給排水管道的頂管施工技術(shù)應(yīng)用

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢(xún)電話：400-8352-114

　　0 引言

　　該市政規(guī)劃路給排水施工項(xiàng)目位于廣東某開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，該工程中的W334～W337設(shè)計(jì)為頂管施工段。管材采用帶橡膠圈III級(jí)鋼筋混凝土承插管，管徑為1500mm，總長(zhǎng)270m。其中工作井、接收井均采用矩形鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)。

　　1 頂管施工技術(shù)方案選擇

　　1.1 經(jīng)調(diào)查分析研究及結(jié)合本公司在設(shè)備和施工及相關(guān)的技術(shù)能力，采用了密封泥水平衡式頂管工藝進(jìn)行施工。

　　1.2 泥水式平衡頂管機(jī)相比于土壓式平衡頂管機(jī)，能有效平衡地下水、對(duì)付流沙和淤泥質(zhì)地層。同時(shí)泥水式平衡頂管施工比土壓式平衡頂管施工具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?、倏蛇B續(xù)頂進(jìn)作業(yè)，施工速度快；

　?、谌藛T不用進(jìn)入管道作業(yè)，安全性高；

　?、墼谟倌噘|(zhì)和砂層中頂進(jìn)，對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響小，能有效控制施工精度，而且成本低等。

　　1.3 頂管施工主要設(shè)備 該工程選取了GTNSΦ1500泥水平衡頂管機(jī)，50T吊機(jī)1臺(tái)、25T吊機(jī)1臺(tái)，后座泵站2套、整體式頂進(jìn)構(gòu)架2套、泥水處理系統(tǒng)2套、激光水準(zhǔn)儀1臺(tái)、全站儀1臺(tái)、水準(zhǔn)儀1臺(tái)、經(jīng)緯儀1臺(tái)，另外還有通用設(shè)備電焊機(jī)、水泵等。

　　1.4 頂管施工工藝流程 施工前期準(zhǔn)備→測(cè)量放樣、復(fù)核→工作井施工→攪拌樁施工→工作井上下設(shè)備安裝準(zhǔn)備→工具頭吊裝下井、全套設(shè)備調(diào)試→工具頭穿墻頂進(jìn)→后續(xù)吊放管道→管道頂進(jìn)、測(cè)量控制及糾偏→管道排泥和廢泥漿外運(yùn)→下一管節(jié)吊放就位→下段頂管頂進(jìn)→管道貫通、回收工具頭→閉水試驗(yàn)→竣工驗(yàn)收、清場(chǎng)。

　　1.5 施工順序 頂管法施工采取先施工頂管工作井及接收井，后頂進(jìn)管道，然后施工檢查井的施工順序。頂管工作井及接收井施工、管節(jié)制作、頂進(jìn)施工、檢查井施工盡可能平行交叉進(jìn)行，以縮短工期。

　　2 頂管工程力學(xué)參數(shù)確定

　　2.1 頂力計(jì)算

　　本工程采用頂管總頂力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

　　F=F0 F1

　　F0=αpeBC2π/4

　　F1=RSL

　　F0——初始頂力（kN）

　　F1——管壁摩擦力（kN）

　　α——綜合系數(shù)，本工程取淤泥質(zhì)土系數(shù)值1

　　pe——土倉(cāng)的壓力（kpa），pe=150kpa

　　BC=管外徑（m），取2.238m

　　R——綜合摩擦阻力（kpa），本工程取淤泥質(zhì)土值2；

　　S——管外周長(zhǎng)（m），3.1415×2.238＝7.03m；

　　L——推進(jìn)長(zhǎng)度（m），本工程考慮L=400m。

　　初始頂力：F0=1.5×150×2.2382×π/4=885kN

　　管壁摩擦力：F1=2×7.03×400=5624kN

　　總推力：F=885 5624=6509 kN=651T

　　說(shuō)明：以上的管壁摩擦力計(jì)算沒(méi)有考慮觸變泥漿減摩效果，施工是采用觸變泥漿減摩，可以有效折減管壁摩阻力。

　　工具頭正面泥水壓力：F1=π×D2/4×P其中

　　F1——頂管泥水阻力(t)

　　D——頂管外徑(m)

　　σ——頂管泥水最大壓力(t/m2)

　　σ與土層密實(shí)度、土層含水量、地下水位狀況有關(guān)。根據(jù)有關(guān)工程統(tǒng)計(jì)資料和本工程的分析，估算工具頭正面泥水壓力為50t/m2左右，F(xiàn)1=π×D2/4×P＝π×2.2382/4×50＝196T

　　管壁摩擦阻力： F2=S×L×f其中

　　S—頂管外周長(zhǎng)(m)

　　L—最長(zhǎng)一段頂管長(zhǎng)度(m)

　　f—綜合摩擦力系數(shù)(T/ m2)

　　f與管道的埋設(shè)深度、土質(zhì)、地下水位等因素有關(guān)。根據(jù)有關(guān)工程統(tǒng)計(jì)資料和本工程的分析，估算綜合摩擦力系數(shù)f=1.3T/m2。F2=S×L×f=π×2.238×60×1.0＝421T

　　在考慮一次頂進(jìn)距離為60-70m時(shí)，頂管總阻力為以上阻力之和：F=F1 F2≈617t

　　根據(jù)該管徑鋼管的要求，其不能承受的以上頂力，頂力較大，需要增加中繼環(huán)，頂進(jìn)的后座采用4個(gè)200T的千斤頂，中繼環(huán)采用10個(gè)30T千斤頂，共計(jì)300T。頂管中繼環(huán)布置按照“工具頭20m—中繼環(huán)—后座60m”來(lái)布置。另外，頂管過(guò)程還要采用減阻措施，通常減少管壁摩擦阻力的措施有：管壁與泥土間壓觸變泥漿減阻(優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土拌制而成)，注漿需要管節(jié)間的密封良好，否則漿體會(huì)在管節(jié)間泄漏起不到應(yīng)有的作用，減阻效果好時(shí)，f—綜合摩擦力系數(shù)可以降低到0.3-0.8T/m2左右，將觸變泥漿的減阻作為保險(xiǎn)系數(shù)。

　　2.2 管材受力計(jì)算 鋼管內(nèi)徑d=2220mm，厚度t=18mm，每節(jié)管長(zhǎng)度6000mm，管的端頭采用焊接接頭。端面受力面積s=π× (2.238×2.238-2.22×2.22)/4=0.063m2

　　可承受的最大頂力為：F=s×5000T/m2/4=78.8T。

　　3 各主要工序施工方法

　　3.1 頂進(jìn)前準(zhǔn)備所有機(jī)械設(shè)備交班檢查 頂進(jìn)前，機(jī)械工需要進(jìn)行交接班手續(xù)，將記錄的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況表交給下一個(gè)班組的機(jī)械工，并進(jìn)行口頭的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況交班，剛上班的機(jī)械工需要對(duì)控制臺(tái)、各個(gè)泥漿泵、管道、測(cè)量系統(tǒng)、工具頭等進(jìn)行例行檢查。

　　 3.2 工具頭刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)進(jìn)出渣漿泵 交班和例行檢查完畢后，接通電源，將工具頭的刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)設(shè)備的參數(shù)穩(wěn)定后，開(kāi)進(jìn)出渣漿泵，開(kāi)始泥漿循環(huán)。

　　3.3 調(diào)整進(jìn)出渣漿泵流量達(dá)到平衡 工具頭的操作全部采用在管道外(工作井上)控制臺(tái)控制，只需1個(gè)機(jī)手操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工具頭刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)、糾偏控制、壓力顯示、時(shí)時(shí)監(jiān)控（工具頭安裝了攝像頭、控制臺(tái)上安裝了電視機(jī)）。頂進(jìn)千斤頂，觀察工作倉(cāng)的土壓力表，調(diào)節(jié)渣漿泵的流量達(dá)到工作倉(cāng)的泥水平衡，其平衡的原理是，當(dāng)進(jìn)泥和吸泥泵穩(wěn)定工作時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)泥和吸泥的泵量，使工作倉(cāng)內(nèi)應(yīng)保持一定壓力，倉(cāng)內(nèi)泥水壓力應(yīng)與地下水壓力相平衡，泥水壓力過(guò)大，地面隆起；泥水壓力過(guò)小，地面沉陷，所以控制頂進(jìn)與出泥的速度相當(dāng)關(guān)鍵。

　　3.4 泥水處理系統(tǒng)處理好砂土、裝車(chē)、外運(yùn) 采用泥水平衡式工具頭出土，需要在工具頭中注入含有一定泥量的泥漿，通過(guò)大刀盤(pán)切削工具頭前方的原狀土，與注入的泥水?dāng)嚢?，泥水通過(guò)吸泥泵排到地表泥水處理系統(tǒng)處理，泥漿可以反復(fù)循環(huán)使用，處理好的泥沙用泥漿車(chē)外運(yùn)。

　　3.5 測(cè)量工具頭的偏位、作好記錄、糾偏 測(cè)量方法，在工作井后座位置設(shè)置測(cè)量機(jī)座，測(cè)量基座由地面引入地下，避免工作井的變形引起的誤差，將全站儀放置在其上調(diào)平后，使全站儀發(fā)射的激光沿著頂進(jìn)方向水平射出，打在工具頭的測(cè)量靶位上，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡讀出工具頭的偏差。每隔0.5m記錄一次。

　　3.6 1個(gè)行程頂完后，整體式頂進(jìn)構(gòu)架調(diào)節(jié)頂塊 當(dāng)頂完1個(gè)行程后，停止頂進(jìn)，調(diào)節(jié)整體式頂進(jìn)構(gòu)架頂塊，可繼續(xù)頂進(jìn)下一個(gè)行程。

　　3.7 觸變泥漿系統(tǒng) 頂進(jìn)過(guò)程中，需要經(jīng)常進(jìn)行壓觸變泥漿工作，以減少頂進(jìn)的阻力，觸變泥漿系統(tǒng)由拌漿、注漿和管道三部分組成。拌漿是把注漿材料兌水以后再攪拌成所需的漿液(造漿后應(yīng)靜置24小時(shí)后方可使用)。注漿是通過(guò)注漿泵進(jìn)行的，根據(jù)壓力表和流量表，它可以控制注漿的壓力(壓力控制在水深的1.1～1.2倍)和注漿量(計(jì)量桶控制)。管道分總管和支管，總管安裝在管道內(nèi)一側(cè)，支管則把總管內(nèi)壓送過(guò)來(lái)的漿液輸送到每個(gè)注漿孔上去。注漿孔布置為：工具頭后3節(jié)管各設(shè)一道、之后每間距5m設(shè)一道補(bǔ)漿孔(間隔2節(jié)砼管)。

　　注漿流程：造漿靜置→注漿→頂管推進(jìn)(注漿) →頂管停頂→停止注漿

　　3.8 頂完一節(jié)管后，拆開(kāi)各管路、鋼管吊裝、各管路安裝 頂完一節(jié)管后，拆開(kāi)所有管線（電力電纜、信號(hào)線、油管、進(jìn)出泥漿管、觸變泥漿管），進(jìn)行鋼管吊裝焊接后，安裝好所有管線，繼續(xù)頂進(jìn)。

　　3.9 其他附屬施工方法

　　①頂管工作面排水由工作面流向工作井集水坑，再用泵排出地面。

　　②頂管內(nèi)面無(wú)人，如果需要進(jìn)去維修設(shè)備等，進(jìn)管之前需要通風(fēng)，采用壓入強(qiáng)制性通風(fēng)措施，用風(fēng)機(jī)通過(guò)1.5英寸鐵管向頂管工具頭壓風(fēng)。

　?、凼┕び秒娭鞲删€采用380V三相五線制，接通地面、工作井、管道內(nèi)、工具頭、管道照明采用12-24V低壓電源供電。

　　4 總結(jié)

　　頂管過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，它涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科。但頂管施工必須嚴(yán)格控制好頂管推力，而對(duì)頂管計(jì)算復(fù)核能夠準(zhǔn)確估計(jì)頂管的推力。頂管的推力就是頂管過(guò)程管道受的阻力，包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。泥水平衡壓力：在封閉的工作倉(cāng)內(nèi)加泥水壓力平衡地下水壓力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水壓力一定要合理。壓力較小，大量的泥砂涌入，會(huì)造成路面破壞，地表設(shè)施受損；壓力過(guò)大，會(huì)增大主千斤頂負(fù)荷，嚴(yán)重的可能產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象。該工程通過(guò)了嚴(yán)密的頂管計(jì)算，采取了先進(jìn)的頂管設(shè)備，成功高效地完成了該路段頂管施工的工作。