上海市某污水頂供施工方案p

1、PAGE PAGE 11上海市某污水頂供施工方案 周 驄 1工程概況上海市污水治理二期2.5標(biāo)工程位于浦東新區(qū)龍東大道北側(cè)，西起建平路至高潮花園，其中穿越湯臣高爾夫球場一段采用雙排混凝土頂管施工(其編號為22號工作井21號接收井)，該段頂管全長310m2，管節(jié)外徑為3540mm，內(nèi)徑為3000mm，管節(jié)長度3000mm，頂管坡度+0.087%，管頂覆土厚度為4.8m。頂管施工采用外徑3560mm的土壓平衡式多刀盤頂管機(jī)，最大后頂力為1000t。管道沿線將穿越市話電纜井及動力電纜井各一座，管頂距市話電纜井及動力電纜井的底板距離分別為2.54m、2.07m。頂管襯砌結(jié)構(gòu)均采用F型預(yù)制鋼混凝土管節(jié)，

2、相鄰兩管節(jié)間采用特制接頭承插連接，襯砌接縫防水采用天然橡膠制成的鍥型橡膠圈。圖1 湯臣頂管平面示意圖2地質(zhì)條件本工程范圍內(nèi)的土層從上往下依次為：填土、褐黃色粘土、灰色粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粘土。頂進(jìn)斷面全線上部處在灰色粉質(zhì)粘土內(nèi)，下部處在灰色淤泥質(zhì)粘土內(nèi)，見表1。工程地質(zhì) 表1層號土層名稱層底標(biāo)高含水量W密度kN/m3孔隙比e凝聚力c(kpa)內(nèi)摩擦角1填土2.892褐黃色粘土1.4928.419.30.763灰色粉質(zhì)粘土-2.2144.317.11.318.558.04灰色淤泥質(zhì)粘土-11.0050.717.11.4411.127.0注：地面標(biāo)高+3.5m3頂管機(jī)本工程選用的多刀盤土壓平衡式頂

3、管機(jī)特點是出土順暢，操作容易，維修方便，尤其適用于軟粘土層中的頂管施工。頂管機(jī)刀盤的切削面積達(dá)全斷面的60%，雖然不及大刀盤土壓平衡式頂管機(jī)的全斷面切削攪拌，但已經(jīng)完全可以滿足軟土土層中的頂管施工。而通常大刀盤土壓平衡式頂管機(jī)的質(zhì)量約為其所排開土體質(zhì)量的0.6倍，但本機(jī)質(zhì)量還不到它所排開土體質(zhì)量的0.4倍，所以可以有效防止因機(jī)頭過重而使方向失控，產(chǎn)生走低現(xiàn)象。本機(jī)采用四把切削刀盤對稱布置，所以只要把左右兩把刀盤按相反方向旋轉(zhuǎn)，就可使刀盤間的轉(zhuǎn)矩得以平衡，而不會如同大刀盤頂管機(jī)那樣容易產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。頂管機(jī)構(gòu)造見圖2。圖2 土壓平衡式多刀盤頂管機(jī)構(gòu)造圖4進(jìn)出洞施工措施從工作井中出洞開始頂進(jìn)是整個施工過

4、程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為確保頂管機(jī)順利出洞，防止土體坍塌涌入工作井，出洞前先在磚封門前打設(shè)一排鋼板樁，鋼板樁入土深度達(dá)到工作井底板以下。當(dāng)頂管機(jī)出洞時，先把磚封門拆除，這時由于鋼封門擋住，土體不會涌入。等到頂管機(jī)推進(jìn)到距鋼封門50100mm時，洞口止水圈已能發(fā)揮作用了，然后再按出洞口一側(cè)向另一側(cè)依次拔除鋼板樁。為減少鋼板樁拔除過程中對頂管機(jī)正面土體的擾動及可能出現(xiàn)的建筑間隙，鋼板樁全部拔除后應(yīng)立即頂進(jìn)，縮短停頓時間。在出洞施工初期，由于頂管機(jī)正面主動土壓力遠(yuǎn)大于機(jī)頭及混凝土管節(jié)的周邊摩阻力和與導(dǎo)軌間摩阻力的總和，因此極易產(chǎn)生管節(jié)后退，引起頂管機(jī)前方土體不規(guī)則坍塌，使頂管機(jī)再次推進(jìn)時方向失控和向上

5、爬高。為此，采取在洞口兩側(cè)各安裝一只手拉葫蘆，當(dāng)主頂油缸回縮之前，先將最后一節(jié)管節(jié)拉住不讓其后退，同時在出洞之初就預(yù)設(shè)了一定的向下糾偏量，盡可能克服出洞時機(jī)頭拋高的情況。從實際施工的效果來看還是比較理想的，出洞期間的高程最大偏離值，北側(cè)為-2.8cm,南側(cè)為+4.5cm。頂管機(jī)進(jìn)洞施工與出洞相比較為簡單，當(dāng)頂管機(jī)靠近洞門時，須控制好土壓力，在切口距封門2050cm時停止頂進(jìn)，并盡可能降低切口正面土壓力，確保拆除封門時的安全，拆除封門后將頂管機(jī)迅速、連續(xù)頂進(jìn)，直到進(jìn)洞洞口止水圈發(fā)揮作用為止，這就完成了進(jìn)洞進(jìn)程。5長距離頂進(jìn)施工措施(1)頂進(jìn)軸線控制長距離頂管施工的核心問題是對頂力的控制。計算管壁

6、土壓的公式：Pv=HDPL=(H+D/2)D tg2(45+/2)Pv-管道上豎向土壓力PL-管道上側(cè)向土壓力-土體容重H-覆土層厚度D-管道外徑上述公式是基于土柱的受力模型，適用于不穩(wěn)定土層或覆土層厚度小于卸力拱高度的情況下。從公式中可以清楚地看到單位長度上的頂進(jìn)阻力與管徑、覆土層厚度、土體容重、土層性質(zhì)有關(guān)。但是在實際頂管施工中糾偏對頂力的影響非常明顯，頂管機(jī)在頂進(jìn)過程中由于受力不均勻，導(dǎo)致偏離管道設(shè)計軸線，所以必須對機(jī)頭的前進(jìn)方向和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行糾偏，使其沿設(shè)計方向平穩(wěn)前進(jìn)。糾偏在頂進(jìn)過程中是不可避免的，是自始至終伴隨著頂進(jìn)而進(jìn)行的。每次糾偏時必須對頂管機(jī)施加力矩使之改變前進(jìn)方向，施加的力矩就

7、相當(dāng)于附加了一個土壓力從而使阻力增大。這一附加阻力在規(guī)范中沒有反映，但它卻是一個不可忽視的因素。糾偏阻力的估算方法：Pa=f/2La-糾偏阻力f-管壁與土體間的摩擦系數(shù)-側(cè)壁土壓力L-頂管機(jī)長度可見當(dāng)頂管機(jī)的尺寸和土體的性質(zhì)確定后，附加阻力與糾偏角成正比，即糾偏角度越大，附加阻力也越大。所以在長距離頂管施工中需進(jìn)行全過程連續(xù)監(jiān)測，隨時掌握頂管機(jī)偏離設(shè)計軸線距離的數(shù)據(jù)，并結(jié)合前方機(jī)頭操作臺上數(shù)字式傾斜儀的讀數(shù)來判斷頂管機(jī)實際頂進(jìn)線路的變化趨勢，并及時采取措施加以控制，避免因機(jī)頭失控而被迫進(jìn)行大角度糾偏。實際施工中加強(qiáng)了對軸線的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)有偏離的趨勢就及時采取糾偏措施，使得頂進(jìn)軸線的控制較為理想，

8、頂管高程、平面控制見圖3、圖4、圖5、圖6，這就為將頂力限制在設(shè)計值的范圍內(nèi)提供了有力的保證。圖3 北線頂管高程控制圖圖4 南線頂管高程控制圖圖5 北線頂管平面控制圖圖6 南線頂管平面控制圖(2)注漿減摩注漿減摩是長距離頂管中非常重要的一項工藝，是關(guān)系到頂管成功與否的一項關(guān)鍵的技術(shù)。為確保減小管道外壁的摩阻力采取了以下技術(shù)措施。保證潤滑泥漿的穩(wěn)定性，根據(jù)土質(zhì)的變化適當(dāng)調(diào)整配方，以滿足不同的需要。合理布置注漿孔。在混凝土管節(jié)雄頭一側(cè)按120設(shè)置三個孔，壓漿總管安裝于管節(jié)斷面右側(cè)，每隔6m接一三通閥門至管節(jié)注漿孔，在頂管機(jī)后的連續(xù)3節(jié)都設(shè)置注漿孔。制定合理的壓漿工藝，嚴(yán)格按壓漿操作規(guī)程進(jìn)行。為使頂

9、進(jìn)時形成的建筑間隙及時被泥漿所填補(bǔ)形成泥漿套，必須堅持先壓后定、隨壓隨頂、及時補(bǔ)漿的原則，泵送出口處的壓力控制在11.25kg/cm2。壓漿孔的位置設(shè)在管節(jié)雄頭一側(cè)靠近邊緣處，這樣在管節(jié)拼接后注漿孔就完全被前一節(jié)的鋼環(huán)所遮蓋，壓出的漿液先會在鋼套環(huán)與混凝土管節(jié)外壁之間形成漿套然后再被擠出。這樣泥漿套就較容易形成，減摩的效果也就比較明顯。(3)中繼間利用中繼間進(jìn)行接力頂進(jìn)是中長距離頂管的一項重要技術(shù)措施。中繼間的布置要求頂力及操作的要求，以提高頂進(jìn)速度。第一只中繼間應(yīng)放在比較前面，因為頂管機(jī)的正面土壓力在推進(jìn)過程中會因土質(zhì)條件和施工情況等因素發(fā)生較大的變化，所以當(dāng)總推力達(dá)到設(shè)計推力的60%時就安

10、放第一只中繼間，以后當(dāng)達(dá)到計推力的80%時安放下一只中繼間，而當(dāng)主頂推力達(dá)到設(shè)計推力的90%時就必須啟用中繼間。土壓力設(shè)定值：P=htg2(45/2)=1.45kg/cm2頂管機(jī)正面阻力：F=d2/4p=143t管壁摩阻系數(shù)：取0.6t/m2設(shè)計推力1000t，中繼間推力按設(shè)計推力80%計算第一套中繼間設(shè)置里程：L1=98m第二套中繼間設(shè)置里程：L2=120m本工程總頂程310m，設(shè)中繼間兩套，與頂管機(jī)切口距離分別為98m、218m。以北側(cè)頂管為例，實際施工時在105m處放置了第一只中繼間，但由于泥漿減阻的效果顯著，頂進(jìn)軸線控制較好，實際頂進(jìn)阻力遠(yuǎn)小于理論計算值，所以中繼間一直未使用，直到最后

11、進(jìn)洞過程中才第一次啟用。致使頂進(jìn)程序大大簡化，頂進(jìn)速度大大提高。北線頂管1999年1月11日出洞，1999年2月10日進(jìn)洞，歷時30天；南線頂管1999年1月15日出洞，1999年2月12日進(jìn)洞，歷時28天。6雙排頂管施工技術(shù)措施湯臣段頂管由于工期緊迫，因此在經(jīng)過充分論證的前提下決定采用雙排頂管前后同時頂進(jìn)施工方法。相對于單條分別頂進(jìn)施工，雙排頂管主要有三個方面的問題有所不同：頂管工作井后靠土體的穩(wěn)定性；雙排頂管兩頂管機(jī)縱向間距的確定；雙排頂管引起的地層損失和沉降槽的預(yù)測。(1)頂管工作井后靠土體的穩(wěn)定性驗算P=2F1+F2+Fp-FaP-頂管最大計算頂力F1-沉井側(cè)面摩阻力F2-沉井底面摩阻

12、力Fp-沉井后靠井壁被動土壓力Fa-沉井頂向井壁總主動土壓力F1=05PaHA1F2=W(W-沉井底面總壓力)Fp-A0.5H2tg2(45+/2)+2cH tg(45+/2)+ghHtg(45+/2Fa=A0.5H2tg2(45-/2)-2cH tg(45-/2)+hHtg(45-/2)但由于頂力P的反復(fù)作用，沉井后靠土體反復(fù)產(chǎn)生壓縮變形，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，及沉井側(cè)面與土體之間的孔隙未填實等原因，F(xiàn)1不予考慮。因地下水位較高，沉井受到的浮力足以抵消井體自重，所以F2也不能計入，見圖7。圖7 沉井受力示意圖本工程選用的后靠土體的穩(wěn)定性驗算公式：P(Fp-Fa)/SS=1.1A=15

13、.5m11.6m=8=18kN/m3c=8.55kPah=0.6mH=11.6mFp=15.511.60.51811.621.32+28.5511.61.15+180.611.61.32=358170kNFa=15.511.60.51811.620.75-28.5511.60.87+180.611.60.75=149175kNP=Fp-Fa=358170-149175=208995kN1.11900tP(Fp-Fa)/SS=1.1P208995/1.1=190000kN為保證工作井后靠土體的穩(wěn)定性，施工時需避免南北兩條頂力同時達(dá)到最大值，頂力之和控制在1900t以內(nèi)。(2)雙排頂管兩頂管機(jī)縱向

14、間距的確定雙排頂管前后同時頂進(jìn)的施工方法，關(guān)鍵是要確定兩管的縱向間距L，這對于減少兩管間的相互干擾和對中間部分土體的擾動至關(guān)重要。P=FP=P0D/2+d tg(45+/22P0-靜止土壓力D-頂管機(jī)外徑F=PpD2/4P0D/2+d tg(45+/2)2=PpD2/4在上式中F按施工中控制壓力的上限取值，計算所得的結(jié)果偏于安全。除頂管機(jī)擠土產(chǎn)生的影響外，尚需考慮到因頂管機(jī)糾偏引起側(cè)向土體的擾動。另外，由于機(jī)頭無注漿孔，摩擦力引起的對側(cè)向土體的擾動也必須考慮。雙排頂管最小縱向間距：Lmin=(d+H)H為前方頂管機(jī)頭長度，因本工程施工中第一節(jié)混凝土管節(jié)與機(jī)頭之間是剛性連接，所以H應(yīng)為機(jī)頭長度+

15、第一節(jié)管節(jié)長度；為由土層性質(zhì)決定的系數(shù)，取1.5，見圖8。圖8 雙排頂管縱向間距示意圖=8 =17.1kN/m3c=8.55kPaH=6.6mPp=Htg2(45+/2)+2c tg(45+/2)=17.16.61.32+28.551.15 =168.64kPaP0=H+2c=17.16.6+28.55=95.76kPa95.763.141.77+d1.152=168.643.141.772d=0.504mLmin=(d+H)=1.5(0.504+3+6)=14.256mLmin取15m在工程實際過程中L始終控制在15m以上。同時又對前方管道的側(cè)向位移進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，管道內(nèi)每隔6m設(shè)一標(biāo)志，利

16、用經(jīng)緯儀作同步觀測，所得數(shù)據(jù)與頂管機(jī)頂進(jìn)軌跡曲線相對照，未發(fā)現(xiàn)有超過頂管機(jī)側(cè)向位移的情況。(3)雙排頂管引起的地層損失和沉降槽的預(yù)測雙排平行同步頂管引起的地層損失，近期常采用有限元法，可以考慮多種地層，機(jī)頭尾部空隙、灌漿等施工因素。在施工中為了便于應(yīng)用，選擇了Peck公式經(jīng)驗預(yù)測法，Peck假定頂管施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以沉降槽體積應(yīng)該等于地層損失的體積，并且地面沉降曲線的橫向分布是正態(tài)分布曲線。Sx=v1/(2.5I)exp(-X2/2I2)Smax=V1/(2.5I)Sx-距中心為x的地面沉降量V1-地層損失量，等于單位長度的沉降槽體積Smax-管道中心處最大沉降量I

17、-沉降槽寬度系數(shù)I=H/2.5 tg(45-/2)H-覆土厚度R-頂管半徑其反彎點在X=I處，該點出現(xiàn)最大沉降坡度，在X=3I及X=0處，出現(xiàn)最小曲率半徑。雙排頂管沉降曲線Peck公式的地層損失理論有關(guān)論述，考慮到沉降在數(shù)值上遠(yuǎn)小于覆土厚度、頂管直徑和沉降槽寬度，所以采用疊加法來估算雙頂管的最大沉降，也基本可以滿足等面積代換的原則。圖9 沉降槽示意圖R1-頂管外徑R2-管節(jié)外徑V1=(R12-R2)3.14=(1.792-1.772)3.14=0.224m3I=H/2.5 tg(45-/2)=6.6/(2.50.87)=3.03單管最大沉降：Smax=V1/(2.5I)=0.224/(2.53

18、.03)=2.96cm因雙排頂管間距為8.1m，所以取4.05m、8.10m兩處進(jìn)行沉降量計算4.05m處：S=0.224/(2.53.03)exp(-4.052/23.032)=1.21cm8.10m處：S=0.224/(2.53.03)exp(-8.102/23.032)=0.08cm雙管最大沉降分別出現(xiàn)在兩根頂管的正上方Smax=3.04cm在出洞階段由于打拔板樁、糾偏、泥漿套尚未形成等原因，實測最大沉降較理論計算值偏大，達(dá)到4.12cm；而在其它階段由于泥漿及時填充了部分土層間隙使得最大沉降較理論計算值偏小，僅為2.82cm。7穿越電纜井的保護(hù)措施南側(cè)頂管出洞后頂進(jìn)約50m，開始穿越動

19、力和市話兩座電纜井，見圖10。施工前先在頂管機(jī)頂進(jìn)軸線上每隔3m布置一沉降監(jiān)測點，同時在電纜井受影響的范圍內(nèi)布設(shè)四排橫向沉降監(jiān)測點，間距為2m。穿越電纜井時施工注意事項：圖10 湯臣電纜井示意圖(1)控制頂進(jìn)速度不宜過快，一般在15mm/min左右；(2)確保連續(xù)施工，盡量避免頂管機(jī)在電纜井底部長時間停留，嚴(yán)格控制出土量，防止欠挖和超挖，從而有效地控制地面沉降，減小對電纜井的不良影響；(3)限制糾偏量，減小對土體的擾動；(4)加強(qiáng)潤滑泥漿的壓注管理，掌握好漿液注入量和注漿頂進(jìn)結(jié)束后通過管道的壓漿孔注入水泥漿，置換固化漿液，減少后期沉降。對電纜井的實際監(jiān)測結(jié)果見表2。頂管機(jī)穿越電纜井監(jiān)測結(jié)果 表2累計沉降(mm)時間1.161.181.191.201.211.221.242.20點號10.5-10.6-14.9-16.2-17.6-18.1-18.5-22.62+0.1-5.4-8.7-10.4-18.9-19.3-19.6-