南水北调配套工程顶管施工技术研究

侯庆雷, 王江峰

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



南水北调配套工程顶管施工技术研究

侯庆雷, 王江峰

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

顶管工程是一种暗挖施工方法,广泛应用于市政工程、水利工程,顶管内穿钢管施工是顶管工程施工的一个关键工序.以南水北调配套工程的某施工标段顶管工程为例,研究了顶管内穿钢管的施工方法及顶管内自密实混凝土的浇筑方法.经采用滑轮组+卷扬机配合的施工方法,将穿越钢管拉进到套管内设计位置;通过预埋镀锌钢管,使混凝土经镀锌钢管流入套管与穿越钢管之间的空隙.实际施工过程表明,通过滑轮组的使用,小型号的卷扬机既能满足施工要求,又能节省人力、财力及物力,达到节约施工成本的目的.实际混凝土浇筑表明,该种浇筑方式能使自密实混凝土充满套管与穿越钢管之间的空隙.

顶管;内穿钢管;滑轮组;自密实混凝土

南水北调工程沿线既有地势平坦的地区,也有穿越河流、公路、房建、地下管线等地势复杂的地区.对于地势平坦的地区,采用明挖的施工方法即可; 对于穿越河流、公路、房建、地下管线等地段[1],采取明挖的施工方法不可行,穿越河流常采用倒虹吸的方式,穿越高速公路、铁路等地段的管线,为保护其路基的稳定性,一般采取非开挖顶管施工.顶管施工有以下几个优点[2]:①可以穿越障碍物,对于地上的建筑物影响非常小;②建设公害少、文明施工程度比开槽施工高,尤其是对于穿越市内工程,有效维护了政府工程的形象;③对交通的干扰小,无需隔断交通,只需在道路两端设置工作坑和接收坑,对道路的畅通无影响;④工期比开槽施工工期短.鉴于顶管施工在南水北调工程中的广泛应用[3],并且在施工过程中,为方便以后供水管线的日常维护,一般是首先要顶混凝土套管,然后在套管内穿拉钢管[4].

笔者以河南省焦作市南水北调配套工程的某施工标段的顶管工程为例,鉴于在大口径混凝土顶管内穿钢管的施工质量对工程的重大影响,对顶管内穿越钢管的施工方法及自密实混凝土浇筑施工方法进行研究,为该工程及今后类似工程的施工提供参考.

1 工程概况

焦作市南水北调工程为输水管道工程,其中26号线包含4个施工标段,河南水利建筑工程有限公司承接施工5标,该标段管线主要分布在武陟县城附近,沿线建筑物较多,需穿越省道、高速匝道,共有5处顶管施工,故研究顶管施工的方法具有重要的实际意义.笔者主要研究的是穿S223省道套管顶管施工,起止桩号为WZ22+417.68—WZ482.68,全长65 m.套管为DN2000钢筋混凝土套管,每根2 m,内穿DN1400钢管,每根6 m,首先是套管施工,然后穿越钢管拉进,最后完成自密实混凝土的浇筑.

2 顶管内穿管的施工方法

该标段采用的是滑轮组及卷扬机配合吊车将钢管拉进的施工方法.

2.1 浇筑顶管内部施工面

根据设计要求,穿越钢管在顶管内的位置不在顶管内壁上,而是与两端的PCCP管道高程相一致.这就需要在顶管内壁首先浇筑一定厚度的混凝土(与设计要求的自密实混凝土标号一致),混凝土上表面的高程略小于设计高程.待顶管内壁上的混凝土达到一定强度后,在全周长混凝土表面上铺设一定厚度的砂垫层,砂垫层的厚度与已浇筑混凝土的厚度之和与设计要求的穿越管底部高程相一致,该部分砂垫层的作用是减小钢管拉进过程中的摩擦阻力.

2.2 搭建焊接平台

在顶管的工作坑内修建一个焊接钢管的施工平台,每根穿管的长度为6 m,该顶管的总长度为65 m,共计10根穿越钢管,总计9条焊缝.焊接操作须在工作坑内的焊接平台上完成,且该焊接平台的高程应与顶管内砂垫层的上标高一致.

2.3 制作滑轮组件

1)在顶管接收坑一侧的阀井底板浇筑前,在预定位置预埋两根地锚,且与阀井底板的上下面层钢筋焊接固定,然后按照设计要求,浇筑阀井底板混凝土,且振捣密实.

2)待阀井底板混凝土达到龄期后,在阀井底板上表面固定卷扬机,且卷扬机的中心线应与顶管内穿越钢管的中心线相一致,然后用钢丝绳将卷扬机与两个地锚连接起来.

3)安装动滑轮组件.在穿越管接近卷扬机的一侧焊接两个固定的螺栓,以便将穿越管与钢丝绳连接起来；采用一组动滑轮，将卷扬机上钢丝绳与动滑轮连接,安装方法如图1所示.

图1 动滑轮安装示意图

通过计算,安装一组动滑轮,则卷扬机实际承受的拉力为

式中:F拉为卷扬机的实际拉力;f为穿越管与底部的摩擦力.

4)将第一根穿越管放到工作坑内,前部与卷扬机连接、定位,确保穿越管的中心线与卷扬机的中心线相一致;用50 t吊车的吊带吊住穿越管另一端,吊车配合卷扬机将穿越管拉进,拉进一定距离后,穿越管的端部位于焊接平台上的适当位置,然后吊下另一根穿越管,对口、焊接,然后进行焊缝检测;焊缝检测合格后,在焊缝处涂抹防腐剂,然后将钢管拉进,方法同上.

由此看出,卷扬机的拉力远小于管道的摩擦力,同样的条件下,小型号的卷扬机可以满足施工要求;后续施工过程中,随着拉进穿越钢管数量的增加,穿越钢管与砂的摩擦力增大,可以采用增加动滑轮组数的施工方法,这样卷扬机实际拉力仍然可以减小,小型号的卷扬机仍能满足要求,可减少物力、财力的消耗.

在顶管内穿管施工过程中,应特别注意以下几点:①与地锚固定后,卷扬机上的4个固定螺栓孔一定要用钢丝绳连接到一块儿,以确保两个地锚所受的拉力一致;避免两个地锚受力不均匀,以致单个地锚被拔出,影响后续穿越管的施工;②采用全站仪精确放线,确保卷扬机的安放位置与管道中心线一致,拉进过程中防止管道旋转而偏离中心线;③穿越管之间焊缝处涂抹防腐剂之后,为防止在穿越管拉进过程中被损伤,应在垫层上铺设一层防滑膜[5],既可避免划破防腐带,又能减小钢管穿越时的摩擦阻力;④吊车配合卷扬机将穿越管拉进过程中,两者应同时作业,且吊车不必将管道吊离地面,只需要适当用力,减小管道对垫层的正压力,进而减少管道与垫层的滑动摩擦力.

3 顶管内自密实混凝土浇筑

管线穿越道路时,采用F型DN2000钢筋混凝土专用管作为套管,穿越钢管从F型DN2000钢筋混凝土专用管内通过,然后在F型DN2000钢筋混凝土专用管与穿越管之间的空隙内灌注C15自密实混凝土.在施工过程中,穿越S223顶管的设计长度为65 m,每根F型DN2000钢筋混凝土专用管的长度为2 m,故现场施工的长度实际为66 m,根据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)的规定,自密实混凝土的最大水平流动距离为7 m[6],若从顶管两端浇筑自密实混凝土,两端相加的最长流动距离为14 m,远小于66 m.故若不采取有效的措施,则易造成顶管内有空隙,给工程留下隐患.该标段采取的是混凝土泵车加预埋钢管的方式填充,具体的施工方法如下所述.

3.1 预设6根镀锌钢管

在拉进穿越管前,首先在顶管内壁预设6根直径为10 cm的镀锌钢管,在顶管的上、下游两端分别设置3根,具体的安放位置如图2(预设镀锌钢管剖面布置图)、图3(预设镀锌钢管平面布置图)所示.在顶管内壁钻孔,采用膨胀螺栓将镀锌钢管固定在顶管内壁上.以顶管上游为例,3根镀锌钢管分别编号为1,2,3,在编号1镀锌钢管处流出的自密实混凝土向管口左、右两侧分别流动7 m,同样，编号2与编号3镀锌钢管流出的自密实混凝土均向各自管口左、右两侧分别流动7 m,相加总流动距离为42 m.同理，下游3根镀锌钢管流出的自密实混凝土流动距离为42 m,上、下游相加为84 m,远大于66 m,除去各种损耗,该种浇筑方式能使混凝土充满顶管与穿越管之间的空隙.

图2 预设镀锌钢管剖面布置图

图3 预设镀锌钢管平面布置示意图(单位:m)

3.2 封堵顶管两端

首先在顶管两端用水泥砂浆砌筑砖墙,封堵顶管两端的出口,且把预留的3根镀锌钢管砌筑到砖墙里面,接头用水泥砂浆抹密实.

3.3 计算每根镀锌钢管浇筑的混凝土浇筑量

图4为套管横截面示意图.计算出单位长度的套管需浇筑的混凝土量,然后根据每根镀锌钢管的长度计算出每一根镀锌钢管的混凝土浇筑量,计算过程由下面给出.

图4 套管横截面示意图

由图4可知,根据设计的顶管内壁高程和穿越管的高程可以计算出先前铺设混凝土的厚度h,根据以下公式计算出每一根镀锌钢管混凝土浇筑量.

则

式中:R为顶管内径;r为穿越钢管的外径;h为已浇筑混凝土的厚度;α为顶管套管圆心与已浇筑混凝土边界圆心角的一半.

计算出各镀锌钢管的混凝土浇筑量以后,需要明确的是，计算出来的混凝土浇筑量只是理论计算值,在实际施工过程中,各镀锌钢管的浇筑量可以稍微变动,以浇筑混凝土的总量与设计总量为准.

穿越S223顶管计算出的理论浇筑量为93.8 m3.应用本文提出的浇筑方法,第1次铺设混凝土的高度h=20 cm,第1次浇筑量20.4 m3;第2次各镀锌钢管的总浇筑量为73.0 m3,总计93.4 m3,能够满足设计要求.所以该种自密实混凝土浇筑方法能充实顶管内的空隙,可满足工程设计要求.

在上述施工过程中应注意以下几点:①在固定镀锌钢管的过程中,要根据镀锌钢管的长度选择膨胀螺栓的数量,确保在浇筑混凝土过程中镀锌钢管的稳定性,防止其坠落;②浇筑混凝土过程中,要时刻注意顶管两侧封堵墙的稳定性,采取必要的加固措施,防止混凝土冲破顶管两侧的封堵墙;③混凝土浇筑过程中,进行到浇筑总量的一半时,中间间断半个小时,防止因混凝土的浮力,穿越钢管上浮;④自密实混凝土的配合比,粗骨料级配、外加剂等必须满足设计要求,这是非常关键的因素[7-8].

4 结 语

以焦作市南水北调配套工程某施工标段的穿越S223顶管工程为例,研究了在顶管内的穿越钢管的拉进方法及自密实混凝土的浇筑方式,得到以下结论.

1)通过动滑轮+卷扬机的施工方法,能将穿越钢管拉进到套管的指定位置.

2)通过增加动滑轮的组数,小型号的卷扬机既能满足施工要求,又能节省人力、财力、物力,达到节约施工成本的目的.

3)混凝土实际浇筑量表明,通过预埋镀锌钢管,混凝土经镀锌钢管流入顶管套管与穿越管之间的空隙,该种浇筑方式能使混凝土充满套管与穿越钢管间空隙,且经济合理、施工简便.

[1]齐玉刚,刘勇.人工掘进式顶管施工技术[J].人民长江,2008,39(10):26-29.

[2]刘佩璋.顶管内穿钢管的施工方法[J].山西建筑,2003,29(6):83-84.

[3]谢桂芝.浅谈过路套管内穿越管施工方法[J].工业技术,2011,24(4):132-133.

[4]朱绿城.浅议非开挖顶套管穿钢管的技术保障措施[J].非开挖技术,2012,20(2):85-87.

[5]魏纲.顶管施工中注浆减摩作用机理的研究[J].岩土力学,2004,25(6):930-934.

[6]李晓斌,桂苗苗,王世杰,等.JGJ/T 283—2012自密实混凝土应用技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[7]俞金钟.穿越道路顶管施工技术浅析[J].河南水利与南水北调,2014(6):11-12.

[8]焦伟.水利工程混凝土施工通病防治[J].华北水利水电学院学报,2012,33(5):32-34.

(责任编辑:乔翠平)

Research on Pipe-jacking Construction Technology in Auxiliary Projects of South to North Water Diversion

HOU Qinglei, WANG Jiangfeng

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Pipe-jacking engineering is a kind of underground construction method and is widely used in municipal engineering and hydraulic engineering construction. The construction of internal steel tube through pipe-jacking is a key step of pipe-jacking construction. Taking the pipe-jacking engineering in a construction section in the auxiliary projects of South to North Water Diversion as an example, the construction technologies of internal steel tube through pipe jacking and the casting method of self-compacting concrete in pipe jacking were researched. The construction method of pulley block cooperating with windlass was adopted, the internal steel tubes were pulled to the design position in casting pipe, and concrete through pre-embedded galvanization steel pipes flew into the spaces between casting pipes and internal steel tubes. The construction process shows that through the use of pulley block, a small type of windlass can meet the construction requirements, and we can save the manpower resources, financial resources and material resources, and achieve the purpose of saving construction cost. The casting practice of concrete shows that this kind of concrete casting method can achieve that the self-compacting concrete can fill into the spaces between the casting pipes and internal steel tubes.

pipe-jacking; internal steel tube; pulley block; self-compacting concrete

2014-11-21

河南省重点科技攻关计划项目(142102210111).

侯庆雷(1987—),男,河南濮阳人,硕士研究生,主要从事工程实践及渗流理论方面的研究. 王江峰(1976—),男,河南禹州人,副教授,博士,主要从事岩土工程方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.005

TV554

B

1002-5634(2015)01-0021-04