软土地区大口径长距离顶管施工技术

软土地区大口径长距离顶管施工技术   1 工程概况     天津海河两岸综合开发改造项目是为了解决海河两岸污水排放问题的一项工程，该工程设计为一条直径Ф2600mm的污水截流管线，为天津市最大口径污水管道。本次施工管道全长1977m，其中直径声2600mm的管道1957m，直径Ф2200mm倒虹管道20m。直径Ф2600管道一次顶进长度为150～220m，埋深为地下3.5～7.8m，管道所经过地段的土质为灰色淤泥质粉质粘土、灰色淤泥质粘土及灰色粘土，各类检查井共计17座。     为了保证路面不发生沉降和周围建筑物的安全，所有管线全部采用顶管施工。采用土压平衡式顶管设备，根据现状土质的不同，使用大刀盘和多刀盘2种机具。     2 顶管施工艺     施工前需对工作坑的尺寸、挡土桩人土深度、抗倾覆稳定性、顶力及后备承载力进行计算，作为施工技术可行性的论证参数和控制指标。同时，还要对顶管路面、工作坑、附近建筑物等进行沉降估算，并布设监控点，由专业测量技术人员负责工程监控，发现问题及时处理。     工作坑完成后，预览调试各种设备，并做好各项准备工作。     洞口止水措施采用搅拌桩帷幕止水，顶管机头顶进时，将搅拌桩用人工开挖成圆孔。直径蛇600mm顶管圆孔直径为3.14m，即形成搅拌桩帷幕止水。     为了减少顶进压力，排管顺序按机头后跟10节带注浆孔管、7节普通管，第1节管的注浆孔设阀门。     顶管施工工艺的主要步骤如下。     (1)拔桩、初顶、刃机头。     用80t起重机将机头吊至井内，平稳放在导轨上，保证管外皮与导轨之间接触严实，并使其靠近洞口。用起重机将工作坑洞口范围内的钢桩拔起，使钢桩底比管外皮高20cm即可。此时，立即将导轨上的机头顶到洞口，使机头正面和洞外土体紧密顶严，然后迅速顶机头人土。为预防刃机头时下跌，需加强机头与第1节管及第1、2、3节管之间的连接。采用了4组M30螺栓。     (2)机械出土。     用工作井内油缸将机头向前方顶进，同时刀盘旋转搅土到底部，通过螺旋输送机将底部的土提升后卸至运土车运走(见图1)。一般顶进开动前应先转动刀盘。     运土车在混凝土管内铺设的轻型轨道上运行，轻轨由8#槽钢焊接而成，每节长2m，用螺栓连接。由于管线较长，管内运土采用卷扬机和人工配合推动运土车，将土运到工作坑内，用起重机将土吊至地面的运输车上运走。     (3)回动缸、下顶铁，继续顶进，出土。     当顶进油缸伸出约0.7m时，应将油缸回缩，下1块顶铁，然后继续顶进、出土。     (4)注浆。     当机头顶进土内约8m时，开始注浆。根据计算，注浆压力以0.5MPa为宜，注浆量控制为理论计算值的1.5倍左右，实际压浆量需根据具体情况测定。如果压浆量超过理论压浆量数倍，则应改变泥浆配方，增加泥浆的粘度和稳定性，如提高含土率，掺加粉煤灰、木屑，增加化学浆糊等。注浆孔一般设置在环形套筒的下面，套筒向后开口，环向连通，同一断面上设置4个，环向均匀布置。注浆时要遵循“先压后顶，随顶随压”的程序。顶管机注浆及管子接口见图2。     曲线长线顶管时，管道还受到土层的被动土压力，所以需要减小土体对管道的阻力，注入减阻泥浆是减小阻力的重要措施。顶进时要及时有效地同步跟踪注浆，确保形成完整的泥浆套，同时在管道四周定时补压浆，确保泥浆套不流失破坏。由于顶进过程中会遇到暗冰，泥浆需特殊配制，其比重1.09g/cm3、胶体率100%，状态略稀疏。泥浆配合比(重量比)为膨润土：水：碱=25：83.7：0.75。     (5)顶进测量。     顶管时测量非常重要，要勤顶勤测，随时校正。一般在下管前和下管顶进一次后都应测1次，此时发现偏移容易校正。正常顶进时每顶进1m测1次。测量采用激光经纬仪和水准仪配合进行，机头前方有固定光靶。测量时将油缸缩回。     (6)回油缸、下管节。     下管节前，将顶进油缸全部缩回，管道内所有的工艺管路全部临时断开，切断管内及坑内所有电源，坑内人员全都走进管内或上至地面。下管需由专人指挥，管节要注意插口朝前，承口朝后，在插口安装胶圈时要涂抹油脂，以使油缸顶紧管接口时胶圈均匀压缩，防止漏浆漏水。     (7)回油缸、下顶铁、顶进出土(重复步骤3)。     管节稳定好后，先下弧形顶铁，再下U型顶铁，然后顶进，将刚稳定好的管节与前1管节顶紧。同时连接各种管路、电路及送土车轻轨。     (8)拔桩、进副坑。     当机头顶到接近副坑时，采用25t起重机或振动锤拔副坑进洞口范围内的钢桩，桩拔起至比管外顶稍高即可。当机头全部顶进副坑内，再将桩拔出，倒换木板。     最后将机头吊至地面，运回主顶坑，开始施工另一排顶管。 图1  机头装置及出洞口示意图     3 顶管常见问题的防治     3.1 管道轴线偏差过大     管道顶进轴线与设计轴线偏差过大，使管道发生弯曲，甚至造成管节损坏，接口渗漏。     (1)原因分析。     a.地层正面阻力不均匀，使工具管受力不均匀，形成导向偏差。     b.顶管后背发生位移或不平整，使顶力合力线偏移。     c.千斤顶不同步，或千斤顶问顶力相差较大，或安装精度不够，造成顶力合力线偏差。     (2)预防措施。     a.顶管施工前应对管道通过地带的地质情况认真调查，设置测力装置，指导纠偏。纠偏应按照勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法进行。     b.采用同种规格的液压千斤顶，使其顶力、行程、速度一致，保持顶力合力线与管道中心线相重合。     c.加强顶管后背施工质量的控制，确保后背不发生位移，并应使后背平整，以保证顶进设备的安装精度。     d.顶进过程中应随时绘制顶进曲线，指导顶进纠偏工作。     3.2 地面沉降与隆起     顶管施工过程中或施工后，在管道轴线两侧一定范围内发生地面沉降或隆起，使管道周围建筑物和道路交通及管道等公用设施受到影响，甚至危及到正常使用和安全。     (1)原因分析。     a.开挖端面的取土量过多或过少，使工具管推进压力与开挖土体压力不平衡，造成地面沉降或隆起。     b.管道轴线偏差，或纠偏不当造成的地层土体损失。     c.管道外围环形空隙(工具管外径与管节外径之差)引起的地层上体损失，或顶管完成后未置换泥浆造成的损失。     d.管道接口不严密，造成水土流失。     (2)防治措施。     a.施工前应对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查，制定切实可行的施工方案，正确选用工具管，并对距离管道较近的建筑物和其他设施采取相应的加固保护措施。     b.设置测力装置，掌握顶进压力，保持顶进力与前端土体压力的平衡。     c.严格控制顶管轴线偏差，执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法。     d.在顶进过程中应及时足量地注入符合技术标准的润滑支承介质，填充管道外围环形空隙。施工结束后及时用水泥或粉煤灰等置换润滑泥浆。     e.严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。3.3顶力突然增大     (1)原因分析。     a.土层塌方或工具管前端遇障碍物，使阻力增大。     b.管道轴线偏差形成弯曲，使摩阻力增大。     c.减阻介质膨润泥浆配比不当或注入不及时，或注入量不足，减阻效果降低，使摩阻力增大。     d.顶进设备油的泵、油缸或油路发生故障。     e.顶进施工中因故停顶时间过久，润滑泥浆失水使减阻效果降低。     (2)防治措施。     a.顶进过程中应严格执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作要求，使管道轴线被控制在允许偏差范围以内。     b.按不同地质条件配制适宜的泥浆，并采取同步注浆的方法，及时足量地注入泥浆。     c.顶进施工前应对顶进设备进行认真的检修保养。     d.停顶时间不能过久，发生故障应及时加以排除。     3.4 工具管旋转     工具管沿圆周方向旋转，使顶进操作发生困难。     (1)原因分析。     a.工具管前端土层软硬不均匀，使工具管受力不均，造成工具管向土层软的方向旋转。     b.顶进千斤顶及油路布置不合理，千斤顶之间存在着顶进时间差，使顶进合力线偏移，造成工具管旋转。     c.顶管轴线发生偏差时，纠偏量过大，使工具管发生旋转。     d.管道向左、向下纠偏，管道反时针扭转。     e.后座或后背不稳或主油缸与管轴线不平行，使i油缸在工作时方向变化，对管道形成一个扭矩，使管道扭转。     f.刀盘单方向旋转，使管道反方向扭转。     g.管道内施工设备布置不对称，构成一个固定方向的扭矩，使管道按某一方向扭转。     (2)预防措施。     a.遇前端土层软硬不均匀，应采取多挖硬、少挖软的方法。     b.顶进前应逐台调试千斤顶，应采用同种规格，并使液压泵到各千斤顶之间的距离相等、管径一致。     c.严格控制顶管轴线偏差，执行勤测量、勤纠偏、小量纠的操作要求。     d.工具管设置测力装置，以便测定平衡力的大小指导纠偏。     e.管内设备布置重量要对称；主油缸安装要平稳，并且与管轴线平行；刀盘要经常变换方向；尽量采用小角度纠偏，其次是纠扭。可采用压重的办法纠扭，即管道单边压重，使管道相反扭转。     采用反向扭转方法，应注意轴线的控制，以免造成轴线偏差过大形成弯曲，给以后的施工造成困难。     3.5 钢筋混凝土管道接口渗漏     (1)原因分析。     a.管节和密封材料质量不符合技术标准或在运输、装卸、安装过程中管节被损坏。     b.管道轴线偏差过大、造成接口错位、间隙不均匀、填充材料不密实。     c.接口或止水装置选型不当。     (2)治理方法。     可采用环氧水泥砂浆或化学注浆的方法进行处理。     3.6 钢筋混凝土管节裂缝     管节纵向和环向有明显裂缝，造成管道渗水、漏水。     (1)原因分析。     a.管节质量不合格。     b.顶进过程中顶力超过管节的承压强度，或轴线偏差过大，致使管节应力集中而损坏。     c.运输、装卸、码放安装方法不当，造成管节损坏。     (2)治理方法。     认真分析裂缝产生的原因和性质，根据不同受力情况，分别采取不同的治理方法，处理后应能保证结构原有的承载能力和整体性。     3.7 顶管前端正面上体坍塌     顶管施工中实际出土量远远大于理论出土量，地面有明显塌陷。     (1)原因分析。     a.前端土层性质发生变化，顶进量过小，没有起到防护和平衡的作用。     b.敞开式顶进时挖土量过大，或封闭式顶进时推进力小于上体压力。     c.遇有流砂情况。     (2)预防措施。     a.顶进施工中应采取短开挖、勤顶进的方法，严禁超挖，并随时注意到土质的变化情况，以便采取相应措施防止坍塌。     b.认真做好土体的降水工作。     4 顶管纠偏注意事项     (1)纠偏应在顶进过程中进行。在静止状态纠偏，首先纠偏力大，土质越硬纠偏力越大。其次，静止纠偏测点偏差有时反而增大，而顶进中纠偏，纠偏量逐渐增加。第三，静止纠偏对第1段钢筋混凝土管会产生较大的不均匀应力。     (2)钢筋混凝土管纠偏比较灵敏，所以顶管的纠偏角不宜过大，否则会造成轴线较大弯曲。     (3)第1节管段的质量要好，因为该段承受工具管纠偏的反复应力。故长距离或超长距离顶管时第1节管段可采用钢质管段代替钢筋混凝土管段。     (4)第1段管段的长度不宜过长。管段越短越有利于纠偏，管段长会影响纠偏的灵敏度。     (5)工具管纠偏的效果滞后。因为工具管的测点至端面有一定距离，纠偏效果至少要顶进这一距离后才能得到反映。为了及时了解工具管端的偏差，可通过测点的偏差、工具管第2节的斜率和工具管的纠偏角推算。     (6)在纠偏角不变的情况下，管道的转弯半径基本一致。施工中应绘制工具管测点的行进轨迹，该轨迹曲线能预示偏差的发展趋势，帮助操作人员不失时机地改变纠偏角，避免产生轴线过度弯曲。     (7)钢筋混凝土顶管遇纠偏失灵，多数的原因是遇到了软弱土层或不均匀地层，或者是覆盖层太薄，因为纠偏需要有一定的地基反力。为了避免工具管纠偏失灵，事先应采取措施，例如进行地基加固。