泥水平衡法穿高速路顶管施工.doc
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1、泥水平衡法穿高速路顶管施工质量控制 马良柱 (山西省水利水电勘测设计研究院)摘要 山西交城龙门供水工程,需要穿过G20青银公路,土质类型为淤泥或淤泥质土,若采用普通人工挖土顶管方法,路面沉降难以保证,影响高速路正常通行,而采用全封闭泥水平衡大刀盘顶管机顶管施工,比较适合,该机采用了目前先进的泥水平衡原理,具有双重平衡功能,即其端面的刀盘能自动平衡顶进正面土体的土压力,同时,通过对泥水室进行泥水加压,又能平衡地下水压力,这种具有双重平衡功能的顶管掘进机除了施工过程中安全可靠外,该掘进机还具有沉降控制精度高、顶进速度快、便于操作和维修、施工可靠性好等特点,是穿过高速路较适合的施工方法。 关键词 泥
2、水平衡顶管 管道穿高速路 控制路面沉降 质量控制1、工程概况11.1地理位置11.2工程简介21.3工程地质情况21.4水文气象22、施工部署22.1 施工方案选择33、施工方案及工艺33.1顶管机选型33.2施工前准备工作53.3施工方法及流程63.3顶管施工工艺及最大顶力计算123.5顶管进出洞口措施143.6机头偏转及纠正措施163.7挖土、运土的安排及解决173.8顶管施工期间1000 球墨铸铁管保护措施174、质量控制184.4 质量检测制度及程序224.5顶管施工质量规定225、安全目的与安全保障措施225.1 安全保障措施235.2 施工时应注意的安全问题246、 保通方案256
3、.1保通设施256.2夜间施工安全保证措施256.3过往行人、车辆有专人负责疏导交通。266.3施工现场安全警示标志266.4施工现场安全制度267、 应急方案277.1应急方案目的277.2方案合用范围277.3顶管工作坑应急预案277.4路面沉降应急措施277.4路面塌陷应急措施287.4顶管应急预案291、工程概况1.1地理位置山西交城柏叶口水库龙门供水工程是柏叶口水库向交城县供水的配套工程,重要以城市生活和工业供水为主,兼顾农业灌溉。本工程始端取水口设在交城县西社镇沙沟村上游的龙门口,工程末端由西北向东南方向下穿国道G20青银公路后直至交城县既有蓄水池止,线路全长32.434km。1.
4、2工程简介本工程输水管道在国道G20青银高速公路K877+180处下穿通过,管线桩号为32+169.45-32+241.45,下穿方式采用零坡度顶管方式。下穿G20青银高速公路的长度为72m,输水管道与青银高速公路的交角为88.552度,该段顶管的管顶高程为752.720米,地面高程为754.980m,而高速公路的路面高程为758.035米,管顶距地面高度为2.26m,管顶距高速公路路面高度为5.3m,顶管工作井、接受井边沿距高速公路防护网为8m,工作井的长宽深尺寸为1144m,接受井的长宽深尺寸为543.8m。本工程的顶进管采用单节管长为6米DN1000球墨铸铁管。1.3工程地质情况柏叶口水
5、库龙门供水工程输水管线,穿越国道G20青银高速高速公路,该段地形较平坦,地面高程为754.980m,地表地层岩性重要为Q4pal低液限粘土层,局部夹厚度35m的级配不良砂透镜体及低液限粉土,沿线地下水位埋深约4.0m。沿排水渠地段,受排水渠水流的影响,地下水埋深较浅。1.4水文气象工程区内数年平均气温10.112.5,极端最高气温39.9,极端最低气温-27.4;区内降水量分布不均,数年平均降水量为422.2463.8mm,汛期降水量占全年的73%85%,最大月降水量多发生在7、8两个月。霜期9月中旬至10月中旬,终霜期4月上旬至5月上旬,无霜期100170天左右,最大风速22m/s,风向多偏
6、北风,最大冻土深125cm。2、施工部署2.1 施工方案选择穿管段土质类型为淤泥或淤泥质土,若采用普通人工挖土顶管方法,路面沉降难以保证,影响高速路正常通行,而采用全封闭泥水平衡大刀盘顶管机顶管施工,比较适合,该机采用了目前先进的泥水平衡原理,具有双重平衡功能,即其端面的刀盘能自动平衡顶进正面土体的土压力,同时,通过对泥水室进行泥水加压,又能平衡地下水压力,这种具有双重平衡功能的顶管掘进机除了施工过程中安全可靠外,该掘进机还具有沉降控制精度高、顶进速度快、便于操作和维修、施工可靠性好等特点,是穿过高速路较适合的施工方法。3、施工方案及工艺根据本工程的特点,顶管采用泥水平衡法顶进作业,该施工方法
7、可以安全、优质、高效地完毕本次施工任务。3.1顶管机选型选择好顶管掘进机对顶管施工是至关重要的。根据本工程的特点,决定采用全封闭泥水平衡大刀盘顶管机,该机采用了目前先进的泥水平衡原理,具有双重平衡功能,即其端面的刀盘能自动平衡顶进正面土体的土压力,同时,通过对泥水室进行泥水加压,又能平衡地下水压力,这种具有双重平衡功能的顶管掘进机除了施工过程中安全可靠外,该掘进机还具有沉降控制精度高、顶进速度快、便于操作和维修、施工可靠性好等特点。此外,本工程所采用的全封闭泥水平衡大刀盘顶管机还装有主顶速度检测仪、倾斜仪等可对顶进速度、机头旋转、水平倾角自动进行测量,在长期顶管施工中证实是完全适合本工程地质条
8、件的。3.1.1全封闭泥水平衡大刀盘顶管机技术性能序号设备型号NPD式1000顶管机参数1刀盘功率22KW12刀盘规格周边齿轮面板式大刀盘3变速箱型号行星CJ700-G4纠偏油缸顶力30T5纠偏油缸数量4台6纠偏角度2.07纠偏压力42MPa8管道泵数量2台9管道泵功率15KW10排泥管4”1000顶管机结构形式:二段一铰,外形尺寸:总长3.50M,前壳体长1.6M,后壳体长1.90M,外径尺寸为1200。灵敏度:D/L=1.03.1.2全封闭泥水平衡大刀盘顶管机重要特点3.1.2.1特点全封闭泥水平衡大刀盘顶管机除了具有二种平衡机理、自动化限度高、质量易控制等特点外,尚有以下特点:1)可以控
9、制切土口的大小,并且本机型掘进机的刀盘是处在浮动状态,当前方土压力变小时刀盘可自动伸出,相应的切土口会变小,始终保持一定的力,平衡正面的土压力,从而达成避免前方土体塌陷而导致地面沉降。2)当通过含砂量比较大的土层时可适当增长泥浆浓度,在刀盘与前方土体之间形成一层泥膜,可达成稳定前方土体的效果可使顶进面始终处在平衡的最佳状态,有效地控制地表沉降。3.1.2.2与其他型式顶管方法相比泥水式顶管具有以下优点:1)合用的地质范围较广,如碰到地下水位较高以及地质变化范围大的土质条件,它都能合用。2)可保持挖掘面的相对稳定,对周边土层的影响较小,施工后地面沉降也相对较小。3)与其他类型的机种相比,泥水顶管
10、的推力较小,最适宜于长距离顶管。4)工作井内作业环境较好,作业比较安全。由于采用泥水输送弃土,没有吊土、搬运土方等较易发生危险的作业。可以在大气常压下作业。如挖掘面稳定,不会导致地面沉降而影响交通及各种公用管线的安全。5)由于可以连续出土,因此大大提高了推动速度。由于采用了方向诱导装置,使得该机型常规顶速可达成60M/天,并且施工精度极高。3.2施工前准备工作3.2.1地面准备工作3.2.1.1顶管施工前,按常规进行施工用电、用水、排水及照明等设备的安装。3.2.1.2可满足顶管顶进施工的地面基础设施搭建完毕。3.2.1.3顶管顶进所需要施工材料、设备及机具必须备齐、备足;行车或吊机(管节吊运
11、)安装、调试完毕,并通过有关单位验证,可以投入正常运营;管节、止水橡胶圈、衬垫板等备有足够的余量。3.2.1.3整个泥水平衡系统安装并单机调试完毕。3.2.1.5井上、井下建立测量控制网,并经复核、认可。3.2.2顶管现场布置当顶管工作井制作结束后,应立即撤离有关材料和设备,顶管采用吊机用于工作井起重作业。在工作井实行全封闭隔离,并建筑必要的生产临时设施,要保持施工现场的文明、安全和卫生整洁。进行井内钢扶梯和护栏是施工中的安全要点,必须按有关安全标准制作。在施工围护范围内设立办公室、仓库、配电间、操作间、油库、料具间、泥浆沉淀池、布置膨润土材料工棚和拌浆,储浆以及注浆设备等。现场施工采用25T
12、吊车。3.3施工方法及流程3.3.1工作井制作采用拉森钢板桩制作工作井3.3.1.1钢板桩的选用 根据工程所在地场地特点,结合钢板桩的特性、施工方法等方面进行考虑,选用的拉森型钢板桩,拉森型钢板桩宽度适中,抗弯性能好,其重要技术参数为:W=1600cm3,g=60kg/m,依地质资料及作业条件决定选用钢板桩长度12m。 3.3.1.2打桩设备 投入钢板桩打拔桩机1台及25t吊车1辆用于施工。振动锤为日本产NPKHP7SXB型,激振力200kN。 3.3.1.3钢板桩理论用量计算:钢板桩工作井周长计算:11232=30m钢板桩根数计算:角桩采用0.2m0.2m,共3片,(30-0.33)/0.3
13、=71片,71375片3.3.1.3工作井制作1)工作井平面位置放样准拟定位工作井平面位置,保证钢板桩打入准确性。2)钢板桩打入总体施工流程钢板桩工作井一侧中心开始打入第一片钢板桩,然后逐步向两边插打,在工作井另一侧合拢,最初的一、二块钢板桩的打设位置和方向要保证精度,以起到样板的作用,每完毕3米测量校正1次,保证在同一直线上,钢板桩合龙通过精确计算,拟定合拢口位置,保证钢板桩工作井密封性。3)钢板桩内开挖及支撑当桩内挖深至1.5m处,暂停开挖,桩内四周用I36工字钢支撑及连接钢板桩,拐角处用工字钢斜撑,保证钢板桩稳定性。支撑完毕后开挖至工作井设计底高程。4)工作井基底清理及混凝土封底浇注开挖
14、至设计底高程后,抛碎石20cm,人工整平后进行混凝土封底浇筑,封底混凝土强度等级采用C20,厚度为20cm。5)后靠背侧压力力计算RB(h1Kp)(2 h2+h1+h3)(2 K2)式中:R计算最大顶力(1351.3KN) B承压壁宽度(2.3m) h1承压壁主围护桩桩顶高度(1.6m) h2承压壁高度(2.2m) h3承压壁主围护桩桩底高度(8m) 土的天然重度(18.3 KN/ m3) Kp被动土压力系数;Kp= tg2(35+/2) 土的内摩擦角(30.5) K2工作井土体的稳定系数,取1.1。根据设计图,h1=1.6m, h2=2.2m, h3= 8m,B=2.3m,B(h1Kp)(2
15、 h2+h1+h3)(2 K2)=1.318.31.63.061321.1=3000 KN 1351.3KN 满足规定3.3.2顶管工作井内布置工作井内布置重要是后靠背、导轨、主顶油缸、油泵车、钢扶梯等。具体参见“顶管工作井内布置图”。3.3.2.1止水装置安装顶管施工过程中对洞口止水装置的密封性能规定较高,施工中应严格按设计规定进行止水装置安装。3.3.2.2导轨安装顶管导轨的定位准确与否,将直接关系到此后顶管的顶进轴线的准确性,故顶管导轨位置需按设计轴线进行准确放样,避免顶管出洞出现的“磕头”现象。1)本工程导轨由型钢和钢板焊接而成,在工作井底板基础上应事先预埋钢板,预埋钢板的位置与导轨相
16、吻合,以便导轨与之焊接。预埋钢板上的锚固钢筋要焊牢并有足够的锚固强度,导轨安放后,还应在两侧用型钢支撑好,以保证其牢固,必要时再浇筑混凝土,保证导轨在受撞击的条件下,不产生位移,不变形。2)在安装导轨时,应时刻检查两导轨是否顺直、平行、等高,其纵坡应与管道设计坡度一致。3)导轨安装的允许偏差:轴线位置允许偏差为3MM;顶面高程允许偏差为0+3 mm;两轨内距允许偏差为2 mm。3)安装后的导轨应牢固,严禁在使用中产生位移,并应经常检查校核。3.3.2.3主顶油缸安装本工程主顶进系统共有2只200T单冲程等推力油缸,行程1700mm,总推力300T,2只主顶油缸组装在油缸架内,安装后的2只油缸中
17、心位置必须与设计图一致,以使顶进受力点和后座受力都保持良好状态。安装后的油缸中心误差应小于10 mm。具体安装规定如下:1)千斤顶宜固定在支架上,并与管道中心的垂线对称,其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。2)千斤顶油路应并联,每台千斤顶应有进油、退油的控制系统。3.3.2.3油泵安装和运转主顶液压动力机组(即油泵)由二台大流量斜轴式轴向柱塞泵供油,采用大通径的电磁阀和系统管路,减小系统阻力,油缸可以单动,亦可联动。主顶系统由PLC可编程序计算机控制,并采用变频调速器实现流量的无级调速。主顶系统操作台设在地面控制室内。油管布置时应顺直、转角少。除此之外还应注意以下几点:1)油泵在选择时应与千
18、斤顶相匹配,并应有备用油泵;油泵安装完毕,应进行试运转。2)顶进开始时,应缓慢进行,待各接触部位磨合后,再按正常顶进速度顶进。3)顶进中若发现油压忽然增高,应立即停止顶进,检查因素并经解决后方可继续顶进。3)千斤顶活塞退回时,油压不得过大,速度不得过快。3.3.2.5顶铁的选择、安装和使用本工程在顶管施工时,将采用U型顶铁及环形顶铁。1)顶铁的安装和使用a安装后的顶铁轴线应与管道轴线平行、对称,顶铁与导轨和顶铁之间的接触面不得有泥土、油污。b更换顶铁时,使用的顶铁长度应符合施工规定;顶铁拼装后应锁定。c顶铁的允许联接长度,应根据顶铁的截面尺寸拟定。当采用截面为20cm30cm顶铁时,单行顺向使
19、用的长度不得大于2.0m;双行使用的长度不得大于3.0m,且应在中间加横向顶铁相联。d顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫,当顶力接近管节材料的允许抗压强度时,管端应增长U形或环形顶铁。e顶进时,工作人员不得在顶铁上方及侧面停留,并应随时观测顶铁有无异常迹象。2)顶铁的质量规定:a顶铁应有足够的刚度。b顶铁宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型;当采用焊接成型时,焊缝不得高出表面,且不得脱焊。c顶铁的相邻面应互相垂直。d同种规格的顶铁尺寸应相同。e顶铁上应有锁定装置。f顶铁单块放置时应能保持稳定。顶管工作井布置图3.3.3管内布置管内布置图3.2.3垂直运送和水平运送布置本工程垂直运送采用25T汽车
20、吊,水平运送分为管内运送和场内地面运送。由于本工程采用的是泥水平衡顶管,100A排泥管代替了人工管内土方运送。3.2.5顶管机吊装就位、调实验收在顶管机吊下井后,为保证顶管出洞段的轴线控制,需要对顶管机进行精拟定位,尽量使顶管机中轴线与设计轴线相符。在顶管机准拟定位后,必须进行反复调试,只有在拟定顶管机运转正常后,方具有顶管出洞条件,以保证顶管出洞和此后的顶进顺利。3.2.6技术交底、岗位培训在顶管施工前,对参与施工人员按阶段进行具体的技术交底,使施工人员全面了解施工中也许出现的各个工程难点,并努力提高施工人员的质量和安全意识。3.2.7顶管动力3.2.7.1顶管动力配套序号设备名称数量功率(
21、KW/h)1刀盘电机1222纠偏油泵电机11.53机头液压动力站电机2153注浆泵电机235排泥泵1226进水泵115合 计93.5进排泥泵:我们选用进水泵送清水,排泥泵作为排泥浆。泥水管路系统:涉及泥水钢管、泥水软管、手动明杆式闸阀、流量系统、隔阂式压力等。动力电缆设立:管内设立二路电缆,按其配套动力负载功率,选择电缆规格,供电采用TN-S方式,三相五线制移动电缆装接。为防止顶距加长后的电压降问题,必要时,我们将在中间设立升压变压器增压,同时放大电缆截面,以减少电阻,电缆接头采用电缆接头箱。3.3顶管施工工艺及最大顶力计算3.3.1顶管施工工艺 3.3.2顶管施工周期 注浆、辅助系统安装 1
22、天 测量及导 主顶、后座 机头拼装 联机调试 轨安装 系统安装 及调试 出洞施工 推动施工 0.5天 0.5天 0.5天 1天 60m/1天 1天 进 设备转场 洞 3天3.3.3推动最大顶力计算根据设计图纸显示,该段顶管工作井顶管接受井,1000-72。FF1+F2其中F-总推力Fl-迎面阻力 F2-顶进阻力F1/3D2P(D-机头外径1.2M P-控制土压力)PK。H。式中K。-静止土压力系数,一般取0.55Ho-地面至掘进机中心的厚度,取最大值6M-土的重量,取1.9T/M3P0.556.01.9=6.27T/M3F11/31.22 6.277.09TF2DfL=3.131.180.38
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