污水處理排海2050m超長(zhǎng)距離砼頂管施工技術(shù)

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摘   要：嘉興污水處理排海頂管工程一次頂進(jìn)2050m，屬于超長(zhǎng)距離頂管。由于很好解決了超長(zhǎng)距離頂進(jìn)施工中的減阻泥漿、中繼間運(yùn)用、軸線控制等技術(shù)難題，僅用了144天就完成了全部頂進(jìn)施工如管，創(chuàng)造了同類工程的世界記錄。
    關(guān)鍵詞：排海工程 超長(zhǎng)距離頂管 技術(shù)措施

    一、工程概況
    排海管道工程是嘉興市污水處理工程的一個(gè)重要組成部分。正常排放管總長(zhǎng)2050m，管道內(nèi)徑Φ2000mm，從高位井向大堤外頂進(jìn)，出洞口管內(nèi)底標(biāo)高-20.23m，前747.5m為下坡頂進(jìn)，坡度-2.5‰，最后302.5m為平坡頂進(jìn)，終點(diǎn)管內(nèi)底標(biāo)高-24.60m。采用“F-B”型鋼承口式鋼筋砼管，楔形橡膠圈接口，多層膠合板襯墊。在平坡段內(nèi)設(shè)有16根內(nèi)徑Φ380mm的擴(kuò)散上升管，用垂直頂升工法施工。
    二、地質(zhì)資料
    第④層，砂質(zhì)粉土夾粉砂?；疑?，飽和，稍密~中密，中等壓縮性土，強(qiáng)度較高。頂板高程-13.70~-11.10m，層厚4.90~6.60m；
    第④a層，粉質(zhì)粘土。飽和，流塑，局部分布，中等偏高壓縮性土，強(qiáng)度一般。頂板高程-16.20m，層厚2.00m。
    第⑤層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土~淤泥質(zhì)粘土?；疑柡?，流塑，高壓縮性土，強(qiáng)度低，滲透系數(shù)K<10-6cm/s。頂板高程-19.50m~-13.60m，層厚7.30m~9.40m，淺灘區(qū)未鉆穿；
    第⑥層，粘土-粉質(zhì)粘土。灰綠~黃色，硬塑~可塑，中等偏低壓縮性土，強(qiáng)度較高。頂板高程-23.00~-22.60m，層厚0.60~1.80m。
    三、工具管選型 
    正常排放管在出洞后的150m~200m范圍內(nèi)將遇到④層砂質(zhì)粉土夾粉砂、④a層粉質(zhì)粘土、⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土~淤泥質(zhì)粘土中進(jìn)行，隨后的頂進(jìn)主要在⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土~淤泥質(zhì)粘土中進(jìn)行。土層變化大，地質(zhì)狀況不理想，由于一次頂進(jìn)距離2050 m，在國(guó)內(nèi)是絕無(wú)僅有的，目前在世界上也是頂程最長(zhǎng)的一條頂管，施工難度極大。經(jīng)多次比選論證，最終決定采用密封式大刀盤泥水加壓平衡工具管施工。
    混凝土管節(jié)堆場(chǎng)
    （1）泥水加壓平衡工具管工作原理
    泥水加壓平衡工具管設(shè)有可調(diào)整推力的浮動(dòng)式大刀盤進(jìn)行切削 和支承正面土體。推力設(shè)定后，刀盤隨土壓力大小變化前后浮動(dòng)，始終保持對(duì)土體的恒定支撐力，使土體保持穩(wěn)定，即刀盤的推力與開(kāi)挖面的土壓力保持平衡。機(jī)頭泥水倉(cāng)中加入有一定含泥量的泥水，保持一定的壓力，一方面對(duì)切削面地下水起平衡作用，另一方面又能起到運(yùn)載切削下來(lái)的泥土作用，加入泥水倉(cāng)中的泥水壓力，通過(guò)旁通閥來(lái)調(diào)節(jié)。
    （2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    本機(jī)采用二段一鉸承插式結(jié)構(gòu)，在鉸接處設(shè)置二道密封裝置，并設(shè)有4只注漿孔，便于施工時(shí)同步注漿，泥漿套厚度20mm。有4只雙作用油缸編組進(jìn)行糾偏，糾偏角度α=±2o。浮動(dòng)的大刀盤由4臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，二段殼體之間設(shè)有止轉(zhuǎn)裝置，可防止殼體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)有3只土壓傳感器，顯示正面土體壓力值，工具管的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、各種儀表值，測(cè)量信息、糾偏油缸動(dòng)作狀況均通過(guò)電視攝象機(jī)反映到操作臺(tái)屏幕上，操作人員可以根據(jù)這些信息進(jìn)行遙控操作。
    （3）適用范圍
    泥水加壓平衡工具管與其他工具管相比，具有平衡效果好，結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)先進(jìn)，由于出土方式是用水力機(jī)械化連續(xù)出土，所以頂進(jìn)速度快，對(duì)土質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)。無(wú)論是粘性土還是砂性土，均能收到良好的效果。
    四、頂進(jìn)技術(shù)措施
    1、 出洞的技術(shù)措施
    由于出洞出覆土很厚，且地下水位高，此次出洞特采用了井內(nèi)外封門。出洞時(shí)將封門里的密封槽鋼一根根拔出，然后將封門上口及時(shí)封閉，拔完槽鋼后工具管即可安全出洞。采用這種出洞措施確保了出洞是的安全，并提高了工具管在出洞階段的穩(wěn)定性。
    2、泥漿減阻技術(shù)
    頂管掘進(jìn)施工加注減阻泥漿
    對(duì)于長(zhǎng)距離頂管施工中，減阻泥漿的應(yīng)用是減小頂進(jìn)阻力的重要措施。
    泥漿潤(rùn)滑減摩劑又稱觸變泥漿，是由膨潤(rùn)土、CMC(粉末化學(xué)漿糊)、純堿和水按一定比例配方組成。不同的土質(zhì)，應(yīng)采用不同的配方，才能滿足不同的需要。
    觸變泥漿配比，根據(jù)不同土質(zhì)和某些特定的需要通過(guò)試驗(yàn)確定。本頂管出洞200m范圍內(nèi)為砂性土，含水量高，滲透性強(qiáng)。因此要求該段的漿液粘度要高，失水量要小，并對(duì)土層要起一定支承作用。頂管出洞后管節(jié)周圍能迅速形成泥漿環(huán)套。
    觸變泥漿減摩效果的好壞，除了與上述選用的漿液材料和配比有關(guān)以，還與注漿孔的布置、注漿泵的選用、注漿壓力及注漿量有關(guān)。
    由于頂進(jìn)距離長(zhǎng)，一次壓漿無(wú)法到位，需要接力輸送，為此在管道內(nèi)設(shè)置5只泥漿接力站，平均每隔300m設(shè)一站，解決了頂進(jìn)時(shí)同步跟蹤壓漿和沿線補(bǔ)壓漿的難點(diǎn)。
    頂進(jìn)施工中，減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍的空隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等的作用，泥漿的實(shí)際用量要比理論用量大得多，一般可達(dá)到理論值的4~5倍，但在施工中還要根據(jù)土質(zhì)情況、頂進(jìn)狀況、地面沉降的要求等做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
    根據(jù)規(guī)范，使用減阻泥漿后，管壁的側(cè)向摩阻力為3~5Kpa，經(jīng)過(guò)計(jì)算，本工程頂進(jìn)施工時(shí)管壁的側(cè)向摩阻力遠(yuǎn)小于上述值，泥漿的減阻效果十分明顯，為頂進(jìn)施工的順利進(jìn)行創(chuàng)造了有利的條件。
    3、中繼間應(yīng)用
    正常排放管全長(zhǎng)2050m，原來(lái)布置了十四只中繼間。在頂進(jìn)過(guò)程管節(jié)外壁和周圍土體的實(shí)際摩阻力比較小，就對(duì)中繼間的位置做出了調(diào)整，調(diào)整后，正常排放管共設(shè)置九只中繼間。 
    在實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中主頂最大頂力沒(méi)有超過(guò)850t，正常頂進(jìn)中沒(méi)有使用中繼間，只是在停頂?shù)却^長(zhǎng)時(shí)間后，起頂時(shí)使用2#、4#中繼間。
    4、軸線控制
    在實(shí)際頂進(jìn)中，頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進(jìn)軸線發(fā)生偏差時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計(jì)軸線位置。在施工過(guò)程中，應(yīng)貫徹"勤測(cè)、勤糾、緩糾"的原則，不能劇烈糾偏，以免對(duì)管節(jié)和頂進(jìn)施工造成不利影響。
    頂進(jìn)時(shí)應(yīng)及時(shí)掌握工具管的走勢(shì)，頂進(jìn)時(shí)可以通過(guò)觀察工具管的趨勢(shì)指導(dǎo)糾偏。
    5、水力機(jī)械化施工
    Φ2000mm頂管正常排放管頂進(jìn)距離為2050m，采用大刀盤泥水加壓平衡工具管施工，因此泥水系統(tǒng)的配置是工程成敗的關(guān)鍵之一。
    由于本次頂進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)2050m，泥水管理顯得極為重要。工具管切削下的土體中會(huì)有顆粒較大的石塊，當(dāng)其粒徑大于排泥管內(nèi)徑的三分之一時(shí)，有可能發(fā)生管路堵塞。另外，如果泥水管內(nèi)泥水的流速過(guò)慢，泥漿就會(huì)沉淀在泥水管內(nèi)，引起回路不暢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生管路堵塞，因此泥水管內(nèi)的流速必須大于一定速度，防止產(chǎn)生沉淀。
    在發(fā)生管路堵塞后，可采用特殊點(diǎn)法及二分法進(jìn)行管路清理。
    五、超長(zhǎng)距離供電及照明
    長(zhǎng)距離供電為了解決電壓降問(wèn)題，一般采用高壓輸電，在盾構(gòu)施工中，都是采用高壓輸電解決降壓?jiǎn)栴}的。但是頂管施工有其特殊性，其管徑小，若采用高壓供電安全缺乏保障，因此必須采用380V低壓輸電。采用低壓供電，就必須加大電纜容量，并且設(shè)置增壓設(shè)備，以便在壓降過(guò)大時(shí)起穩(wěn)壓作用。為了防止不可預(yù)見(jiàn)情況的發(fā)生，還安裝了一套自動(dòng)增壓裝置，當(dāng)線路壓降過(guò)大時(shí)，增壓裝置開(kāi)啟，穩(wěn)定施工用電電壓，保證頂進(jìn)設(shè)備的正常運(yùn)作。
    照明采用安全電壓，由管道內(nèi)電箱中的變壓器提供36V電源，每只變壓器連接9~10只行燈進(jìn)行照明，根據(jù)頂進(jìn)長(zhǎng)度來(lái)決定使用變壓器的數(shù)量。
    六、超長(zhǎng)距離頂管通訊、監(jiān)控
    長(zhǎng)距離頂進(jìn)必須保證信息交換渠道的暢通，同時(shí)對(duì)施工操作人員要進(jìn)行監(jiān)護(hù)，防止發(fā)生安全事故，因此需要設(shè)置通訊、監(jiān)控系統(tǒng)。
    通訊采用數(shù)字程控交換機(jī)，各聯(lián)絡(luò)點(diǎn)之間可以通過(guò)電話聯(lián)系，由于管道內(nèi)空氣潮濕，應(yīng)使用防潮、防爆的礦用電話機(jī)，以保證通話質(zhì)量。
    監(jiān)控采用了兩臺(tái)監(jiān)視器，分別對(duì)工具管操作面和主頂操縱臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控。這樣地面人員能及時(shí)了解施工情況，發(fā)生問(wèn)題可以及時(shí)解決。為了解決傳輸信號(hào)長(zhǎng)距離輸送衰減的問(wèn)題，將信號(hào)通過(guò)放大器放大后再送上地面，保證圖像的清晰。
    七、超長(zhǎng)距離通風(fēng)、氣體監(jiān)測(cè)
    為了改善管道內(nèi)的工作環(huán)境，施工時(shí)對(duì)管道進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，由地面空壓機(jī)提供的經(jīng)過(guò)濾清、除濕、降溫的新鮮空氣通過(guò)氣管送到施工作業(yè)面，管道內(nèi)的渾濁空氣則由作業(yè)面向工作井自然流通。
    實(shí)行強(qiáng)制通風(fēng)后，管道內(nèi)的環(huán)境有很大改善，改善了工作環(huán)境，保證了各種機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。
    由于頂進(jìn)是在海底進(jìn)行，地層中可能存在遠(yuǎn)古海洋生物遺體形成的沼氣等可燃性氣體，在施工中，這些氣體可能會(huì)從管道的縫隙處滲入管道內(nèi)，危及施工人員的安全。為此，每次下井時(shí)，都由施工人員攜帶便攜式可燃性氣體監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)試，確保安全才能進(jìn)行施工，否則必須進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，待氣體濃度恢復(fù)正常后，再進(jìn)行頂進(jìn)施工。
    八、超長(zhǎng)距離頂管施工管理
    由于超長(zhǎng)距離頂管有較高的技術(shù)難度和許多不可預(yù)見(jiàn)的不利因素，因此加強(qiáng)施工管理是確保頂管獲得成功的重要環(huán)節(jié)。
    1、砼管節(jié)的吊裝、對(duì)接、就位時(shí)應(yīng)確保密封圈、傳力襯墊板和管口的完整，嚴(yán)禁使用不合格的管節(jié)。
    2、頂進(jìn)施工中應(yīng)隨時(shí)觀察頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線的偏差，做到"勤測(cè)勤糾"，并隨著頂進(jìn)距離的增長(zhǎng)做好管內(nèi)測(cè)站的測(cè)量，在工具管出洞后20米更應(yīng)注意軸線的精度。
    3、土壓力的設(shè)定和排土量及頂進(jìn)速度的控制，是超長(zhǎng)距離頂管成功的關(guān)鍵。土壓力的設(shè)定應(yīng)根據(jù)施工地質(zhì)狀況、地下水位高低、管道埋深等因素初步設(shè)定，并根據(jù)施工實(shí)際情況和地表沉降的實(shí)測(cè)結(jié)果隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
    4、采用膨潤(rùn)土泥漿減摩時(shí)，對(duì)膨潤(rùn)土的產(chǎn)地、質(zhì)量、泥漿配比要嚴(yán)格控制，泥漿的注入量、注漿壓力等技術(shù)參數(shù)，應(yīng)根據(jù)施工地質(zhì)狀況的不同做相應(yīng)變化。
    5、頂進(jìn)時(shí)盡量做到全斷面出土，嚴(yán)禁在擠壓狀態(tài)下頂進(jìn)，防止管道周圍土體的反彈，破壞直線通道。
    6、做好頂進(jìn)速度、頂力、土壓力、軸線偏差和沉降量變化等原始數(shù)據(jù)的記錄、收集、整理工作，供施工管理人員分析預(yù)測(cè)施工中可能發(fā)生的問(wèn)題，及時(shí)采取相應(yīng)的技術(shù)措施。
    九、結(jié)束語(yǔ)
    此次排海頂管工程一次頂進(jìn)距離2050m，創(chuàng)造世界紀(jì)錄，實(shí)際頂進(jìn)時(shí)間為144天。在沒(méi)有采用中繼頂接力頂進(jìn)的情況下，頂力有效地控制在850t以下，軸線的最大偏差在5cm以內(nèi)，取得了良好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。
    根據(jù)本項(xiàng)工程的施工經(jīng)驗(yàn)可以得出，超長(zhǎng)距離頂管施工的關(guān)鍵在于注漿減摩、軸線控制及中繼頂布置等技術(shù)措施，同時(shí)對(duì)于土壓力計(jì)算公式需要考慮土拱效應(yīng)及時(shí)間效應(yīng)。
    由于減摩措施十分成功，在總頂力小于8500kN的條件下，未使用中繼間接力頂進(jìn)。管壁實(shí)際平均側(cè)面摩阻力小于1kpa，遠(yuǎn)小于理論值及以往的經(jīng)驗(yàn)值。 2050m長(zhǎng)距離鋼筋混凝土頂管施工的成功，標(biāo)志著隧道股份在長(zhǎng)距離頂管技術(shù)上已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。