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1、顶管施工技术的应用第43卷第1期2007年3月甘肃水利水电技术GansuShuiUShuidianJishuVo1.43.No.1Mar.2007?施工技术?顶管施工技术的应用刘锦荣(甘肃机械化建设工程有限公司,甘肃兰州730060)摘要:根据手掘式顶管法在兰州市七里河一安宁污水处理厂厂外工程污水管道工程中的施工经验,重点讨论了手工掘进顶管法的关键施工技术.并对顶管施工中出现的问题进行了分析与说明.关键词:顶管;中继问;触变泥浆;施工技术中图分类号:U455.47文献标识码:B随着城市建设的不断发展.采用非开挖铺设管道的技术越来越受到人们的关注,由于其不需要开挖地面,交通不断行,对周围的环境影
2、响能减少到最小,在繁华都市的市政建设中,顶管技术独具优势.将会被更广泛地应用.手工掘进顶管法是顶管施工中最简单的一种方法.也是广泛采用的一种方法.它使用的是顶管发展初期最早采用的一种简易工具管.虽然由于顶管施工技术的发展,人们对工具管也进行了不断的探索和开发,出现了各类型针对不同地质,管径,管材的顶管机械,然而,鉴于简易工具管构造和工作原理简单,纠偏容易,手工挖掘,操作灵活,容易掌握,加之需用设备少,成本低等优点.至今在适宜的地质和环境条件下仍然为许多施工项目首选.兰州市七里河一安宁污水处理厂厂外工程吴家园至雁伏滩泵站污水管道工程标段,采用手掘式顶管法施工.成功穿越了含有漂石,古河堤的卵石层.
3、1工程概况本工程为兰州市七里河一安宁污水处理厂厂外工程管道工程的一标段.建设地点从南滨河中路吴家园开始,至七里河一安宁污水处理厂雁伏滩泵房.共敷设两种不同管径的污水干管.总计2994.81Ill.其中D1200I级钢筋混凝土大开挖直埋管为806.54Il1.D1500F型钢筋混凝土管为2188.27m,采用顶管施工.全线管底标高东高西底,坡降约1/1000,污水由东向西重力式自流到雁伏滩泵房.顶管管段基本沿黄河南岸风情线自东向西延伸,其上覆土层厚度自东从3.20m向西逐渐增厚到9.15Ill.2场地工程地质及水文地质拟建管道经过的地段,地貌属黄河古河滩.据钻探揭露,管道沿线地层由上至下为:杂填
4、土,管道沿线均有分布,厚度为1.29.6Ill,回填时间大于20a,呈松散一稍密状;(索填土,主要分布于管道沿线东端,厚1.61.9Ill,回填时间大于20a,稍湿,稍密,可塑;(粉土,主要分布于管道沿线东端,其他地段有少量透镜体分布,厚1.23.9nl,土质较均匀,稍湿,稍密,可塑;(粉细砂,以透镜体状分布在卵石层顶面,厚度一般为1.02.5m,稍密;(卵石,杂色,亚圆形.主要成分由石英岩,砂岩和花岗岩组成,一般粒径40100mm,约占全重的60%,最大粒径200mill,砂土充填,本层厚2.47.7Ill,卵石层面埋深2.79.6Ill;第三系风化泥岩及砂质泥岩,褐黄色一浅桔红色,岩体呈厚
5、层状结构,裂隙不发育,成岩作用差.遇水易软化崩解.顶进轴线穿越的地层为卵石层.场址地下水以孔隙潜水为主.卵石层是主要的含水层.第三系泥岩和砂质泥岩是其下部隔水层.管道沿线地下水位埋深4.611.8Ill.总体上是东高西低.除管线中间段部分地段地下水位高于卵石层面外,其余地段均低于卵石层面.3顶管施工方法选择管道主要穿越地层为较坚硬的卵石层.卵石层中间或夹杂漂石.粒径最大可达450mill.同时南滨河路为黄河古河滩.在部分地段存在古河堤.考虑到以上因素,结合现有的机械设备和管材尺寸等条件,确定顶管施工方法采用排障方便,成本低廉的手掘式顶进工法.手工掘进顶管法施工是先用人工全断面开挖出一个洞穴.再
6、将管子一节一节地顶进洞内.顶进时.工具管主要起保护钢筋混凝土管和导向作用.刃口主要起削土的作用.有纠偏装置的刃口工具管,通过改变刃口的方向进行纠偏;无纠偏装置的刃口工具管,采用管内挖土纠偏或管外挖土纠偏.4手掘式顶管施工主要技术措施4.1测控技术顶管轴线定向采用经纬仪定向.首先用经纬仪将管道中线从地面引至工作坑内.在顶进轴线方向两端侧壁上埋好中线控制桩,拉上线绳,挂两个线锤,两垂线的连线即为顶进的方向.测量时,管内安装一带刻度水平尺,在水平尺上设一个中心钉.用经纬仪读取顶进方向上管前端的中心尺刻度,该值与中心尺上的中心刻度的差值即为轴线偏差值.为了能及时发现和防止事后纠偏.考虑测量精度.建议每
7、掘进0.5Ill测量一次洞穴的断面尺寸和中心方向.如有偏差应在顶进前进行修正.为了防止超挖,在开挖洞穴时可采用先小于需求半径尺寸510em开挖,初次测量后再修至设计尺寸的方收稿日期:20060920作者简介:刘锦荣(1970一),男,甘肃西和人,工程师,学士,主要从事建筑工程施工.?70?第1期刘锦荣:顶管施工技术的应用第43卷法,效果比较好.顶进中的高程测量用水准仪按设计坡度用比高法检测.首先应在工作坑内引设水准点,测量时,停止顶进,用水准仪测量前端管底高程.施工中的高程测控可与中线同时进行,并做好事前控制和事中检查,尽量避免事后纠偏.另外,在直线掘进中对轴线,标高及断面尺寸的控制,不必经常
8、采用水准仪,经纬仪或其他复杂的仪器进行测量,平时可以采用目测或借助水平尺,直尺等简易工具实施控制.水平尺可以粗略地控制管道的坡度,与顶管外径等长的直尺则可以用来控制开挖断面的大小,防止超挖.4.2顶力计算1顶管阻力为初始阻力与顶管管道周边阻力之和:F=Fo+wDLf(1)式中:卜总阻力(kN);一初始阻力(kN),取500kN;一管节外径(m),D=I.8m;顶进长度(m),各顶进分段距离最大为180m,取180m:卜采用注浆工艺时管壁与土层的摩擦系数(kN/m2),取6kN,代人相关数据,计算得出顶管阻力为5586.8OkN,选用2台额定顶力30ot的千斤顶.4.3中继间安设利用中继问进行接
9、力顶进是中长距离顶管的一项重要技术措施.中继间的布置要求顶力计算合理及操作简便,以提高顶进速度.第一只中继间应放在比较前面处,因为工具管初始阻力在推进过程中会因土质条件和施工情况等因素发生较大的变化.一般第一中继站加设位置宜按中继站设计顶力的60%计算,其余中继站的问隔宜按中继站设计顶力的80%计算.主千斤顶所能顶推的长度应按最大设计顶力的80%计算.(1)主千斤顶最大顶进长度:(2)u式中:主千斤顶最大顶进长度(m);一主千斤顶最大设计顶力(kN);工作系数,取O.8.计算得出为141.54m.(2)中继问安设位置LI=(3)式中:.工具管到中继间安设距离(m);尸I中继间最大设计顶力(kN
10、),按照420t计算;.工作系数,取0.6.计算得出为65.46m.因此设中继问1套,安设在工具管后第26节管节后面(每根管节长2.5m).4.4注浆减摩为了减小顶进过程中的管道周边阻力,采用了注浆减摩技术.注浆减摩技术是顶管中非常重要的一项工艺,是关系到顶管成功与否的一项关键技术.顶进时,通过工具管及混凝土管孑L.向管道与土体之间的缝隙中压人一一定量的触变泥浆,从而在管道外围形成了一个泥浆套,不仅减小了管节外壁和土层之间的摩擦力.而且具有临时支护土体的作用.为了保证压浆的效果,在工具管尾部环向均匀地布置了3只压浆孑L.在工具管后的连续3节管节都设置注浆孑L,以后每隔3节设置1节具有压浆孑L的
11、管节,每根管节3个孑L呈120.压浆孔设置在管节雄头一侧靠近边缘处,这样在管节拼接后注浆孔就完全被前一管节的钢环所遮盖,压出的浆液先会在钢套环与混凝土管节外壁之间形成浆套然后再被挤出,因此泥浆套就较容易形成,减摩的效果也就比较明显.触变泥浆的性能要稳定,施工期间要求泥浆不失水,不沉淀,不固结.注浆压力一般控制在O.20.4MPa,先压浆后顶进.随顶随压.同时应根据土质的变化适当调整配方,以满足施工需要.5施工中出现的问题及解决办法5.1管道轴线的纠偏每节管道顶进后要对中线进行实测,查看与设计是否吻合,如果发生偏差,就要采用挖土法进行校正.通常可以采用如下两种方法:一是管内挖土法,即开挖面的一边
12、保留土体,另一边被开挖,顶进时,土体的正面阻力移向保留土体的一侧,管道向该侧纠偏.二是管外挖土法,管内的土被挖净,并挖出刃El,管外形成洞穴.洞穴的边缘,一边在刃口的内侧,一边在刃口的外侧,顶进时管道顺着洞穴的方向前进.如果挖土纠偏效果不明显.可以采用横木支撑配合挖土纠偏.纠偏要做到”勤测,勤纠,缓纠”的原则,纠偏挖土应保证每节管超挖或保留土体不大于5em,顶进中使管中心徐徐复位,不能一次纠偏过激,以免对管节和后续施工造成不利影响.纠偏时应注意,管道出现偏差具有一定的惯性.纠偏的效果也往往要在顶进一段距离后才能反映出来.因此在纠偏时要不断地调整工具管的纠偏角度,在管道回到中线时,工具管前进方向
13、的角度也应与中线一致,否则就会造成纠偏过量.5.2卡管卡管通常是由于挖掘洞穴尺寸偏小或不规则.盲目顶进造成.如果在顶进中发现,千斤顶的油泵压力表的读数猛然剧增.应立即停止顶进.进洞检查.这种情况只要派人进洞对开挖面洞口尺寸进行修整一般都能解决.5.3管节爆裂管节爆裂通常是由于混凝土管质量或顶进时加载偏心造成.加载偏心引起的破坏通常只会发生在还未进洞的管节与顶铁接触的管El处,调整顶铁的着力点,采取增大边圈承压面积,在管壁与顶铁间增加缓冲垫等措施后,一般不会再出现这种现象.如果管节破坏的出现没有规律,到处都有发生,这时就要怀疑是由于管节的质量不合格或不稳定,必须更换质量合格的管材.5.4地面沉降
14、地面沉降往往是由于管顶土层不稳定,土体松散,地下水,超挖等原因,挖掘时管内塌方,顶过后又未进行注浆处理造成.预防地面沉降,首先应避免超挖,根据(下转第73页)?71?第1期龙少林:钻孔灌注排桩在半坑排涝站工程前池侧墙中的应用第43卷起临时支护作用,在完建后作为前池侧墙起永久支护功能.3.2钻孔灌注排桩的设计采用理正岩土系列深基坑支护排桩计算程序进行计算,排桩挡土高度5.2m,排桩底部嵌固在基坑下部的强风化片麻岩中.经计算比较,嵌固深度取11.3m,设计计算成果如下:(1)排桩采用悬臂式钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩径1.0m,混凝土强度C25,桩中心距0.95m(相领两桩交接0.05m,以利于防渗)
15、,桩顶高程4.0m,桩底高程一12.5m,单桩净长16.5m,桩尖嵌入强风化片麻岩内.在排桩顶部设置宽x高为1.0mxO.8m的钢筋混凝土冠梁.(2)排桩混凝土保护层厚度70mm,受力纵筋1620mill,螺旋形箍筋10100mm,加强箍筋p162000mm.(3)抗倾覆安全系数=1.768>1.20;抗隆起安全系数后-2.169>1.10;抗管涌稳定安全系数后f2.012>1.5;基坑底部抗承压水头稳定系数=1.2>1.05.均满足规范要求.(4)排桩在施工完成后作永久桩挡土,成为前池侧墙,为保证前池侧墙过流平顺,在排桩迎水侧设置厚为200mm的钢筋混凝土护壁板,护壁
16、板与排桩之问采用长400mm20mm的锚筋锚接.4排桩施工4.1施工流程场地平整一放线一钻机定位一埋设护筒一钻孔一吊放钢筋笼一下导管一灌注混凝土一提管,拆护筒一成桩,排桩施工完成后顶部冠梁施工一基坑开挖一前池底板施工一排桩护壁板施工4.2施工技术措施和工艺要求(1)布孔.在钻孔布置前先对场地进行平整,并清除30cm厚表层土.然后按设计图纸进行布孔.布孔位置要求准确.(2)钻孔.重点控制斜孔,弯孔,扩孔的发生,并根据孔渣判别人岩位置,深度及终孔位置,与地质资料进行比较,及时了解钻孔情况.成孔工艺采用泥浆护壁,正循环回旋钻进法,泥浆护壁是施工的关键工序,避免钻孔时发生塌孔,本工程采用黏土浆液护壁.
17、桩径允许偏差控制在30mm以内,桩身垂直度控制在1%以内.施工时采用隔桩法.每间隔3根桩位跳桩打孔.相邻桩位的施工间隔时间不应小于24h,以防止邻桩混凝土塌落或损伤,待邻桩浇注混凝土达到5O%强度后方可成孔施工.(3)清孔.清除孔底沉渣,避免孔壁坍塌,确保排桩的承载能力.要求孔底沉渣厚度小于2O0mill.(4)钢筋笼制安.纵向钢筋接口采用错开焊接;安装时利用起重机配合钻机自身起重系统进行吊放,钢筋笼直径允许偏差控制在+10mm以内,钢筋笼长度允许偏差控制在100mill以内.由于排桩的钢筋笼采用非均匀对称配筋形式.在绑扎,吊装,埋设时,应保证钢筋笼的安放方向与设计图纸一致.(5)灌注混凝土.
18、采用导管法灌注混凝土,导管下口距孔底距离不大于50cm,浇灌混凝土时要控制好坍落度,避免混凝土离析断桩或堵塞现象发生.(6)冠梁混凝土浇筑前,要将排桩顶部浮浆凿除并清理干净,桩顶以上露出的钢筋长度应达到设计长度,使冠梁成为排桩顶部的连系梁.5质量检查及评价在排桩施工完成后,对桩体直径和桩位进行检验,桩径最大偏差小于10mill,桩位最大偏差小于5mm;达到龄期的桩体混凝土强度经现场回弹检测达到设计要求;桩顶水平位位移观测最大位移量未超过1.5cm,均符合设计要求.在成桩28d后,对其中4根桩的桩长,桩身质量,沉渣厚度及持力层岩性进行抽芯检验,验收检测结果满足设计要求,质量良好.6结语.本工程的
19、实践证明,钻孔灌注排桩在解决施工场地狭窄,自然放坡开挖困难,地下水位较高且持力层埋藏较深的水工建筑物设计和施工中,具有施工方法简单,施工速度较快,节省投资和安全可靠的优点,是一种切实可行的深基坑支护方案.不过在设计和施工过程中,要注意排桩的嵌固深度,桩身垂直度,泥浆护壁,水下混凝土灌注等问题,这也是确保排桩质量和安全的关键.参考文献:1尉希成,周美玲.支挡结构设计手册(2版)M.北京:中国建筑工业出版社.2004.2DBJ/T1520-97,建筑基坑支护工程技术规程S.3李海光.新型支挡结构设计与工程实例M.北京:人民交通出版社.2004,c.(上接第71页)土体的稳定程度,决定挖掘深度与顶进
20、间隔,将地下水位降至管底以下不小于500mm处,并采取措施防止其他水源进入顶管,防止掘进时塌方;其次,如果发生塌方,要在管道顶过后,及时在塌方里程处进行注浆处理.6结语手掘式顶管技术特别适用于无地下水,夹杂大颗粒的漂石或有大型障碍物的地层中,适宜于人工开挖的中短距离顶管施工.其构造简单,操作方便,施工成本低,经济效益较高.在特定的条件下,手工挖掘具有其它施工方法不可替代的用途和较高的适用价值,也是一种较为理想的施工技术.随着c0c城市市政排水管网的建设和改造,手工挖掘顶管技术也将会在许多城市建设中发挥其不可替代的优势.得到广泛的应用和借鉴.参考文献:1余彬泉.顶管施工技术M.北京:人民交通出版社,2003:79-91.2何莲.长距离顶管中继间设计方法的研究J.给水排水,2004,30(6):93-96.3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):93o一934.4黄玉光,吕建卫.卵石层中大管径顶管施_T实践J.市政技术,2004,22(3):153-156.?73?
