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2050m超长距离砼顶管施工技术
一、 工程概况
排海管道工程是嘉兴市污水处理工程的一个重要组成部分。正常排放管总长2050m, 管道内径Φ mm, 从高位井向大堤外顶进, 出洞口管内底标高-20.23m, 前747.5m为下坡顶进, 坡度-2.5‰, 最后302.5m为平坡顶进, 终点管内底标高-24.60m。采用"F-B"型钢承口式钢筋砼管, 楔形橡胶圈接口, 多层胶合板衬垫。在平坡段内设有16根内径Φ380mm的扩散上升管, 用垂直顶升工法施工。
二、 地质资料
第④层, 砂质粉土夹粉砂。灰色, 饱和, 稍密~中密 中等压缩性土, 强度较高。顶板高程-13.70~-11.10m, 层厚4.90~6.60m;
第④a层, 粉质粘土。饱和, 流塑, 局部分布, 中等偏高压缩性土, 强度一般。顶板高程-16.20m, 层厚2.00m。
第⑤层, 淤泥质粉质粘土~淤泥质粘土。灰色, 饱和, 流塑, 高压缩性土, 强度低, 渗透系数K<10-6cm/s。顶板高程-19.50m~-13.60m, 层厚7.30m~9.40m, 浅滩区未钻穿;
第⑥层, 粘土-粉质粘土。灰绿~黄色, 硬塑~可塑, 中等偏低压缩性土, 强度较高。顶板高程-23.00~-22.60m, 层厚0.60~1.80m。
三、 工具管选型
正常排放管在出洞后的150m~200m范围内将遇到④层砂质粉土夹粉砂、 ④a层粉质粘土、 ⑤层淤泥质粉质粘土~淤泥质粘土中进行, 随后的顶进主要在⑤层淤泥质粉质粘土~淤泥质粘土中进行。土层变化大, 地质状况不理想, 由于一次顶进距离2050 m, 在国内是绝无仅有的, 当前在世界上也是顶程最长的一条顶管, 施工难度极大。经多次比选论证, 最终决定采用密封式大刀盘泥水加压平衡工具管施工。

混凝土管节堆场
(1)泥水加压平衡工具管工作原理
泥水加压平衡工具管设有可调整推力的浮动式大刀盘进行切削 和支承正面土体。推力设定后, 刀盘随土压力大小变化前后浮动, 始终保持对土体的恒定支撑力, 使土体保持稳定, 即刀盘的推力与开挖面的土压力保持平衡。机头泥水仓中加入有一定含泥量的泥水, 保持一定的压力, 一方面对切削面地下水起平衡作用, 另一方面又能起到运载切削下来的泥土作用, 加入泥水仓中的泥水压力, 经过旁通阀来调节。
(2)结构特点
本机采用二段一铰承插式结构, 在铰接处设置二道密封装置, 并设有4只注浆孔, 便于施工时同步注浆, 泥浆套厚度20mm。有4只双作用油缸编组进行纠偏, 纠偏角度α=±2o。浮动的大刀盘由4台液压马达驱动, 二段壳体之间设有止转装置, 可防止壳体相对转动。设有3只土压传感器, 显示正面土体压力值, 工具管的运转情况、 各种仪表值, 测量信息、 纠偏油缸动作状况均经过电视摄象机反映到操作台屏幕上, 操作人员能够根据这些信息进行遥控操作。
(3)适用范围
泥水加压平衡工具管与其它工具管相比, 具有平衡效果好, 结构紧凑, 技术先进, 由于出土方式是用水力机械化连续出土, 因此顶进速度快, 对土质的适应性强。无论是粘性土还是砂性土, 均能收到良好的效果。
四、 顶进技术措施
1、 出洞的技术措施
由于出洞出覆土很厚, 且地下水位高, 此次出洞特采用了井内外封门。出洞时将封门里的密封槽钢一根根拔出, 然后将封门上口及时封闭, 拔完槽钢后工具管即可安全出洞。采用这种出洞措施确保了出洞是的安全, 并提高了工具管在出洞阶段的稳定性。
2、 泥浆减阻技术

顶管掘进施工加注减阻泥浆
对于长距离顶管施工中, 减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。
泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆, 是由膨润土、 CMC(粉末化学浆糊)、 纯碱和水按一定比例配方组成。不同的土质, 应采用不同的配方, 才能满足不同的需要。
触变泥浆配比, 根据不同土质和某些特定的需要经过试验确定。本顶管出洞200m范围内为砂性土, 含水量高, 渗透性强。因此要求该段的浆液粘度要高, 失水量要小, 并对土层要起一定支承作用。顶管出洞后管节周围能迅速形成泥浆环套。
触变泥浆减摩效果的好坏, 除了与上述选用的浆液材料和配比有关以, 还与注浆孔的布置、 注浆泵的选用、 注浆压力及注浆量有关。
由于顶进距离长, 一次压浆无法到位, 需要接力输送, 为此在管道内设置5只泥浆接力站, 平均每隔300m设一站, 解决了顶进时同步跟踪压浆和沿线补压浆的难点。
顶进施工中, 减阻泥浆的用量主要取决于管道周围的空隙的大小及周围土层的特性, 由于泥浆的流失及地下水等的作用, 泥浆的实际用量要比理论用量大得多, 一般可达到理论值的4~5倍, 但在施工中还要根据土质情况、 顶进状况、 地面沉降的要求等做适当的调整。
根据规范, 使用减阻泥浆后, 管壁的侧向摩阻力为3~5Kpa, 经过计算, 本工程顶进施工时管壁的侧向摩阻力远小于上述值, 泥浆的减阻效果十分明显, 为顶进施工的顺利进行创造了有利的条件。
下面是顶力与压浆量的关系曲线图
3、 中继间应用
正常排放管全长2050m, 原来布置了十四只中继间。在顶进过程管节外壁和周围土体的实际摩阻力比较小, 就对中继间的位置做出了调整, 调整后, 正常排放管共设置九只中继间。
在实际顶进过程中主顶最大顶力没有超过850t, 正常顶进中没有使用中继间, 只是在停顶等待较长时间后, 起顶时使用2#、 4#中继间。
4、 轴线控制
在实际顶进中, 顶进轴线和设计轴线经常发生偏差, 因此要采取纠偏措施, 减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值, 使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时, 经过调节纠偏千斤顶的伸缩量, 使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。在施工过程中, 应贯彻"勤测、 勤纠、 缓纠"的原则, 不能剧烈纠偏, 以免对管节和顶进施工造成不利影响。
顶进时应及时掌握工具管的走势, 顶进时能够经过观察工具管的趋势指导纠偏。
5、 水力机械化施工
Φ mm顶管正常排放管顶进距离为2050m, 采用大刀盘泥水加压平衡工具管施工, 因此泥水系统的配置是工程成败的关键之一。
由于本次顶进距离长达2050m, 泥水管理显得极为重要。工具管切削下的土体中会有颗粒较大的石块, 当其粒径大于排泥管内径的三分之一时, 有可能发生管路堵塞。另外, 如果泥水管内泥水的流速过慢, 泥浆就会沉淀在泥水管内, 引起回路不畅, 严重时会发生管路堵塞, 因此泥水管内的流速必须大于一定速度, 防止产生沉淀。
在发生管路堵塞后, 可采用特殊点法及二分法进行管路清理。 五、 超长距离供电及照明
长距离供电为了解决电压降问题, 一般采用高压输电, 在盾构施工中, 都是采用高压输电解决降压问题的。可是顶管施工有其特殊性, 其管径小, 若采用高压供电安全缺乏保障, 因此必须采用380V低压输电。采用低压供电, 就必须加大电缆容量, 而且设置增压设备, 以便在压降过大时起稳压作用。为了防止不可预见情况的发生, 还安装了一套自动增压装置, 当线路压降过大时, 增压装置开启, 稳定施工用电电压, 保证顶进设备的正常运作。
照明采用安全电压, 由管道内电箱中的变压器提供36V电源, 每只变压器连接9~10只行灯进行照明, 根据顶进长度来决定使用变压器的数量。
六、 超长距离顶管通讯、 监控
长距离顶进必须保证信息交换渠道的畅通, 同时对施工操作人员要进行监护, 防止发生安全事故, 因此需要设置通讯、 监控系统。
通讯采用数字程控交换机, 各联络点之间能够经过电话联系, 由于管道内空气潮湿, 应使用防潮、 防爆的矿用电话机, 以保证通话质量。
监控采用了两台监视器, 分别对工具管操作面和主顶操纵台进行监控。这样地面人员能及时了解施工情况, 发生问题能够及时解决。为了解决传输信号长距离输送衰减的问题, 将信号经过放大器放大后再送上地面, 保证图像的清晰。
七、 超长距离通风、 气体监测
为了改进管道内的工作环境, 施工时对管道进行强制通风, 由地面空压机提供的经过滤清、 除湿、 降温的新鲜空气经过气管送到施工作业面, 管道内的浑浊空气则由作业面向工作井自然流通。
实行强制通风后, 管道内的环境有很大改进, 改进了工作环境, 保证了各种机械设备的正常运行。
由于顶进是在海底进行, 地层中可能存在远古海洋生物遗体形成的沼气等可燃性气体, 在施工中, 这些气体可能会从管道的缝隙处渗入管道内, 危及施工人员的安全。为此, 每次下井时, 都由施工人员携带便携式可燃性气体监测仪器进行测试, 确保安全才能进行施工, 否则必须进行强制通风, 待气体浓度恢复正常后, 再进行顶进施工。
八、 超长距离顶管施工管理
由于超长距离顶管有较高的技术难度和许多不可预见的不利因素, 因此加强施工管理是确保顶管获得成功的重要环节。
1. 砼管节的吊装、 对接、 就位时应确保密封圈、 传力衬垫板和管口的完整, 严禁使用不合格的管节。
2. 顶进施工中应随时观察顶进轴线和设计轴线的偏差, 做到"勤测勤纠", 并随着顶进距离的增长做好管内测站的测量, 在工具管出洞后20米更应注意轴线的精度。
3. 土压力的设定和排土量及顶进速度的控制, 是超长距离顶管成功的关键。土压力的设定应根据施工地质状况、 地下水位高低、 管道埋深等因素初步设定, 并根据施工实际情况和地表沉降的实测结果随时进行调整。 4. 采用膨润土泥浆减摩时, 对膨润土的产地、 质量、 泥浆配比要严格控制, 泥浆的注入量、 注浆压力等技术参数, 应根据施工地质状况的不同做相应变化。
5. 顶进时尽量做到全断面出土, 严禁在挤压状态下顶进, 防止管道周围土体的反弹, 破坏直线通道。
6. 做好顶进速度、 顶力、 土压力、 轴线偏差和沉降量变化等原始数据的记录、 收集、 整理工作, 供施工管理人员分析预测施工中可能发生的问题, 及时采取相应的技术措施。
九、 结束语
此次排海顶管工程一次顶进距离2050m, 创造世界纪录, 实际顶进时间为144天。在没有采用中继顶接力顶进的情况下, 顶力有效地控制在850t以下, 轴线的最大偏差在5cm以内, 取得了良好的社会效益及经济效益。
根据本项工程的施工经验能够得出, 超长距离顶管施工的关键在于注浆减摩、 轴线控制及中继顶布置等技术措施, 同时对于土压力计算公式需要考虑土拱效应及时间效应。
由于减摩措施十分成功, 在总顶力小于8500kN的条件下, 未使用中继间接力顶进。管壁实际平均侧面摩阻力小于1kpa, 远小于理论值及以往的经验值。 2050m长距离钢筋混凝土顶管施工的成功, 标志着隧道股份在长距离顶管技术上已达到国际先进水平。