中国葛洲坝集团路桥工程有限公司
摘要:随着我国水利水电工程的建设发展速度不断加快,在实际的工程施工当中对各种先进的施工技术和管理理念进行了有效的运用,在小直径引水隧道中,采用顶管施工代替传统的钻爆开挖,越来越被广泛采用。在工程中,采用顶管法施工可以使作业面保持在地下,从而避免对地面造成施工影响。在穿越城市建筑、公路、水利工程隧道等困难、复杂施工条件时,顶管法也得到比较广泛的采用。本文结合白银市白银区北城区生态治理水系工程中采用长距离顶管技术代替传统的钻爆开挖的成功实践,介绍长距离顶管施工关键技术,探讨顶管技术在水利工程施工中的一些问题及其对策,以供遇到类似工程借鉴。
关键词:长距离;顶管;水利工程
1.引言
顶管施工技术作为水利水电工程当中非常关键的施工技术类型,在实际的应用过程当中所表现出的效果尤为明显。由于在水利水电施工当中,在施工面环境下直接转入地下生活环境,不会受到地面以上环境变化和活动的影响,并且也降低了外部交通环境所形成的不良影响,同时不需要对路面进行开凿,降低了路面破坏和修复的经济投入。在穿越一些铁路区域或者是建筑区域不需要进行破坏和拆迁,不会影响到正常的交通运输秩序,整体的施工周期相对较短,并且经济投入量相对较低,整体的工程施工经济效益非常明显。在实际的施工过程中对外部环境所形成的影响相对较小,和深埋管施工技术相比,不需要对基础地基进行处理,可以在承载力相对较低的土壤层当中来直接进行施工,并且这种施工方法还可以在一些非人性的土壤层当中来加以开展,但是在一些比较坚硬的岩石层当中,该项技术的施工难度相对较大。
2.工程概况
2.1 工程概况
白银市白银区北城区生态治理水系连通工程位于白银市西北部。工程主要由引水工程(包括引水口、引水隧洞等)、挡水工程、供水工程(包括供水管道、供水隧洞等)和调蓄水池工程四部分组成。引水隧洞洞长1.59km,对应桩号0+012.33~1+602.33,设计引水流量0.7m3/s,原设计采用钻爆开挖方式进行引水隧洞的施工,由于隧洞直径较小,施工受限,安全风险较高,经论证变更采用顶管施工。
除在隧洞中段穿越东涧沟处设转角为27°的转弯段外,其余洞线均为直线,隧洞净断面尺寸为直径1.5m圆形无压洞,采用顶管施工,管身为16cm厚C50钢筋混凝土预制管。隧洞出口接石门坎子沟道自流进入水库。引水隧洞起点至工作井段纵坡为1/96,工作井至出口段底坡为1/1000。
引水隧洞中间拐点设工作井,两端设接收井。顶管贯穿后,管壁与围岩缝隙采取水泥砂浆置换方式填充。引水隧洞顶管穿越线路见图1。
图1 引水隧洞顶管穿越线路
2.3工程地质
隧洞围岩主要为凝灰质千枚岩、硅质岩夹薄层千枚岩、局部为凝灰质变质砂岩、变质砂岩夹中薄层千枚岩的组合;围岩类型有Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类等3种型式。围岩硬度等级涉及到软岩、较软岩、中硬岩及坚硬岩等4种情况,其中Ⅲ类围岩坚固系数坚固系数fk=5~8、单位弹性抗力系数k0=10~25MPa,Ⅳ类围岩坚固系数坚固系数fk=1~3、单位弹性抗力系数k0=7~10MPa,Ⅴ类围岩坚固系数fk=0.3~1、单位弹性抗力系数k0=3~7MPa。
3.顶管施工关键技术
3.1总体施工流程
隧洞顶管总体工艺流程为:施工准备→工作井(接收井)施工→顶管机就位→设备调试→顶管施工→泥浆置换→工作井(接收井)拆除。顶管施工主要工作流程见图2。
图2 顶管施工工艺流程图
3.2 工作井、接收井施工
本工程工作井深度不大,覆盖层厚度3~5m,地下水位低,开挖地质条件较好,工作井和接收井采取明挖顺作法施工,在基坑开挖后,浇筑井身混凝土,最后采用C30混凝土和碎石土回填。基坑开挖边坡坡比按照土质边坡1:1、碎石土边坡1:0.75、石质边坡1:0.3控制。本工程引水隧洞工作井为内径9m的C30钢筋混凝土圆形井,井深7.85m,井底设10cm厚C15砼垫层,底板厚0.8m,井壁厚0.6m。接收井为4×6m的C30钢筋混凝土方形井,井深约3m,井底板厚0.5m,井壁厚0.3m。
3.3 顶管规格
管线总长1590m,分两个顶段,分别长840m(进口段)和741m(出口段),均为直线型,夹角153.01。管径规格为内径φ1.5m,壁厚16cmC50顶管专用钢筋混凝土管,管节长度3m。
3.4 隧洞顶管施工
(1)顶管施工流程
施工准备→测量确定轴线、标高→安装底座、后靠背→安装液压千斤顶、轨道→安装液压泵站、水泵、泥浆泵→吊装顶管机→调试电气及液压系统→掘进机头穿墙进洞→安装第一节钢筋混凝土管→循环顶进作业。
(2)顶管机选型
在市政给排水工程管道施工中,为全面满足施工技术要求,对于地下水位以上地层的顶管施工,可选用土压平衡顶管机。对于施工地段位于不稳定地层中及地下水位以下的管道安装工程,工程技术人员要根据管槽形状,选用泥水平衡顶管机。当在地下水和碎石结构层较发育的地段施工时,应尽量使用水泥平衡管道提升机。
本工程根据地形地质情况以及现场条件,采用泥水平衡式岩石破碎顶管机,设备型号UD-L1500。
其产品优点如下:
1)可从机内更换切削滚刀进行长距离掘进,适应于长距离岩石顶管施工。
2)适应于普通土层到巨卵石、硬岩等混合土层,岩石硬度最高可满足150Mpa。
3)机内圆锥破碎装置能有效的进行二次破碎。
4)配备纠偏系统,地面计算机控制。
顶管机选型参考表
(3)顶管测量
测量是长距离顶管的关键,长距离顶进时采用导线法控制。在井内后座处设置一个固定仪器墩,上架全站仪;在管道内布设移动测站,采用弧形钢板固定在管壁上;在井边设置固定脚架,上架棱镜,这样管道内就布设成了延伸导线,按导线法进行测量。方法是从井内全站仪测井边固定棱镜,作为起始导线边,然后从管道内全站仪测井内棱镜,通过导线法传递,一直测到机头内棱镜,通过测量程序算出机头棱镜的坐标,再根据此棱镜与管中心的几何关系算出管中心坐标,与设计坐标比较,得出机头是否存在偏差。井边棱镜的坐标和井内强制对中仪器墩中心坐标通过地面上已知的控制点放投,其误差控制在允许范围内。此两坐标是本工程顶管测量的关键,需定期复核,一般每50m复核一次,进洞前加密测量,根据复核结果修正起始点坐标。顶管高程测量采用水准仪测量,为了确保机头准确到达设计位置,每顶进100m及在顶进到最后30~50m时,对管道进行全线复核,确保测量工作做到万无一失。
(4)洞口止水安装
顶进前,为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞口的间隙涌入工作井,在工作井内洞口处安装一道环形橡胶止水圈。在顶进施工过程中可以防止减摩浆从此处流失,保证泥浆套的完整,以达到减小顶进阻力的效果。
为防止出洞口及顶进过程中泥水压力过大涌入工作井内,在洞口内预埋法兰钢板和螺栓,用于安装橡胶止水圈及压板。由于橡胶圈内径小于管材直径,首节管进入洞口时,橡胶圈形成一个反向折弯,利用注浆时的反推力,使橡胶圈附着在管身,当注浆压力越大,橡胶圈附着力越强,从而达到后封闭的效果。顶进距离较长时,管材对橡胶止水圈不可避免的磨损,需经常更换橡胶止水圈。洞口止水处理措施见图5。
(5)顶进施工
顶管顶进施工中,按照设计或规范要求做好顶入管节数量、顶力、中继间安放及启用、顶进方向及高程偏差、泥浆注入量及压力、水泥浆置换注浆、地面及建筑物基础变形观测等记录资料。记录资料应及时并反映施工过程的真实情况。
①机头入仓
顶管施工前由人工配合电焊拆除洞口临时封堵钢板。顶管机机头徐徐推出工作井,刀盘全部出井后,调整止水圈位置,使其完全封闭状态,同时在机头与洞口的缝隙中注满膨润土泥浆,以润滑管道。开动顶管机刀盘,刀盘边旋转边推进。掘进机开始出洞时,机头外露,只存在轨道对机头的摩擦力,刀盘切削时,机头易发生旋转,故在前两米顶进时,顶进速度控制在5毫米/分钟以下,以防机头整体旋转,并观测机头倾角和旋转变化,及时修正和调整。倾角的变化用纠偏千斤顶调正,旋转角大于±30°时,可使用刀盘反转调正,顶进2米以后掘进机在不旋转的情况下可逐渐加大顶进速度。机头完全入洞后,下第一节管道。
②顶管机出洞注意事项
在顶管机进、出洞时,如果措施采用不当,也许会引起地表塌陷。因此,洞圈外部1m范围内采用C25混凝土回填,确保进、出洞的安全。
进出洞前在洞口安装橡胶止水装置,其作用是防止顶管机进出洞时正面泥浆及地下水涌入工作井内,且在顶管机刀头和密封装置上涂抹油脂,同时包好周边刀盘,避免刀盘上刀头损坏洞门密封装置,划伤止水橡胶。
顶管出洞极为关键,为控制顶进轴线,顶进速度不宜过快。在顶管进洞段顶进施工过程中,对顶管机姿态要勤测勤纠,力争将出洞段顶管轴线控制到最好,为后续顶管施工形成一个良好的导向。
③试顶进
顶管机在第一个顶段作为顶进的试验段。通过试验段顶进熟练掌握顶管机在本工程地层中的操作方法、顶管机推进各项参数的调节控制方法;熟练掌握触变泥浆注浆工艺;测试地表隆陷、地中位移等,并据此及时详细分析在不同地层中各种推进参数条件下的地层位移规律,以及施工对地面环境的影响,并及时反馈调整施工参数,确保接下来的顶管安全顺利施工。
④正常顶进
试顶进结束后,即可进行正常的顶进施工。正常顶进时,开挖面岩体经刀盘破碎下来的碎石进入仓内二次破碎、搅拌后,通过排浆系统把渣料输送至地面泥浆池,泥浆沉淀后往外运出;泥浆水通过回流管道输送至泥土仓重复利用。
一节管节顶进结束后,缩回主千斤顶,20t门式起重机放下一节钢筋混凝土管,防水装置安装完成并检验合格后,往钢筋混凝土管承口安装环形顶铁,并在混凝土管表面涂上一层润滑剂;再继续顶进。当到达千斤顶最大行程时,缩回千斤顶,安放顶铁继续顶进,循环这样的工作,直至一个顶段掘进完成。
⑤顶进速度
顶进速度的控制过程中,应注意以下几点:
A.主顶启动时,必须检查千斤顶是否靠足,开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快。每节顶进开始时,应逐步提高顶进速度,防止启动速度过大。
B.一节顶进过程中,顶进速度值应尽量保持恒定,减少波动,保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。
C.顶进速度的快慢必须满足每节润滑泥浆注浆量的要求,保证润滑泥浆系统始终处于良好工作状态。
D.根据实际施工经验,正常顶进条件下,顶进速度应设定为2.5~3.5cm/min;如正面遇到障碍物或地基加固土,顶进速度应低于1cm/min。
(6)泥浆减阻
本工程顶管顶进施工中采用注入触变泥浆(膨润土浆液)减摩的方式。注浆减摩是顶管中十分重要的一个环节,尤其在长距离顶管中它是顶管成功的及其重要的关键环节。
顶管中管节与土体、岩石表面的摩擦属于滑动摩擦。在长距离顶管中,随着距离的增长,摩阻力增加,推力上升得很快,中继间的推力也不得不提高。一旦超过混凝土管所能承受的极限时,混凝土管很可能被破坏。顶管工程中,如注入的泥浆能够在管道的外周围形成一个较完整的润滑浆套,那么其减摩效果会十分好,可以大幅减少长距离顶管摩阻力,避免顶力异常。
4.施工重难点及应对措施
(1) 顶管施工管道轴线偏差过大
管道轴线与设计轴线偏差过大,使管道发生弯曲,甚至造成管节损坏,接口渗漏。
应对措施:
①顶管施工前对管道通过地带的地质情况认真调查,指导纠偏。纠偏按照“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作方法进行。
②采用同种规格的千斤顶,使其顶力、行程、顶速相一致,保持顶力合力线与管道中心线相重合。
③加强顶管后背施工质量的控制,确保后背不发生位移,并使后背平整,以保证顶进设备的安装精度。
④顶进过程中随时绘制顶进曲线,以利指导顶进纠偏工作。
(2)地面沉降与隆起
顶管施工过程中或施工后,在管道轴线两侧一定范围内发生地面沉降或隆起,使管道周围建筑物受到影响,甚至危及到正常使用和安全。
应对措施:
①设置沉降观测,及时采取处理措施。
②严格控制顶管轴线偏差,执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法。
③在顶进过程中及时足量地注入符合技术标准的润滑支承介质填充管道外围环形空隙。施工结束及时用水泥砂浆置换润滑泥浆。
④严格控制管道接口的密封质量,防止渗漏。
(3)顶力突然增大
应对措施:
①按不同地质条件配制适宜的泥浆,并采取同步注浆的方法,并及时足量的沿线补浆,经常检查膨润土质量,特别是不得含砂。
②顶进施工前对顶进设备进行认真的检修保养。
③停顶时间不能过久,发生故障及时加以排除。
(4)管道接口渗漏
应对措施:
①严格执行管节和接口密封材料的验收制度,严禁使用不合格产品。
②严格控制管道轴线,必须按“勤纠”、“小纠”的原则进行,以避免接口不匀而使胶圈减小止水作用。
③下管时,要用扁平吊带吊装,保护管口。
④采用C型插口管材,并选用相匹配的橡胶圈,事先检查橡胶圈的质量,临下管前抹好润滑剂,安装要正确。
(5)钢筋混凝土管节裂缝:管节纵向和环向有明显裂缝,造成管道渗水、漏水。
应对措施:
①管材进场后要进行质量验收,验收不合格要及时退货。
②顶进时严格控制管道轴线偏差,控制顶力在管节允许的承压范围以内。
③在管节运输过程中采取管垫等保护措施,并做到吊(支)点正确,轻装轻卸。
(6)顶管机在进洞时机头头往下偏差较大,出现叩头现象。
顶管机在出洞时,或是由于洞口没有延伸导轨,或是由于土质或岩层软而产生叩头,不仅泥水平衡式顶管有,其他形式的顶管也有这种现象。
应对措施:
首先在洞口处应设置延伸导轨或者用砖头砌一个弧形的托,把顶管机下部托住,不让它叩头。如果土质太软则应采取对进、出洞口一定范围内土体进行注浆加固措施。
(7)软硬地质层交界面顶管的处理风险
顶管机由软土层到硬岩层过度期间会造成上部承载力小于底部,随着顶管力的方向,底部岩石层会对顶管机产生向上的反作用力,顶管机姿态发生变化。
应对措施:
在软硬地质层交界处顶进时需放慢顶进速度,甚至在交界面空转刀盘,确认消除顶管机向上的趋势,再缓慢推进。提前调整顶管机的姿态,将顶管机调整成为略微向下的姿态以克服地质变化引起突然变向的趋势。
顶进过程卡管
造成卡管原因主要如下:
①本工程隧洞主要为4、5类围岩,围岩不稳定,完整性较差,顶管过程中岩体可能会发生收敛变形挤压管道,造成卡管现象。
②因围岩地质条件差,局部岩体裂隙发育,可能造成膨润土泥浆流失,导致泥浆压力不稳定,泥浆流失增加摩阻力,导致顶力异常发生卡管。
③边刀磨损导致管道间隙减小,石屑无法正常流通,围绕管道沉积并与膨润土粘合,造成摩阻力增大,导致顶力异常发生卡管。
应对措施:
遇到围岩收敛变形挤压管道,一般可启用中继间保持机头顶力分段顶进,如果挤压应力过大,将管道完全抱死,可逐个敲击配合中继间的顶力查找挤压变形段,将该段管道破碎后对岩体注浆加固,并用风镐扩大断面后,将后续管道顶进衔接到前面管道,恢复正常顶进作业。
如遇到裂隙发育段,调整泥浆配比,采用高黏度浆液填充裂隙,同时增大注浆量保持刀盘处泥浆压力和管道缝隙泥浆填充饱满。
对于管道沉渣,可以对管道底部打孔用高压水冲洗底部沉积物,保持管道间隙,并及时换刀避免管道间隙过小,引起堵塞。
5 结语
随着社会的不断进步,施工技术的不断成熟,顶管施工将来会越来越普遍。本文以白银市白银区北城区生态治理水系连通工程为例,对长距离顶管关键技术控制以及在施工过程中遇到的难题及解决措施进行归纳总结,以便遇到类似项目起到借鉴作用。另外本工程采用顶管代替传统的钻爆施工,减少大量土方工程,节约施工用地,对周围环境干扰小,有效缩短施工工期,大大降低了施工安全风险,体现出较高的社会效益和经济效益。
参考文献:
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[3]王超.水利管道工程中的顶管施工技术分析[J].水利电力技术与应用, 2022.DOI:10.37155/2717-5251-0401-21。