水利工程分洪管线顶管施工技术应用

2023-12-13曾博文

黑龙江水利科技 2023年11期

曾博文

(江西省水利水电建设集团有限公司,南昌 330200)

0 引言

水利工程分洪管线长度大、规模大,若采用传统的开挖安装施工技术,对周围环境造成的影响比较大。现如今人们愈发注重环境保护问题,使得顶管施工技术的应用范围逐年扩大。加强对顶管技术的分析研究,有助于改进和完善顶管施工技术,提升管道施工的技术水平。将其应用到分洪管线施工中,可大幅度提升分洪管线的利用率,提升防洪、抗洪效果,同时还能促使水利工程的施工建设更加科学、规范。基于此,开展水利工程分洪管线的顶管施工技术分析研究就显得尤为必要。

1 工程概述

南康堤位于鄱阳湖北岸的庐山市县城城南,著名旅游圣地庐山南麓,三面临水,隔湖与都昌、吴城相望。圩堤堤线全长3.692km,为保护庐山市城的圩堤。防洪能力提升路段共计2.16km,其中鄱阳湖大道防洪墙段1.37km、湖滨路防浪墙段0.3km、南康堤岸坡加固整治0.49km。分洪导流工程共计3.151km,PCCP管分洪导流2.934km,顶管0.2km。现有排涝设施改造3 座,新建流泗电排站1座,陂坝1座,拆除重建南门交通闸1座,流泗港清淤除障 0.6km。

2 顶管施工技术应用的重难点

本工程分洪管线所在区域为岗垅地形,地形地貌变化幅度大,高程在23～80m之间,防洪管线位于岗埠湖岸与湖滩交接处。湖岸在浪蚀作用下形成特有的浪蚀崖地貌。在此种地质条件和地形地貌下,应用顶管施工技术存在很多重难点,具体如下:

1)由于分洪管线的主要作用是泄洪和抗洪,因此,所在区域地层中含水量比较大,地形地貌起伏大,施工现场条件复杂,如何将顶管施工的顶进设备安装到指定位置,并保证顶进设备发挥出相应的作用和功能是本工程施工的重难点之一[1]。

2)在顶管顶进施工中,如何结合地质条件和分洪管线的实际情况,确定顶进力预测和测量控制,同样是本工程顶管施工的重难点。

3)本工程现场条件复杂,在顶管施工中需要多次纠偏调整,如何有效控制纠偏调整的有效性和准确性,也是本工程施工的重难点。

3 顶管施工技术在分洪管线施工中的应用要点

3.1 顶进设备的安装

针对本工程顶管施工中存在顶进设备难以安装到指定位置,以及顶进设备稳定可靠运行的重难点。在进行顶进设备运行的导轨安装中,采用了装配式轨道,以减少现场安装工作量。导管直接安装在混凝土基础面上,当导轨定位后,要及时稳固,以免保证在顶进施工中不因承受的负载,发生位移、变形、沉降,导轨在安装前需要提前复核管道中心位置。此次工程采用了以重轨为导向的轨道,以确保其具有较高的刚性及强度。两条轨道应该是平行的,高度是相等的。经装配后,导向器顺直,平行,等高,牢固,其垂直斜率与设计的管线斜率相符合。轨道斜率符合设计,安装后的轨道必须坚固,在运行期间不能有任何的位移和过度的变形。轨道的枕头或枕头的规格和安装尺寸按照下面的要求进行:轨道由24kg/m或38kg/m的轻钢轨道制造,长2～3m。导向装置应笔直、平整、坡度与纵向管线平行,轨道高度和容许误差为-2mm,轨道中心距离为3mm。最适宜的是每根枕头的长度都要长出20～30cm。

工作坑上方的平台采用工字钢32号钢作基础,25号钢筋作为踏脚,在平台的入口处,采用5cm的板材满铺,并在工字钢地梁上进行加固,其余满铺5cm厚板材。下管孔直径≥2.5m×3.6m。为了方便挖掘,施工现场的井台高度可以在一定程度上提高,但要与周围的天然地表保持一致。该项目的后壁采用工作井和工作坑混凝土墙体,混凝土墙体外侧加5cm厚的钢板,与顶入轴线垂直。在进行安装之前,必须对高压油泵,液压油缸,液压管路控制系统,顶铁和压力计校准等进行检验,确保所有的装置正常后,才能进行装配。在顶管工程中,必须按照工程的要求,设置高压油泵、管路和控制装置。油泵最好安装在靠近液压缸的地方,管路应直顺,转角少;油泵应该和液压油缸配合,并有一个后备的油泵,以保证顶进设备运行的稳定性,满足顶管持续顶进施工的要求[2]。

3.2 加强对顶管顶进的控制

针对本工程顶管施工中存在顶进力预测和测量控制难度大的问题,结合本工程所在区的地质条件,在顶管施工中可采用预开挖方法进行施工。采用50t汽车吊来下管。接头不能与导杆发生碰撞,管头下至导杆,并与工具管引导圈紧密相连,分洪管线的中轴线根据图纸所示的方位确定,前后高度要与图纸一致,并经验证后方可进行。该项目的地质条件是以砂砾层、泥质地层为主,具有良好的土质稳定性,采取了手工开挖的方法。岩体以水钻法进行钻孔,而粘土则以手工凿入法进行。由于人工开挖造成的超开挖,为了保证管线与周边的土壤或岩石的粘接,必须使用水泥砂浆对超开挖进行灌注。工具管接触或者切入土层之后,必须从上往下进行分段施工,工具管的超挖量要依据土壤条件确认。在允许超开挖的稳定土壤中进行常规上推,管道下端135°以内严禁超掘;管道顶部的超挖深度≤1.5cm;在管之前,要按实际的条件来决定超限开挖,并采取相应的防护措施。在对顶时,对相邻的管道末端处,可以在两个管道中间挖一个小孔,以调节其偏移[3]。

顶管的顶力可按照以下公式估算出来:

P=fγD1[2h+(2h+D1)tg2(45°-φ/2)+ω/γD1]L+PF

(1)

式中:P为顶管顶进的总顶力,kN;f为顶管顶进施工中分洪管线表面和周围土层之间的摩擦系数,其取值如表1所示;γ为分洪管道所处土层的重力密度,kN/m3;h为分洪管线顶部以上覆土层的厚度,m;D1为分洪管线的外径,mm;φ为分洪管线所处土层的内摩擦角,°;ω为分洪管线单位长度的自重,kN/m;L为分洪管线的计算顶进长度,m;PF为顶管顶进施工中工具管的迎面阻力,kN。

表1 顶管顶进时和周围土层的摩擦系数表

测量工作在顶管施工中起着举足轻重的作用,其实施与否将直接关系到管道的线型平滑,乃至对顶管的顺利贯通,所以必须进行细致的测量施工,以保证万无一失。

1)井中测量:通过控制桩用仪器确定井下管线的顶进轴线测量装置的定位;同时,在测量装置的另一端和井沿上,安装上测量仪的再测点和线,这样就可以在管道顶进轴线的测量中,监测设备本身的位移量;每6小时对仪表的定位进行一次复查。

2)管道顶点轴线的测量:在井口安装一个固定的测点,按照设计的纵坡,用经纬仪调整竖直角度,并在机头安装一个光靶,用于控制管线的轴线和高度;如果由于距离太远,无法用一面反射镜进行测量,就需要增加一个中转站[4]。

在顶管施工期间,常常进行顶进轴线的测量,每次顶进25～30cm,并记录3次,如果顶进轴线与设计轴线出现偏差,应及时纠正,减小误差。在出洞、进洞和纠偏时,应适当加大测量的数量。

在工作井中,应设置对工作井的位移和倾角进行不定期的监控监测点,并根据顶力的增大,提高对工作井的位移和倾角的监控的频率。

3.3 加强纠偏控制

在顶管施工中,纠偏是非常重要的工序,由于顶管全部位于地下,难以对顶进的方向进行精确监测和控制,使得纠偏难度非常大。在本工程顶管施工中,引起管道偏离轴线的原因主要外力不平衡造成的,外力不平衡的主要原因有:推进管线不在一条直线上、管道截面不垂直管道轴线、管节之间垫板的压缩性不完全一致等。为了准确地反映各个节点的顶力和管线轴向的偏差,可以实时监控在顶板处的受力,由此可以计算出端面的应力和顶板的倾角,并据此来调节补偿的范围,避免由于偏心系数大,造成套管的接头受压或套管的中段产生环形裂纹[5]。由于管节出现裂纹,将不能确保套管周边的钻井圈起到支承和减摩擦力,从而导致钻头和地面塌陷。

在进行纠偏操作中,需要解决的问题有两个,一个是往那个方向纠偏,另一个是纠偏量是多少。在本工程顶管施工中,操作人员都能从计算机显示器上看到机头的偏差方向,以决定往相反的方向进行纠偏。出现一个初始偏差后,需要根据土质情况和初始值的大小,先拟定一个纠偏计划,可采用分洪管线端头的张角或者开口来控制最大纠偏角度。

由于本工程顶管管径为DF2600钢筋混凝土管,因此,在进行纠偏调整中S1需要控制在20～30mm以内,以确定纠偏油缸的伸长量[6]。当纠偏量达到初始值的50%时,立即减少油缸的伸出量,以免机头向另一侧偏差。