污水處理排海2050m超長距離砼頂管施工技術

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

    一、工程概況
    排海管道工程是嘉興市污水處理工程的一個重要組成部分。正常排放管總長2050m，管道內(nèi)徑Φ2000mm，從高位井向大堤外頂進，出洞口管內(nèi)底標高-20.23m，前747.5m為下坡頂進，坡度-2.5‰，最后302.5m為平坡頂進，終點管內(nèi)底標高-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)設有16根內(nèi)徑Φ380mm的擴散上升管，用垂直頂升工法施工。
    二、地質資料
    第④層，砂質粉土夾粉砂?；疑柡?，稍密~中密，中等壓縮性土，強度較高。頂板高程-13.70~-11.10m，層厚4.90~6.60m；
    第④a層，粉質粘土。飽和，流塑，局部分布，中等偏高壓縮性土，強度一般。頂板高程-16.20m，層厚2.00m。
    第⑤層，淤泥質粉質粘土~淤泥質粘土?；疑?，飽和，流塑，高壓縮性土，強度低，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-粉質粘土。灰綠~黃色，硬塑~可塑，中等偏低壓縮性土，強度較高。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層砂質粉土夾粉砂、④a層粉質粘土、⑤層淤泥質粉質粘土~淤泥質粘土中進行，隨后的頂進主要在⑤層淤泥質粉質粘土~淤泥質粘土中進行。土層變化大，地質狀況不理想，由于一次頂進距離2050 m，在國內(nèi)是絕無僅有的，目前在世界上也是頂程最長的一條頂管，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
    （1）泥水加壓平衡工具管工作原理
    泥水加壓平衡工具管設有可調(diào)整推力的浮動式大刀盤進行切削 和支承正面土體。推力設定后，刀盤隨土壓力大小變化前后浮動，始終保持對土體的恒定支撐力，使土體保持穩(wěn)定，即刀盤的推力與開挖面的土壓力保持平衡。機頭泥水倉中加入有一定含泥量的泥水，保持一定的壓力，一方面對切削面地下水起平衡作用，另一方面又能起到運載切削下來的泥土作用，加入泥水倉中的泥水壓力，通過旁通閥來調(diào)節(jié)。
    （2）結構特點
    本機采用二段一鉸承插式結構，在鉸接處設置二道密封裝置，并設有4只注漿孔，便于施工時同步注漿，泥漿套厚度20mm。有4只雙作用油缸編組進行糾偏，糾偏角度α=±2o。浮動的大刀盤由4臺液壓馬達驅動，二段殼體之間設有止轉裝置，可防止殼體相對轉動。設有3只土壓傳感器，顯示正面土體壓力值，工具管的運轉情況、各種儀表值，測量信息、糾偏油缸動作狀況均通過電視攝象機反映到操作臺屏幕上，操作人員可以根據(jù)這些信息進行遙控操作。
    （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，結構緊湊，技術先進，由于出土方式是用水力機械化連續(xù)出土，所以頂進速度快，對土質的適應性強。無論是粘性土還是砂性土，均能收到良好的效果。
    四、頂進技術措施
    1、 出洞的技術措施
    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。出洞時將封門里的密封槽鋼一根根拔出，然后將封門上口及時封閉，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
    頂管掘進施工加注減阻泥漿
    對于長距離頂管施工中，減阻泥漿的應用是減小頂進阻力的重要措施。
    泥漿潤滑減摩劑又稱觸變泥漿，是由膨潤土、CMC(粉末化學漿糊)、純堿和水按一定比例配方組成。不同的土質，應采用不同的配方，才能滿足不同的需要。
    觸變泥漿配比，根據(jù)不同土質和某些特定的需要通過試驗確定。本頂管出洞200m范圍內(nèi)為砂性土，含水量高，滲透性強。因此要求該段的漿液粘度要高，失水量要小，并對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。
    由于頂進距離長，一次壓漿無法到位，需要接力輸送，為此在管道內(nèi)設置5只泥漿接力站，平均每隔300m設一站，解決了頂進時同步跟蹤壓漿和沿線補壓漿的難點。
    頂進施工中，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，泥漿的實際用量要比理論用量大得多，一般可達到理論值的4~5倍，但在施工中還要根據(jù)土質情況、頂進狀況、地面沉降的要求等做適當?shù)恼{(diào)整。
    根據(jù)規(guī)范，使用減阻泥漿后，管壁的側向摩阻力為3~5Kpa，經(jīng)過計算，本工程頂進施工時管壁的側向摩阻力遠小于上述值，泥漿的減阻效果十分明顯，為頂進施工的順利進行創(chuàng)造了有利的條件。
    3、中繼間應用
    正常排放管全長2050m，原來布置了十四只中繼間。在頂進過程管節(jié)外壁和周圍土體的實際摩阻力比較小，就對中繼間的位置做出了調(diào)整，調(diào)整后，正常排放管共設置九只中繼間。 
    在實際頂進過程中主頂最大頂力沒有超過850t，正常頂進中沒有使用中繼間，只是在停頂?shù)却^長時間后，起頂時使用2#、4#中繼間。
    4、軸線控制
    在實際頂進中，頂進軸線和設計軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進軸線和設計軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進軸線發(fā)生偏差時，通過調(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計軸線位置。在施工過程中，應貫徹"勤測、勤糾、緩糾"的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節(jié)和頂進施工造成不利影響。
    頂進時應及時掌握工具管的走勢，頂進時可以通過觀察工具管的趨勢指導糾偏。
    5、水力機械化施工
    Φ2000mm頂管正常排放管頂進距離為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鍵之一。
    由于本次頂進距離長達2050m，泥水管理顯得極為重要。工具管切削下的土體中會有顆粒較大的石塊，當其粒徑大于排泥管內(nèi)徑的三分之一時，有可能發(fā)生管路堵塞。另外，如果泥水管內(nèi)泥水的流速過慢，泥漿就會沉淀在泥水管內(nèi)，引起回路不暢，嚴重時會發(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，可采用特殊點法及二分法進行管路清理。
    五、超長距離供電及照明
    長距離供電為了解決電壓降問題，一般采用高壓輸電，在盾構施工中，都是采用高壓輸電解決降壓問題的。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，并且設置增壓設備，以便在壓降過大時起穩(wěn)壓作用。為了防止不可預見情況的發(fā)生，還安裝了一套自動增壓裝置，當線路壓降過大時，增壓裝置開啟，穩(wěn)定施工用電電壓，保證頂進設備的正常運作。
    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只行燈進行照明，根據(jù)頂進長度來決定使用變壓器的數(shù)量。
    六、超長距離頂管通訊、監(jiān)控
    長距離頂進必須保證信息交換渠道的暢通，同時對施工操作人員要進行監(jiān)護，防止發(fā)生安全事故，因此需要設置通訊、監(jiān)控系統(tǒng)。
    通訊采用數(shù)字程控交換機，各聯(lián)絡點之間可以通過電話聯(lián)系，由于管道內(nèi)空氣潮濕，應使用防潮、防爆的礦用電話機，以保證通話質量。
    監(jiān)控采用了兩臺監(jiān)視器，分別對工具管操作面和主頂操縱臺進行監(jiān)控。這樣地面人員能及時了解施工情況，發(fā)生問題可以及時解決。為了解決傳輸信號長距離輸送衰減的問題，將信號通過放大器放大后再送上地面，保證圖像的清晰。
    七、超長距離通風、氣體監(jiān)測
    為了改善管道內(nèi)的工作環(huán)境，施工時對管道進行強制通風，由地面空壓機提供的經(jīng)過濾清、除濕、降溫的新鮮空氣通過氣管送到施工作業(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。
    實行強制通風后，管道內(nèi)的環(huán)境有很大改善，改善了工作環(huán)境，保證了各種機械設備的正常運行。
    由于頂進是在海底進行，地層中可能存在遠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，都由施工人員攜帶便攜式可燃性氣體監(jiān)測儀器進行測試，確保安全才能進行施工，否則必須進行強制通風，待氣體濃度恢復正常后，再進行頂進施工。
    八、超長距離頂管施工管理
    由于超長距離頂管有較高的技術難度和許多不可預見的不利因素，因此加強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、對接、就位時應確保密封圈、傳力襯墊板和管口的完整，嚴禁使用不合格的管節(jié)。
    2、頂進施工中應隨時觀察頂進軸線和設計軸線的偏差，做到"勤測勤糾"，并隨著頂進距離的增長做好管內(nèi)測站的測量，在工具管出洞后20米更應注意軸線的精度。
    3、土壓力的設定和排土量及頂進速度的控制，是超長距離頂管成功的關鍵。土壓力的設定應根據(jù)施工地質狀況、地下水位高低、管道埋深等因素初步設定，并根據(jù)施工實際情況和地表沉降的實測結果隨時進行調(diào)整。
    4、采用膨潤土泥漿減摩時，對膨潤土的產(chǎn)地、質量、泥漿配比要嚴格控制，泥漿的注入量、注漿壓力等技術參數(shù)，應根據(jù)施工地質狀況的不同做相應變化。
    5、頂進時盡量做到全斷面出土，嚴禁在擠壓狀態(tài)下頂進，防止管道周圍土體的反彈，破壞直線通道。
    6、做好頂進速度、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測施工中可能發(fā)生的問題，及時采取相應的技術措施。
    九、結束語
    此次排海頂管工程一次頂進距離2050m，創(chuàng)造世界紀錄，實際頂進時間為144天。在沒有采用中繼頂接力頂進的情況下，頂力有效地控制在850t以下，軸線的最大偏差在5cm以內(nèi)，取得了良好的社會效益及經(jīng)濟效益。
    根據(jù)本項工程的施工經(jīng)驗可以得出，超長距離頂管施工的關鍵在于注漿減摩、軸線控制及中繼頂布置等技術措施，同時對于土壓力計算公式需要考慮土拱效應及時間效應。
    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。管壁實際平均側面摩阻力小于1kpa，遠小于理論值及以往的經(jīng)驗值。 2050m長距離鋼筋混凝土頂管施工的成功，標志著隧道股份在長距離頂管技術上已達到國際先進水平。