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长距离顶管施工主要技术措施

08-22 13:17:37  浏览次数:561次  栏目:结构设计
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长距离顶管施工主要技术措施


    摘  要:嘉兴污水处理排海顶管工程一次顶进2060m,由于合理选择了工具管形式,成功地解决了轴线控制和减阻泥浆等技术难题,只用了144天就完成了全部顶进施工,创造了新的世界纪录。 
    关键词:排海工程 顶管 减阻泥浆 轴线控制 中继间


    一、工程概况
    φ2000mm排海管道工程是嘉兴市污水处理工程的一个重要组成部分。正常排放管总长2060m,管道内径2000mm,从高位井向大堤外顶进,埋深9.30~21.81m,出洞口管内底标高为-20.23m,前1747.5m为下坡(-2.5‰)顶进,最后302.5m为平坡顶进,终点管内底标高为-24.60m。顶进施工采用F-B型钢承口式钢筋混凝土管、楔形橡胶圈接口、多层胶合板衬垫。 
    二、地质资料
    顶进轴线上方覆土为粉土层;淤泥质粉质粘土,局部夹少量薄层粉土;粉质粘土。地质剖面见图1。
    三、工具管选型
    正常排放管在出洞后的150~200m范围内是④层砂质粉土夹粉砂,然后穿过④a层粉质粘土、⑤层淤泥质粉质粘土~淤泥质粘土。经多方论证,最终决定采用大刀盘泥水平衡式工具管。
    四、主要技术措施
    1.减阻泥浆
    顶进施工中,减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。顶进时,通过工具管及混凝土管节上预留的注浆孔,向管道外壁压入一定量的减阻泥浆,在管道外围形成一个泥浆套,减小管节外壁和土层间的摩阻力,从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏,直接关系到减阻的效果。
    为了保证压浆的效果,在工具管尾部环向均匀地布置了4只压浆孔,顶进时及时进行压浆。工具管后面的3节混凝土管节上都有压浆孔,以后每隔2节设置1节有压浆孔的管节。混凝土管节上的压浆孔有4只,呈90°环向交叉布置。压浆总管用φ50mm白铁管,除工具管及随后的3节混凝土管节外,压浆总管上每隔6m装1只三通,再用压浆软管接至压浆孔处。
    顶进时,工具管尾部的压浆要及时,确保形成完整、有效的泥浆套。混凝土管节上的压浆孔供补压浆用,补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。
  由于顶进距离长,一次压浆无法到位,需要接力输送,因此在管道内共设置5只压浆接力站,平均每隔300m左右设1站。压浆接力站的作用有两个,一是运输作用;二是承担至前面压浆接力站管道部分的补压浆。
    减阻泥浆的性能要稳定,施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结,既要有良好的流动性,又要有一定的稠度。顶进施工前要做泥浆配合比试验,找出适合于施工的最佳泥浆配合比。表1是本工程所采用的减阻泥浆控制参数,表2是减阻泥浆的配合比。
    表1 减阻泥浆的控制参数 

  顶进时        穿越大堤时
 
    视粘度MPa.s
    16
    54
 
    失水量mL
    8
    8.5
 
    泥并mm
    2
    2
 
    pH值
    8.5
    8.5
 
    重度N/cm3
    10.9
    11.1
 
    动切力Pa
    11.7
    30.6
 
    静切力Pa
    19
    53.1
 
    胶体率%
    100
    100
 
    状态
    略稠
    厚稠
    表2 减阻泥浆配合比(kg/m3) 
   顶进时
    穿越大堤时
 
    膨润土
    130
    150
 
    水
    870
    850
 
    纯碱
    4.5
    6
 
    CMC
    4
    5.4
 
    拌制减阻泥浆要严格按操作规程进行,催化剂、化学添加剂等要搅拌均匀,使之均匀地化开,膨润土加入后要充分搅拌,使其充分水化。泥浆拌好后,应放置一定的时间才能使用。通过储浆池处的压浆泵将泥浆压至管道内的总管,然后经压浆孔压至管壁外。施工中,在压浆泵、工具管尾部等处均装有压力表,便于观察,从而控制和调整压浆的压力。
  顶进施工中,减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性,由于泥浆的流失及地下水等的作用,泥浆的实际用量要比理论用量大得多,一般可达到理论值的4~5倍,但施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。
  本工程的减阻泥浆运用十分成功,全长2060m的顶进最大顶力不超过8500kN。把顶进过程中的顶力曲线和泥浆用量(实际用量与理论用量之比,用百分比表示)曲线通过处理后可以得到顶力、泥浆用量与距离之间的关系图(图2)
    图2 顶力和泥浆用量与距离的关系图
    由图2可以看到,除出洞阶段外,顶力曲线很平滑,顶力增加十分缓慢,最大值为8500kN。由于在出洞阶段无法建立完整的泥浆套,因而泥浆用量较少,但当泥浆套建立好以后,泥浆的用量就随着顶进距离的延长而增加,顶进结束时,泥浆的用量达到理论值的8倍。泥浆的用量之所以随着顶进距离的延长而有较大增加,主要是补压浆造成的,因为随着线路的增加,补压浆的量要大大超过工具管尾部的压浆量。
    管道外壁和土体间的摩阻力的大小是衡量泥浆减阻效果的标准,图3是本工程顶进过程中管道外壁和土体间的摩阻力曲线图。
    图3 摩阻力曲线图
    图3真实反映了顶进过程中侧向摩阻力的变化情况。在出洞阶段,由于泥浆套无法建立,因而侧向摩阻力比较大,随着泥浆套的建立,摩阻力急剧减小。顶至200m时,侧向摩阻力为2.1kN/m2;顶至600m时,侧向摩阻力为1.1kN/m2;顶至1500m时,侧向摩阻力为0.5kN/m2;顶至2000m时,侧向摩阻力为0.3kN/m2。上述值均远小于规范中的取值及利用经验公式计算的值,也远小于以往同类工程中的实际值。显然,侧向摩阻力随着顶进距离的增加而逐渐减小,是和泥浆的用量随着顶进距离的延长而增加有直接关系的。
    2.中继间应用
    正常排放管总长2060m,在出洞后的150~200m范围内,顶进断面主要为④层砂质粉土夹粉砂,随后的顶进主要在⑤层淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土中进行。因土层变化较大,顶进阻力在各土层中不同,考虑到长距离顶管的特殊性并结合以往同类工程的施工经验,原施工组织设计中拟布置14只中继间进行接力顶进。
    中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构,偏转角α=±2°,端部结构形式与所选用的管节形式相同,外形几何尺寸与管节基本相同。在铰接处设置2道可径向调节密封间隙的密封装置,确保顶进时不漏浆,并在承插处设置可以压注润滑脂的油嘴,以减少顶进时密封圈的磨损。中继间的铰接处设置4只注浆孔,顶进时可以进行注浆,减小顶进阻力。
    顶进至194.1m时,根据顶进施工所获得的数据计算,管节外壁和周围土体的摩阻力介于2~3kN/m2,是比较小的,根据计算结果,并结合以往的施工经验,对中继间的位置作了适当调整,以减少中继间的投入,并能确保顶进的顺利进行。

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