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TOC\o1-9\h\z第1卷大直径顶施工技术1第I篇工程概况1第II篇工程特点2第III篇施工方案2第IV篇主要技术措施4第V篇技术效益8第1卷大直径顶管施工技术第I篇工程概况由中国建筑工程某地区有限公司承建的某地区大直径钢筋混凝土管顶管工程是某木湖至大埔头水务合约编号:28/WSD/91全长
14.5km和罗湖至凹头水务合约编号:29/WSD/91全长
5.4km两条大型输水管线中难度最大、最为关键的施工项目也是该地区迄今最大管径的顶管工程两项合约共有11段顶管最长的132m最短的37m总长约886m顶管采用钢筋混凝土制作内径2600mm外径3120mm壁厚260mm每节长2000mm混凝土强度为50MPa每节管道之间的接口采用钢套承插型式附有橡胶密封圈水管端接触面有韧性很高的垫木作缓冲如图8-6-111段顶管需要穿通车辆频密的高速公路四处高速公路回旋区一处广九铁路高速电列车线路2处不但穿越的地面结构十分敏感不得影响和中断地面上的一切运作而所穿越的地质条件也十分复杂通过淤泥及流砂层的有2段总长约100m通过岩层的四段总长约119m还有弧石巨砾、建筑垃圾、基础桩等障碍物每段顶管两端设置6m×11m的工作井和5m×7m的接受井各l座均采用钢板桩及H型钢的组合作围护结构顶管完成后拆除每段顶管完成后在其中安装钢管9段内径为2400mm2段内径为2200mm每节管长8m全部电焊连接钢管与顶管之间的空隙用高压水泥砂浆灌注填满使内管与外连成一体第II篇工程特点
1.大3120mm管节短200mm整体性和稳定性差;
1.顶管施工的精度要求高地面变形不能超过±10mm顶管轴线的最终偏差不能超过80mm;
1.深浅、复土薄,平均为顶管直径的
1.17倍,最小仅
0.36倍;对地面变形的控制十分不利;
1.地质条件复杂多变,给顶管施工带来了众多技术难题;
1.顶管施工直接穿越地面设施,无必要的缓冲区用以调整顶管工艺;
1.施工场地窄小拥挤,邻近干扰多;
1.施工时间受限制,不能连续施工;
8.施工周期长,要跨越台风、暴雨季节等第III篇施工方案1.工作井和接受井工作井即顶推井,由此将管道放在导轨上,由千斤顶将管道逐段顶出工作井内设置导轨、油压千斤顶、反力墙、穿墙止水装置以及上下梯子、安全围栏等等工作井的净空尺寸为11m长、6m宽,井的深度(即井底混凝土底板的位置)为顶管之最低标高向下降低
0.55m接受井是为接受设在管顶前端的工具管(设有导向及挖掘设备的管段,又称“工具头”)而设,由此将其吊出井外,再转入另一顶管段使用,其净空尺寸为7m长、5m宽,井的深度亦由顶管之最初标高确定下降
0.2m因为工作井和接受井属于施工临时措施故采用拉森Ⅲ号钢板桩作挡土墙;用350×350×l09kg/m的H钢组成支撑结构改进了传统使用的钢筋混凝土沉井或地下连续墙形成的工作井提高了施工速度降低了工程成本在井的后座现浇一块4m×6m×
0.4m的混凝土墙与钢板桩连成整体作为顶管的反力墙将顶力传给墙后土体
2.顶管施工根据最初的地质报告该工程没有像国内沿海地区常有的淤泥和流砂层工作面的稳定应无问题地下水的威胁也不大故决定采用“地面排水法”顶管即让地下水在工作面处渗入收集后由潜水泵经管路排至工作井再抽至地面并相应地选用了敞开式工具头如图8-6-2该工具头是由德国制造的最先进的顶管施工设备针对香港的地质条件及水文条件我们与制造商结合对设备的某些部份又作了进一步的完善优化顶管设备的性能:1采用敞开式全液压机械手挖掘机械手的斗齿形状则能挖掘紧密的硬土;2工具头设置前檐挡土板加设由液压启闭的挡土胸门四块3设有用于纠偏的可双向伸缩的8台独立运作的千斤顶每台80t成45对角布置、纠偏度液晶显示、独立油泵及操纵杆、以及抗旋转装置;4采用三节式大缩量4m主站千斤顶6台每台300t大大提高工效;5利用工具头现有液压动力将机械手改装为凿岩机后可解决掘进过程中遇到的巨砾、孤石等障碍;由全液压机械手开挖出来的土方收集在其正下方的皮带运输机入口处经输送带输送落入未端斗车内装满后由设在工作井处的液压卷扬机牵引至井中再由设在井上面的吊车将土斗提升卸在堆土场放空了的斗车再吊人井内被牵引至工作面处再重复上述出土的工序顶管作业程序→顶进→挖掘→运土出井→测量偏差←压注膨润土泥浆←安装顶铁或下管子←纠正偏差由于晚间施工受有关条例的限制及人工费用太大的影响顶管作业实行一大班工作制即早8点到晚6点每班安排劳动力11人工具头前端2人l人操纵挖土机及纠偏油缸1人操作皮带运输机及出土斗车、井下起重工l人、油泵工l人、测工2人、井上起重指挥1人、吊车司机1人、挖土机司机1人、电工兼做电焊1人、杂工1人、总管1人共13人其中司机2人由租机单位派出实际用工ll人
3.内管钢管安装每段顶管结束后经过轴线及标高测量要在内径为2600mm的钢筋混凝土管内安装1根直径为2400mm或2200mm的钢管其中9段为2400mm2段为2200mm钢管与钢筋混凝土管之间的空隙甚小只有l00mm无法按照正常方法安装.经多次研究决定采用“拖入法”施工钢管每节8m由工厂运到现场在井内逐段焊接即焊好一节拖入一节在整段钢管拖入后两管间的环形空隙用水泥砂浆压注的方法填满砂浆固化后两管就互相连结形成整体最后在管内将电焊连接处留下未做的环形防护层每侧宽约200mm全部补做好第IV篇主要技术措施穿过某铁路时的沉降控制该项目中有二段顶管,需穿越某(高速电气列车)铁路顶管时,轨线沉降不得超过10mm其中1号顶管在木湖,其覆土很薄(只有1/3顶管外经厚度),因此,要达到上述标准就更困难在穿越铁路的顶管施工中主要采取了以下措施1等体积置换:即在管内挖掘土方的体积Q土完全等于顶入管子的体积Q管(Q土=Q管)所以每次顶进都经过一定的计算尽可能相等当Q土Q管地面易于沉降;Q土Q管时地面易于隆起2减少扰动:顶管是静荷载作用于土体,然而,顶管在采取纠偏措施时,虽然仍属静力范畴但对主体确有周期性的扰动因为纠偏时对土体一测加荷的同时另一测又强迫卸荷促使土体内发生应力变化,导致扰力和变形,而且,这样的变化是周期性的,即扰动还没有恢复第二次扰动又发生,使土体疲劳,以至变形加剧,并扩散至地表为了减少这种有害的土提扰动,故尽量1)减少纠偏次数;1)限止在小偏差范围内纠偏3压注泥浆不使管壁与土体之间形成空隙顶管设计时,为减少摩擦阻力,降低主千斤顶的顶力工具头的外径常常比顶入的钢筋混凝土管的外径大10mm~20mm,个别设计达30mm我们这次使用的工具头例外因此顶管时在顶入管与土体之间就存在一定的空隙导致土体可能的沉落为此必须及时压注泥浆于空隙中并且边顶进、边压注更需要在中间补浆使在顶管中形成完整的泥浆套既消除了空隙又能平衡其上土体之自重防止沉落4使土体中不产生附加应力:土的变形归根到底是土体内有了附加应力顶管时此类附加应力源于以下几种外力1泥浆压力的影响为此在压浆时要控制好压力恰好能平衡“泥浆套”以上土体的压力故事先要根据估计土压力确定泥浆的压力并非泥浆压力越大越好2铁路列车行驶时的荷载包括重载列车急驶中的轮压力土体的疲劳反应以及紧急制动压力等3邻近施工影响及堆载影响等等由于顶管穿越铁路时都规定在下半夜列车停驶期间故避免了上述2及3的不利因素5顶进中导向要好除了工具头正面挖掘要均衡、对称外还要:1经常检查工作井内的导轨穿墙门洞与顶管间的空隙等有无异常;2主千斤顶组的油压分配要均匀并保证各台千斤顶之活塞伸长要同步、一致;3千斤顶组的中心应和正面阻力及摩擦阻力的合力重合尽量减少偏心这一点在开始安装时必须考虑若在开始顶进之后调正就困难了;4经常注意后座反力墙的刚度是否足够其变形的大小和均匀度以及弹、塑性变形值的比例等随时设法消除各种影响导向精度的因素;5顶进不宜求快在穿越铁路的顶进中更需要慢通常每次顶20~30cm在过铁路时改为10~15cm每次顶进少一些导向就相对易于掌握1号木湖顶管穿越铁路时且有很长一段处于流砂层但由于采用了上述各项措施严格把关后一般路轨沉降多在8~9mm极少超过10mm、达到18~19mm但在当日顶管收工后及时调整路轨加固路基对行车没有造成影响
2.通过不稳定硫砂及淤泥层的处理该项目有二段顶管即1号木湖和10号罗湖可能由于顶管位置邻近深圳河南岸支流属于冲积平原夹有含水量高、颗粒细的土层地下水位又高形成了具有流砂性质的土层和淤泥质土但在原始地质资料中并没有记录这类不稳定性土层进入顶管的时段不同1号是从远处顶向河岸滩地故开始未遇顶人约一半后遇见并直到结束10号则从滩地逐渐向远处顶进开始严重以后有所减轻由于这二段顶管都要穿越广九铁路所以从准备工作开始地盘就极为重视制定了严格的施工规程和有关措施如8-6-4节1项所述这些规程和措施对通过不稳定的流砂及淤泥同样有效此外还补充了如下措施1不抽水或少抽水因流沙之形成在于存在水头差水头差越大流砂越严重故尽量少抽水若能不抽水则更好2少出士、多顶进可利用其造成之“土塞增加渗径降低“水力比降hydraulicStop有效缓和硫沙现象3多挖断面上部土、少挖断面下部土目的是减少对下部土体的扰动避免加剧其不稳定性形成工具头或前端各管节之下陷俗称“叩头、Settlemeni导致管节之间的止水Waterstop失效顶力传递不均上、下方向失控等并可能成为恶性循环除了上述措施外措用“三段两饺式水力出土工具管并进一步在这种型式的工具管内采用气压施工则是国内常用于克服流砂及淤泥的方法但这种方法亦有其局限性即多用于钢管顶进若用于钢筋混凝土管顶进则实例不多其中有成功之例如上海近效奉贤污水排海ø1600混凝土管也有失败之例如深圳妈湾污水排海ø2600混凝土管
3.穿越岩层时的顶进通常在岩层中不宜使用顶管施工即使使用了钻岩的工具头亦是如此因为岩层的强度比土高出许多挖掘工效甚低;此外挖出来的岩洞断面不可能均匀在管道顶入时仍可能产生意外的巨大阻力严重时不能顶入至少要擦伤管道若要解决这一问题可将挖掘断面有意扩大则又可能因空隙过大导致顶管方向失控该项目第一次意外遇到全断面约1/2总长度的岩层是第1l号洲头顶管因管道设计轴线降低
1.75m造成在进退维谷不得已的情况下将工具头的出土反铲改为凿岩机勉强顶进顶进速度十分缓慢更因断面局部岩石未清除干净阻力越来越大被迫中止顶进所幸工具头位置已超越高速公路落在高速公路及农村公路之间的绿化地带不防碍开井取出工具头第二次意外遇到的局部岩层是第3号观宗寺顶管在最后20余米处进入岩层因为已经有了第一次顶入岩层的经验与设备故决定继续顶进.在顶了约9m余后就出了岩层顶进速度恢复正常但是在岩层中顶进时管道方向失控偏差较大超过80mm的标准造成后续工序钢管的安装施工受阻拖管阻力甚大钢丝绳、葫芦芯子都被拉断不得不更换更粗、规格更大的滑轮等起重工具才获解决但内管之外壁已与钢筋混凝土管壁相擦空隙偏移一侧造成一定的质量问题第三次遇到岩层是第4号蓬派仙馆顶管由于岩层的节理裂隙十分发育故顶进中没更换凿岩设备仍用反铲挖掘效率也不算太低只是挖掘时必须利用岩层之裂隙将斗齿插入先将其松动再行挖掘即能奏效最后一次遇到岩层是第9号大埔头顶管约30余米岩层质地十分坚硬属于Ⅱ级以上香港有关当局根据土的硬度将岩土划为6级从最硬到最松软分别由I级至Ⅵ级故工具头内原用于第1l号及第3号的凿岩机已不敷应用此时迫不得已另聘打石专业分包商进行打石分包商负责凿岩我们随后清碴负责顶进依靠石工打石断面质量基本可以保证但进度十分缓慢每天仅20~30m30余米长之岩层共用了约3个月时间终于将顶管顶入终端之接收井另外在顶管外超挖之空隙全部用水泥砂浆填满
4.遇到现有建构筑物基础时的处理一般顶管工程距离较短的顶管不大可能会碰到现有建构筑物基础、使顶管不能穿越的问题但在第4号罗湖顶管中确会遇到火车站月台柱下之独立钢桩基础两根前后相距5m以致顶管必须停止等待处理责任是在总包和业主身上因为我们是根据他们给定的轴线走向及标高施工的这一障碍事先竟一无所知顶管时几乎顶至钢桩表面才发觉且对钢桩的使用没有造成不良的后果站台的上部结构没有发生变形处理这类问题无非两个方案一是考虑顶管改线即放弃正在顶进中的工具头和已顶入的管道另择新线顶进二是拆除旧基础构筑新基础同时需考虑以新基础取代旧基础时在力学上、结构上与建筑处理上是否可能通过方案比较决定采用拆除现有桩基继续顶进的方案首先在工具头前方对桩基周围土体进行灌浆加固使其强度足以承受桩基的设计荷载后切割钢桩在割断后的桩身底部加焊斜肋四支与钢桩焊牢形成整体后顶管继续进行至第二根钢桩时如法泡制
5.其它有关问题的处理1工作井附近有高压煤气管道:虽然煤气管并未占有工作井空间没有形成障碍但是由于高压煤气管离工作井较近约l
2.5m顶进时其反作用力作用在后座墙上经过土体传递到达高压煤气管上产生的附加应力会否导致高压煤气管变形、破裂、泄漏的事故发生必须通过力学计算略才能确定如果力学计算结果显示安全系数不足则宜在煤气管处加设保护体系如筑钢板桩墙封闭灌浆加固地基或开挖隔离槽等或者将高压煤气管改道2后座土体支持力不足时:l在后座土体表面堆放压重块使土体封板桩墙或其它型式的后座墙增加被动土压力提高土体的支持力但这种措施只适用于墙后的正常土质条件下的土体如砂性土或粘土;绝对不能用于淤泥质土和其它稳定性差的土层采用这类措施时如果挡土深度较大插入深度较小可能造成滑坡或向坑内涌土因此一定要经过土力学计算决定2在后座土体中灌注水泥砂浆填充土体空隙增加土体的抗剪强度弥补土体支持力的不足.这种方法只适用于砂性土层如属粘土层灌浆可能失效3加强工作井的整体刚度使仅由原来一座后墙支持的作用扩大为工作井四周侧墙共同工作以抵抗巨大顶力即将工作井四周的钢板桩墙体用重型钢梁圈住并与每块钢板桩焊接烧牢一道重型圈梁不够可增加至数道圈梁联合工作这一措施的实施亦需要经过力学计算确定4更严重时所需土体支持力相差太大可在距后座墙后5~10m视情况而定再筑一道墙或数道墙与工作井形成子母井以大大增加土体的支持力5亦可考虑综合使用上述措施满足土体支持力的需要该工程曾用过
1、
2、3等三种措施效果比较满意第V篇技术效益由于技术先进、管理严谨、措施得力顶管施工在地面沉降控制轴线偏差和顶进速度等方面均达到了国内外先进水平
1.ll段顶管其中9段的地面沉降小于10mm2段在10~20mm均达到和超过了国内50mm和国外30mm的先进标准地面交通保持畅通业主及当地公路、铁路管理部门都极为满意;
1.轴线偏差均小于l00mm满足了钢管安装的要求达到了国内、外先进水平;
1.顶进速度正常时最高为
8.3m/台班达到了世界顶管强国一一德国与日本的先进水平。