大直径管道穿越公路顶管施工技术的探讨

大直径管道穿越公路顶管施工技术的探讨 公路穿越的传统方法是开挖路面,管线铺设完成后对路面进行恢复,这种方法造价高,同时会 对交通带来不便,并造成粉尘等环境污染。公路顶管穿越施工是在管线需要穿越公路的地方 安装砼套管,主管线穿越套管的一种施工方法。这种方法不破坏路面,能保证正常的交通,安 全、环保、经济。因此以山西省万家寨引黄工程北干线 PCCP 输水工作安装标公路顶管 施工的经验为例,探讨公路顶管施工技术。 1 顶管施工的特点 1.1 能够在不破坏路面的情况下穿越公路，不影响正常交通。 1.2 套管能够有效保护穿越公路的主管线，发生故障时也便于维修。 1.3 土方开挖量少，作业人员少，工期短，节省投资等诸多优点，但顶管施工也存在软土 层中容易发生不均匀沉降和偏差，且纠偏困难，遇到地下障碍物处理较难等缺点。 2 主要施工方法和使用范围 2.1 手掘式 适用于能自立的土中，如果在含土量较大的砂土或黏土中，需要采用降水或注浆加固等辅 助施工措施。 2.2 挤压式 必须在覆土较深且土质又较软的黏土中才能使用，凡是工具管挤进土里的体积，与其出土 口的排出体积比例在 95%100%之间的才可使用。出土量太少，地面就极易隆起；出土量 太多，地面就会沉降。 2.3 半机械式 使用范围和手掘式类似，如果采用局部气压的辅助施工措施，则使用范围会较广泛。 2.4 泥土式 使用的范围更广泛，而且在想多条件下不需要采用辅助施工措施。 2.5 土压式 使用范围最广，尤其是加泥式土压平衡顶管掘进机的使用范围最为广泛，可以称得上全土 质型，通常也不用辅助施工措施。 3 顶管施工工艺流程 4 顶管顶进前的准备 4.1 测量放样定位 首先对提供的水准点和导线点进行复测，经认可后，定出顶管中心轴线，建立测量控制网。 同时在井内适当位置设置好临时的轴线控制校核点和水准控制校核点，作为顶管施工的控 制依据。在顶管施工过程中，需要经常对这些控制点进行复核。 4.2 井上地面施工准备 在顶管顶进施工前，按要求安装用电、用水、通道、排水及照明等设备,并且在工作坑上用 钢板或木板搭设 15m20m 的工作平台。 4.3 井下准备工作及井内布置 顶管基座位置按管道设计轴线准备进行放样、就位、安装、固定。工作井井内布置主要是 后靠背、顶管设备、800t、600T 千斤顶、枕木。 4.4 在顶管施工前，对参加施工的全体人员进行安全和质量技术交底。 5 顶管设备 5.1 顶进设备 根据提供的工程地质勘察报告显示套管在此处在低液限粉土、卵石混合土层中穿越，结合 现场实际地质条件、施工条件, 决定采用千斤顶顶进。 5.2 主顶进系统 主顶进系统采用 800T 千斤顶顶进，安装位置与设计图一致，以使顶进受力点和后座受力都 保持良好状态。 5.3 出土系统 本工程采用汽车吊出土，运至指定地点。 6 管子与接口 6.1 管子 （1）根据设计，本工程顶管施工所用钢筋混凝土管节为内径 3000mm 管，壁厚 280mm 顶 管，型号为 III3000GR2802500, 管受力性能好，接头稳固性高，接口处止水密封性能 好。 （2）管材运送、起吊均应有专用夹具，搁置时应用方木垫高，防止管钢板受压变形。 6.2 接口 顶进前应对砼成品管、钢套环、橡胶密封圈和衬垫从尺寸、规格、性能、数量等均作详细 调查，必须符合标准设计图的要求。砼管接头的槽口尺寸必须正确，光洁平整无气泡。 橡胶圈的外观和任何断面都必须质密、均匀、无裂缝、无孔隙或凹痕等缺陷，橡胶圈应保 证清洁、无油污，不能在阳光下直晒。 橡胶圈应牢固地粘结在砼管的槽口上，底部粘结面 不脱胶、不翘边。 7 工作坑、接收坑位置及开挖尺寸确定 7.1 顶管工作坑是顶管作业现场设置的临时性设施，包括后背、导轨和基础等，工作坑是 人、机械、材料较集中场所，因此， 选择工作坑的位置应考虑以下原则： （1）有可利用的坑壁原状土作后背； （2）工作坑处应便于排水、出土和交通运输，距电源、水源较近，并且具备堆放少量管材 和暂存土的用地； （3）工作坑应尽量远离建筑物或对其易于采取安全保护措施处。 7.2 顶管坑开挖尺寸确定工作坑的尺寸应根据施工方法和设备尺寸，按实际布置的情况确 定。 （1）矩形工作坑底部尺寸应符合以下要求：B=D1+S 式中 B矩形工作坑的底部宽度（m） D1管道外径（m） S操作宽度取 2m （2）工作坑深度（H1、H2）应符合下列公式要求： H1=h1+h2+h3、H2=h1+h3 式中 H1顶进坑地面至坑底的深度（m） H2接收坑地面至坑底的深度（m） h1地面至管道底部外缘的深度（m） h2管道底部外缘底部至轨底面的高度（m） h3基础及其垫层的厚度。 8 工作坑、接收坑开挖及坑壁支护 8.1 工作坑、接收坑开挖视地质情况和工作坑深度确定，因本工程地质主要为卵石混合土， 厚度 4.56.5m 之间，且土质较松散，故在距管道底部 4.5m 以上对工作坑及接收坑进行开 挖时开始放坡，坡比 1:0.2。 坑壁支护方式主要取决于施工工艺、坑壁土质、工作坑深度和地下水情况。根据本工程实 际地质情况，坑壁支护采用钢板桩支护（采用 159钢管配合 6mm 钢板组成支护体 系）或砖(MU10)砌体护壁。板撑支护主要用于土质稳定、无地下水、管道埋深较浅的工作 坑及接收坑，砖砌体护壁用于土质不稳定、管道埋深较大的工作坑及接收坑，具体支护方 法根据实际情况确定。 8.2 工作坑、接收坑的防护 工作坑、接收坑周围必须安装护栏，护栏应用钢管制作（钢管 40mm） ，间距 1.5m，当 在基坑四周固定时，可采用钢管并打人地面 5070cm 深。钢管离边口的距离，不应小于 50cm。当基坑周边采用板桩时，钢管可在板桩外侧进行焊接。工作坑、接收坑四周采用钢 板 6mm 封闭围挡。工作坑上下应配有梯子，梯子必须有扶手，其跨度尺寸不大于 30cm，作业人员应从规定的通道上下，不得从非通道进行攀登。 为了保证不让雨水流入工作坑及接收坑，工作坑及接收坑周围开挖 500500mm 的排水沟， 将雨水引入不影响施工的低洼地带。若没有合适的排水渠道时，在排水沟适当部位挖一集 水坑，采用水泵将集水排至不影响施工的低洼地带。 9 基础及导轨安装 9.1 基础的形式取决于基底的土质、管节的重量以及地下水位情况，一般有 2 种形式可供 选用： （1）土槽枕木基础：适用于土质较好，又无地下水，施工管径较小且顶进方向没有变化的 工作坑。施工时在工作坑底部做 3：7 灰土垫层，厚度为 30cm，然后铺设方木并联接牢固， 可在方木上直接铺设导轨，方便导轨的安装。 （2）混凝土基础：适用于地下水位高，但地基土味粉细砂或砂土近饱和状，安装导轨过程 中有可能基础被扰动。施工时在地基土上直接作混凝土基础，厚度为 30cm，然后将导轨预 埋进砼内 1/2。 9.2 工作坑导轨宜选用钢质材料制作，并应有足够的刚度，一般采用钢轨（槽钢 258） mm，长度以管材长度 1.5-2 倍为宜；两导轨距离控制在管外径的 0.45-0.6 倍之间，安装导 轨时，应首先利用垂球和直尺确定导轨间距和平面位置，然后根据放样高程调整导轨高程， 两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡与管道设计坡度相一致；安装后的导轨应当牢固，不 得在使用中产生位移，应经常检查校核。 9.3 导轨安装的允许偏差为：轴线位移：左 3mm，右 3mm；顶面高程：3mm；两轨内 距：2mm。 10 后靠背 后靠背是把主顶油缸推力的反力传递到工作坑后部土体中去的墙体。根据工程实际地址情 况，选用以下方法作为后靠背： 10.1 利用坑壁原土作后靠背。后背土壁应铲修平整，并使壁面与管道顶进方向垂直。具体 做法是：在平直的土壁或撑板前横排 15cm15cm 方木，与土壁或撑板贴紧，方木前可设 置立铁，立铁前再横向叠放 15cm40cm 横顶铁；方木应卧到工作坑底以下一定深度（1m 左右） ，使顶镐的着力中心高度不小于方木后背高度的 13。 10.2 利用混凝土墙（厚度为 500mm700mm 之间）作后靠背。由于主顶油缸较细，对于 后靠背的混凝土墙来说只相当于几个点，如果把主顶油缸直接抵在座墙上，则后座墙极易 损坏，为防止此类事件发生，在后座墙与主顶油缸之间，再垫上一块方木靠背，以免后座 墙损坏。 11 管道顶进 管道运至施工现场，经专职人员检验合格后，用 80t 汽车吊把管道从运输车辆上卸下，直 接置于工作坑的导轨上就位或有序摆放在工作平台周边。第一节管道就位后做为工具管， 严格测量管体中心及前后段管底高程，确认合格后开始顶进。管前挖土采用人工进行开挖， 土质良好情况下超越管端 3050cm，考虑到管道自重因素，挖土时管底高程在允许偏差 +40/-50mm 的基础上适当抬高 2030mm。顶进管道时，在两管的接口处加多层胶合板衬 垫。橡胶圈表面和插口工作面应涂刷无腐蚀性的润滑剂。管道顶进完后，对每个管道接口 处测量其中心位置和高程。对于存在的顶管偏差采用小千斤顶进行纠偏。纠偏合格后经监 理工程师检验同意，拆除靠背、顶管设施等。 12 顶管顶进技术措施 12.1 对不良地质土体段的顶进 对于遇到软粘土、漂石及其它不良地质情况，采用暗挖法施工，根据设计图纸衬砌断面做 好衬砌后再行顶进,将衬砌部位进行回填灌浆。 对于在顶管施工时出现地下水的下窑煤矿施工段，不得进行带水作业，在工作坑及接收坑 内分别设置截水坑，根据水量大小配备水泵等排水设施，将地下水位降至管底以下不小于 0.5m 处，且防止其它水源进入顶管的管道。 12.2 轴线控制 工具管出洞后的轴线方向正确与否，对以后管节的顶进将起关键的作用。实现管节按顶进 设计轴线顶进，做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制是关键。 要严格按实际情况和操 作规程进行，微纠不得大于 0.5。防止工具管大幅度纠偏造成顶进困难 。 12.3 顶管顶力控制 顶管顶力计算 推力的理论计算：F=F1+F2 其中 F-总推力 F1-迎面阻力 F2-顶进阻力 F1=/4*D2*P（D-管外径 3.56m P-控制土压力） P=K0*r*H K0 一静止土压力系数，取