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矩形顶管穿越建构筑物专项施工方案.doc
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1、目 录一、编制依据1二、工程概况12.1 工程位置12.2 工程地质12.3 沿线交通情况1三、施工风险分析及评估2四、总体施工方案2五、顶管施工对建构筑物的影响分析35.1 原因分析35.2、施工影响范围计算45.3 地面沉降的控制55.4、顶进施工参数的控制7六、顶管穿越建构筑物施工方法86.1、施工前筹划86.2、施工过程控制86.2.1控制开挖面的土压力86.2.2推进速度86.2.3出土量控制96.2.4管外壁完整泥浆套的建立96.2.5渣土改良106.2.6及时纠偏116.2.7 浆液置换126.2.8加强监测126.2.9动态信息传递126.2.10突发事件控制及对策136.3、
2、穿越建构筑物的监测技术136.3.1 监测点布置136.3.2监测方法136.3.3监测精度136.3.4报警值136.3.5监测资料提交13七、施工应急预案147.1、建立现场施工风险防范和应急管理组织147.1.1组织机构职责147.1.2现场应急领导小组职责147.1.3通讯联络小组职责157.1.4技术支持小组职责157.1.5现场抢险小组职责157.1.6后勤保障组职责157.1.7医疗救护组职责157.2、应急措施157.2.1 地面沉降157.2.2 地面坍塌177.2.3 孤石处理177.2.4地铁1号线区间变形187.2.5施工监护187.2.6紧急联络措施187.2.7应急
3、交通组织安排187.3、应急物资储备197.4、应急联系电话19八、应急演练20一、编制依据(1)深圳地铁11301标附属结构顶管区间图纸、地质资料等技术资料;(2)顶管及城市地下铁道施工相关技术规范及地方性法律法规;(3)顶管工程设计与施工、大型地下顶管施工技术原理及应用、顶管施工技术及验收规范等;(4)对本工程区间隧道沿线周边情况的实地调查。二、工程概况2.1 工程位置工程位于深圳市福田区深南大道与香蜜湖立交桥交叉口,采用矩形顶管施工,包括J通道、特发通道和I通道,矩形顶管均下穿深南大道,并与车公庙枢纽综合体相接,如图2.1所示:图2.1 矩形顶管平面布置图2.2 工程地质J通道顶管位于淤
4、泥质砂土层,上部局部覆盖素填土,上部埋深3.8m;特发通道顶管位于淤泥质砂土层,上部局部覆盖素填土,上部埋深4.15m;A通道顶管位于淤泥质砂土层,上部局部覆盖素填土,上部埋深4m。2.3 沿线交通情况顶管施工场地位于深南大道以北绿化带内,车行方向为由东向西。经过场地硬化、交通疏解后,工程车辆均可直接进入施工场地内。矩形顶管顶部距离现状深南大道约4m,J通道、特发通道均上跨沿深南大道既有的深圳地铁1号线区间,其中J通道距区间初期支护的净距离为1.4m,特发通道距区间初期支护的净距离为1.5m。深南大道图2.2 矩形顶管剖面图三、施工风险分析及评估(1)本工程顶管区间隧道横穿深南大道,距离深南大
5、道地面距离约3.84m。作为深圳市城市主干道,不允许长期中断交通,顶管施工可能会造成路面隆起、沉降、塌陷,造成严重的社会影响。(2)顶管上穿地铁1号线,与地铁1号线初支最小距离仅为1.5m,在顶管穿越既有线路前要考虑地层的稳定性、顶管机自身荷载和1号线机车运营过程中产生的动力荷载等一系列制约因素,避免较大的扰动是掘进过程中需要考虑、解决的重点和难点。四、总体施工方案根据沿线环境保护要求及顶管法施工特点,施工过程中主要从顶管操作方面入手来减少地表沉降,避免较大扰动并配以其它辅助措施,确保顶管施工影响范围内道路的安全。五、顶管施工对建构筑物的影响分析5.1 原因分析由于顶管施工引起管道周围土体的松
6、动和沉陷,从而导致附近地区的建构筑物产生变形、沉降或位移。主要包括以下几方面:(1)管道周围土体应力状态的变化由于顶管顶进靠后座千斤顶的推力,因此只有千斤顶有足够的力量克服前进过程所遇到各种阻力,才能前进,同时这些阻力反作用于土体,产生土体附近应力,引起土体变形甚至破坏。(2)管道与土体之间间隙的的变化顶管管道与土体之间存在施工间隙,如果施工间隙不能及时注浆填补,上部及侧向土体向管道坍落,覆盖层出现一些附近的间隙或裂缝,密实度降低。受扰动破坏的土体,要经过较长时间的固结和次固结,逐步恢复到原始应力状态。(3)土体的位移影响受顶管顶进的影响,管道前后、左右、上下各部位土体的位移的状态不同,管道后
7、面的土体表层表现为垂直下沉,深层土随顶管拖带向前的水平位移,土体和浆液固结、次固结沉降都使土体产生向下的位移变形,如图5.1所示:图5.1 顶管掘进时地表位移分区图顶管掘进施工引起土体变形如表5.1所示:表5.1 顶管掘进施工引起的土体沉降地面变形区段沉降类型变形状态及原因1初始挤压或塌陷管道掘进面土体受挤压面压密或掏空2顶管工作面前方的土体隆起或沉降工作面处施加的土压力:过大时向上隆起,过小时向下沉降3顶管通过的沉降土体施工扰动,顶管与土体间剪切,出土量过多4顶管与土体间隙引起的沉降注浆不及时或注浆不足5后期土体次固结沉降土体后期时效变形(蠕变)5.2、施工影响范围计算采用经验公式对顶管隧道
8、施工影响范围及地表沉降分布规律进行预测,进而确定顶管施工对周边环境的影响范围。目前,工程实践中实用的经验公式是Peck公式(Peck,1969)和一系列修正的Peck公式。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的,所以沉降槽体积等于地层损失的体积。地层损失在隧道长度上是均匀分布的。地面沉降的横向分布类似正态分布曲线,如图5.2所示。Peck公式为:式中:S(x)距离隧道中线x处的地面沉陷量;x距离隧道中线的距离;Smax隧道中线的最大地面沉降量;i沉陷槽的宽度系数,最大沉降量采用下式估算:Vs沉陷槽容积(等于顶管施工引起的地层损失)。i沉陷槽的宽度系数;即沉陷曲线反弯点的横坐标,
9、i可由公式或查peck图表得到。式中:Z隧道埋深;隧道覆土有效内摩擦角。根据经验,地面横向沉陷槽宽度W/22.5i。 根据Peck公式估算得:地表沉陷槽宽度最大约为10m 16m,从两侧向中间均匀沉降。5.3 地面沉降的控制1、开挖面土压力控制法对顶管机提供的压力进行监控,测定地表沉降、土层变形移动和土压力,通过参数优化,按测试结果实时调整,修正施工参数,以保持开挖面的稳定。2、排土量控制法严格控制排土量,一般为理论值的98%。3、注浆压力和注浆量的控制在顶管掘进过程中,应以适当的压力、必要的注浆量和合理配比的压浆工艺,在管道周围的环形空隙中进行同步注浆和补浆,既能减小摩擦阻力,又能起到控制或
10、减小地面沉降的作用。(1)注浆压力注浆压力应该稍大于该处的静止水压力、土压力之和。注浆压力不能过大,防止管片后背土层收到劈裂扰动,而造成过大的后期沉降与跑浆;而注浆压力过小,则浆液充填过慢。间隙填不密实,地表变形也将加大。在实践中,多取注浆压力为1.1 .倍静止水压力、土压力,通常采用0.30.4MPa。(2)注浆量理论上注浆量可按下式计算;V=(A*B-a*b)*k式中 A顶管机机头外径长度 B顶管机机头外径宽度 a管节外径长度 b管节外径宽度k管节纵向长度由于顶管纠偏、跑浆和浆液的失水收缩等因素,实际上用的注浆量一般取36V。一次注浆不足的,因为浆液要流失,所以需要视实际情况补浆。4、顶管
11、轴线纠偏控制保证顶管顶进中的轴线定位走向与设计轴线尽可能一致,减小纠偏量,能有效控制因纠偏对周围土层的剪切挤压扰动,也有利于控制建筑间隙和地层损失。需要注意的是一次纠偏量不能过大,否则可能造成超挖,影响周围土体的稳定,所以要做到“勤测勤纠”。5、外部控制根据顶管顶进施工安全专项施工方案专家评审意见,顶管上部覆土较浅,施工中地面沉降控制难度较大,为保证深南大道道路行车安全,顶管顶进部位道路面拟采用30mm厚钢板进行铺设。钢板共6块,拼接成一个整体,面板焊接螺纹钢筋防滑,钢板中心与顶进中心重合,并随顶进前移(下半夜车流量小时移动钢板)。 图5.2 顶管掘进地面铺设钢板图5.4、顶进施工参数的控制1
12、、初始顶进(1)、土压力设定实际土压力的设定值介于上限值与下限值之间,为了有效的控制轴线,出洞时,宜将土压力适当提高,同时加强动态管理,技术调整、(2)、顶进速度初始顶进速度不宜过快,一般控制在510mm/min(3)、出土量加固区一般控制在105%左右,非加固区一般控制在95%左右。2、正常顶进(1)、土压力设定结合实际施工经验,实际土压力的设定值介于上限值与下限值之间。(2)、顶进速度一般情况下,顶进速度控制在1020mm/min。(3)、出土量严格控制出土量,防止超挖机欠挖,正常情况下出土量控制在理论出土量的98%。3、通过试顶进调整参数顶管机在出洞后顶进的一段距离可作为顶进试验段。通过
13、试验段顶进熟练掌握顶管机在工程地层中的操作方法和顶管机推进各项参数的调节控制方法,熟练掌握触变泥浆注浆工艺、测试地表隆陷、地中位移等。六、顶管穿越建构筑物施工方法6.1、施工前筹划施工前对沿线顶管施工影响范围内的建构筑物进行全面的调查,收集相关资料,针对需要重点保护的建构筑物,提前作出预案,并准备相应材料设备。6.2、施工过程控制顶管掘进过程中应该尽量保证顶管的最佳推进状态。所谓最佳顶管推进状态,是指顶管推进过程中参数的优化及匹配,具体表现为推进中对周围地层机地面的影响最小。开挖面土压力、推进速度、同步注浆、纠偏等参数的优化组合,是减小顶管推进引起的地层变形的关键。6.2.1控制开挖面的土压力
14、保持开挖面的土压力的平衡可以减少开挖面土体的坍塌、变形、土体损失等,从理论上来说,如果顶管机提供的压力和静止土压力相当,则周围土体受到的扰动就很小,地面也不会出现大的变形。根据Rankine土压力理论进行计算:P=krzk:软土的侧向系数(参考基坑开挖手册)r:土的容重z:覆土深度P上=0.7*18*4=50.4KN/m2 P下=0.7*18*8.8=110.8KN/m2 P上:管道顶部的侧向土压力 P下:管道底部的侧向土压力(1)计算值作为土压力的最初设定值,在实际顶进后,通过顶进参数、地面沉降监测,进行动态调整。(2)精确统计出每节管节的出土量,力争使之与理论出土量保持一致,以保证正面土体
15、的相对稳定。(3)在顶进时应对顶进速度作不断调整,找出顶进速度、正面土压力、出土量的最佳匹配值,以保证顶管的顶进质量。6.2.2推进速度速度的选取是为了保证土体不被过量挤压,因为过量的挤压必定会增加地层的扰动。如果推进速度过快,密封舱内土体来不及排除,会造成土压力失稳。初始阶段不宜过快,一般控制在510mm/min左右,正常施工阶段可控制在1020mm/min左右。6.2.3出土量控制严格控制出土量,防止超挖或欠挖,正常情况下出土量控制在理论出土量的98%102%,一节的理论出土量为48.5m3。顶管工程中,管内的出泥量要与顶进的取泥量相一致,出泥量大于顶进取泥量,地面会沉降,出泥量小于顶进取
16、泥量,地面会隆起这都会造成管道周围的土体扰动,只有控制出泥量与顶进取泥量相一致,才不会影响管道周围的土体,从而才能维护地面不受影响,而要作到出泥量与取泥量一致的关键是严格控制土体切削掌握的尺度,防止超量出泥。6.2.4管外壁完整泥浆套的建立完整泥浆套的建立可以避免管外壁产生背土现象,从而有效地控制地面沉降的发生。在顶管掘进过程中,应当以适当的压力、必要的数量和合理配比的压浆工艺,在管道背面的环形空隙中进行同步注浆和补浆,既能减小摩擦阻力,又起到控制或减小地面沉降的作用。实际施工中,根据土质情况以及土壤含水率的大小来决定注浆的措施、注浆时间等。A、主要材料包括:膨润土、水、纯碱Na2CO3和CM
17、CB、材料的配比通常为:水:膨润土=(45):1膨润土:掺合剂=(2030):1相当于:水:膨润土:纯碱:CMC=400:100:20:20C、顶管施工所用触变泥浆的性能主要由以下5个指标来控制:比重:用于顶管施工的泥浆比重通常为1.1-1.16g/cm3。(泥浆比重计测定)静切力:测定静切力一般用1min和10min两个标准的终切力,一般很小,约100Pa左右,在实际顶管施工中可以不予考虑。粘度:现场施工一般采用漏斗粘度,用漏斗粘度计进行测量,单位是秒(s)。顶管施工采用的触变泥浆粘度较大,一般大于30s。(漏斗粘度计)失水量:用于顶管的泥浆要求有较小的失水量,大于25cm3/30min的,
18、不宜用于顶管施工。稳定性:指泥浆性能保持不变的持久性,以24小时后从泥浆中离析出来的水分与原体积的比作为稳定指标。用于顶管的泥浆要求无离析水。D、泥浆拌制采用泥浆搅拌机进行制浆,浆液配制、搅拌、膨胀时间,按照规范进行。一般提前24小时拌制,以便膨润土充分膨化,使用前必须先进行试验。E、注浆施工(1)压浆方式遵循“先压后顶,随顶随压,及时补浆”的原则,要以同步注浆为主,补浆为辅。在顶进过程中,要经常检查各推进段的桨液形成情况。(2)注浆设备和管路要可靠,具有足够的耐压和良好的密封性能。在注浆孔中设置一个单向阀,使浆液管外的土不能倒灌而堵塞注浆孔,从而影响注浆效果。(3)触变泥浆的注浆量,可按照管
19、道与其周围土层之间的环状间隙体积的2-3倍估算。以1环为例:2*(6.92*4.67-6.9*4.65)*1.5=0.7m3。(4)注浆压力P在施工现场也可以取=(23)184=144216Kpa。其中:土的重度,kN/m3;H管道顶部以上覆盖土层的厚度,m;(5)在注浆过程中,应根据减阻和控制地面变形的实际监测数据,及时调整注浆流量和注浆压力等工艺参数。6.2.5渣土改良顶管机在顶进过程中如果遇到不良地层,则必须通过设在顶管机主轴中间的注浆孔向土仓内注入改良土体用的粘土等作泥材料制成的浆液。加入这种作泥材料浆液以后的砂或砂砾土,不仅流动性和塑性变好了,而且止水性能也好。有这样良好的土水性的土
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