大直径钢筋混凝土管顶管工程施工技术

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145KM和罗湖至凹头水务合约编号29/WSD/91,全长54KM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861。11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6M11M的工作井和5M7M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2400MM,2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；2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；3深浅、复土薄，平均为顶管直径的117倍，最小仅036倍；对地面变形的控制十分不利；4地质条件复杂多变，给顶管施工带来了众多技术难题；5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；6施工场地窄小拥挤，邻近干扰多；7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055M。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02M。因为工作井和接受井属于施工临时措施,故采用拉森号钢板桩作挡土墙用350350L09KG/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4M6M04M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862。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2400MM,2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2）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10MM20MM，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2030CM。在过铁路时,改为1015CM。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89MM,极少超过10MM、达到1819MM,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864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1600混凝土管,也有失败之例如深圳妈湾污水排海2600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175M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2030M,30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L25M,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