泥水平衡顶管法在流砂层的施工.pdf

鍪 繁鬻 国科技信息 第 ，期 a enc e a teci-inology in f at。洲 。 泥水平衡顶管法在流砂层的施工 黄熠斌 厦j7 翔安新区发展有限公司 管道埋深在5 0 m以下， 道路路 宽只有 8 0 m， 道 路两旁是密集的民房建筑物，大部分建筑物 都没有桩基础，由于工程地质较差，流砂严 重 ，水位较 高， 水压脉动 ，如 何 采取合理 的蕊 管技 术措 施 及避 免工作 井施工 造成周 匪建筑 物 及路 面沉 降是 本工程 的 关键 。 幕嘲 000 0叠 高地下枣位脉动 ； 流沙层 ；工作井 ；逆作 法 泥 水平衡 ； 顶 管 概述 高 _步 污水处理j 一截污主干管工程按原 期一次建成。 截污主干管总长2 1 9 5 k m。 该 工程中心涌南起点为农村信用社，跨振兴 大道转入育才路，经高 大道、高龙大道、 冼沙二上坊、 凌屋村路 口至上江城村委会； 中心涌西起点为建设路口， 经振兴北路、 中 心路、卢溪、 三联中建电子厂、三保路、 三 塘路至低涌工业区大道。工程最大管径 dn2 0 0 0 mm，最小管径dn3 0 0 mm，最大 埋深 8 6 米 ， 最小埋深 2 0 米，采用混流式 的合流制排水体制。施工方法 丰要采取顶 管施工。管材采用玻璃钢夹砂管。 1 、地形地貌 截污主干管网现场位于东莞市高 镇 辖区内，为水泥硬化路面 ，地面平整。 2 地层结构及岩土特征 根据勘察文件，按地层成因类型和岩 土层性质，场区内地层自上而下分为：人 工填土层、 耕植土、 第四系冲积层及第三系 泥 岩 。 ( 1 ) 人工填土层：灰黄色，稍湿，松散， 以粉细砂和粘土为主， 层厚2 0 4 2 0 m， 平 均1 3 7 m。 ( 2 ) 耕植 土层：浅黄 色， 湿 ， 松散 ， 以粘 土为主， 层厚度0 3 5 3 9 0 m， 平均 1 5 2 m， 顶 面高程 0 0 0 3 1 2 m，平均 1 9 1 m。 ( 3 ) 第四系冲积层：根据颗粒特征及沉 积顺序，可细分为四个亚层，分述如下： 淤泥 层 ：灰 黑色 ，饱 和软 塑 ，以 淤泥质土为主 ，问夹淤泥和淤泥质粉细r 砂。 层厚0 3 0 -1 3 0 o re， 平均3 2 0 m， 顶面高j 程 2 ( ) ( ) 2 7 3 m， 平均0 6 4 m。 中、细砂 ：深 灰色 ，饱和 ，松 散，以中细砂为主，局部夹粗砂、淤泥。 中、细砂为主、次沿线变化亦较大。层 j 厚1 0 0 1 4 5 0 m， 平均8 3 2 m， 顶面高程 9 5 8 一 2 7 7 m， 平均1 6 l m。 淤泥质粉砂、淤泥质中细砂 ： 灰黑： 色， 饱和， 松散， 以淤泥质粉砂为主，次为 含淤泥质中细砂， 含粘粒不均匀， 大多数为j 冲淤混杂堆积， 夹淤泥， 部分地段含较多腐 木屑。 本层空 间分布形态较复杂 ， 呈不规透 镜状。 层厚0 6 0 -1 4 7 0 m， 平均5 5 4 m， 顶面 高程l 0 4 0 1 9 6 m， 平均 4 1 8 m。 中砂、中粗砂、砾砂：浅黄色浅灰j 色， 饱和， 松散稍密， 以中砂为主， 次为 粗砂局部为砾砂， 部分含少量卵石和圆砾， 卵石直径3 5 c m。 厚 1 5 0 1 2 3 5 m， 平均4 3 5 m顶面高程一1 0 9 0 0 6 2 ， 平均7 8 4 m。 3、 水文地质条件 j 场地内地下水主要赋存于第四系中、 细砂、 淤泥质粉砂、 中粗砂、 砾砂层中孔隙 水。 水量较丰富。 补给来源主要接受大气降 水、 地表水体和邻近地下迳流渗透补给。 地 下水位跟河水 的涨退潮有直接的关 系，混。 合水位埋深在0 4 5 3 2 5 米 。 4 顶管施工 的顶进方法及机械原 理 根据地质分析，本工程有地下水及流 沙的情况，所以顶进施工机械不采用前端 开敞式的工具头 ，采用 n p d b1 2 0 0 型 具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机。 该掘进机的优点是 ：顶管机 、主千斤 顶 、泥 水 循 环 系统 和 泥 水 分 离装 置 ( de s and man) 成套化 ， 泥水分离装置是 一 种密封性好， 操作灵活的分离系统， 且能 节省安装空间； 带锥形破碎机的条幅刀盘， 能破碎小于外径 3 0 ，一轴强度 l 9 6 mp a ( 2 0 0 0 k g c m )的砾石； 该机能适用各种 土壤条件 ， 如粘质土 、 砂土 、 砂砾混合卵石 土和软岩上 ； 安装在轨道上的主顶油缸 ， 一次 顶进长度超过 1 0 0 m；主千斤顶不问断便可 单独顶进一节管子； 可在控制台上进行电视 7 6 一 监测及方向控制 ，精度高； 双光靶方向控 制系统 ，可 由一人在地面遥控操纵并且将 方向误差控制在 l 0 ram之内。 5、平面 井内及管内布置 5 1 在工作井范围内实行全封闭隔离施 工并布 置以下必要的设施 ：地面指挥监测 中心、办公室、仓库、配电间、冷作间等。 5 2 管道顶进时， 起吊设备采用跨距为 1 4 m的龙门行车 ( 起重能力为3 0 t ) ， 行车导 轨与顶管中心线应平行铺设，并与管中心 左右对称。 5 3工作井井内布置主要是后靠背、 导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶 梯 等 。 6 、顶管施工主要工艺 施工开始 ： 测量放样 一基坑构筑一设备 安装 ( 工作坑设备安装，地面设备安装) 一 准备 ( 出洞准备，注浆材料准备)一 挖土 、运土 、卸管、接 口安 装一推进 、 注浆-n量一卸管、接口安装一进洞一取 工具管一全线测量一收坑。 由于工程地质较差 ，流砂严重，水 位较高， 水压脉动，如何采取合理的顶管 技术措施及避免工作井施工造成周围建筑 物及路面沉降是本工程的关键。 以下本人根据本工程特点针对在流砂 层进行基坑构筑、 顶管的注浆材料、 安装前 墙止水圈、推进等工艺进行阐述。 6 1 基坑构筑 施工配套 设施项 目之基坑 支护构筑 、 工作井及接收井构件等前期顶管施工程序 已完成。 6 1 i 沉井采用逆作法施工 根据现场地形 、地貌 、周边环境与建 筑物、 电信光缆、 地质资料及地下管线复杂 等情况， 如按原设计沉井方案方法施工， 又 无位置可供平移，下沉施工时必将影响对 道路两旁结构稳定，难以保证原有地下管 线及道路的安全。 因此， 对沉井方法进行了 改良，选用 “ 逆作法拱墙”方法施工。 逆作法施工是指在地下结构施工时， 不架设临时支撑，而以结构本身既作为挡 墙 ，又作支撑 ，从上而下依次开挖 和构筑 结构体的施工方法，其施工顺序与顺作法 相 反 。 顶管工作井、接收井逆作拱墙法施工 - | | 是具操作性，便利平行流水、立体交叉作 业 ，能有 效缩 短施 工期 限 ，施 工 不受 雨 季、冬季影响 ，施工安全可靠 ，对周围 构筑物的影响非常小；在施工中采用快速 施工是保证逆作法成功关键，只有保证在 1 2 小时内完成从人工清壁、钢筋绑扎到立 模浇筑，才能有效防止侧壁土体塌方；每 模砼浇筑前在基底铺设砂垫层，作夯实处 理，再进行接口处理，保证相邻砼之间的 结合质量 ，有效防止渗漏现象。 ( 1 ) 工作井和接收井采用逆 作拱墙法施 工 ，其施工顺序是先 施工深 层搅拌桩支护 护壁，待强度达到 9 5 再开挖逆作拱墙。 ( 2 ) 逆作拱墙应分段逐层开挖，水平方 向分4段施工，垂直方向每天长度不大于 1 2 m，施 工时先开挖拱 墙位 置的土方 。施 工逆作拱墙时待拱墙完成闭合后且强度达 到7 0 以上强度后才能大面积开挖拱墙内 土方，尽快将拱圈闭合。逆作拱墙顶须设 临时栏杆 ，保证施工期间的安全。 ( 3 ) 逆作拱墙施工应连续作业，每层拱 墙施工时间不超过 2 4 小时。上道拱墙合拢 且混凝土强度达到设计强度的 7 0 后，才 可进行下道拱墙的施工。 开挖第二道， 重复 第一道施工工艺再循环作业至设计深度。 6 1 2 旋喷桩护壁处理 顶管工作井和接收井的设计采用在沉 井 四周采用两排搅 拌桩进行 做护壁处 理 ， 止水挡流砂 ，防止沉 井下沉时 井外 的泥砂 涌进井内 ，造成 周边路面 大面 积下沉而 危 及民房建筑物。 搅拌桩施工过程中，当搅拌钻杆钻到 4 6 m进入砂层时，搅拌桩机 自身颤抖摇 晃得很厉害 ，钻杆 自动偏移 ，垂直 度无法 控制，桩与桩的搭接得不到保证，当钻杆 单位 n 6 8 * 3 逆作法 工作井 钻到 7 8 m 时 ，经常造成钻杆折断。勉强 完成 了9 个沉井的搅拌桩施 工， 但是当沉井 挖到 了3 4 m时都 出现 了井底和井侧严 重 的涌砂现象， 造成井周围路面下沉严重， 故 我施工方马上停止施工， 采取了补漏措施， 把整个井底采用搅拌桩满布加固施工，试 图把井底的涌砂控制，在井内外采用高压 注浆补漏处理，采用井点降水等方法都无 法成功 。 经现场勘察分析 ：目前每个井开挖到 3 4 m时就出现了严重的涌砂，主要问题 是： ( 1 ) 中砂层地质致使搅拌桩机搅钻困 难，钻杆垂直度无法控制，造成桩体搭按 得不到保证而出现漏水涌砂。 ( 2 ) 搅拌桩机钻杆经常折断是由于砂层 太 厚 ，造 成 钻杆 进 入砂 层后 被 “ 抱 死 ” ， 无 法正 常搅 拌 。 ( 3 ) 由于中心路毗邻中心河涌，地下水 位跟河水的涨退潮有直接的关系，即地下 水的动态影响搅拌桩的成桩效果。 因此，决定采用双管旋喷桩方案施 工，并根据地下水脉动的特点，加入 2 的水玻璃 ，终凝时 间 3 h，以确保旋 喷桩 的早期强度 ，同时，采用一次性从底至上 旋喷及双桶拌浆等措施，以确保桩的成形 及避免堵管等现象。实践证明，该方案针 对 流沙 层是行 之有效 的 。 6 2 安装前墙止水圈 在地下水丰富及砂层中的顶管过程 中，洞口止水是一个不容忽视的环节，必 须认真 、仔细地做好洞 口止水装置工作。 洞 口止水装 置的安装 ，应 保证 除止水 圈外最小直径大于进洞物最大直径的8 c m， 防止受 到进洞物 的剪切而 失去止 水效果 ， 鲐哥 爱 望 0喾终藩=尊 i j 裁 匿 墼 一 | 防止顶管机头进出工作坑洞口流入泥水， 并确保在顶进过程中压注的触变泥浆不致 流失，必须事先安装好前墙止水圈，其组 成 部分 为预 埋 法兰 底盘 、 橡胶 板 、钢压 板、垫圈与螺栓。法兰底盘预先埋设在砼 沉井内，中心正确 ，端面平整 ，安装牢 固，螺栓的丝 口妥善保护，水泥浆预先清 除 ，再用水泥砂浆封堵与井壁形成的间 隙 ，防止从间隙处漏水、漏浆。 6 3 安置土方运输设备 泥水平衡式顶管进机的出土采用全自 动的泥水输送方式，被挖掘的土通过在机 舱内的搅拌和泥水形成泥浆，由水力机械 方式将泥浆通过与管路连接的吸泥泵输出 并与排泥装置直接输送到地面泥浆沉淀 池 。 6 4 顶进 推力的理论计算 ：( 以 1 0 0 0 mm 计算)f = fl +f 2 ( f为总推力、f l 为迎面 阻力、f2为顶进阻力) f 1= 【 4d 2 x p ( d为管外径 1 2 m、p为控制土压力) fl =3 1 4 4 x 1 22 x 7= 1 3 1 8 t 。 p=ko v x ho (ko 为静止土压 力系数，一般取0 5 5 ， 取最大值7 m、y为 土 的湿重量 ，取 1 9 t m 、ho 为地面至掘 进机中心的厚度) p=0 5 5 1 97=7 3 1 t m f 2=丌d x fl ( d为管外径 1 2 m、式中f为管外表面平均 ( 根据顶近 距离平均沙砾土)综合摩阻力，取 0 8 t m 、l为顶距，取最大值 1 0 0 m) f2= 3 1 4 1 2 0 8 1 0 0= 3 0 1 4 t 总推力f =1 3 1 8 + 3 0 1 4 =3 1 4 6 t 根据总推力、工作井所能承受的最大 顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小 值 作 为 油缸 的总 推 力 。工 作 井(中 1 2 0 0 ram顶管)设计允许承受的最大顶力 为 5 0 0 t ，管材轴向允许推力4 0 0 t ，主顶油 缸选用 2 台 2 0 0 t ( 2 o 0 0 kn) 级油缸。每只油 缸顶力控制在 1 8 0 t 以下，这可以通过油泵 压力来控制，千斤顶总推力 3 6 0 t 。因此我 们无需增加额外的顶进系统即可满足要 求 。 6 5 压浆 6 5 1 泥浆 池尽量靠近工作井边 ， 可以 减少排泥管路过长而且产生的管路摩阻 力，沉石箱 的配置可沉淀块状物 ，防止块 状物直接进入排泥泵引起排泥泵堵塞和损 坏 。 6 5 2 为了减小顶压进阻力， 增大顶进 力，并且为 了防止出现塌方 ，顶管过程 中，应采用在管壁与土壁的缝隙间注入触 j 中国科技信息 2 0 0 g 年第 1 1 期。 誊i c ： h l n a s c i e n c e a d t e o o l o g y i n f o f a t i o n j u n 2 o 0 9 变泥浆 ，形成泥浆护套，减少管壁与土壁 之间的摩擦力。顶管的推力就是顶管过程 管道受的阻力，包括工具管切土正压力、 管壁摩擦阻及工具管气水压力。 6 5 3 压注触变泥浆系统使用螺杆泵以 减少脉动现象，浆液应保证搅拌均匀，系 统应配置减压 系统 ，在泵 出处 1 米外 以及 机头注浆处各安装一只隔膜式压力表。 6 5 4 填充管道的外周空隙以减少地层 损失控制地面沉降和减少顶进阻力。顶管 机头尾端的压浆要紧随管道顶进同步压 浆，并在砼管道的适当位置进行跟踪补浆 以补充在顶进中的泥浆损失量。注浆孔的 布置按管道直径的大小确定，每个断面设 置 35个，并具备排气功能。注浆压力 按不大于0 1 mp a 开始加压，在注浆过程 中的注浆流量、压力等施工参数按减阻及 控制地面变形的量测资料进行调整，拆除 注浆管后将管道上的注孔封闭严密。 6 6 按 口 接 口材料采用 t型钢套环 ，齿形橡胶 圈。顶进前对成品管、钢套环、橡胶密 封圈、软木衬垫等材料作详细检查，其外 观和断面组织应致密 、均 匀，无裂缝 、孔 隙或 凹痕等缺 陷并应 保持清洁 ，无油污 ， 且不得在阳光下直晒。粘结木衬垫时 凹凸 口应对 中，环向间隙应均 匀，安装前必须 在现场 作试 安装 。 7 、结语 本次工程 ，工具管选型得当，由于 泥水平衡式顶管掘进机的顶进是连续的， 同时具有平衡地下水压的功能，因此不易 造成 地面 沉降 ，对 周边密 集建 筑影 响不 大。工作井施工技术措施合理，采用旋喷 桩止水帷幕有效地避免了管涌，施工中未 对 周 围民房造 成破 坏 。轴线偏 差 最大 为 3 0 ram，符合规范要求。顶管时地面沉降 或隆起的允许量应符合施工设计的规定， 取得 了良好的社会效 益及经济效益。通过 本工程的施工，为密集建筑区下的流砂层 顶管施工积累了经验。 1 】给水排水管道工程施工及验收规范0 5 0 2 6 8 , 9 7 、 。 爵 上接毒 7 5 页 因此 ，不需进行抗剪验算，安构造 配置抗 剪钢 筋 。 2 4 毛石基础斜截面受剪承载力验算 柱下条形毛石基础方安的安全性和整 体眭分析： ( 1 )按柱承受的荷载全部传给柱下条 形毛石基础计算 ，设计荷载大于实际荷 载 。 ( 2 )柱下条形毛石基础按倒置的墙梁 计算基础时，墙宽即基础取基础最上一步 台宽，而基础的实际宽度一般均大于此宽 度，则毛石基础的实际抗剪能 力要比计算 的值 大 ，因 此 ，安 全 系数 也 就 大 。 ( 3 )设一道地梁，正好与其余部分的 墙下地梁浇注成一体，保证足够的搭接宽 度， 内部纵向钢筋满足锚固要求， 这样保证 了基础的整体性。 ( 4)采用的柱下条形毛石基础使整 个建筑的基础 形式相 同，能够 同时施 工 ， 基础形成一个整体 ，并使基础与上部结构