顶管施工工艺及质量控制

2010-08-15何大鹏

山西建筑 2010年9期

何大鹏陈磊

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法。它不需要开挖面层,并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等,在我国,特别是沿海发达地面逐步普及使用,顶管设备也越来越先进。在各类市政建设项目中,顶管施工技术已被广泛应用。

1 顶管施工技术概述

1.1 定义

所谓顶管法施工,即是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力,克服管道与周围土壤的摩擦力,将管道按设计的坡度顶入土中,并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后,再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力,把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起,与此同时,把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。

1.2 顶管技术的必要性

对于繁忙而脆弱的城市交通系统,开挖敷设地下管道势必会造成交通中断,特别是敷设横穿城市主干道下的管道,大开挖埋管必然带来交通阻断,造成巨大的经济损失。在非开挖状态下对这些管道进行修复和敷设,浅埋顶管技术有了用武之地。当地面建(构)筑物较多,无法采用槽工艺进行地下管线施工,或开槽施工支护费用过大,易造成建筑物的破坏,以及碴土堆放、外运造成市区污染,给市民工作、生活带来不便时,宜采用顶管施工工艺,进行地下管网施工。

2 顶管施工关键质量控制

2.1 在顶管施工前应对场地进行详细的勘察

勘察内容包括工程地质和水文地质情况,了解土层变化情况及地下水位情况;对地下管线的探查;穿越建筑物时对建筑物基础的探查。顶管机械的选择应根据所经过场地的地质情况合理选用。泥水平衡、土压平衡、气压平衡及人工掏土等形式的机头各有其适用范围,不同型号的机头各自的特点也不一样,在顶管机械设备的选择上,应事先做好充分的勘察探测工作,区分不同类土质选用合适的机械设备。

2.2 选择合理的施工工艺

施工工艺是否合理对顶管施工的成败起关键性的作用。顶管施工工艺是指从机械设备开始进入场地到顶进全部结束的整个过程。其包括顶进机械的选择,顶进线路的选型,机头的进出洞技术及注浆减摩技术等。要根据顶管直径选用工具管,可采用顶部前伸式,网格加密式等。塌方的另一个原因是操作失误。例如,盲目超前开挖,停顶后没有防塌的措施等,诸如此类的操作、管理不当,造成地面沉降。

2.3 顶推动力控制技术

1)顶推后座设计:精心设计顶推的反力墙,确保顶推时后座安全。2)泥浆减阻、中继站的采用:配制优质泥浆,压力注入管体与岩土之间有效地降低两者间的摩阻力,从而降低了顶推力,有利于顶进系统安全、减小管体偏移、降低地面沉降。3)在管道顶进过程中要处理好管道接头的密封问题。密封不好会产生渗漏,增加地层损失,也给施工带来不便。解决密封问题首先要选择合适类型的管道。4)适速顶进,顶进速度过快,其极易造成地面隆起。顶进过后及时注浆,一方面填充了管体与岩土间的空隙,有效的减小了地面沉降,另一方面起到了注浆减阻的作用。

2.4 顶管施工线形控制技术

1)测量的方法。用坐标法,根据设计给出的工作井坐标,以及接收井中心的坐标,直线顶管部分采用导线法,将控制点定在工作井上。顶管顶进时,在机头中心设置一个光靶,根据光靶反映的读数,即可知道目前机头的方位;对于曲线顶管部分,根据工作井、接收井坐标、圆心坐标以及曲线半径,使用全站仪测出机头光耙坐标,即可知道机头偏差情况。

2)测量设备。顶进的测量与方向的控制,主要是采用全站仪,辅以激光经纬仪和水准仪测量。由于顶进距离长,如观察困难,可以采用自动跟踪仪测量。然后通过油缸进行纠编,遵循先纠上下后纠左右的原则。

3)测量与方向控制要点。a.制定严格的放样复核制度,并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度,确保测量万无一失。b.布设在工作井后方的仪座必须避免顶进时移位和变形,必须定时复测并及时调整。c.顶进纠偏必须勤测量、多微调,纠偏角度应保持在 10′～20′,不得大于 1°,并设置偏差警戒线。d.初始推进阶段,方向主要是主顶油缸控制,因此,一方面要减慢主顶推进速度,另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。e.开始顶进前必须制定坡度计划,对每米、每节管的位置、标高需事先计算,确保顶进时正确,以最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。

4)曲线顶管的测量。顶管工程的测量工作是整个顶管工程质量的关键,它的实施好坏将直接影响到管线线形的平顺,甚至影响到顶管的顺利贯通,因此需精心实施,确保无误。顶管施工测量包括高程测量和左右偏差测量两部分。高程测量较简单,在地面上把永久性水准引测至井边,通过垂直吊钢尺引测至井下,设临时水准点,再在管道内架设水准仪测至机关内标靶,即可知道机头高程偏差。此水准还可从机头测出来,闭合差按二级水准控制。左右偏差测量较复杂,在直线顶管中,我们可以在后座设一激光经纬仪,在满足通视的条件下,直接看机头内标靶就可知道左右偏差,而曲线顶管却做不到,因为管线线形是弧形的,后座内激光经纬仪不能一下看到底。因此需在管道内布置移动测站。在通过管道内的移动测站测量出机头内光靶的实际坐标后,计算出光靶中心与该段曲线的圆心距离(实际半径),与曲线设计半径相比较,若大于设计曲线半径的,说明机头向外侧偏出,若小于设计曲线半径的,说明机头向内侧偏出。在曲线段变为直线段后,根据实际测量出的光靶坐标,使用点到直线的距离计算公式,算出实际偏差距离。

5)曲线顶管管缝控制。曲线顶管的管缝控制尤其重要,因为如果管缝张不开,就形不成曲线;张开过大,将造成顶管偏差或超标,特别是软土中顶管,在管缝形成后,如果纠偏控制得不好,其趋势会越来越大,虽然可以通过纠偏千斤顶纠偏,但这种偏差并不是一下子能纠回来的,这样顶管的线形往往会形成蛇形,而且最大偏差点超过规范允许范围,并且管缝张开过大,在地下水丰富的地方,会给工程带来危险。应当把管外最大开口间隙控制在20 mm以内,避免管接口张缝过大造成渗漏。在顶管时,由专人负责量机头与第一节混凝土管左右两边的管缝,并做好记录,每次纠偏前后均需实测,发现超出规定时停止顶管,研究对策后才能继续顶进。

2.5 顶进纠偏应急与预防措施

1)利用顶管机倾斜仪和测量数据提供的机头折角、倾斜仪基数和走动趋势、前后尺读数比较、机尾处地面沉降量等数据进行分析。对0.5°以上的大动作纠偏须尽量避免并慎重讨论,不得已时也应争取在非重要地段进行并加强观测。纠偏动作后如无折角变动应立即停顶,会同电工、机修工检查电路和液压管路,尽早排除故障,严防轴线超差。纠偏应在下管后尽早进行,注意观察倾斜仪读数的纠后趋势及光点滞后变化,同时通知地面和地下压浆人员加大同步压浆量。2)顶进过程中的纠偏可采取调整纠偏千斤顶的方法,进行纠组操作,若管道左则千斤顶采用左伸右缩方法,反之亦然,如同时有高程和方向偏差,则应先纠正偏差大的一面。3)发生较大偏差应分析发展趋势,采用分次逐步纠正,勤调微纠,若偏差超过质量标准,应通知停止顶进,研究有效措施,方可继续顶进。4)对顶进中经常发生顶管机头的旋转,影响出土、测量等,必须采取措施。防止偏转扩大,其方法有:改变切削刀盘的转动方向;在管内的相反方面增加压重块,直到正常。

2.6 关于穿越密集建筑群的顶管施工控制

顶管埋深要达到足够的要求,这样才能在开挖时形成拱效应,使开挖面上部的土体不至于在地面较大的荷载下发生坍塌。对于某些情况当地表建筑物或地下管线基础与顶管距离较近时,为保证建筑物和构筑物的安全,就需要对建筑物和管线下面的土体进行加固。一般采取压密注浆的方式,将浆液注入土中,改善结构物周围的土体力学性质,以减小施工对结构物的影响。

3 顶管施工时主要安全技术措施

1)在开通预留孔砖墙时,要注意脚手架稳定牢固,同时要注意凿除顺序,操作人员站立位置等,以防砖墙突然倒塌,要有专人监护观察。2)刚顶进时管子要防止反弹,因刚顶进管子还没有一定距离和摩阻力,很容易被洞外泥土压力挤出。因此在顶进到位收泵时,要注意观察反弹现象,如有反弹停止收泵,采取止回措施,方可收泵。3)由于顶进距离长,管道内的防火措施也相当重要。主要作好以下几点:a.管道内,未经许可不得动用明火;b.管道内任何人都不准吸烟;c.用于管道内的所有材料,都应是非燃材料或具有延迟起火的性能;d.管道内的气体含量需经常检测,发现可燃气体超标,应立即停机,加强通风。4)用电安全必须注意。5)管道内设置走道板供工人及有关人员安全进出。6)电缆、钢管、通风管、高压油管等在中继间处应安装一截软管,防止使用中继间时,拉断有关管子造成不必要的损失。7)管子吊装安全措施:吊管必须有人指挥,并持有有效证件;吊机停放要平稳,基实牢固的位置;吊机驾驶必须持有有效证件(特殊工种操作证);吊管钢丝绳要选择标准规定的材质,吊管时管内与钢丝绳接触点要垫好木块,以免擦伤钢丝绳和管口钢套环;在吊装管子时,沉井下垂直点不准站人,与管体平衡点不准站人,防止悬空惯性而碰撞伤人。