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不均匀地层中机械顶管技术探究

  • 2022-09-27

  • 运营部

一、工程概况

为尽可能快速收集污水、填补设施短板,早日构建全覆盖的污水管网,以便收集、处理所有污水,结合临湘市城市建设的实际需要,完善中心城区排水管网建设,推动排水基础设施的顺利实施。临湘市水环境综合治理工程PPP项目的重点建设内容包含中心城区雨污分流改造、智慧排水系统建设、现状管网整治及修复。

二、现场地质条件概述

河西路雨污水分流工程作为临湘市水环境综合治理PPP项目的一个子项目,施工方法分为明挖法和顶管法,明挖深度一般为3.37-5.10m、顶管埋深6.11-9.12m,项目重要性等级达到二级,其中顶管区域施工重要性等级达到一级。

拟建工程位于城市道路上,沿线分布地下管线及居民区等、沿线局部存在软土,不良地质作用不发育,场地复杂程度为二级(中等复杂场地)。场地沿线分布了不同的岩土种类,不同区域的土质硬度差异极高,其复杂等级达到二级。主要为③圆砾,局部②-1粉质黏土、⑥-2强风化灰岩、⑥-3中风化灰岩,承载力高,中一低压缩性。部分井段顶进路线位于软硬结合的两种地层交界处。

三、顶管工艺比选

(一)顶管施工技术选取

1.气压平衡法顶管施工

该方法的工作原理主要是,开始施工后,在维持空气压力平衡的前提下,利用工具管切割土壤,由于气压处于平衡状态,所以在开挖进程中,不会受到地下水的不利干涉,同时也确保了开挖面的稳固性,所以,此技术在渗透性相对大的地基上被普遍运用。若地基构造以卵砾石层为主,在顶进施工程序中,钻头也同时转动,硬度相对大的卵砾石不能被切割头进行有效切割,极有可能会直接掘至阻隔带,从而致使气体管道气压失稳,严重威胁了施工人员的生命安全。

2.泥水平衡法顶管施工

泥水平衡法顶管施工适用性比较广泛,适用于地层硬度相对大的地方,选择“H”形盾结构的转动刀架为顶管器具,同时安设合金连合切割刀排,以便于切割强度较高的地层构造、风化岩层,削切后的渣样可以通过二次破碎装置彻底碎化后通过排渣管道排出。

经对以上两种顶管作业方式进行了全面的比选,在本项目的实施中,泥水平衡顶管施工技术比较适用。

(二)顶管作业注意事项

其一,施工人员在开展顶管施工时必须认真按照“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的标准,要时刻关注顶进轴线的偏移量及时进行纠正调整。

第二,在进行施工的时候,还需按照“同步注浆与补浆相结合”的原则,提前对工作泥浆进行调试,并实时关注泥浆性能的变动。

其三,顶管施工需调查顶管路线与现用道路管道是否存在交叉冲突,施工过程中避开现状管线,对现状管线进行保护工作。

其四,加强有限空间作业管理。24h专人不间断多点监测控制。由于顶管掘进机本身不防爆且顶管施工本身属于有限空间作业,即使少量气体进入管道,其浓度也会上升而引起爆炸;其五,应急物资配备完好。即便施工空间不足,但为确保施工人员的生命安全,必须配齐空气呼吸机、安全带、防护面罩、安全绳、防护服、防水防爆照明灯具、应急消防器材等所有设备器具,并确保能够正常使用。

四、软弱地层预加固处置

河西路顶管施工,部分顶进线路位于砾石层与灰岩的交界面上,为保证顶进过程中轴线不偏移,应按标准加固砾石层,施工人员可使用双管高压旋喷桩技术进行加固。项目使用的高压旋喷桩一共包含4排,桩径大小为60cm,相邻桩体间距为40cm,水灰比设为1:1。

(一)施工工艺

高压旋喷桩主要是借助钻机把旋喷注浆管和钻头安设在桩底设计高程处,并把提前预制好的水泥浆液填人高压发射装置以增大水泥浆液的能量,以便水泥浆液能够以高速从喷嘴中喷射出来,破坏土体结构;喷射过程中,钻杆边旋转边提升,使浆液与土体充分搅拌混合,在土中形成一定直径的柱状固结体,从而使地基得到加固。

工艺流程:确定钻机位置一完成钻孔工作一安设喷射管开始制浆一开始喷射一挪动机位。

(二)技术参数

根据本工程的实际情况,选择主要技术参数为:喷浆压力:20MPa;喷浆流量:30-90L/min;提升速度:10-15cm/min;旋喷转速:15-20r/min;双喷嘴直径:ф 3mm。

(三)质保措施

1.严格按设计布置桩位;钻孔前摆放好钻机位置,必须确保孔位偏差控制在50mm以内,垂直偏差控制在1%以内。

2.开始喷射水泥浆液之前,施工人员必须仔细排查高压注浆泵、钻机、柴油机之类的设备是否能够正常工作,保证所有管路畅通,否则不得进行喷射作业。

3.水泥浆液储存至储浆桶之前应用筛网仔细过滤,以防止水泥浆液不均匀堵塞喷嘴。

4.项目使用的水泥浆液必须具备出厂合格证,严禁掺用不合格的水泥浆液。

5.整个施工流程都应严格把控所有技术参数,特别是在进行喷射作业时严禁复改所有技术参数。

五、顶进过程纠偏技术

项目团队是否在顶管作业过程中及时纠偏,将在很大程度上影响了顶进施工的整体质量,一旦施工人员操作失误,极有可能出现顶力飘升、管接口磨损等问题,严重的还会使得管道难以继续顶进,既有可能引发安全风险,引发不必要的损失。所以,顶进纠偏技术对整个项目来说至关重要。

(一)考虑到顶进设备在施工过程中占据了掘进机绝大多数空间,加之设备光靶一般都安设在机头尾端的中间区域,极易使得施工过程中出现方向偏差的问题,使得激光靶反应迟钝。不仅如此,由于顶管机前侧偏差较大,而后侧光靶的光点却只存在1-2mm的偏差,这也会在很大程度上干扰施工人员的纠偏判断。基于此,项目团队可利用趋势图来辅助判断偏差趋势,从而尽可能将误差控制到最小。

(二)施工过程中,施工人员可以通过分析顶管机前后倾角大小来判断设备高程。项目使用倾斜仪辅助施工除了能够测量顶管机前后倾角的大小,还能够测得其旋转情况。若倾斜仪结果显示为正数,即说明前机壳当前表现为右偏转;若结果显示为0,即说明前机壳当前表现为水平状态;若结果显示为负数,则说明前机壳表现为左偏转。

(三)通常情况下,井内导轨的布置主要由轴线坡度决定。刚开始工作时,施工人员应将顶管机安设在导轨上,将倾斜仪数值调为0,即表明顶管机倾斜仪角度同样为0。开始施工后,施工人员需实时关注倾斜仪变化;不仅如此,由于土质的不同,倾斜仪摆放的角度也应有所差异,因此施工过程中施工人员应将其置于合适的角度,避免顶管机在施工过程中出现上漂或下沉。

如果项目团队将稳定倾斜角设为+10',若是顶进施工时机头后仰,此时角度便会提高至+20',由此可以得知掘进机存在向上趋势,能够直接将上侧的千斤顶顶出,从而使得倾斜角度调回+10'。倾斜角出现偏移的时候,激光点并不定会出现浮动,只是会在一定程度上使得顶管机出现偏差趋势。这样一来,施工人员便能在第一时间发现顶管机存在偏差隐患,及时进行弥补。

(四)若机头与其相连的工具撤出洞之前中线与高程出现了偏差,也无需在此时进行纠偏,其主要原因是此时机头连接管仍然置于导轨之中,即便纠偏也无法达到预想的目的。待机头连接管拔出洞后,若测量得出高程中线误差维持在+2cm以下,同样无需纠偏;但若是其误差超出了这一标准,此时施工人员必须按照监视器呈现的光点位置变化情况及时纠偏。在进行纠偏时,施工人员必须严格按照“先纠偏高程,再到中线,最后纠偏小角度”这样的流程进行,且每次纠偏量应控制在2cm以内。若光点位置存在反向移动趋势或是移动速度有所下降,则需立即缩回油缸,暂停纠偏。

(五)施工过程中一旦发现监视器光点出现变化,则应暂停顶进,派造专业的测量人员亲自下井再次矫正测量经纬仪,检查施工设备是否被触碰。

(六)每两个油缸设为1组进行纠偏,施工人员可根据图1,结合实际情况选择左上、右上、左下、右下任意一个按钮按下,以控制油缸的伸缩。也就是说,选择纠偏油缸组合按钮向上,按下油缸的伸按钮,即左上、右上油缸同伸;按下油缸的缩按钮,左上、右上油缸同缩。


顶管机头油缸位置

 

勘测发现,项目施工区域富含大量的地下水,因而地下水压极高。为避免施工过程中出现风险,施工人员应确保纠偏角度不超过2°。也就是说,施工过程中,顶管机头油缸可伸出的长度上限是6cm(本项目之所以将油缸行程设为3°,其目的就是当顶管作业过程中发生意外时使用)。顶管机工作过程中,施工人员必须实时观察所有电机电流、电压数值的变动,一旦发现异常,应暂停施工,排查故障。

六、减阻泥浆配置

高质量的膨润土泥浆通常具备更强的触变、润滑等性能,若将其填充在管道外壁,令其均匀包裹管道,能够在很大程度上削弱管外壁碰撞土壤时产生的摩擦力。

(一)预制完成后的泥浆临时储存在泥浆箱中,使用BW250/50型注浆泵进行注浆,并将压力值控制在20~50kg/cm3。开始注浆后,施工人员应将注浆压力值控制在0.1~0.2MPa。

考虑到本项目的实际情况,最终决定选用膨润土作为顶管触变泥浆配置的主要材料,同时将纯碱、CMC等物质作为分散剂、增黏稳定剂的原材料。施工人员在使用这些材料之前,应先将其浸泡在水中12h以上。

(二)应合理分配所有的注浆孔:根据注浆需求,应在机头与机头后5个注浆管分别安设注浆孔,以便注浆时泥浆能够均匀被灌人管壁之中;从第5个注浆管开始,每3节管都应单独添加一个具备注浆孔的管节,添加完成后需立即补浆,保证所有的管外壁都均匀覆盖了泥浆。图2为注浆管节分布与注浆口分布图。


注浆管节分布及注浆口布置图

 

施工人员必须实时观察顶力值的变动,一旦顶力值超出设计标准,必然会造成麻烦,严重干扰了施工的进行,因此膨润土泥浆压浆环节至关重要。

(三)注浆施工要素。首先,触变泥浆的使用量应超出地层土体原本的损失量;其次,为了保证施工效果,施工人,员应选用性能更好的触变泥浆,且施工之前应先进行测试;再者,施工人员必须严格把控泥浆预制、搅拌等所有环节;最后,为避免临时储存在贮浆池的泥浆出现离析,施工人员每隔一段时间都应该根据设计标准搅拌泥浆。

(四)压注方法。项目单位在选择压注方法时,应综合考虑管道埋深、地下水位等因素,因此注浆系统的压力值应超出水土压力5-30kPa。为避免停注之后泥浆套的压力值迅速下降,施工之前应为注浆总管配备单向阀,以避免其出现回浆等问题。通常项目可使用顶管机压浆或在管节位置补浆的方法进行压注。

七、结语

综上所述,对于不均匀地层的机械顶管施工,首先要进行全面的勘察,进而根据掌握的现场地质、水文条件配置合适的机械设备,由专员监管顶管施工进程。顶管全流程中加强顶进线形监控,及时发现问题,正确处理问题,保证最终的顶管效果。

 

本文由唐兴装备整理自《不均匀地层中机械顶管技术探究》吕广梁,王欢,转载请注明出处,如有侵权请联系删除。

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