点是在长距离顶进时它的顶进速度受排土方式的制约而效率低下。如果把弃土碾磨混合成泥浆输送则设备复杂。
　　(2)泥水平衡式顶管机是利用泥水舱内有一定比重和压力的泥水来平衡地下水压力和土压力,同时用泥水来输送弃土的顶管机, 有的还有破碎功能。其优点是顶进速度快, 适应土质范围较广, 劳动强度低、工作效率高、安全性能好, 最适合于有水源的地方进行长距离顶管;缺点是在不允许有泥浆排放的地方施工时必须对泥浆进行固化处理或采取泥浆外运,施工成本高。
　　根据以上分析,结合工程特点, 该项目采用大刀盘土压平衡式顶管机较为适宜,但还需增强刀盘耐磨和遇障处理功能。针对此情况,施工单位专门为本工程设计、定制了2台 3600土压平衡式顶管机。
　　为了解决土压平衡顶管机在长距离顶进时它的顶进速度受排土方式的制约而效率低下, 把螺旋机排出的土, 再排到土箱, 在土箱内装高压水枪把原土冲击成泥浆, 再通过大功率排泥泵输土, 以提高排土效率,使之可以连续顶进。
　　 3600土压平衡顶管机的主要技术参数:(1)顶管机外径:3 700mm；(2)刀盘外径: 3700mm；(3)刀盘驱动电机: 30kW×5台；(4)刀盘转矩:912kN•m；(5)刀盘转速:1.64r/min；(6)螺旋机: 螺筒 560 mm、驱动电机22kW、VVVF变频调速器调速。
　　2土压平衡顶管施工工艺
　　2.1工艺流程(见图1)
　　
　　 图1 工艺流程
　　2.2施工工艺原理
　　大刀盘土压平衡顶管机的工作原理是:由掘进机正面的刀盘搅拌、切削土体,刀盘上的几排钨钢刀可以有效地切削正面土体,土体被切削以后,通过刀盘上的开口进入刀盘后的密封舱,密封舱内的土压力由两只土压传感器进行检测,通过土压平衡控制器来调节螺旋机转速,从而达到控制密封舱内土压力的目的。该顶管掘进机采用土压平衡机理,即将正面压力控制在土体的主动土压力与被动土压力之间,维持开挖面的稳定。若小于主动土压力,会导致地表沉陷,大于被动土压力,会引起地面隆起。
　　2.3施工布置
　　2.3.1井上施工布置
　　重点考虑内容:供电系统；存管及下管；触变泥浆设备；泥水分离设备；设备控制室；生产用水；施工道路；场地排水。
　　(1)在工作井轴线与顶进方向垂直,设跨度17m,轨长30m天车轨道。轨道间设钢管存放地。
　　(2)在工作井右侧设触变泥浆搅拌、储存、输送设备。泥浆拌和每天只需2 h,应封闭,无粉尘外溢。
　　(3)在工作井右侧,设三级泥水沉淀池,沉淀的渣土,采用机械挖出并运至晒土场晒干后装车外运。工作井上布置见图2。
　　
　　图2顶管施工布置图3工作井内平面布置
　　 2.3.2井内布置
　　工作井内机具:主推进千斤顶;主推千斤顶泵站;中继间泵站;顶铁;电焊机;洞口密封环;排泥泵。管线与电缆:泥水管;排泥管;触变泥浆管;空气管;集水坑排水管;动力电缆;自控电缆;有线通讯电缆。工作井内平面布置见图3。
　　2.4管道顶进
　　标段顶管工程,采用DN3600×34 mm钢管,材质为Q 235钢材,需由钢板卷制加工而成。本工程管径较大,单节管子长度越长,现场焊接的数量越少,顶管施工工期可缩短,有利于管道焊接质量控制,但管长增加,单管重量相应加大,吊管、下管安全隐患多。另外,管材的运输也是要重点考虑,要满足连续顶管施工的供管要求。综上比较分析,本工程采用单节管长6.6 m。
　　2.4.1下管就位
　　管子先进行外观检查,合格管材通过起重行架垂直吊运下管,就位后测量管子中心及前后端的管底高程,确认安装合格后实施焊接、顶进。
　　2.4.2管道顶进前准备工作
　　联动检查,开始顶进前对机械设备进行全面检查,液压、电气、压浆、照明、通信、通风、各种阀门、压力表、测量工具、传感器等是否都进入状态,然后进行联动调试,确认无故障后方可准备开始。洞口止水圈与机头外壳的环形间隙要求均匀密封,无泥浆流入。洞口加固的外段经检测地面无沉陷。
　　2.4.3初始顶进
　　顶进准备工作完成后,开始初始顶进,初始顶进在顶管工作中起着很重要的作用,一要穿过工作井洞口,在这过程中保证洞口结构不被破坏,同时泥水不进入顶坑；二要保证高程、中心偏差最小,为正常顶进打下良好的基础。
　　初始顶进两项主要控制元素:(1)速度控制,机头入洞阶段速度控制在2~3 cm/m in,此阶段重点是找正管子中心、高程,偏差控制在±5 mm之内,所以速度不要太快;(2)土压力控制在静止土压力、主动土压力之间。
　　2.4.4管道对接
　　管道焊接时先点焊,然后全面施焊。在点焊和施焊过程中,均不得大力捶击及人工强力矫正使焊口吻合,避免产生过大的附加应力。电焊必须焊透,凡有裂纹、气孔等缺陷须铲除重焊,焊缝应自然冷却,严禁浇水冷却,钢管组装焊接前必须进行清扫,管内不得有泥土、石块、沙粒等杂物,且不得有积水,钢管坡口应无毛刺、浮锈、熔渣及油污物。

　　管道焊接必须对焊缝进行检查,表面质量应符合《现场设备、工业管道焊接过程施工及验收规范》。
　　2.4.5接口防腐处理
　　钢管接口处的内外防腐应迅速进行。当钢管安装、连接好并完成接口试验后,应立即作接口的防腐处理,钢管接口外防腐(补口)应在顶进前和焊缝无损检测后进行。
　　顶管接头的外防腐层采用与顶管管道防腐层相同的标准。涂料可采用能与原涂层紧密结合、且性能相当的无溶剂液体环氧防腐涂料,涂料完全固化后应满足顶管涂层的粘结强度要求,涂层厚度应为原涂层的600 m,与原涂层搭接的宽度不小于100 mm。
　　2.4.6顶管机正常顶进
　　顶进施工时,必须根据初始顶进所得的参数,设定正面土压力,再输入至土压平衡控制器,此后就可以靠土压平衡控制器自动控制正面土压力。土压平衡控制器分手动和自动两种控制方式,手动控制方式能将实际的正面土压力控制在更小的波动范围内,对于控制地表沉降是十分有利的。
　　一节管节顶进结束后,停止机头螺旋机和刀盘;待排泥管路冲洗干净后,停止进水泵、排泥泵;关闭触变泥浆、输泥管、油管、排泥管阀门。缩回主顶千斤顶,拆除工作井管接口各种管线、电缆,管内应急灯工作;吊放下一节钢管,拼装焊接,然后连接洞口处的管线,继续顶进。
　　三、施工监测
　　1施工监测区域
　　为及时反映施工对周边环境的影响,实现信息化施工,确保工程安全和顺利进行,本项目监测的主要内容由施工井区域施工监测和顶管区间环境监测两部分组成。
　　(1)施工井区域施工监测
　　基坑周围地表沉降监测;基坑周围建筑物及地下管线沉降监测;基坑外地下水位监测;基坑围护墙体侧斜;围护墙顶垂直位移和水平位移监测。
　　(2)顶管区间环境监测
　　地表沉降监测;建(构)筑物沉降监测;地下管线沉降监测。
　　2施工监测标准
　　(1)工作井基坑施工部分变形控制要求:地下
　　连续墙、灌筑桩侧向位移≤30 mm;地下管线沉降≤10 mm;地表沉降≤25 mm;建筑物沉降≤30 mm;建筑物相对倾斜≤0.3%。
　　(2)顶管顶进区间变形控制要求:在周围环境允许的条件下,顶管施工地表面允许隆陷值应控制为+10~-25 mm;原水渠道、合流污水渠道的沉降≤10 mm;建筑物沉降≤30 mm;地下管线沉降≤10 mm。
　　以上为顶管顶进区间内构(建)筑物变形控制的一般规定,在施工前应对上述构(建)筑物以及区间内未提及的其他大型市政设施、重要的建筑物作专门的调研,构(建)筑物的变形控制标准需取得相关管理单位和部门的许可后方可进行施工。
　　3施工监测应急预案
　　为保证施工安全进行,应建立关于基坑围护及周边环境监测的相关应急措施内容如下:
　　(1)加强对周边道路路面、地下管线、建筑物、围护结构墙体、支撑等相关体系的目视检查,如有异常发现,立即向有关单位汇报。
　　(2)在监测过程中,如监测点超出报警界限值或有突变情况发生,现场监测人员应重复测量,检查确认监测数据的准确性,及时按设计规定的报警值及时报警。
　　(3)监测数据报警后,应立即与项目监测负责人联系,判断可能存在的险情特征,对目前的变形情况提出合理化的施工技术措施或建议,放入监测报表中一并提交各方参考。
　　(4)对重点变化(报警)监测项目必要时定期提供变化曲线图,并附带相应的施工工况说明提供给相关单位分析,便于判明真正原因,及时采取技术措施。
　　(5)对报警后的相应监测点实施重点监测,适当增加监测频率,观察变形与发展趋势。
　　(6)一旦发生管线等损坏事故,立即上报上级部门和建设单位,积极组织力量抢修。
　　四、结束语
　　本工程钢管顶进施工方法,加快了整个工程的施工进度,未发生任何质量、安全事故,平均每天顶进1.5节,圆满地完成了施工任务，取得了良好的社会效益和经济效益。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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