上海过江倒虹管泥水平衡顶管施工技术

上海过江倒虹管泥水平衡顶管施工技术1工程概况本工程为上海市市***倒虹管工程程，沿线共设设有两座竖井井，即一座工工作井及一座座接收井。其其中工作井位位于浦东耀华华支路三渣搅搅拌站内，西西靠黄浦江，东东接耀华支路路，接收井位位于浦西龙华华机场附近，西西靠丰溪路，东东临黄浦江，南南北分别与石石化公司及电电力公司相邻邻，见图1。图1合流二期期1.1标倒虹管工工程总平面、剖剖面图隧道部分为两条条长度均为610m的平行顶管管隧道，隧道道坡度均为i=0.1162%，两条隧道道中心间距为为5m，隧道顶最最大覆土约24.8m。顶管机将将穿越宽510m的黄浦江，江江中段隧道顶顶最小覆土约约7.5m。圆隧道首次采用用隧道股份设设计、制造的的适用于各种种软土地质的的φ2660mmm泥水平衡式式顶管机顶进进施工，顶管管主顶机械总总顶力为100000kN。圆隧道结构全部部采用"F"型预制钢筋筋混凝土管节节，其外径2640mmm，内径2200mmm，每节长度度为3000mmm，相邻两管管节间由特制制接头承插连连接，接缝防防水采用由氯氯丁橡胶制成成的齿形橡胶胶圈，衬垫材材料为多层胶胶合板。本工程范围内的的土层及各地地层土质物理理力学指标，见见表1。地层土质物理力力学指标表1层号土层名称层底标高含水量W(%))密度kN/m33孔隙比e凝聚力C(kPPa)内摩擦角φ°地基承载力kPPa①1填土3.5334.617.61.08①2冲填土-5.4733.817.81.03③灰色粘质粉土-10.0734.17.91.048.02990④1灰色淤泥质粘土土-10.6747.717.21.3765④2灰色淤泥质粉质质粘土夹砂-13.0735.417.81.0710.02480⑤2灰色砂质粉土-25.8731.717.90.993.028100⑤3灰色粉质粘土-42.6733.317.81.0420.0191002泥水平衡顶顶管系统泥水加压平衡顶顶管工法的特特征是在机械械掘削式顶管管前部的刀盘盘附近安装隔隔板，形成泥泥水压力仓，将将加压的泥水水送入泥水压压力仓，使开开挖面稳定，刀刀盘切削下来来的土砂以泥泥水形式被输输送到地面。泥水平衡顶管系系统主要由顶顶管机、泥水水输送、泥水水处理及顶进进管理四个系系统组成。(1)泥水平平衡顶管机①泥水加压平平衡顶管机主主机·工作原理：工具管在正常作作业前，刀盘盘与壳体外圈圈接触，刀排排与刀盘盘体体接触，泥水水仓处于密闭闭状态，以延延缓泥水压力力泄漏。同时时在泥水旁路路切换大循环环时，使泥水水压力的波动动对开挖面的的扰动降到最最小，待泥水水仓中压力稳稳定后，启动动中心轴动力力泵站带动中中心轴及刀架架向前运动，使使刀架与刀盘盘分离，在两两者之间形成成四条70mm的进土间隙隙，并由中心心轴及刀架的的继续伸出带带动刀盘盘体体的运动，使使之与壳体保保持一定距离离，此时机头头即处于待工工作状态，启启动刀盘驱动动电机，通过过第一级减速速(105k行星齿轮减减速机)，其输出轴轴上的小齿轮轮带动中心轴轴上的大齿轮轮(即第二级减减速i=1311/17)最终带动刀刀盘及刀架，以1.5rpm转动(可正反转)切削土体，见图2。图2顶管机主主机示意图·主要技术参数数：A.外形尺寸：：直径(外径)26600mm，长度4240~~4300mmm。B.刀盘：最大大扭矩277kNNm，转速1.5166rpm，驱动电机机功率22kW××2，最大移动动量40mm。C.中心轴：最最大移动量110mm，油缸最大大压力32MPa，最大平衡衡力2050kkN，最大平衡衡土压范围0-3688.9kN//m2。D.纠偏装置：：千斤顶数量量8台，最大工工作压力32MPa，单台最大大推力900kW，纠偏行程60mm，纠偏角度±1.8°。②顶进装置顶进装置分主顶顶进装置及中中继顶进装置置两部分。主主顶进装置的的主要功能是是完成管节的的顶进，其由由底座、油缸缸组、顶进头头、V形顶块、钢钢后靠及液压压动力泵站等等组成；中继继顶进装置主主要是为中继继接力顶进所所用。(2)泥水处处理泥水处理系统主主要由粘土溶溶解槽、调整整槽、剩余槽槽、清水槽、泥泥水分离旋流流器和沉砂池池等组成，起起处理泥水(由盾构开挖挖面排出)和制造新鲜鲜泥水的作用用。泥水处理采用一一次沉淀的方方法，沉淀后后的泥水送入入调整槽，调调整粘度、密密度后重新利利用。江中设置一台潜潜水泵引水入入清水槽，清清水槽内设潜潜水泵一台，用用于向调整槽槽内加注清水水，调整槽内内设搅拌装置置，调整后泥泥水通过P1(PHH)泵送入顶管管机内使用，粘粘土溶解槽内内搅拌浓泥浆浆，加入调整整粘度、密度度。粘度控制制在25S左右，密度度在1.2g//mm3左右，并且且根据实际情情况再作调整整,见图3。图3泥水处理理简图(3)泥水输输送泥浆输送系统是是由一根6″送泥管、一一根6″排泥管、送送泥泵和排泥泥泵等部分组组成。经处理理后的泥水由由调整槽通过P1--1泵或PH泵由地面送送至井下，顶顶管内排出的的高密度泥水水，经安装在在地面和隧道道内的接力泵泵送回至地面面泥浆沉淀池池，见图4。图4泥水输送送系统流程图图泥水输送系统启启动时，先开开启VP阀，启动PI泵，开启V3、V5阀，再逐个个启动P2、P3、PE泵。系统启启动数分钟后后，当送排泥泥水压力和流流量趋于稳定定，送泥水压压力和切口压压力基本相同同时，才可操操作到"顶进状态"。进入"顶进状态态"时，开启机机头阀，开启启V1、V2阀，关闭V3阀。泥水输输送系统可逐逐渐达到泥水水平衡，调整整送泥水压和和排泥流量，使使推进过程中中一直保持泥泥水平衡，若若在推进过程程中，切口水水压值偏高设设定值，操作作人员应采取取措施，使之之恢复正常。若若切口水压继继续偏差达限限值，应立即即切换到"旁路状态"。如果切口水压的的偏离原因是是泥水管道堵堵塞引起的，就就应操作至"逆洗状态"，对堵塞管管道进行冲洗洗。管道畅通通后，应先转转换到"旁路状态"，最后才转转换到"顶进状态"。顶进结束后，应应将"顶进状态"切换到"旁路状态"，待泥水平平衡后，再切切换到"停止状态"。(4)顶进管管理系统顶进管理系统由由顶管机主机机及泥水输送送两大系统组组成。该系统统能在电脑中中反映出施工工过程中的切切口水压、送送排泥流量、送送排泥密度、主主顶速度、主主顶行程、刀刀盘油压和顶顶管的平面、高高程、转角等等一系列施工工参数。顶进过程中，中中央控制室操操作人员通过过此管理系统统反映的各类类施工参数及及时作相应调调整。3泥水平衡顶顶管主要施工工参数的设定定与调整(1)切口水压压设定泥水平衡顶管顶顶进时，开挖挖面不断被刀刀头切削，此此时泥膜被刀刀头切削并将将泥水压力传传递给土体，由由于刀头的介介入使传递给给土体的外力力增加，因此此开挖面处于于动态平衡之之中。切口水水压的上、下下限值设定可可根据常用土土体力学计算算公式计算得得到。实际顶进过程中中的切口水压压是根据切口口水压设计设设定值、实时时的土砂量和和干砂量积算算值等重要参参数设定。其其中切口水压压设计设定值值可根据近10～50m掘进过程中中较佳的设定定值回归所得得，见图5。图550~1100m设定切口水水压与理论计计算关系图(2)顶进速速度顶进速度的控制制过程中，应应注意以下几几点：①主顶启动时时，必须检查查千斤顶是否否靠足，开始始顶进和结束束顶进之前速速度不宜过快快。每节顶进进开始时，应应逐步提高顶顶进速度，防防止启动速度度过大。②在利用中继继间(一级或多级)作接力顶进进时，必须确确保后级中继继间及主顶所所用千斤顶充充分均匀受力力，避免顶管管机后退造成成切口水压剧剧降，从而影影响开挖面的的稳定。待前前级中继间顺顺利顶进到位位后依次将后后级中继间及及主顶顶进到到位。③一节顶进过过程中，顶进进速度值应尽尽量保持恒定定，减少波动动，保证切口口水压稳定和和送、排泥管管的畅通。④顶进速度的的快慢必须满满足每节润滑滑泥浆注浆量量的要求，保保证润滑泥浆浆系统始终处处于良好工作作状态。根据实际施工经经验，正常顶顶进条件下，顶顶进速度应设设定为25~3.55cm/miin；如正面遇遇到障碍物或或地基加固土土，顶进速度度应低于1cm/mmin。(3)泥水质质量控制①密度泥水的密度是一一个主要控制制指标。泥水水密度比重不不宜过高或过过低，过高将将影响泥水的的输送能力，过过低将破坏开开挖的稳定。实实际施工和室室内实验结果果表明，适用用于本工程的的泥水密度范范围应在1.12~~1.20gg/mm3。下限为1.12gg/mm3，而上限需需根据顶管机机中心轴所能能承受的最大大扭矩来定。②粘度泥水的粘度是另另一个主要控控制指标。从从土颗粒的悬悬浮性要求而而言，要求泥泥水的粘度越越高越好，根根据泥水处理理系统的自造造浆能力，随随着顶进节数数的增加，泥泥浆越来越浓浓，粘度也呈呈直线上升，而而粘度的增加加并非说明泥泥浆的质量越越来越高，因因此，泥水粘粘度的范围应应在20~255S，考虑到粘粘度的调整有有一个过程，应应在泥浆粘度度为22S时(调整槽粘度)，即可逐渐渐添加CMC，添加量的的多少视粘度度下降的趋势势而定。③析水量析水量是泥水管管理中的一项项综合指标。泥泥水的析水量量应小于5%，降低土颗颗粒和提高泥泥浆的粘度，是是保证析水量量合格的主要要手段。本工程采用的指指导配比见表表2、表3。单位：kg指导配配比表2天然泥土CMC纯碱水4002.211770单位：kg指导配比表3膨润土CMC纯碱水3302.211870泥水监控是一个个使用→小调整→使用→大调整→使用的无限限循环过程，是是一个动态变变化过程。检检查配比是否否合理的标准准是地面沉降降量，沉降量量得到控制后后就要注意泥泥水指标的变变化趋势，使使之稳定在某某一区域内。(4)逆洗时时的压力控制制逆洗是顶进过程程中较为常用用的防止和消消除排泥管吸吸口堵塞的方方法。在逆洗过程中，由由于土仓或顶顶管机内的排排泥管处于堵堵塞状态，因因此逆洗时应应提高排泥流流量，但不能能降低切口水水压，整个逆逆洗过程必须须密切注意开开挖面稳定情情况。推进、逆逆洗和旁路三三状态切换时时的切口水压压控制偏差值值为：±0.022MPa。(5)开挖面面稳定的判断断方法开挖面稳定是泥泥水平衡顶管管顶进施工中中最重要的管管理项目之一一，它直接影影响着顶管施施工质量。控控制每节掘削削量是开挖面面稳定的必要要保证。①掘削量的控控制根据地质情况进进行理论掘削削量计算：w=V×(1--n)×rW：理论掘削量量(m3/RRing)V：砂性土在顶顶管机断面内内所占的体积积(m3)n：砂性土的孔孔隙度(%)r：砂性土的密密度实际掘削量W′′：W′：实际掘削削量(m3/RRing)rs：土的比重重Q1：排泥流量量(m3/mmin)p1：排泥密度度(kg/mm3)Q0：送泥流量量(m3/mmin)p0：送泥密度度(kg/mm3)t：掘削时间((min)实际掘削量直接接显示在计算算机屏幕上，它它较真实的反反映实际掘削削过程中的掘掘削量。实际掘削量W′′(干砂量)与偏差流量Δq的关系：偏差流量Δq瞬瞬时计算式：：Δq=Q1-((A·VS++Q0)Δq：偏差流量量(m3/mmin)A：刀盘面积((m2)VS：顶进速度度(m/miin)上式变换可得到到排泥流量计计算式：Q1=(A·VVS+Q0))+Δq②掘削量的判判别方法偏差流量为正值值时，顶管机机处于"超挖"状态，干砂砂量比标准值值大；偏差流流量为负值时时，顶管机处处于"溢水"状态，干砂砂量比标准值值小。当发现掘削量过过大时，应立立即检查泥水水密度、粘度度和切口水压压。在查明原原因后应及时时调整有关参参数，确保开开挖面稳定。4泥水平衡顶顶管施工引起起的地面沉降降规律施工过程中的地地面沉降过程程分两个阶段段。第5节和第10节顶进结束束后的地表沉沉降变化见图图6。由图6可知，泥泥水平衡顶管管在顶进过程程中引起的地地面沉降变化化可分为两个个阶段。第一一阶段是指开开挖面达到测测点之前的沉沉降或隆起。它它主要是由于于泥水压力引引起的，泥水水压力过高，使使开挖面受挤挤引起地面隆隆起；泥水压压力过低，使使开挖面应力力释放引起地地面沉降。第第二阶段是指指从顶管机切切口达到测点点至顶管机尾尾离开测点时时间范围内引引起的沉降或或隆起。该段段的地面变化化主要是由顶顶管机及隧道道移动对地层层的摩擦和剪剪切引起的。此此外，平面或或高程纠偏引引起的单侧土土体附加应力力也将影响此此阶段的地面面沉降。图6第5节和和第10节顶进结束束后的地表沉沉降变化图5泥水平衡衡顶管特殊施施工技术(1)洞门止止水技术①封门形式在工作井洞门外外侧无法设置置有效的钢封封门，虽制作作时采用由双双榀［16＃组成的直直排内封门，但但无法在井壁壁洞圈上安装装有效的出洞洞止水装置，洞洞门与顶管机机及管节间的的建筑空隙难难以处理，而而内封门拔除除时的土体损损失又是巨大大的。本着安安全第一的原原则，出洞过过程中采用井井内外封门的的形式，以便便于在井内拔拔除封门和封封堵建筑空隙隙，见图7。图7封门改造造图在井内封门外侧侧安装一只方方形钢箱，使使其包络内封封门所有双榀榀［16＃，两侧焊焊接在内封门门外缘双榀［［16＃上，上部部开口，以拔拔除双榀［16＃，下部与与底板预埋件件相连接固定定。方箱上设设一预留孔。在方形钢箱外侧侧安装一只圆圆形钢套，钢钢套与方形箱箱采用焊接方方式连接可靠靠。其内布置置有三道盾尾尾钢刷，并在在相应两道钢钢刷之间沿外外圈各布置球球阀。另外，在在钢套后部安安装两道钢环环板，以安装装帘布止水橡橡胶带。·止水橡胶带安安装：顶管机壳体与洞洞口的建筑空空隙的止水密密封，是保持持仓压力的先先决条件，必必须在洞口设设置密封性能能良好的止水水装置。其紧紧贴顶管机及及管节外壳，在在泥水压力作作用下能更紧紧贴壳体，形形成良好止水水效果。②洞门内油脂压压注和粘土填填充·油脂压注：为了确保顶管机机正常出洞，防防止润滑泥浆浆浆液及切口口泥水后窜至至井内，利用用圆形钢套上上所预留的压压注孔在三道道钢刷之间充充分压注油脂脂，并且在顶顶进过程中不不断地加注。·洞门内填充粘粘土：由于泥水平衡式式顶管机必须须具备正常的的泥水压力后后才能正常施施工，所以洞洞门内一定要要填充粘土，并并具备一定的的土压力，以以形成正常的的泥水平衡系系统。(2)管节止退退技术在顶管出洞段拼拼装管节过程程中极易引起起顶管机的后后退，导致刀刀盘正面的切切口水压突降降，从而造成成正面土体坍坍塌、泥水平平衡效果破坏坏等严重后果果。①特殊管节制制作由于顶管正面泥泥水压力偏大大，较难采用用常规的抱箍箍刹形式止退退，需考虑在在管节结构不不受影响的前前提下在管节节前部设置预预埋钢套环。②止退装置安装装在钢套上焊接螺螺栓(F36mmm)的固定支座座，每节管节节顶进结束后后，在管节的的预埋钢环上上对应焊接固固定支座，然然后用螺栓将将钢套和管节节连接牢靠，避避免在拼装过过程中的管节节后退，见图图8。图8止退装置置图(3)隧道减阻阻技术对于长距离顶管管来说，为减减小顶力，确确保顶进顺利利，其关键是是在顶管顶进进过程中向隧隧道外侧压注注润滑泥浆以以形成高质量量的泥浆套。①浆液配比顶管出洞试验段段施工及室内内试验证明，适适合本工程的的浆液配比(1m3)见表4：②注浆量顶管全断面处于于灰色砂质粉粉土层内，该该土层土体流流塑性大。注浆量=理论建建筑空隙×500%单节管节注浆单位：kg指指导配比表4膨润土水纯碱CMC稠度40085062．512～14浆液质量指标为为：稠度12~144cmb..pH9~~10c..析水率＜2%量V=［3×3..14×(22.662--2.6422)/4］×500%%=1.255m3③注浆顺序地面拌浆→启动动压浆泵→总管阀门打打开→管节阀门打打开→送浆(顶进开始)→管节阀门关关闭(顶进停止)→总管阀门关关闭→井内快速接接头拆开→下管节→接2寸总管。④注浆原则合理布置注浆孔孔，使所注润润滑泥浆在隧隧道外壁形成成比较均匀的的泥浆套。同同时严格控制制注浆量，防防止单个注浆浆孔注浆量不不足或超量。压浆时必须坚持持"先压后顶，随随顶随压，及及时补浆"的原则，泵泵出口处压力力控制在03～0.4MPPa。利用中继间接力力顶进时，使使泥浆迅速填填满工具管后后管节周围出出现的空隙，形形成完整的泥泥浆套，达到到最佳的减阻阻效果。同时时，由于在顶顶进中泥浆的的流失、渗透透，在一号中中继间以后的的隧道沿线经经常进行补压压浆，保证整整条顶管处在在一个良好的的泥浆套中。根据实际施工经经验，在深层层砂土中，静静态和动态的的周边阻力相相差极为明显显，一旦顶进进中断时间较较长，管节和和周围土体固固结，在重新新起动时就会会出现"楔紧"现象，一般般顶力要达到到正常情况的的1.4～1.6倍。在顶管管施工中，采采取24h连续施工，使使管节基本处处于动态平衡衡之中，见图图9。图9总顶力图图(4)穿越江江中段主要防防范措施①防止江底冒浆浆(防冒)措施·合理控制顶进进速度：初始顶进时，顶顶进速度应缓缓慢调节至正正常顶进速度度。由于土仓仓体积较小，速速度的突变将将造成土仓外外建筑空隙变变小，导致泥泥水压力急剧剧上升。·严格控制切口口水压波动范范围：顶进过程中严格格控制切口水水压的波动范范围，将切口口水压控制在在0.2±00.01MPPa之间，若切切口水压波动动较大，则应应立即转换到到"旁路"状态，待切切口水压恢复复正常后方可可继续顶进。·严格控制润润滑泥浆的注注浆压力：注浆压力一般控控制在0.3MPPa以下，以免免注浆压力过过高而发生泥泥浆冒顶现象象。·江底冒浆对策策：当发现江底冒浆浆时，如果是是轻微的冒浆浆，在不降低低开挖面切口口水压下适当当加快顶进速速度，提高管管节拼装效率率，使顶管机机尽快穿越冒冒浆区。当冒冒浆严重，则则应采取如下下措施：将开挖面切口水水压降低到与与土压和水压压之和相平衡衡为止。适当提高泥水密密度和粘度。将开挖面水压返返回到正常状状态进行掘进进。②防止江底土土层沉降(防塌)·按设计值设定定切口水压：：顶进过程中应按按设计值设定定切口水压，并并根据顶进时时刻的潮位变变化情况对其其进行相应调调整。由于设设备原因使切切口水压低于于设计值时，应应停止正常顶顶进，待切口口水压恢复至至设计值后，方方能继续进行行正常顶进。·适当提高泥水水密度及粘度度：顶进过程中应根根据实际情况况采用高质量量的泥水(即高密度、高高粘度的泥水水)维持泥水平平衡。③防止吸口堵堵塞(防堵)