顶管施工关键技术研究.ppt
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1、武汉市江夏区黄家湖大道电力隧道工程武汉市江夏区黄家湖大道电力隧道工程 顶管施工关键技术研究顶管施工关键技术研究中交一航局第二工程有限公司中交一航局第二工程有限公司让世界更畅通Contents目录二工程简介三施工方案比选四工艺流程及操作要点五施工中的创新及经验总结六结语一引言一引言顶管施工作为非开挖施工技术的一种,可彻底解决管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题,在稳定土层和环境保护方面优势明显,且具有施工速度快、无需二次内衬、密封性能好、施工安全性好等优点。自1954年国内进行了第一例顶管施工以来,此施工技术已经得到广泛使用并逐步往大断面长距离方向发展。武汉市江夏区黄家湖大道电
2、力隧道工程,为避开地下管网及地上道路、建筑物,设计中22#-24.1#段采用了顶管施工工艺,管节内径3.5m,最长单段顶进长度444m,属电力行业大直径、长距离顶管施工。施工中选取了土压平衡式顶管机和敞口式机械挖掘顶管机两种施工工艺,施工效果良好。本文结合工程实际施工情况详细介绍了顶管施工工艺、进行了施工经验总结,以期为后续类似工程提供借鉴。Contents目录一引言三施工方案比选四工艺流程及操作要点五施工中的创新及经验总结六结语二工程简介武汉市江夏区黄家湖大道电力隧道工程,主要施工内容包括明挖隧道施工及顶管施工两种类型,其中明挖隧道段长度2306.9米,顶管段长度882.9米。按设计方案,顶
3、管段有4座沉井(3座始发井,1座接收井),3段顶管,最长段444米,采用顶管管材为DN3500钢筋混凝土管,DN3500管节是目前国内电力行业最大直径顶管。表表1:主要工程量:主要工程量序号项目单位数量备注1沉井座4 2顶管22#-23#米444包含40m过河段324#-23#米364.3横穿2条道路424.1#-24#米74.6横穿1条道路二工程简介图图1:工程平面布置图:工程平面布置图Contents目录一引言四工艺流程及操作要点五施工中的创新及经验总结六结语三 施工方案比选3.1机头选型顶管施工应主要依据土质情况、地下水位、施工要求等因素,在保证工程质量、施工安全等的前提下,合理选用顶管
4、方案。敞口式机械掘进方案,因其施工成本较低,是顶管工艺中使用时间较长、工艺技术较成熟的一种传统施工方案,但此方案对地质条件要求较高,只能用于不含地下水或少量地下水的硬质稳定土体中。随着设备制造业的发展和社会安全意识的提升,敞口式机械掘进方案目前逐渐被土压平衡式和泥水平衡式方案所代替。三 施工方案比选表表2:各类顶管机头优缺点:各类顶管机头优缺点机头类型适应地层适用环境优点缺点敞口式机械掘进顶管机适用土质要求高,应为不含地下水或地下水较少的硬质稳定土层。允许管道周围地层和地面有中等变形,精心施工条件下变形量可小于10cm。成本较低,适宜地质条件下顶进效率高。顶进精度较低;遇不良地质会出现掌子面失
5、稳坍塌,地面塌陷等问题,施工安全风险高。土压平衡式顶管机适用土质范围广,尤其适用于软黏土和砂砾土层。允许管道周围地层和地面有较小变形,精心施工条件下变形量可小于5cm。适用土质较广;地面变形较小,对上部构筑物破坏小;开挖面稳定,不会出现垮塌的风险;弃土处理方便、简单;作业环境好,所需场地小。顶进效率一般;遇到砂性土时必须对土质进行改良。泥水平衡式顶管机适用土质较广,尤其适用于渗透系数较小的砂性土中。允许管道周围地层和地面有很小变形,精 心施工条件下地面变形量可小于3cm适用土质较广;地面沉降很小;顶进速率快,弃土采用管道运输,可以连续出土。弃土存放和运输都比较困难;所需场地占地面积大;塌方风险
6、大;施工成本高;不适于含游离石块或障碍物土层。三 施工方案比选根据地质勘察报告,22#-23#、23#-24#段施工区域地质情况多为掌子面中、上部为粉质黏土和含碎石粉质黏土、下部为强风化泥岩;部分区域为回填河床形成的回填土区域,中、上部存在流塑性黏土。24#-24.1#段施工区域地质条件较好,掌子面主要为上部硬质黏土、中、下部强风化泥岩。22#-23#段、23#-24#段位于主线道路路旁,征地困难,可用面积较小,无法满足泥水平衡所需的设备存放场地,泥水平衡施工所产生的泥浆在市区内处理费用过高,此两段顶管长度较长且部分区域地质条件较差,最终选择采用土压平衡施工方案。24#-24.1#段施工距离较
7、短且地质条件较好,选用敞口式机械掘进方案。三 施工方案比选3.2选用机头介绍(1)敞口式机械挖掘顶管机敞口式机械挖掘顶管机外部为顶进工具管,前端配置掘进锯齿,后端安装纠偏油缸、传压环等设备构件,内部配备小型挖掘机械,挖掘下来的土石通过传送带输送至后续电瓶车内,通过轨道进行运输。图图3:机头断面图:机头断面图 图图4:顶管机头:顶管机头三 施工方案比选3.2.1土压平衡式顶管机土压平衡工作基本原理是顶管机前端刀盘切削下来的土体在泥土仓内经搅拌棒均匀搅拌成塑性后通过螺旋出土机输送到出料口,经传送带传送至电瓶车内运出。泥土仓内土体可支撑开挖面防止地面塌方,同时调节泥土压力来平衡地下水压力和正面土压力
8、,达到稳定挖掘面的目的。图图5:5:机头正面机头正面 图图6:6:机头后侧机头后侧三 施工方案比选土压平衡式顶管机头构造如下图所示:序号名 称序号名 称1泥土仓压力表7自动注浆泵2泥土仓高压注水孔8刀盘高压注水孔3激光靶牌9搅拌棒4纠偏油缸10螺旋出土机5机头泵站11刀盘电机6控制电柜12止转钢板表表3:土压平衡机头各部位名称:土压平衡机头各部位名称图图7:土压平衡机头简图:土压平衡机头简图Contents目录一引言五施工中的创新及经验总结六结语四工艺流程及操作要点4.1、工艺流程及操作要点敞口掘进式、土压平衡式两种施工方案,除机头型式、掘进方不同外,其他施工工艺流程基本一致。本文以22#-2
9、3#顶管段施工为例进行相关介绍。施工工艺流程如图。图图8 8:施施工工流流程程图图四工艺流程及操作要点4.2顶管顶进力计算本工程选用顶进长度最长的22#-23#段为例进行顶进力计算。根据武汉地区顶管法管道穿越技术规定,顶进力计算方式如下:式中:总顶进力(kN)管道外径(m)管道设计顶进长度(m)管道外壁与土之间的平均摩阻力(kN/),当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能够形成和保持稳定、连续的泥浆套时,的值可直接取3.05.0kN/。顶管机的迎面阻力(kN)四工艺流程及操作要点 顶管机外径(m)土的重度(kN/m)H 覆盖层厚度(m)因本工程顶管设计轴线存在曲线段,在估算曲线顶管的顶进力时,应在直
10、线顶管顶进力计算的基础上,根据曲率半径增加顶进力附加系数K值,K值可按下表选取。表表4:顶进力系数表:顶进力系数表300250200150100K1.11.151.21.251.3四工艺流程及操作要点计算过程:H,经查图纸,取最大覆盖层厚度12.58m。,根据地质情况,取18kN/m =/44.1421812.58=3048.2kN经查图纸,曲线段曲率半径为1000m,即250 ,查表附加系数K取1.15;本工程中采用的触变泥浆技术成熟可靠,管外壁能够形成和保持稳定、连续的泥浆套,根据规定则平均摩阻力f取5.0。则F=(d0Lf+F0)K =(4.144445.0+3048.2)1.15=36
11、710.2kN所配置总顶进系统顶力需大于3671t。四工艺流程及操作要点4.3.1顶管后靠背安装本工程后靠背采用整体现浇混凝土与沉井井壁连接,混凝土采用与井壁相同型号的C40,内部铺设一层2210cm钢筋网片与井壁预埋外露钢筋连接,混凝土外表面采用长4.5m宽4.5m厚3cm的匀质钢板与后靠背混凝土连接成整体,确保后靠背稳固。图图9:9:后靠背浇筑后靠背浇筑图图10:10:后靠背安装后靠背安装四工艺流程及操作要点本工程沉井井壁为90cm厚C40钢筋混凝土,按照设计要求,井壁外沿3m范围内土体已经过压浆加固处理,沉井后30m范围土体在顶管施工完成前不得开挖。顶管顶进反力通过后靠背传递至沉井井壁及
12、后方土体,设计方已对井壁及土体结构进行过受力核算,承载能力可有效保证。因此后靠背施工关键是与井壁连接的后靠背混凝土振捣密实,外嵌钢板平整且与后方混凝土连接紧密,确保受力均匀可靠且与顶进轴线垂直。四工艺流程及操作要点4.3.2导轨安装 基坑导轨由两根平行的钢结构焊接在轨枕上制成,其作用主要有两点:一是使推进管在工作坑中有一个稳定的导向;二是让环形顶铁工作时能有一个可靠的托架。本工程基坑导轨采用型钢整体焊接而成,导轨与沉井底板采用型钢连接牢固可靠,导轨结构整体强度、刚度满足施工要求。两导轨平行、等高,对管道的支撑角为60,导轨走向与设计轴线一致。四工艺流程及操作要点导轨断面图如下:图图11:11:
13、导轨示意图导轨示意图 图图12:12:导轨安装导轨安装四工艺流程及操作要点4.3.3油泵、千斤顶配置及安装为确保管道受力均匀并提供足够主推力,千斤顶配备10台二级等推力液压油缸,行程3500mm,单缸推力为400t,总推力为10400=4000t,大于计算总顶力。油泵系统采用2台YZ1200型(额定流量25L/min、额定压力31.5MPa)的柱塞式高压油泵并联控制,其中一台使用变频调速机。开一台油泵顶进速度可在20mm/min80mm/min调整;主顶系统空推时,两台泵同时开跟进速度为160mm/min。油顶架采用22槽钢焊接制作而成,千斤顶在油顶架上以管道中心线为轴均匀布置。图图13:13
14、:液压动力站铭牌液压动力站铭牌图图14:14:油顶安装油顶安装四工艺流程及操作要点4.3.4护口铁、顶铁安装为确保管材安全,使管体端面传力均匀,采用1块内径内径3.5m、外径4.1m、厚40cm的圆形钢护口铁。护口铁与关节间衬垫2层环形竹胶板。护口铁后方设置弧形顶铁,顶铁顶部开口尺寸确保出土吊斗可顺利通过。护口铁、顶铁制作时均需保证其刚度、稳定性,两个受压面平整、平行,以满足传递顶进力的要求。图图15:15:护口铁护口铁 图图16:U16:U型护口铁型护口铁四工艺流程及操作要点四工艺流程及操作要点四工艺流程及操作要点四工艺流程及操作要点需设置中继间的位置由厂家生产专用中继间管节,并按照计算顶进
15、力配置相应的千斤顶。中继间使用时应对中继间进行编组控制,从顶管机头向后按次序依次将每段管节向前推移,当一组中继间伸出时,其他中继间保持不动,在所有中继间依次完成作业后,主顶工作站完成该顶进循环的最后顶进作业。图图17:17:中继站外部中继站外部 图图18:18:中继站内部中继站内部四工艺流程及操作要点4.3.6预制管节准备用于本工程的管节为“F”型3500钢筋砼预制管节,其接口为“F”型钢套环图图19:19:“F F”型管节断面型管节断面四工艺流程及操作要点顶进前应对管节成品,钢套环,橡胶密封圈和软木衬垫材料从尺寸,规格,性能,数量等均作详细检查,必须符合标准设计图的要求,顶进前还必须在现场作
16、预安装,不合格的砼成品不予使用。砼管接头的槽口尺寸必须正确,光洁平整,无气泡。橡胶圈的外观和任何断面都必须致密均匀,无裂缝,孔隙或凹痕等缺陷,橡胶圈应保持清洁,无油污,不得在阳光高温下直晒。钢套环必须按要求进行防腐处理,刀口无庇点,焊接处平整,肢部与钢板平面垂直,堆放时整齐,搁平。衬垫板其厚度按设计顶力大小确定,贴粘时,凹凸口对中,环间间隙符合要求。四工艺流程及操作要点 图图20:20:衬垫板衬垫板 图图21:21:橡胶止水条橡胶止水条四工艺流程及操作要点管节采用130t履带吊吊入工作井内导轨上就位待安装。插入安装前滑动部位可均匀涂薄层硅油等润滑材料,对橡胶无侵蚀性,减少摩阻。承插时外力必须均
17、匀,橡胶圈不移位,不反转,不露出管外,否则应拔出重插。顶管结束后,按要求在管内接口间隙嵌以弹性密封膏或自粘性橡胶作填料,要求与两管口抹平,然后覆盖防腐材料。四工艺流程及操作要点4.3.7洞口止水圈安装顶管过程中,无论是出洞还是进洞,管道和洞口之间都必须有一定的间隙。为保证顶管机进出洞时泥浆和地下水不从顶管机外壳周围涌出,需在顶进方向安装洞口止水装置。本工程采用的洞口止水装置为双道橡胶法兰形式,既能保证良好的水密性能又能安装简便易行。如下图:图图22:22:止水圈断面图止水圈断面图 图图23:23:止水圈安装图止水圈安装图四工艺流程及操作要点4.3.8顶管机头及管节安放设备顶管机头下井、出井及顶
18、管管节安放均采用130t履带吊。机头下井、出井采用钢丝绳、卡扣与预留吊点连接。管节安放采用专用吊具。所有吊索具使用前均进行了受力计算。图图24:24:机头安装机头安装 图图25:25:管节安装管节安装四工艺流程及操作要点4.3.9出土设备出土设备采用出土吊斗,通过电瓶车沿临时轨道进行运输。出土吊斗安放在电瓶车上,顶管机头出料口将机头切削产生的“泥粥”通过皮带机传送至吊斗内。吊斗盛满后,通过电瓶车沿临时轨道运输至工作沉井,履带吊将满载吊斗从顶铁顶部开口处吊至地面存放。图图26:26:出土吊斗出土吊斗 图图27:27:绞笼出土绞笼出土四工艺流程及操作要点4.4顶管顶进顶管顶进4.4.1初始顶进阶段
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