振動(dòng)沉管人工擴(kuò)底灌注樁

1、超長距離小口徑頂管施工的控制方法及要點(diǎn)SHAJUNQIANG超長距離小口徑頂管施工的控制方法及要點(diǎn)（江蘇興源電力建設(shè)監(jiān)理有限公司 沙俊強(qiáng)摘 要：本文以直徑為 1400、一次頂進(jìn)1125m的某頂管工程為例，針對施工過程中存在的問 題及采取的措施進(jìn)行分析，希望通過這種分析，能為類似工程的施工提供借鑒和幫助。關(guān)鍵詞：頂管施工 土層阻力1、前言在頂管施工中，直徑1400的鋼管是進(jìn)入頂管的最小直徑，這種臨界直徑一直是 頂管施工的難點(diǎn)。1400的鋼管內(nèi)部，除了進(jìn)泥管、排泥管、通風(fēng)管及供電電纜、照 明等所占的空間外，留下作為通道的空間很小，在有中繼間的地方空隙更小，給頂管操 作、維護(hù)等帶來很大的不便，也帶來

2、了很大的風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)這種管徑的一次頂進(jìn)距離 最大為760m左右。本工程一次頂進(jìn)距離長達(dá)1125m,這是小口徑進(jìn)人頂管施工的一個(gè) 突破。2、工程概況本工程頂管為某大型煤電一體化電廠取水泵房的引水管， 取水泵房緊臨淮河大堤背 水面，頂管從取水泵房處穿越淮河大堤、再斜向穿過一條淮河支流后伸入淮河內(nèi)進(jìn)行取 水。頂管為1400X 20mm、1400X 24mm兩種規(guī)格的鋼管，頂進(jìn)距離為 1125m,管道中心標(biāo)高為10.50m 11.50m （淮河大堤頂標(biāo)高為23.2m）。頂管路徑上，淮河支流底 部處埋深為2m左右；其它區(qū)域埋深1116m,穿越、1、2三個(gè)土層。由于受到地方關(guān)系協(xié)調(diào)的影響，該頂管工程開工

3、時(shí)間為2007年11月份，比計(jì)劃進(jìn) 度推遲一年左右時(shí)間，而電廠主體工程將于次年6月投產(chǎn)。按水利部門的批文，汛期施 工會(huì)影響淮河大堤的安全，如果次年5月汛期前不能將水貫通，施工必須停止，到下一 個(gè)枯水季節(jié)方可施工，這樣將導(dǎo)致電廠投產(chǎn)時(shí)間推遲半年以上，所造成的損失不堪設(shè)想。按正常的情況，如此長距離頂管，應(yīng)該在中間設(shè)置接力工作井，以減少一次頂進(jìn)的 長度，但如果設(shè)接力工作井，工作井只能設(shè)置在淮河的漫灘上，淮河水位升高時(shí)，工作 井、運(yùn)輸通道將被河水淹沒，且涉及到租地協(xié)調(diào)問題；另外，增加接力工作井會(huì)使工期 大幅增加（增加工作井的支護(hù)、開挖、底板池壁施工、后墻加固及頂進(jìn)設(shè)備安裝等大量工作），無法滿足工程總體

4、要求，所以經(jīng)過慎重比選，最終采用1125m 一次頂進(jìn)的施工 方案。頂管施工于11月24日開始出洞，至次年5月22日管道貫通通水，順利實(shí)現(xiàn)預(yù)定 的進(jìn)度目標(biāo)，確保電廠如期發(fā)電；且在整個(gè)施工過程未發(fā)生任何安全、質(zhì)量事故，頂管 頭部水平方向偏差為2.2cm，垂直方向偏差為5.1 cm,均大大高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。3、工程地質(zhì)概況根據(jù)鉆孔所揭露的地層特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合靜力觸探試 驗(yàn)成果，在勘探深度范圍內(nèi)將場地地基土劃分為 8個(gè)主要工程地質(zhì)層，其中頂管穿越的 、1、2 土層情況如下:粉土：灰黃-黃褐色，很濕，稍密，夾粉質(zhì)粘土、粉砂，含氧化鐵、云母。層頂 埋深3.30m （平均值，以下同），

5、層厚6.34m。沿引水管線分布。 1淤泥質(zhì)粘土：深灰色，很濕-濕，軟塑-可塑，夾粉土薄層，單層厚度 510cm左右，局部夾粉細(xì)砂。該層局部相變?yōu)榉圪|(zhì)粘土與粉土互層狀或相變?yōu)榉弁翃A粉質(zhì)粘土。層頂埋深10.04m，層厚5.00m。局部分布。2粉質(zhì)粘土：深灰、灰綠、灰黃黃褐色，濕，可塑，夾粉土薄層，局部夾粉細(xì) 砂及硬砂層。層頂埋深9.25m，層厚7.25m。局部分布。4、工程特點(diǎn)及難點(diǎn)1）一次頂進(jìn)距離長，達(dá)到1125m,這對主頂推力和后靠結(jié)構(gòu)要求很高，系統(tǒng)很難滿足要求，如何合理設(shè)置中繼環(huán)和接力注漿系統(tǒng)極為重要， 一旦設(shè)置不當(dāng)，極易導(dǎo)致頂 進(jìn)失敗。2）管徑小，如前文所述，除了進(jìn)泥管、排泥管、通風(fēng)管及供

6、電電纜、照明等所占 的空間外，管內(nèi)空間僅為1m左右，不可能設(shè)置軌道，因此，所有交通、運(yùn)輸都是靠人力，在這種條件下的施工難度是難以想象的，特別是在頂進(jìn)距離超過600m之后，人員徒手進(jìn)出都很困難，攜帶材料設(shè)備的難度更大。3）管道長細(xì)比過大，頂進(jìn)時(shí)管道穩(wěn)定性差。頂管的軸線控制和糾偏工作難度非常大。4）測量控制難度大。目前激光測量儀器有效發(fā)射距離只有500m。500m以上頂進(jìn)只能依靠測量人員到 1400的管內(nèi)轉(zhuǎn)站測量，增加了測量難度和糾偏難度，影響頂進(jìn) 速度。5）地質(zhì)情況復(fù)雜。根據(jù)地質(zhì)勘查提供報(bào)告，頂管在淮河大堤及河灘下穿越2層和層土，此類土層具有高壓縮性，兩個(gè)土層存在滲透性和固結(jié)速率的差異；另外，在

7、 頂管路徑上，還存在硬砂層、古窯跡、姜結(jié)石等復(fù)雜土層。6）頂管斜向穿越淮河的一條支流，穿越處覆土厚度僅2m,如果采取措施不當(dāng)，極易造成頂管頭部上浮，甚至穿透頂部，造成事故。5、施工方案的選擇5.1工具頭及中繼環(huán)的選擇、設(shè)置根據(jù)相關(guān)工程的施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合復(fù)雜的地質(zhì)狀況，確定頂管掘進(jìn)機(jī)選型為 1200遙控式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)頭。泥水平衡式頂管機(jī)是以在機(jī)械掘削式頂管前部的刀盤附近安裝隔板，形成泥水壓力倉，將加壓的泥水送入泥水壓力倉，來保證開挖面的穩(wěn)定,同時(shí)將旋轉(zhuǎn)刀盤切削下來的泥砂以泥水形式輸送到地面為特征的頂管工法。1200遙控式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，前方筒由兩段組成，后方筒為設(shè)備動(dòng)力與控制段，總長度4

8、.5m，其后為兩節(jié)活絡(luò)管，管段與管段，管段與工具頭尾部均采用高強(qiáng)螺栓連接。操縱系統(tǒng)由可編程序控制，在地面控制臺遙控操縱。該機(jī)型對穩(wěn)定土體、控制地表隆沉量以及對惡劣地質(zhì)條件有較好效果（見圖1）。y泥漿沉淀池進(jìn)水箱:&* - .二.宀供水閥"進(jìn)水泵-4J- z地面操作系統(tǒng)電磁流量計(jì)U逆流閥壓力調(diào)節(jié)閥冷=匸=旁通閥大刀盤刀架.切土口油缸糾偏油缸壓力表泥漿套中繼環(huán)泥水腔壓力表大刀盤油缸尹旁通泵,網(wǎng)L 11接力泵1I機(jī)頭液壓泵站n Q進(jìn)水閥隨流閥n主頂激光經(jīng)緯儀Z.1L圖1:頂管施工設(shè)備與工藝圖頂管主頂系統(tǒng)由4根推力為200kN、行程為3.5m的雙級等推力油缸與可調(diào)速的液壓泵站組成。由

9、于本工程一次頂進(jìn)距離長達(dá)1125m，僅靠主頂裝置是無法完成頂進(jìn)工作的， 擬采用中繼環(huán)進(jìn)行接力頂進(jìn)。根據(jù)工程地質(zhì)情況，經(jīng)計(jì)算，共需設(shè)置6只中繼環(huán)。根據(jù)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，一般靠近工具頭的中繼環(huán)啟動(dòng)難度及不確定性最大，因此6只中繼環(huán)設(shè)置 間距逐漸變大，分別位于工具頭尾部后 30m、180m、360m、540m、720m、900m處,中繼環(huán)采用500 kN油缸10只，總頂力為5000 kN。1、計(jì)算、校核過程如下：1）工具頭摩阻力及全管阻力計(jì)算工具頭正面摩阻力：F 正=n D2 /4X f1= n 1.4482 /4X 500 kN = 822.96 kN工具頭管外壁摩阻力:F 頭=L 頭 X D X

10、n X f2= 4.5X 1.448X 3.14X 20= 395.56 kN鋼管外壁采用觸變泥漿減阻后與土層摩阻力:F 管=L 管 X D X n X f3= 1125X 1.448X 3.14X 6 = 30690.36 kNF 總=31908.88 kN式中：F正：工具頭正面阻力kNF頭：工具頭管外壁與土摩阻力 kNF管：鋼管管外壁與土摩阻力 kND:鋼管外徑1.448mL頭：工具頭長度4.5mL管：鋼管長度1125 mf1：工具頭管正面與土層摩阻力，取值50 t0kN/m2f2：工具頭管外壁與土層摩阻力，粉質(zhì)粘土 1525 kN / m2，取值20 kN / m2 f3：鋼管外壁采用注

11、觸變泥漿后與土層摩阻力，取值6 kN / m2F總：鋼管外壁與土層間總阻力。2）中繼環(huán)頂力計(jì)算：#1中繼環(huán)設(shè)置在工具頭后30m。F1 = 30X 1.448X 3.14X 6= 818.41 kN#2中繼環(huán)設(shè)置在#1中繼環(huán)后150m。F2= 150X 1.448X 3.14X 6 = 4092.05 kN#3 #6中繼環(huán)間隔180m依次設(shè)置:F3 （ F4、F5、F6）= 180X 1.448X 3.14X 6 = 4910.49 kN3）頂力情況分析第一個(gè)中繼環(huán)啟動(dòng)時(shí)，包括頭部阻力，總阻力為:822.96+395.56+818.41=2036.93 t三5000kN，滿足要求?？紤]到不確定性

12、，預(yù)留較多的余量。#2#6中繼環(huán)阻力F2 F6均小于5000kN，滿足要求。#6中繼環(huán)后尚余225m鋼管，需頂力6138.07kN,此頂力由后座主頂油泵8000kN 承受，滿足要求。 設(shè)備總頂力為 2000X 4+5000X 6=38000kN > 31908.88 kN （ F 總）。經(jīng)以上計(jì)算分析，總體設(shè)計(jì)方案可行。5.2觸變泥漿系統(tǒng)的選擇使用觸變泥漿是長距離頂管減少摩擦力的重要技術(shù)措施。合理使用觸變泥漿，還可 以保持土體穩(wěn)定，減少地面沉降等作用。本工程采用機(jī)頭壓漿和全管段補(bǔ)漿相結(jié)合的方式，邊頂進(jìn)邊壓漿，頂進(jìn)和壓漿同時(shí)進(jìn)行。在機(jī)頭尾部環(huán)向均勻地布置了4只壓漿孔,頂進(jìn)時(shí)及時(shí)進(jìn)行壓漿。機(jī)

13、頭后的3節(jié)鋼管管節(jié)上均設(shè)置壓漿孔，以后每隔2個(gè)管節(jié)設(shè)置1個(gè)壓漿孔。管節(jié)上環(huán)向設(shè)4只壓漿孔，呈90°交叉布置。壓漿總管用 50mm鍍鋅管,除機(jī)頭及隨后的3節(jié)鋼管節(jié)外，壓漿總管上每隔6m裝一只三通，再用壓漿軟管接至壓漿孔處，壓漿孔內(nèi)設(shè)裝單向閥，以避免注漿孔堵塞（見圖2、圖3）。l""1.FngHI IilIp嚴(yán)!B-I* 一死ft-f K nAD門J-«第10頁共9頁圖2:泥漿處理及輸送系統(tǒng)圖圖3:補(bǔ)漿系統(tǒng)圖6、施工過程容易出現(xiàn)的問題及應(yīng)對措施長距離頂管要解決的最大問題是克服頂進(jìn)過程中的阻力問題， 而頂力控制的關(guān)鍵是 軸線、注漿系統(tǒng)及停頓時(shí)間的控制。另外，應(yīng)

14、詳細(xì)了解頂管路徑上的地質(zhì)情況，并制訂 可靠的應(yīng)對措施。6.1軸線控制施工誤差引起的管道軸線彎曲是影響土體與管壁產(chǎn)生摩阻力大小的主要因素，管道 軸線彎曲，可使摩阻力成倍增長。施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制軸線波動(dòng)的幅度，糾編時(shí)應(yīng)控制軸堅(jiān)持“勤測、勤糾、緩糾”的原可以通過頂進(jìn)趨勢測定裝置來線平滑過渡，尤其要控制好出洞后的前 100m的軸線,則。施工過程中，及時(shí)了解機(jī)頭的趨勢對糾偏十分有利。指導(dǎo)糾偏。施工過程應(yīng)確保出泥量和頂進(jìn)速度相匹配,也就是泥水平衡要控制好，這樣對頂力和軸線控制都有利。6.2注漿系統(tǒng)的控制頂進(jìn)時(shí)，機(jī)頭尾部的壓漿要及時(shí)，確保形成完整、有效的泥漿套。補(bǔ)壓漿的次數(shù)及壓漿量需根據(jù)施工時(shí)的具體情況確定。

15、由于頂進(jìn)距離長，一次壓漿無法到位，需要接力輸送，因此在管道內(nèi)共設(shè)置3只壓 漿接力站，分別負(fù)責(zé)機(jī)頭至200m、200m至600m及600m以后壓漿，井上安排一套BW1）。施壓漿泵負(fù)責(zé)向管內(nèi)蓄漿池送漿，壓漿時(shí)注意觀察和控制漿泵的壓力。 減摩泥漿采用觸變 泥漿，該泥漿性能穩(wěn)定，具有良好的觸變性，又有一定的稠度（漿液配比見表 工中，泥漿應(yīng)保持不失水，不沉淀，不固結(jié)。其配比應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況作出相應(yīng)的 調(diào)整，使泥漿適應(yīng)不同的土質(zhì)特性，起到預(yù)期的減摩效果。為了減少摩阻力和填充管外 壁的間隙，壓漿必須堅(jiān)持“先壓后頂，隨頂隨壓，及時(shí)補(bǔ)漿”的原則。壓漿時(shí)，儲漿池內(nèi)的觸變泥漿由地面的壓漿泵通過管路壓送至管道內(nèi)的

16、壓漿總管,并達(dá)到各壓漿孔的軟管內(nèi)，只要壓漿孔處的球閥打開，即可向管壁外壓漿。表1 ：壓漿配比（重量比）材料各稱膨潤土CMC純堿水重量4002.568506.3停頓時(shí)間的控制頂管過了 800m之后，管壁摩阻力、頂進(jìn)的方向控制都非常困難。如果頂管機(jī)停頓,則恢復(fù)頂進(jìn)時(shí)的阻力大幅增加，停頓時(shí)間超過 12小時(shí)，則阻力幾乎增加一半以上，所以要嚴(yán)格控制停頓時(shí)間。引起頂進(jìn)停頓主要有以下幾個(gè)方面原因：1）設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，維修時(shí)間過長。由于設(shè)備長時(shí)間高負(fù)荷工作，因此出現(xiàn)故障 機(jī)率較多，一旦不能及時(shí)維修，頂進(jìn)的長時(shí)間停頓，將導(dǎo)致啟動(dòng)困難。施工中，我們主 要采取以下措施對設(shè)備進(jìn)行管理：一是加強(qiáng)平時(shí)對設(shè)備的主動(dòng)養(yǎng)護(hù)，不

17、要出現(xiàn)問題再來 處理；二是配備足夠數(shù)量的備品備件，以便及時(shí)對損壞部件進(jìn)行更換，避免維修時(shí)間過 長。500m。500m2）測量時(shí)間過長。如前文所述，目前激光發(fā)射儀器測量的有效距離只有以上頂進(jìn)只能依靠測量人員到管內(nèi)轉(zhuǎn)站測定軸線的偏移量，由于頂管管徑?。y量操作 困難）、線路長、管內(nèi)霧汽大，導(dǎo)致測量時(shí)間過長、測量數(shù)據(jù)不可靠。在頂管頂進(jìn)到810m 時(shí)，曾出現(xiàn)過測量一次耗時(shí)3個(gè)小時(shí)，且兩次測量結(jié)果截然相反（一次偏左、一次偏右）的情況?？刂迫藛T不知道如何操作，只好進(jìn)行第三次測量，總停頓時(shí)間達(dá)到8個(gè)小時(shí),再啟動(dòng)時(shí)非常困難。為了盡快改善這種狀況，主要采取兩種措施：一是加強(qiáng)管內(nèi)通風(fēng)，將原方案中兩根50mm壓縮空

18、氣管中的一根改用100mm消防軟管代替，通風(fēng)量大幅增加，可以很快排 除管內(nèi)水汽、焊接產(chǎn)生的煙氣，確保測量的準(zhǔn)確和速度；同時(shí)頂進(jìn)過程中，消防管的加 長、連接非常方便。二是改進(jìn)測量方法，從前期測量成果來看，垂直方向偏差較少且較 穩(wěn)定，水平方向偏移較大，為了節(jié)約時(shí)間，測量的重點(diǎn)控制水平方向的偏移，這樣可以 適當(dāng)減少測量的工程量，減少測量時(shí)間。采取上述措施后，測量速度和精確度大幅增加, 保證了頂進(jìn)的正常進(jìn)行。6.4針對特殊土層采取的措施根據(jù)勘測資料，頂管局部地段為硬砂層，為了降低頂管阻力，在頂管穿越該土層時(shí), 采取35MPa高壓水旋噴的方式，來破壞軸線上、下 60cm范圍內(nèi)砂層以降低阻力。在工具頭進(jìn)入

19、237.6m處硬砂層時(shí)，頂進(jìn)壓力升至 25MPa,電流達(dá)32kw，排出泥漿主要為粉細(xì)砂和少量粘土，這時(shí)開始采取旋噴措施，但旋噴后頂進(jìn)壓力反而升至35MPa40MPa,電流達(dá)到35kw，頂力達(dá)到極限。后經(jīng)研究分析，主要是旋噴過早,頂管不能及時(shí)跟隨頂進(jìn)，旋噴打碎的砂層重新沉積，阻力反而加大。于是調(diào)整方案，采 取旋噴與注漿同步實(shí)施，嚴(yán)格控制旋噴與頂管頭部的距離和旋噴時(shí)間，經(jīng)過調(diào)整，頂力 降至正常范圍內(nèi)，順利穿過約 46m的硬砂層，取得了預(yù)期的效果。6.5對土層中可能產(chǎn)生的可燃性氣體（瓦斯）及雜物的處理方案施工前，考慮到頂管位于淮河河灘范圍內(nèi)，淮河經(jīng)過千百年的泛濫、沉淀，地層中可能埋有大量的有機(jī)物及各種雜物。有機(jī)物的存在可能產(chǎn)生可燃性氣體（瓦斯），雜物 的存在可能增加阻力或影響排泥系統(tǒng)的正常排泥。為了確保施工安全，在加強(qiáng)管內(nèi)通風(fēng)的同時(shí)，專門購置了多臺便攜式可燃?xì)怏w監(jiān)測 儀，施工人員在每次進(jìn)入管道作業(yè)前，必須攜帶監(jiān)測儀器進(jìn)行測試，特別是在管道加固等焊接（動(dòng)火）作業(yè)前，嚴(yán)格控制瓦斯?jié)舛取１M管采取了上述措施，但在頂管至835m附近時(shí)，由于工人沒有嚴(yán)格按執(zhí)行“先測瓦斯?jié)舛仍僮鳂I(yè)”的要求，工人在對管節(jié)進(jìn)行 焊接加固時(shí)，產(chǎn)生火球，所幸未造成火災(zāi)事故；在835m后，又出現(xiàn)多次瓦斯超標(biāo)情況, 但由于監(jiān)測到位，及時(shí)采取加強(qiáng)通風(fēng)等措施，均未再發(fā)生安全險(xiǎn)情。頂管在穿過淮河漫灘的