泥水平衡顶管施工技术的应用

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  机头的水压,保证内部压力平衡。
  七)进出洞口的止水措施
  顶管施工中的进出洞口作业是一项很重要的工作,施工中应充分考虑到它的安全性和可靠性。尤其是从工作坑中的出洞开始顶管,如果出洞安全、可靠又顺利,那么可以说顶管施工已成功了一半。许多顶管工程就是失败在进出洞口这两个环节上。摘要:目前,泥水平衡顶管施工具有良好的作业面、较小的顶推压力以及快速的施工过程越来越多的受到专业的肯定。本文结合工程实际,对泥水平衡顶管施工技术在工程的应用探讨,以供类似工程参考。
  一、泥水平衡法顶管的特点
  一)施工特点
  1、应用广泛,可以在各种土质中应用。
  泥水平衡顶管施工可适用于粘土、砂砾土、砂层等地质条件,在地下水位高、地下水压大、水压变化范围大的土层使用泥水平衡顶管,能有效的减少周围地层的扰动性,维持土质挖掘面上的平衡;
  2、施工总推力小,适合长距离顶管施工;
  3、工作井施工环境好,操作安全可靠;
  4、泥水平衡顶管的连续作业性强,施工速度快。
  二)技术特点
  1、泥水平衡法的驱动功率大,掘进机的驱动功率对土层的适应能力较强,会随着土层的加深变大,掘进机刀盘可以将岩层破碎后留下的大块岩石进行二次破碎,通过泥浆运输出来。
  2、自动化程度高。掘进机的电气系统可以用编程控制器进行控制,减少人工操作的失误,提高电气系统的可靠性。
  3、可以控制方向。掘进机的机头有较高的灵活性,能有效的纠正偏差的角度。
  4、泥水运输能力强。受地质条件的限制,输送的泥水中有许多碎石,硬土块,其他碎块,所以对泥水系统的输送能力有较高的要求。
  三)泥水平衡法顶管施工的限制条件
  1、一般情况下,管顶覆土厚度不得小于3米,或不小于管道直径的1.5倍;水下顶管管顶覆土厚度不宜小于6米,否则,安全风险太大。
  2、管道穿越地层土的稳定系数

宜大于等于6,土壤渗透系数宜小于10-1cm/s,且不宜透气。否则,可能造成泥浆流失,难以形成泥水压平衡。
  3、近接施工时,水平方向应保持1.0米,竖直方向应保持1.5米的安全距离。
  二、工程简介
  本工程道路全长约 1.1KM,路幅总宽 18m污水管线设计管位位于道路中心西侧 4.5 m,其中约 700 m道槽深在 6-7m间。由于管道埋深深、土质差(基本为中液限粉质土、粉土层)、地下水丰富且管线附近建筑物杆线等因素影响,为确保污水管道施工质量及安全该段污水采用泥水平衡顶管方案施工。本文主要介绍工程采用的泥水平衡顶管施工技术。
  三、工程施工工艺
  一)主要施工工藝流程测量引点→工作井、接收井施工→测量放样→井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备安装→地面辅助设施安装→顶管掘进机吊装就位→激光经纬仪安装→掘进机出工作坑→正常顶进→顶管机进接收坑。
  二)沉井施工
  1、本项目工作井接收井均采用钢筋砼沉井,工作井沉井尺寸分为 6 米*6 米和6 米*3 米两种;接受井沉井为尺寸为 3米*3.5 米。
  2、沉井制作下沉流程
  井位放样→开挖 2 米上层土→测量放样恢复井位→下节沉井钢筋模板制作浇筑砼→养护 7 天后挖土下沉→上节节沉井钢筋模板制作浇筑砼→养护 7 天后挖土下沉到位→沉井封底→后背墙砼浇筑。
  3、沉井下沉注意事项
  (1)沉井下沉时,井内除土应先从中间开始,均匀、对称地逐步向刃脚处分层取土,使沉井均匀下沉,防止偏斜,特别是下沉初期尤应注意。
  (2)该项目采用长臂挖机配合人工挖土,挖土下沉过程中,应做好标高、下沉量、倾斜和位移的测量工作、随时注意纠正沉井的偏斜。
  (3)沉井下沉至设计标高以上 2m 前,控制井内除土量,注意调平沉井,防止因除土量过大及除土不均,而使沉井突然大量下沉并产生较大的偏斜,增加准确下沉至设计标高的困难。
  (4)因部分沉井离构筑物较近,在下沉时,应观测周围构筑物的沉降、位移及裂缝情况,以便迅速采取措施,确保附近设施的安全。
  三)泥水平衡顶管施工设备
  本工程使用的主要设备三原重工制造的 YX-1500 型泥水平衡偏压破碎型顶管机。泥水平衡式顶管主要设备见下图:
  四)管道顶进
  顶管推进机(俗称机头)被主顶油缸向前推进,掘进机头进入止水圈,穿过土层到达接收井,电动机提供能量,转动切削刀盘,通过切削刀盘进入土层。挖掘的土质,石块等在转动的切削刀盘内被粉碎,然后进入泥水舱,在那里与泥浆混合,最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。在挖掘过程中,采用复杂的泥水平衡装置来维持水土平衡,以至始终处于主动与被动土压之间,达到消除地面的沉降和隆起的效果。掘进机完全进入土层以后,电缆、泥浆管被拆除,吊下第一节顶进管,它被推到掘进机的尾套处,与掘进头连接管顶进以后,挖掘终止、液压慢慢收回,另一节管道又吊入井内,套在第一节管道后方,连接在一起,重新顶进,这个过程不断重复,直到所有管道被顶入土层完毕,完成一条永久性的地下管道。
  五)顶进测量控制   掘进机在掘进过程中,采用了激光导向控制系统。位于工作后方的激光经纬仪发出激光束,调整好所需的标高及方向位置后,对准掘进机内的定位光靶上,激光靶的影像被捕捉到机内摄像机的影像内,并输送到挖掘系统的电脑显示屏内。操作者可以根据需要开启位于掘进机内置式油缸进行伸缩,为达到纠偏的目的,调整切削部分头部上下左右高度。在整个掘进过程中,甚至可以获得控制整个管道水平、垂直向 30cm 内的偏离精度。
  六)泥水系统
  泥浆系统有二个作用:送走被挖掘出的渣土和平衡地下水。泥浆系统是由密封的管道组成,通过机头循环,形成泥浆混合物,由排泥管送走,最后沉淀在地面上的泥浆池内,泥浆通过众多的排泥泵被排出。再由进水泵进水送入机头,排泥由变速的排泥泵进行控制。机坑旁通装置可控制进排泥浆的速度、方向,以防止泥渣堵塞管道,淤积现场。当挖粘土时,可能使普通粘土,有一定的粘合度,可以直接将泥浆排入泥浆池内,但是当挖沙土时,泥浆中必须添加一定的粘合剂(诸如膨润土等)以增加泥浆粘度,以达到排渣的最终目的。
  进排泥水系统起着第二个作用:在有地下水存在的地方,掘进机表面的压力可以降低到小于水中的压力。这样避免了抽地下水的需要。进排泥水系统中的压力感应器可测出地下水的压力。机内泥水循环系统,电磁阀,旁通装置及载水阀可以起到调节水压的作用。机内电磁阀和旁通系统,可以阻止水压的变化,保持水压,在加管道时,不至于减小
  顶进前,为防止洞口处的水土沿工具管外壁与洞门的间隙涌入工作井,在工作井内洞口处安装一道环形橡胶止水圈。在顶进施工过程中又可防止减摩浆从此处流失,保证泥浆套的完整,以达到减小顶进阻力的效果。
  在机头进洞时因土体是流沙,地下水位高,土体松软,地基承载力差,
  钢索塔节段吊离平台并调整好节段倾斜度后,塔吊继续起钩,将节段吊至索塔已安节段上方,然后吊钩缓缓下落,在手拉葫芦的辅助下,将待安节段与已安节段进行对接。为使后一节段能够较容易地定位,在对接的两节段间塔壁内侧安装轴套式匹配装置和导向板(导向板为导向作用,非结构物,由工厂制作并参与工厂预拼装)。节段临时对接后即可以解除吊钩,通过安装在箱内的上下牛腿及千斤顶进行节段顶面标高和平面位置的调整,直至上口位置满足要求为止,然后按工艺要求进行栓接和接焊缝焊接,经无损伤检测合格后,完成一个节段的安装。
  3)、钢索塔节段安装操作平台
  钢索塔节段安装操作平台采用型钢制作成桁架形式,布置在每一段索塔节段顶口外侧,成围闭状态,操作平台与节段顶口塔壁通过φ20mm高强螺栓连接,上下平台间通过设置索塔外爬梯连接。操作平台在每个节段吊装前安装到位与节段同时起吊。
  4)、钢索塔节段安装抗风措施
  由于钢索塔节段安装施工要经过台风期,因此需做好防台预案,在台风来之前设置抗风缆将索塔与临时墩、钢箱梁或辅助墩承台连接固定,防止索塔因台风的影响而发生振动。
  4.3、钢塔柱安装测量及线形控制要点
  钢塔柱的制作、架设安装精度要求很高,由于塔柱节段不可能在工厂内对其进行全塔立式匹配,因此在桥位架设鋼塔过程中必须进行精密测量,以获得钢塔精确的三维空间坐标数据,供监控部门进行监控和修正。
  钢塔柱安装线性控制应注意以下几点:
  1)、每节塔柱端面展开下料均为曲线,应采用计算机放样,等离子或激光切割,减少切割变形;每节段端截面平面度应控制在0.25mm之内,以保证节段间连接光顺;
  2)、工厂内进行塔柱节段加工时,应采用4+1的模式,并设置相应的导向和定位件,这是保证塔柱安装线形的关键;
  3)、钢塔柱加工及现场对接焊接时,应严格按照工厂制定的施工工艺进行焊接,控制焊接变形;
  4)、采用满足钢塔柱节段安装测量精度要求的高精度全站仪和精密水准仪;
  5)、钢塔对温度的变化极为敏感,每次测量时间应选择在夜间温度稳定时段进行;
  6)、倾斜塔柱自重对塔身轴线的影响应进行计算分析,在节段安装时据此进行预偏调整,设置临时索进行张拉,平衡自重产生的偏位;并根据施工实测数据对理论计算值进行修正,确保塔身轴线符合设计。
  5.钢索塔施工注意事项
  姚江大桥的索塔施工为特高空作业,潜在安全隐患比较多,极易发生安全事故,针对高空施工过程中的安全隐患的特点,我们将制定严格的索塔高空施工安全措施:
  ⑴.强调吊装作业的危险性,所有作业人员必须有医院出具的登高作业证明。
  ⑵.凡进入场地进行索塔作业人员必须正确使用安全帽、安全带、安全网、穿软底鞋,严禁酒后登高,并应清除鞋底泥砂油垢。
  ⑶.钢塔节段纵向移动时要做好一切准备工作,要求一次到位,不允许中途停顿。
  ⑷.索塔进行安装时,要经常注意安全检查,每安装一节必须进行一次全面安全检查,发现问题要停止工作并及时处理后才能继续作业。不允许机械电气带故障工作。
  ⑸.五级风以上严禁作业,停止工作时要切断电源,以防发生意外。
  ⑹.索塔施工作业人员必须听从现场的指挥和安排作业,有好的方法和建议必须提请讨论,得到现场总指挥的同意方可实施,不得自作主张私自更改作业方案。
  ⑶滤网:井管外裹1层80目的锦纶滤网;
  ⑷滤料:井管与井孔间的孔隙采用粗砂回填作为反滤层;
  ⑸成孔设备:采用GPS-10型地质钻机及3PNL型泥浆泵等配套设备;
  ⑹抽水设备:采用流量3m?/h的潜水泵抽水,并根据实际情况更换出水能力适合的水泵,降水井结构见图2。
  图2降水井结构图
  五、井管施工工艺及技术要求
  (一)工艺流程
  施工准备—放样—钻机就位—钻进—清孔换浆—井管安装—投滤料—洗井—安装抽水泵—抽水。   (二)技术要求
  成孔:准备工作完成后开始钻孔,整孔采用一径到底,钻进过程中注意观察返浆,记录地层情况,考虑抽水期间沉淀物可能达到的沉积高度所产生的影响,成井深度大于设计深度30~50cm,并保证钻孔圆正垂直。钻孔过程中采集土样,核对含水层所在部位和土的颗粒组成。
  清孔:井管下孔前进行清孔作业,清孔采取注入清水置换,清孔完成测定井深。
  井管安装:清孔结束后立即吊装井管,安顺序先放已一段封死的滤管,在依次焊接,每节管焊接对直,确保井管位于孔中间,以保证井管与孔壁间间距不小于150mm,管井与孔壁间的空隙用滤料填实,再在离空口1m的位置用黏土填实。
  洗井:管井安装完成后应及时进行洗井,一口井能否发挥作用,取决于洗井的质量。洗井常用活塞法或空压机压气清洗发,该工程采用空压机压气洗井,即成井结束后,接上空压机进行空压机洗井,吹出管底沉淤,直到水清不含砂为止,洗井原理示意见图4。
  图4洗井原理示意图
  安装水泵抽水:洗井完成后应立即安装抽水泵进行抽水,这样既可以抽水,又可以检验洗井效果,如果洗井后放置一段时间再进行抽水,井管有可能淤积,影响抽水效果。
  六、降水运行及保障措施
  (一)降水运行
  试运行:正式降水前必须进行试运行,以检验供电系统、抽水设备、排水系统等能否满足降水要求。试运行之前,准确测定各井口和地面标高,静止水位,然后开始试运行。试运行结果进行记录并备案,根据试运行结果,对于无法满足降水要求的部分进行相应整改。
  在降水井成井施工阶段要边施工边抽水,即完成一口投入运行一口,力争在基坑开挖前,将基坑内地下水降到基坑底开挖面一下1.0m深。水位降到设计深度后,即暂停抽水,观测井内的水位恢復情况。
  降水运行:降水在基坑开挖前20天进行,做到能及时降低地下水位;降水井抽水时,潜水泵的抽水时间间隔自短至长,若井内水抽干后,在5~10分钟应立即停泵,防止电机烧坏;在停泵30分钟左右再开启抽水泵进行抽水;对于出水量较大的井,每天开泵抽水的次数相应要增多;降水运行过程中,做好各井的水位观测工作;对降水运行的记录要及时分析整理,绘制各种必要的图表,以合理指导降水工作,提高降水运行效果。
  (二)保障措施
  降水成功与否直接关系到整个工程的安全,在施工过程中要高度重视降水运行的保障措施。
  首先是用电保障,在正常的降水运行过程中,必须有合理的用电保障以满足降水的运行需求。通常要求施工现场应有两路用电,降水运行中应保证一路用电停电后另一路用电能及时使用,确保降水井能够在最短的时间内正常运转,避免影响降水效果甚至危害基坑安全。
  其次是现场要有合理的排水设施以满足工程的降水需求,加强地面防渗排水,确保雨季施工能及时排除地面及基坑内积水;另外就是加强降水的运行管理,降水工人应熟悉水泵开启、电路切换,以确保降水连续进行,避免因供电原因造成井底突水;抽水期间,出现降水正常运行但长期达不到预期效果,应注意检查基坑围护结构渗漏情况;降水停止并提泵后应及时将井封闭,补好盖板。
  七、结语:
  通过科学的布井,严格控制降水井施工质量,以及降水运行期间的科学管理。本工程基坑施工过程中,周边沉降较小,不均匀沉降符合规范要求,围护结构变形符合规范要求,很好地解决了地铁白龙潭公园站基坑施工的降水问题。
  参考文献:
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  虽然经过地基处理,但为了机头顶进安全,机头不下沉,还应有机头加固措施。机头进洞时将机头与后面的五节管用拉杆连接起来,使之成为一个整体,并在导轨上用两个手拉葫芦间隔一米拉紧,从而使机头沿着导轨方向顺利顶进。
  四、泥水平衡顶管优点
  1、适用的土质范围比较广,地下水压力很高,以及变化范围很大的条件下,它都适用。
  2、可有效地保持挖掘面的稳定,对所顶管子周围的土体扰动比较小,因而由顶管引起的地面沉降较小。
  3、与其他类型的顶管比较,泥水顶管施工时的总推力比较小,尤其在粘土层这种表现得更为突出,所以特别适用于长距离顶管。
  4、工作坑内的作业环境比较好,作业也比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土,不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。它可以在大气常压下作业,也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。
  5、泥水输送弃土为连续作业,因此进度比较快。
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