大直径顶管施工技术

　　摘要：宿迁市七堡七堡引水枢纽工程是宿迁市中心城市水系沟通工程的主要工程项目之一。通过引骆马湖水进城，改善城区水环境，调活水体，改善水质，营造水景，为宿迁的经济社会发展创造条件。本文结合工程实例详细介绍了大直径顶管的施工技术，对施工中各重要环节的技术措施和施工方法进行了细致的阐述。
　　关键词：引水枢纽；顶管；注浆；中继间；触变泥浆
　　1工程简介
　　七堡引水枢纽工程位于宿迁市宿豫区皂河镇、蔡集镇，中心城区西北角的七堡村附近，由骆马湖引水至西民便河，设计流量为10m3/s，其中古黄河引水泵闸引水流量4m3/s。
　　七堡引水枢纽工程过河顶管段（2号～1号），倒虹穿过古黄河和中运河，全长615mm。顶管隧道采用DN3500×2500标准F型钢筋混凝土管节顶进。隧道顶部覆土厚度为6.6～23.0mm。
　　顶管涉及土层主要为5层粉质粘土、7层粉质粘土或8层细砂。含水量高，渗透系数大，土层中含有礓结石，其中8层细砂为含承压水层。
　　2顶管机头选型
　　针对本工程顶管的工程特点和地质条件，由于是大口径超长距离，且在含水量丰富的砂壤土地层中顶进，决定采用经改进的大刀盘、大扭矩、可变刀盘转速的泥水平衡顶管掘进机施工。
　　本工程所采用得机械式泥水平衡顶管机，为两段一绞承插式结构，在绞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。有8只双作用油缸编组进行纠偏，纠偏角度α＝±2°。浮动的大刀盘由6只液压马达驱动，二段壳体之间设有止转装置。设有2只泥水压力传感器，显示正面泥水压力值。
　　根据工程特点和地质条件，为适应大口径长距离顶管在砂壤土（可能含有礓结石）中顶进，对Ф3500顶管掘进机进行部分改进，主要作如下几点适应性改进：
　　顶管机设备改进性能表
　　序号 项目 改进后性能要求
　　1 泥水平衡顶管机刀盘结构 主切削刀之间布置贝型撕裂刀，高出主切削刀1～2cm，适宜于含砂礓盘的复杂地层
　　2 主驱动系统 扭矩系数α＝2.05，扭矩增加，切削性能提高
　　3 主轴密封结构 增设一道可注入油脂密封装置，提高主轴密封的耐久性和可靠性
　　4 排泥泵 37KW无堵塞沙砾泵
　　5 刀盘耐磨能力 添加不锈钢材料
　　6 泥水控制平衡系统 PLC可编程自动控制
　　
　　3顶管掘进机泥水压力控制
　　3.1泥水仓压力计算
　　泥水仓的压力一般计算公式为，
　　P=rh+△p
　　r---地下水容重；
　　h---地下水位高度，综合考虑取20米；
　　△p---预计泥水压力取0.02MP；
　　经计算得出P=0.22MP，实际操作过程取值为0.2~0.22MP。
　　3.2泥水压力控制
　　顶进中，务必要控制好前端泥腔中的泥水压力介于主动和被动土压力之间，采用控制排泥量的方法来实现对泥腔中泥水压力的控制，从而达到把对土体扰动的影响减小到最小程度。
　　顶进施工过程中，可通过调节进泥管流量和排泥管流量，以及顶进速度等来调节泥水仓压力。在顶管机的设计中，设置在泥腔中的土压传感器实时采集泥水仓中的压力数据并传输到监控系统中，通过程序进行计算处理后得出结果控制排泥泵调速机构，从而控制排泥量的大小，达到泥水压力平衡的效果。
　　4地面沉降控制
　　4.1地面监测，优化掘进机参数
　　在初始推进阶段，要精心组织地表监测，在轴线上方每隔3m布设一个沉降控制桩。通过地表监测得到隆沉量与相对应的掘进机主参数（包括推进速度、开挖面土压力值，出土率等）进行比较，从而优化掘进机参数，指导以后的顶管推进。
　　4.2注浆稳定措施
　　除了在初始推进阶段，优化推进参数以外，在顶进过程中加强同步注浆也是有效手段之一，必须尽可能将膨润土泥浆套随机头向前移动，形成连续的环状浆套。要选择触变性能良好的膨润土制浆材料。
　　4.3置换泥浆措施
　　在顶进结束后，我们必须立即用纯水泥浆置换膨润土泥浆，置换水泥浆的水灰比为0.45，P=0.2～0.5MPa，Q=0.3m3/m。
　　5注浆设备系统
　　为确保本工程的顶管外壁能形成良好的泥浆润滑套，共设置二根总管，二套管路系统。一根专门用于掘进机尾部的同步注浆，另一根用于补浆。
　　本顶管施工用的膨润土触变泥浆，是在地面压浆站配制后，通过二台液压注浆泵压入二根输浆总管，一根总管压注到机头后的储浆箱内，再由螺杆泵把储浆箱内的浆液压入掘进机尾部的同步注浆口。另一根总管压注到管节上设置的环形分管的各个注浆孔，不断补充管外壁渗透到土层中的泥浆，以便形成管节外围完整泥浆套。
　　地面储浆箱外形尺寸L×B×H＝2×1.5×1m=3m3，机内储浆箱外形尺寸L×B×H＝2×0.8×1m=1.6m3。膨润土泥浆搅拌时间必须大于30分钟，经过充分搅拌的泥浆抽入储浆箱进行水化，水化时间大于6小时，再通过液压注浆泵压入管内，在膨润土泥浆压入以前，对储浆箱内径水化的泥浆再一次搅拌，以减少压浆管道的阻尼。
　　注浆泵站由SYB50／50—II型单缸液压注浆泵和液压动力站组成，注浆量Q＝80L／min，注浆压力P=0.08～0.1MPa，输浆总管由φ2″镀锌钢管和球阀、水暖管件等组成，与管节上各压浆孔接通的环形管，采用φ1″高压软管。
　　6泥水管路系统
　　为了满足本工程对环境保护和长距离顶管的要求，本工程顶进的泥水系统采用石家庄水泵厂生产的砂砾泵。一台放在地面上为送泥泵，另一台放在基坑下为排泥泵，井内布置多台进排泥接力泵。进排泥管路采用无缝钢管，管节接头为卡箍式活络接头。基坑内设有旁通装置等。泥水系统利用Telemole管路系统。砂砾泵型号为两种：基坑内放置一台150TCS型砂砾泵，电机功率37KW－6P，流量220m3/h，管道内采用6/4D-G型砂砾泵，电机功率37KW－6P，流量140m3/h，扬程30m。
　　顶管内开挖的泥浆由泥浆泵通过管路系统排至地面，排至2号顶管井业主指定的排泥场存放。
　　7中继间选择
　　7.1顶力计算
　　参照“顶管工程施工规程”DG/TJ08－2049－2008第7.4.1条，总顶力可按下式估算。
　　
　　式中：F——总顶力（kN）
　　 ——管道与土层的摩阻力（kN），；
　　D——管道外径（m），D=4.16m；
　　——管道顶进长度（m），L=615m
　　——管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2）宜取2～7，根据经验取f＝2kN；
　　——顶管机的迎面阻力（kN），，为顶管机下部1/3处的被动土压力（kN/m2），在第5层重粉质砂壤土，=19.6kN/m3，C=40kPa，φ=15°，顶管机中心深度为20m，计算得＝770kN/m2
　　经计算得，=3.14*4.16*615*2+3.14/4*4.16*4.16*770=26527.1KN。
　　7.2确定控制顶力
　　1.顶进设备允许最大顶力
　　10台2500KN双冲程油缸，总推力为25000KN。
　　2.钢筋砼管最大允许顶力
　　Fmax＝0.25*δ*A=0.25*420*（0.25*3.14*（4162-3502））=4167T＝41670KN。
　　3.顶管工作井最大允许顶力
　　本工程2号顶管工作井允许最大顶力为20000KN。
　　4.控制顶力的确定
　　为保证顶管的顺利和安全，顶管控制顶力取15000KN。
　　7.3中继间布置计算
　　本工程设置一套中继间，布置在顶管机后方30-40m的位置。
　　8触变泥浆减阻措施
　　8.1润滑材料的选择
　　天然的膨润土按化学成分可分为钠基膨润土和钙基膨润土两大类。钠基膨润土无论是理化性能还是工艺性能都比钙基膨润土优越许多：
　　1.吸水以后的膨胀倍数大：钠基膨润土可吸收5倍于自身重的水，膨胀可达自身体积的15倍。而钙基膨润土膨胀仅为自身体积的3倍左右。
　　2.阳离子交换量高。
　　3.在水介质中分散性好。
　　4.胶质价高。
　　5.加热稳定性好等。
　　顶管润滑浆注浆用的膨润土必须是天然钠基膨润土，再经过严格的烘干、粉碎、干燥、球磨、过筛等加工艺，加工成半成品。然后，再根据不同的使用要求，添加各种辅助材料。最后，再对产品进行一系列的试验，合格以后才可包装为成品出厂。
　　8.2触变泥浆的配置
　　浆液的调制也是一个极须引起重视的问题。调制浆液时，必须经过充分搅拌。浆料采用ZJ-400型高速旋流搅拌机进行搅拌，每次最多可搅拌400L浆液。浆液配比为25kg浆料+300kg水，每次搅拌不得低于3min。现场设2m3塑料存储罐4只，搅拌均匀的浆液输送至存储罐中静置2小时以上，充分膨胀以后才能使用。触变泥浆的配方和性能指标见下表
　　配方 膨润土 纯碱 CMC 漏斗粘度
　　（秒） 视粘度
　　CP 失水量
　　ml 终切力
　　（达因/mm3） 比重
　　A浆 15％ 6‰ 2‰ 42″ 32.5 6 150 1.073
　　B浆 12％ 4‰ 1.5‰ 36″ 30.5 9 130 1.063
　　注浆压力：大于地下水压力，注浆量为建筑空隙的6～8倍。
　　8.3注浆减阻
　　注浆分为机头尾部同步压浆和沿线及洞口补浆。机头同步压浆以形成原始浆套，填充固有间隙和纠偏间隙。顶管机附近设1m3储浆灌和注浆泵，同步压浆由设在顶管机附近的注浆泵完成，操作为随顶随压、先压后顶；补浆用以补充管道沿线因润滑浆因液失水而造成的浆套缺失，该操作在顶进时或停止时均可进行。补浆操作方法为从前往后依次开启各个注浆环的阀门，每次只开启一组，每组注浆环应开启足够时间，并有足够量的浆液注入。
　　正常顶进时，注浆或补浆均以控制注浆量为主。注意注浆压力表的变化，发现注浆压力异常升高或降低时，说明注浆管道堵塞活地层或泄漏，都要及时停止顶进分析和寻找原因。
　　9出土方案
　　对2号井至1号井顶进，顶进距离分别为615m，属长距离顶管。由于本工程采用泥水平衡顶管掘进机，管内土方以泥浆形式输送，土方水平运输和垂直运输均采用泵送方式，直接排放至地面业主指定的排泥场存放。
　　为保证长距离顶管出土的顺利，泥水系统选用2台送泥泵和3台无堵塞砂砾泵。进水泵在地面上放置1台，机头后方400m设置一台进泥接力泵，共2台。排泥泵在地面放置1台，机头后方100m处放置1台排泥接力泵，以后间隔400m放置1台排泥接力砂砾泵，共3台。
　　管内弃土泥浆排放至地面泥浆池，管路采用无缝钢管，管节接头为卡箍式活络接头。基坑内设有旁通装置等，泥水系统利用Telemole管路系统，砂砾泵均采用37kW无堵塞砂砾泵。
　　
　　参考文献：
　　[1]郝文峰.顶管工程设计中的顶力计算方法[J]甘肃科技纵横,2004,(04).
　　[2]王卫洁.城市顶管法施工中继间设计选择研究[J]中国科技信息,2005,(10).
　　[3]余彬泉,陈传灿.顶管施工技术人民交通出版社1998年08月01日

《大直径顶管施工技术》

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