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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***倒虹管工程, 沿线共设有两座竖井, 即一座工作井及一座接收井。其中工作井位于浦东耀华支路三渣搅拌站内, 西靠黄浦江, 东接耀华支路, 接收井位于浦西龙华机场附近, 西靠丰溪路, 东临黄浦江, 南北分别与石化公司及电力公司相邻, 见图1。
图1 合流二期1.1标倒虹管工程总平面、 剖面图
隧道部分为两条长度均为610m的平行顶管隧道, 隧道坡度均为i=0.162%, 两条隧道中心间距为5m, 隧道顶最大覆土约24.8m。顶管机将穿越宽510m的黄浦江, 江中段隧道顶最小覆土约7.5m。
圆隧道首次采用隧道股份设计、 制造的适用于各种软土地质的φ2660mm泥水平衡式顶管机顶进施工, 顶管主顶机械总顶力为10000kN。
圆隧道结构全部采用"F"型预制钢筋混凝土管节, 其外径2640mm, 内径2200mm, 每节长度为3000mm, 相邻两管节间由特制接头承插连接, 接缝防水采用由氯丁橡胶制成的齿形橡胶圈, 衬垫材料为多层胶合板。
本工程范围内的土层及各地层土质物理力学指标, 见表1。
地层土质物理力学指标 表1
层号
土层名称
层底标高
含水量W(%)
密度kN/m3
孔隙比e
凝聚力C(kPa)
内摩擦角φ°
地基承载力kPa
①1
填土
3.53
34.6
17.6
1.08
①2
冲填土
-5.47
33.8
17.8
1.03
③
灰色粘质粉土
-10.07
34.
17.9
1.04
8.0
29
90
④1
灰色淤泥质粘土
-10.67
47.7
17.2
1.37
65
④2
灰色淤泥质粉质粘土夹砂
-13.07
35.4
17.8
1.07
10.0
24
80
⑤2
灰色砂质粉土
-25.87
31.7
17.9
0.99
3.0
28
100
⑤3
灰色粉质粘土
-42.67
33.3
17.8
1.04
20.0
19
100
2泥水平衡顶管系统
泥水加压平衡顶管工法的特征是在机械掘削式顶管前部的刀盘附近安装隔板, 形成泥水压力仓, 将加压的泥水送入泥水压力仓, 使开挖面稳定, 刀盘切削下来的土砂以泥水形式被输送到地面。
泥水平衡顶管系统主要由顶管机、 泥水输送、 泥水处理及顶进管理四个系统组成。
(1) 泥水平衡顶管机
① 泥水加压平衡顶管机主机
·工作原理:
工具管在正常作业前, 刀盘与壳体外圈接触, 刀排与刀盘盘体接触, 泥水仓处于密闭状态, 以延缓泥水压力泄漏。同时在泥水旁路切换大循环时, 使泥水压力的波动对开挖面的扰动降到最小, 待泥水仓中压力稳定后, 启动中心轴动力泵站带动中心轴及刀架向前运动, 使刀架与刀盘分离, 在两者之间形成四条70mm的进土间隙, 并由中心轴及刀架的继续伸出带动刀盘盘体的运动, 使之与壳体保持一定距离, 此时机头即处于待工作状态, 启动刀盘驱动电机, 经过第一级减速(105k行星齿轮减速机), 其输出轴上的小齿轮带动中心轴上的大齿轮(即第二级减速i=131/17)最终带动刀盘及刀架, 以1.5rpm转动(可正反转)切削土体, 见图2。
图2 顶管机主机示意图
·主要技术参数:
A.外形尺寸: 直径(外径)2660mm, 长度4240~4300mm。
B.刀盘: 最大扭矩277kNm, 转速1.516rpm, 驱动电机功率22kW×2, 最大移动量40mm。 C.中心轴: 最大移动量110mm, 油缸最大压力32MPa, 最大平衡力2050kN, 最大平衡土压范围0-368.9kN/m2。
D.纠偏装置: 千斤顶数量8台, 最大工作压力32MPa, 单台最大推力900kW, 纠偏行程60mm, 纠偏角度±1.8°。
②顶进装置
顶进装置分主顶进装置及中继顶进装置两部分。主顶进装置的主要功能是完成管节的顶进, 其由底座、 油缸组、 顶进头、 V形顶块、 钢后靠及液压动力泵站等组成; 中继顶进装置主要是为中继接力顶进所用。
(2) 泥水处理
泥水处理系统主要由粘土溶解槽、 调整槽、 剩余槽、 清水槽、 泥水分离旋流器和沉砂池等组成, 起处理泥水(由盾构开挖面排出)和制造新鲜泥水的作用。
泥水处理采用一次沉淀的方法, 沉淀后的泥水送入调整槽, 调整粘度、 密度后重新利用。
江中设置一台潜水泵引水入清水槽, 清水槽内设潜水泵一台, 用于向调整槽内加注清水, 调整槽内设搅拌装置, 调整后泥水经过P1(PH)泵送入顶管机内使用, 粘土溶解槽内搅拌浓泥浆, 加入调整粘度、 密度。粘度控制在25S左右, 密度在1.2g/mm3左右, 而且根据实际情况再作调整,见图3。
图3 泥水处理简图
(3) 泥水输送
泥浆输送系统是由一根6″送泥管、 一根6″排泥管、 送泥泵和排泥泵等部分组成。经处理后的泥水由调
整槽经过P1-1泵或PH泵由地面送至井下, 顶管内排出的高密度泥水, 经安装在地面和隧道内的接力泵送回至地面泥浆沉淀池, 见图4。
图4 泥水输送系统流程图
泥水输送系统启动时, 先开启VP阀, 启动PI泵, 开启V3、 V5阀, 再逐个启动P2、 P3、 PE泵。系统启动数分钟后, 当送排泥水压力和流量趋于稳定, 送泥水压力和切口压力基本相同时, 才可操作到"顶进状态"。
进入"顶进状态"时, 开启机头阀, 开启V1、 V2阀, 关闭V3阀。泥水输送系统可逐渐达到泥水平衡, 调整送泥水压和排泥流量, 使推进过程中一直保持泥水平衡, 若在推进过程中, 切口水压值偏高设定值, 操作人员应采取措施, 使之恢复正常。若切口水压继续偏差达限值, 应立即切换到"旁路状态"。
如果切口水压的偏离原因是泥水管道堵塞引起的, 就应操作至"逆洗状态", 对堵塞管道进行冲洗。管道畅通后, 应先转换到"旁路状态", 最后才转换到"顶进状态"。
顶进结束后, 应将"顶进状态"切换到"旁路状态", 待泥水平衡后, 再切换到"停止状态"。
(4) 顶进管理系统
顶进管理系统由顶管机主机及泥水输送两大系统组成。该系统能在电脑中反映出施工过程中的切口水压、 送排泥流量、 送排泥密度、 主顶速度、 主顶行程、 刀盘油压和顶管的平面、 高程、 转角等一系列施工参数。
顶进过程中, 中央控制室操作人员经过此管理系统反映的各类施工参数及时作相应调整。
3泥水平衡顶管主要施工参数的设定与调整
(1)切口水压设定
泥水平衡顶管顶进时, 开挖面不断被刀头切削, 此时泥膜被刀头切削并将泥水压力传递给土体, 由于刀头的介入使传递给土体的外力增加, 因此开挖面处于动态平衡之中。切口水压的上、 下限值设定可根据常见土体力学计算公式计算得到。
实际顶进过程中的切口水压是根据切口水压设计设定值、 实时的土砂量和干砂量积算值等重要参数设定。其中切口水压设计设定值可根据近10～50m掘进过程中较佳的设定值回归所得, 见图5。
图5 50~100m设定切口水压与理论计算关系图
(2) 顶进速度
顶进速度的控制过程中, 应注意以下几点:
① 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。
② 在利用中继间(一级或多级)作接力顶进时, 必须确保后级中继间及主顶所用千斤顶充分均匀受力, 避免顶管机后退造成切口水压剧降, 从而影响开挖面的稳定。待前级中继间顺利顶进到位后依次将后级中继间及主顶顶进到位。
③ 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。
④ 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。
根据实际施工经验, 正常顶进条件下, 顶进速度应设定为25~3.5cm/min; 如正面遇到障碍物或地基加固土, 顶进速度应低于1cm/min。
(3) 泥水质量控制
① 密度
泥水的密度是一个主要控制指标。泥水密度比重不宜过高或过低, 过高将影响泥水的输送能力, 过低将破坏开挖的稳定。实际施工和室内实验结果表明, 适用于本工程的泥水密度范围应在1.12~1.20g/mm3。下限为1.12g/mm3, 而上限需根据顶管机中心轴所能承受的最大扭矩来定。
② 粘度
泥水的粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮性要求而言, 要求泥水的粘度越高越好, 根据泥水处理系统的自造浆能力, 随着顶进节数的增加, 泥浆越来越浓, 粘度也呈直线上升, 而粘度的增加并非说明泥浆的质量越来越高, 因此, 泥水粘度的范围应在20~25S, 考虑到粘度的调整有一个过程, 应在泥浆粘度为22S时(调整槽粘度), 即可逐渐添加CMC, 添加量的多少视粘度下降的趋势而定。
③ 析水量
析水量是泥水管理中的一项综合指标。泥水的析水量应小于5%, 降低土颗粒和提高泥浆的粘度, 是保证析水量合格的主要手段。
本工程采用的指导配比见表2、 表3。
单位: kg 指导配比 表2
天然泥土
CMC
纯碱
水
400
2.2
11
770
单位: kg 指导配比 表3
膨润土
CMC
纯碱
水
330
2.2
11
870
泥水监控是一个使用→小调整→使用→大调整→使用的无限循环过程, 是一个动态变化过程。检查配比是否合理的标准是地面沉降量, 沉降量得到控制后就要注意泥水指标的变化趋势, 使之稳定在某一区域内。
(4) 逆洗时的压力控制
逆洗是顶进过程中较为常见的防止和消除排泥管吸口堵塞的方法。
在逆洗过程中, 由于土仓或顶管机内的排泥管处于堵塞状态, 因此逆洗时应提高排泥流量, 但不能降低切口水压, 整个逆洗过程必须密切注意开挖面稳定情况。推进、 逆洗和旁路三状态切换时的切口水压控制偏差值为: ±0.02MPa。
(5) 开挖面稳定的判断方法
开挖面稳定是泥水平衡顶管顶进施工中最重要的管理项目之一, 它直接影响着顶管施工质量。控制每节掘削量是开挖面稳定的必要保证。
① 掘削量的控制
根据地质情况进行理论掘削量计算:
w=V×(1-n)×r
W: 理论掘削量(m3/Ring)
V: 砂性土在顶管机断面内所占的体积(m3)
n: 砂性土的孔隙度(%)
r: 砂性土的密度
实际掘削量W′:
W′: 实际掘削量(m3/Ring)
rs: 土的比重
Q1: 排泥流量(m3/min)
p1: 排泥密度(kg/m3)
Q0: 送泥流量(m3/min)
p0: 送泥密度(kg/m3)
t: 掘削时间(min)
实际掘削量直接显示在计算机屏幕上, 它较真实的反映实际掘削过程中的掘削量。
实际掘削量W′(干砂量)与偏差流量Δq的关系:
偏差流量Δq瞬时计算式:
Δq=Q1-(A·VS+Q0)
Δq: 偏差流量(m3/min)
A: 刀盘面积(m2)
VS: 顶进速度(m/min)
上式变换可得到排泥流量计算式:
Q1=(A·VS+Q0)+Δq
② 掘削量的判别方法
偏差流量为正值时, 顶管机处于"超挖"状态, 干砂量比标准值大; 偏差流量为负值时, 顶管机处于"溢水"状态, 干砂量比标准值小。
当发现掘削量过大时, 应立即检查泥水密度、 粘度和切口水压。在查明原因后应及时调整有关参数, 确保开挖面稳定。
4泥水平衡顶管施工引起的地面沉降规律
施工过程中的地面沉降过程分两个阶段。第5节和第10节顶进结束后的地表沉降变化见图6。
由图6可知, 泥水平衡顶管在顶进过程中引起的地面沉降变化可分为两个阶段。第一阶段是指开挖面达到测点之前的沉降或隆起。它主要是由于泥水压力引起的, 泥水压力过高, 使开挖面受挤引起地面隆起; 泥水压力过低, 使开挖面应力释放引起地面沉降。第二阶段是指从顶管机切口达到测点至顶管机尾离开测点时间范围内引起的沉降或隆起。该段的地面变化主要是由顶管机及隧道移动对地层的摩擦和剪切引起的。另外, 平面或高程纠偏引起的单侧土体附加应力也将影响此阶段的地面沉降。
图6 第5节和第10节顶进结束后的地表沉降变化图
5 泥水平衡顶管特殊施工技术
(1) 洞门止水技术
① 封门形式
在工作井洞门外侧无法设置有效的钢封门, 虽制作时采用由双榀［16＃组成的直排内封门, 但无法在井壁洞圈上安装有效的出洞止水装置, 洞门与顶管机及管节间的建筑空隙难以处理, 而内封门拔除时的土体损失又是巨大的。本着安全第一的原则, 出洞过程中采用井内外封门的形式, 以便于在井内拔除封门和封堵建筑空隙, 见图7。
图7 封门改造图
在井内封门外侧安装一只方形钢箱, 使其包络内封门所有双榀［16＃, 两侧焊接在内封门外缘双榀［16＃上, 上部开口, 以拔除双榀［16＃, 下部与底板预埋件相连接固定。方箱上设一预留孔。
在方形钢箱外侧安装一只圆形钢套, 钢套与方形箱采用焊接方式连接可靠。其内布置有三道盾尾钢刷, 并在相应两道钢刷之间沿外圈各布置球阀。另外, 在钢套后部安装两道钢环板, 以安装帘布止水橡胶带。
·止水橡胶带安装:
顶管机壳体与洞口的建筑空隙的止水密封, 是保持仓压力的先决条件, 必须在洞口设置密封性能良好的止水装置。其紧贴顶管机及管节外壳, 在泥水压力作用下能更紧贴壳体, 形成良好止水效果。
②洞门内油脂压注和粘土填充
·油脂压注:
为了确保顶管机正常出洞, 防止润滑泥浆浆液及切口泥水后窜至井内, 利用圆形钢套上所预留的压注孔在三道钢刷之间充分压注油脂, 而且在顶进过程中不断地加注。
·洞门内填充粘土:
由于泥水平衡式顶管机必须具备正常的泥水压力后才能正常施工, 因此洞门内一定要填充粘土, 并具备一定的土压力, 以形成正常的泥水平衡系统。
(2)管节止退技术
在顶管出洞段拼装管节过程中极易引起顶管机的后退, 导致刀盘正面的切口水压突降, 从而造成正面土体坍塌、 泥水平衡效果破坏等严重后果。
① 特殊管节制作
由于顶管正面泥水压力偏大, 较难采用常规的抱箍刹形式止退, 需考虑在管节结构不受影响的前提下在管节前部设置预埋钢套环。
②止退装置安装
在钢套上焊接螺栓(F36mm)的固定支座, 每节管节顶进结束后, 在管节的预埋钢环上对应焊接固定支座, 然后用螺栓将钢套和管节连接牢靠, 避免在拼装过程中的管节后退, 见图8。
图8 止退装置图
(3)隧道减阻技术
对于长距离顶管来说, 为减小顶力, 确保顶进顺利, 其关键是在顶管顶进过程中向隧道外侧压注润滑泥浆以形成高质量的泥浆套。
① 浆液配比
顶管出洞试验段施工及室内试验证明, 适合本工程的浆液配比(1m3)见表4:
② 注浆量
顶管全断面处于灰色砂质粉土层内, 该土层土体流塑性大。
注浆量=理论建筑空隙×500%
单节管节注浆
单位: kg 指导配比 表4
膨润土
水
纯碱
CMC
稠度
400
850
6
2．5
12～14
浆液质量指标为: 稠度12~14cm b.pH 9~10 c.析水率＜2%量
V=［3×3.14×(2.662-2.642)/4］×500%=1.25m3
③注浆顺序
地面拌浆→启动压浆泵→总管阀门打开→管节阀门打开→送浆(顶进开始)→管节阀门关闭(顶进停止)→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接2寸总管。
④注浆原则
合理布置注浆孔, 使所注润滑泥浆在隧道外壁形成比较均匀的泥浆套。同时严格控制注浆量, 防止单个注浆孔注浆量不足或超量。
压浆时必须坚持"先压后顶, 随顶随压, 及时补浆"的原则, 泵出口处压力控制在03～0.4MPa。
利用中继间接力顶进时, 使泥浆迅速填满工具管后管节周围出现的空隙, 形成完整的泥浆套, 达到最佳的减阻效果。同时, 由于在顶进中泥浆的流失、 渗透, 在一号中继间以后的隧道沿线经常进行补压浆, 保证整条顶管处在一个良好的泥浆套中。
根据实际施工经验, 在深层砂土中, 静态和动态的周边阻力相差极为明显, 一旦顶进中断时间较长, 管节和周围土体固结, 在重新起动时就会出现"楔紧"现象, 一般顶力要达到正常情况的1.4～1.6倍。在顶管施工中, 采取24h连续施工, 使管节基本处于动态平衡之中, 见图9。
图9 总顶力图
(4) 穿越江中段主要防范措施
①防止江底冒浆(防冒)措施
·合理控制顶进速度:
初始顶进时, 顶进速度应缓慢调节至正常顶进速度。由于土仓体积较小, 速度的突变将造成
土仓外建筑空隙变小, 导致泥水压力急剧上升。
·严格控制切口水压波动范围:
顶进过程中严格控制切口水压的波动范围, 将切口水压控制在0.2±0.01MPa之间, 若切口水压波动较大, 则应立即转换到"旁路"状态, 待切口水压恢复正常后方可继续顶进。 ·严格控制润滑泥浆的注浆压力:
注浆压力一般控制在0.3MPa以下, 以免注浆压力过高而发生泥浆冒顶现象。
·江底冒浆对策:
当发现江底冒浆时, 如果是轻微的冒浆, 在不降低开挖面切口水压下适当加快顶进速度, 提高管节拼装效率, 使顶管机尽快穿越冒浆区。当冒浆严重, 则应采取如下措施:
将开挖面切口水压降低到与土压和水压之和相平衡为止。
适当提高泥水密度和粘度。
将开挖面水压返回到正常状态进行掘进。
② 防止江底土层沉降(防塌)
·按设计值设定切口水压:
顶进过程中应按设计值设定切口水压, 并根据顶进时刻的潮位变化情况对其进行相应调整。由于设备原因使切口水压低于设计值时, 应停止正常顶进, 待切口水压恢复至设计值后, 方能继续进行正常顶进。
·适当提高泥水密度及粘度:
顶进过程中应根据实际情况采用高质量的泥水(即高密度、 高粘度的泥水)维持泥水平衡。
③ 防止吸口堵塞(防堵)措施
遇到切口不畅时, 应及时转旁路, 并经过大旁路和旁路的泥水进、 排情况分析, 找到不畅原因。如确定吸口堵塞时, 应相应降低推进速度, 同时按技术要求进行逆洗, 待吸口畅通后恢复正常顶进。
④ 防止顶管机磕头措施
由于沿途穿越几处粉砂透晶体, 容易出现顶管机磕头现象, 需在顶进中特别加强顶管机的姿态监测, 一旦发生"磕头"现象, 要马上利用纠偏千斤顶进行纠偏, 并适当提高泥水密度及粘度。
(5) 隧道抗浮技术
隧道上浮将影响施工质量及增加施工难度, 甚至会造成严重的质量事故。在顶管法施工中, 隧道要整体向前顶进。但一旦隧道出现局部的上浮, 隧道轴线将成蛇曲线, 以致后顶的分力过大, 顶进压力过高, 给正常施工带来影响。
①隧道上浮的原因
由于在顶进过程中土体的扰动, 使土体和顶管机的周边握裹力减弱, 以致造成机头正面的循环泥水在压力作用下后窜, 导致顶管机在浮力作用下上浮。
由于压注润滑泥浆方法欠佳或局部注浆过量, 浆液不能形成环箍, 而在隧道底部不断积聚, 造成隧道上浮。
在顶进时, 由于切口水压设定值过低或泥水指标管理不当等原因, 造成超挖土, 扩大了机头正面的建筑空隙。
②隧道抗浮措施
加强润滑泥浆的管理, 确保注浆和顶管机顶进的同步性, 使浆液能及时填充顶进时出现的建筑空隙。
顶进过程中, 补压浆要遵守"全线、 平均"的原则, 使管节周围能均匀地形成泥浆套, 尽量避免单节或某段的注浆严重超量。
当发现局部隧道上浮严重时, 可在此段采用上注下放的补救措施来减小出现的驼峰, 见图10。
图10 放浆前后的隧道轴线图
6 结语
φ2200mm泥水平衡顶管机运用于上海市污水治理二期1.1标工程, 并获得圆满成功, 填补了中国泥水平衡顶管施工深层隧道的空白, 充实了中国地下工程的施工技术, 标志着中国的软土隧道工程技术已达到国际先进水平。
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