市政道路土压平衡顶管施工技术应用
2021-08-16师海斌长治市市政管理中心
师海斌 长治市市政管理中心
1 工程概况
长治市黑臭水体治理示范城市建设项目—延安路(解放东街至石子河)雨污分流改造工程,位于长治市主城区延安路,南起解放东街,北至石子河,是城市的南北主干通道。本工程对延安路(解放东街至石子河)进行雨污分流改造,保留现状道路中心线处的2.5m×2.0m合流砖沟作为污水管使用,新建一排DN1500~DN2800 雨水主干管道,总长度约2900m。雨水管道顺地势敷设,末端通过雨水泵站提升(规模12m³/s),雨水最终排入石子河。本工程施工范围内稳定水位埋深约3.50m~5.20m,水位标高介于923.10m~929.35m。
2 工程特点及难点
根据对施工现场地质及地上、地下障碍物调查情况,认为本工程具有以下特点及难点。
(1)本工程顶管管道主要土层为第⑤层、第⑦层粉质黏土,且工作井构筑及管道顶进时需要降低地下水位。
土层:⑤层,粉质黏土褐灰黄色,见有锰斑、黄色条纹、锈斑、褐灰色斑块,厚3.3m~4.1m,平均3.70m,层底深度9.5m~9.6m,平均9.55m,层底标高介于918.70m~919.30m。
⑦层,粉质黏土(Q3),黄红色,含锰斑、锰结核,局部呈颗粒状,厚2.8m~5.3m,平均4.11m,层底深度8.4m~9.6m,平均8.66m,层底标高介于921.10m~923.96m。
(2)本工程施工时管线较多,顶管管道需穿越车辆通行较多的现状十字路口,道路保护监测和交通组织难度大、要求高,施工场地布置受限。
(3)顶管施工处于雨季,雨水多,雨期施工对工程实施尤其是土方外运有明显制约。
(4)本工程施工工期紧,安全管理压力大。
3 土压平衡式顶管施工技术分析
本项目依据地勘单位提供的地质勘察报告,分析工程所在的地质条件,土压平衡顶管施工方法无论是从经济上还是从技术上均是可行的。两种顶进方法特点如下。
(1)土压平衡顶管适用于管径1500mm~3000mm,一般100m 左右、加中继间可达1km 以上,黏土、砂砾至岩层全土质均可,控制地面沉降好(顶进面有压力管理),施工精度采用激光定位,机头纠偏(绝对偏差;上下±50mm,左右±30mm以内),安全性高,顶进成本较高。临时用地在管道一侧制作顶进工作井一侧,制作机头接收井。平衡地下水性能一般。
(2)泥水平衡顶管适用于管径200mm~4700mm,一般100m左右、加中继间可达1km以上,黏土、砂砾至岩层全土质均可,控制地面沉降好(顶进面有压力管理),施工精度采用激光定位,机头纠偏(绝对偏差;上下±50mm,左右±30mm以内),安全性高,顶进成本较高。占地需在管线两端设置与之相对应的工作井以及接收井等,现场需布置泥水处理设施。平衡地下水性能好。
3.1 土压平衡施工原理
这种机型在施工过程中所呈现出的原理主要体现在土压平衡理论,以此为基础开展相对应的施工操作工作,有效实现达到土压平衡。
3.2 机械式(土压平衡)顶管工艺流程
首先要进行相对应的工作井施工,然后着重做好测量放样工作,同时进一步有效安装相对应的止水井、液压系统等相关设备,另外也要安装地面辅助设施等,之后做好顶管机的吊装和激光经纬仪的安装,把顶管机出工作坑,顶进,最后进行相对应的顶管机进接收坑。如图1所示。
图1
3.3 机械式(土压平衡)顶管施工工艺
掘进机的施工过程中是通过千斤顶为其进行相对应的支撑,这样才能有效前进,然后确保机头进入止水圈,穿越土层,在这种情况下到达接收井部位,在具体操作过程中进一步有效利用电动切削刀盘切削土层,切削土等通过转动的切削刀盘输送至传输车或传送带,然后运送至地面上。在顶进过程中,使用土压平衡装置确保水土能够保持在平衡的状态。机头全部进入土层后,吊下一根顶进管,选用千斤顶对于机头进行顶住,使其到达尾套之处,然后与掘进头连接管顶进,完成上述操作之后,切削刀盘停止、液压顶收回,吊一节管道入井内,在具体的操作过程中进一步连接第一节管道的钢套筒,然后再一次对其进行顶进。在实际的操作过程中,要针对上述的动作进行重复进行,进而从根本上有效确保所有的管道都能够被顶入土层之中。
掘进机在具体的操作过程中,要结合实际情况有针对性的选取激光导向控制系统,为其着重做好定位工作,同时要结合具体的操作方向进行相对应的调整和优化,确保掘进的方向能够得到有效维持,进一步提升操作的精准度和高效性。
3.4 顶进施工
(1)土仓压力的设定。有针对性地结合具体数值进行相对应的设计,在实施工作过程中,要确保设备能够保持在自控的状态,同时如果在操作的过程中要下穿道路等相关设施设备的情况下,要针对压力进行有效设定,尽可能调大30%,进而从根本上提升其安全系数,确保各项工作能够安全稳定的运行。
(2)触变泥浆减阻。顶管的操作过程中要安装管道注入建筑泥浆,它是提高顶进速度的重要一环,膨润土对相关参数和指标有比较严格的要求,其进场后,要对其胶质价进行相对应的测定,有针对性地结合具体测定结果,根据胶质价确定配合比,膨润土泥浆的拌和20min~30min 后,静置24h,有足够的水分吸收,在这种情况下成为胶状的情况下,才能继续有效使用。
(3)顶进纠偏。如果便宜的位置超过了20mm,在这样的情况下要对其进行针对性的纠正,同时在纠偏的过程中要尽可能有效采取千斤顶公式,在纠偏的过程中,每0.3m要对其进行针对性的测量,与此同时,也要比对机头和机尾的相关数据。如果发现相关数据有比较明显的回归倾向,要确保近距离能够得到有效保持,在第一时间停止纠正,避免左右晃动等相关方面问题。
(4)顶进速度。对顶进的速度要进行充分的控制,通常情况下要维持在30mm/min~50mm/min,入洞后的前10m 以及纠偏的情况下,要保持在比较慢的速度,以后根据土质、刀盘扭矩大小适当调整顶进速度。
(5)出土外运。机头刀盘切削的土体,由螺旋输送机输入到管道内部停放的运土车,运土车将土运入顶进坑中,用垂直运输设备运到地面,倒入土方存放处,根据工程情况进行处理。
(6)安装管节。管节下坑前要进行外观和质量检查,保证使用的管材满足设计要求。
(7)下管时,机头应停止顶进,刀盘转3min~5min,在停机和同时螺旋输送机出土的情况下,排土液压门关闭,并断电以保证土压仓土压达到平衡。下管工序完成后,再顶进时,应先开刀盘,再依次开螺旋输送机、推进系统。
(8)使用吊车将机头吊运出坑。
3.5 顶管完后洞口止水加固
由于工作井与接收井预留洞口和管道外径有间隙,顶管完成后需封堵。管壁与洞口之间的缝隙采用优质油麻封堵,并浇筑30cm厚的混凝土挡水墙,在洞口区域地层进行水泥压浆止加固。
3.6 管接口处理
当每个井段管道顶进结束后,立即进行该井段的管缝处理。管缝处理的流程为:管口凿毛清洗→吹干→填塞管缝处理材料→压实抹平。
(1)管口凿毛清洗
将管缝用角磨机凿出深2cm,宽2cm 的缝,清理出里面的杂物,并用水或吹风机清除里面的灰尘杂质。
(2)待管缝清理干净后,开始填充管缝处理材料,管缝处理材料遵循设计和甲方的要求。压实抹平,填充材料未凝固前,采用竹胶板平铺在管内底,以供作业人员通行,不得直接踩踏填充材料。
3.7 工后处理
顶管施工完成后,应采用水泥浆将管外周润滑泥浆置换出来,确保管体周围土体稳定。
(1)泥浆置换
管道顶进结束后,由管道顶部注浆孔向管外周注入水泥浆,将管外周的润滑泥浆由管道侧面两个注浆孔置换出来。
(2)管周压浆
当泥浆不再流出时,同时由管道上3个注浆孔向管外周压注水泥浆,将管外周的空隙填充密实;注浆压力控制在2MPa;通过注浆压力及浆液流量控制注浆量;当注浆压力增大,浆液流量减少时,停止注浆。
(3)封孔
管周压注浆完成后,在浆液初凝后,采用与管缝同样的材料对注浆孔进行封堵。
3.8 工作井回填
检查井施工完成后,采用素土分层夯实回填。检查井周围50cm 范围内采用3:7 灰土回填。回填时,采用现场的良质土,工作坑内管道两侧及管顶50cm以上采用冲击夯夯实,每层虚铺厚度不大于20cm,层层夯实,密实度大于等于93%。确保回填完成后工作坑位置的道路不发生工后沉降。