采用泥水平衡頂管巖層施工

1、本工程頂管工藝采用泥水平衡式頂管。在頂管頂進(jìn)施工中，總頂力由兩部分組成，即管節(jié)前 端貫入阻力和管道摩阻力。其中，管道摩阻力是頂力的重要組成部分，其大小直接影響頂力 的大小。它與土層的土性參數(shù)、管道埋深、管徑大小以及管道與土體之間的接觸應(yīng)力等因素 有關(guān)。本文選取其中三個(gè)頂管段進(jìn)行分析，其基本參數(shù)見表1。表1各段管道外徑管道埋深頂進(jìn)長度標(biāo)號(hào)D(niin)H(m)L(nun)J3-J424208236J5J624207.5401J6J728206.5398其中頂管穿越地層：J3-J4段主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、黏土，沿線穿越40m寬石井河, 最小覆土只有0.4m； J5-J6段主要為粗砂、淤泥質(zhì)黏

2、土、細(xì)砂、粉土、殘積質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏 土，管道外邊與高速公路橋樁基礎(chǔ)的支撐樁距離只有Im； J6-J7段主要為粉質(zhì)黏土、粗砂、 殘積粉質(zhì)黏土、粘細(xì)砂。目前常用的泥水平衡式頂管頂力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下(不考慮泥漿減阻等)。式中：總推力（kN）；初始推力（kN）：每米管子與土層之間的綜合摩擦阻力（kN/m）（1）式中： 地下水壓力（kPa）,: 水的密度（kg/m3）；重力加速度（m/t2）：地下水位到挖掘機(jī)中心深度（m）；管外徑（m）；挖掘面前土壓力（取=150kPa）：附加壓力（一般取20kPa）o（2）式中： 綜合摩擦阻力（kPa）；管外周長（m）；每米管子的重力（KN,，m）：管子重力在土中的摩

3、擦系數(shù)，取0.2。經(jīng)計(jì)算可得：J3-J4 總推力 1 = 1011.40+63.58x236= 16016.28 （KN）：J5-J6 總推力 2 = 965.43+63.58x401 = 25495.58 （KN）：J6-J7 總推力 3 = 1310.95+74.58x398 = 30993.79 （KN）。DN2800鋼管軸向允許推力為57340 KN, DN2400鋼管軸向允許推力為42065 KN ,根據(jù)總 推力、工作井所能承受的最大頂力及管材軸向允許推力比較后，取最小值作為油缸的總推力。 各油缸有其獨(dú)立的油路控制系統(tǒng)，可根據(jù)施工需要通過調(diào)整主頂裝置的合力中心來進(jìn)行輔助 糾偏。每只油

4、缸頂力控制在1800 KN以下，這可以通過油泵壓力來控制，頂進(jìn)時(shí)需加中繼 間，頂進(jìn)系統(tǒng)概況見表2。表2頂管段工作井設(shè)計(jì)頂力長度m主頂油缸選用J3-J47500kN2364臺(tái)2000kN級(jí)油缸J5J64000kN（加固 8000kN）4014臺(tái)2000kN級(jí)油缸J6J77000kN（加固 lOOOOkN）39810臺(tái)lOOOkN級(jí)油缸長距離鋼管頂管頂進(jìn)4.1刀具布設(shè)根據(jù)地質(zhì)資料及J7井施工時(shí)的地質(zhì)情況，管道下半部分為泥巖，上部為砂質(zhì)粘性土，穿越 該地層長度為120m,其他地層為砂質(zhì)黏土及淤泥層。從J7出洞后進(jìn)入泥巖地層，是上軟下 硬的典型地層，泥巖的硬度較大，一般的刮刀切削時(shí)易損壞，切削不充分時(shí)

5、頂進(jìn)極易往上偏 移。施工前進(jìn)行刀盤五幅刀桿的刀具重新布設(shè)，增設(shè)合金貝殼先行刀，每幅刀桿布設(shè)45 把貝克刀，貝殼刀比刮刀高35cm.每全斷面布設(shè)道軌跡線有23把貝克刀切削，貝殼刀 切削軌跡線間有5-8cm沒有切削，在推進(jìn)過程中由刮刀來切削。同時(shí)，在施工過程中頂進(jìn) 速度由原7150cninun降低到35cninun，使到頂管機(jī)的刀盤充分切削土體，形成均勻的土 洞。同時(shí)，在泥土倉噴射高壓水，減少刀具的磨損，在粘土層中減少泥餅的形成。4.2糾偏節(jié)的布設(shè)鋼管頂管施工與磔管頂管施工最大的區(qū)別是：鋼管的接II是焊接的，呈剛性，管節(jié)對(duì)接時(shí)間 長；佐管的接II是插入式F型接II,呈柔性，管節(jié)對(duì)接時(shí)間短。本工程頂

6、管施工管線主要 穿過的土層為砂質(zhì)黏土和泥巖，頂管機(jī)刀盤切削前面土體不完整時(shí)，頂進(jìn)方向不好掌控，施 工中容易出現(xiàn)偏差，一旦產(chǎn)生偏差就不容易糾正過來。為了長距離鋼管頂管施工能順利進(jìn)行, 使到偏差能校正過來，把頂管機(jī)后面的兩節(jié)鋼管接II設(shè)計(jì)做成與佐管F型接II一樣，每段 管節(jié)稱較接管二，餃接管，長度一般與管徑相等。頂管機(jī)的糾偏段接II及兩個(gè)餃接管接II, 使頂管機(jī)到鋼管段共10米長的管道有三個(gè)餃接點(diǎn)的柔性連接，形成一個(gè)過渡區(qū)段，從而使 剛性的鋼管有較好的適應(yīng)性。一般頂進(jìn)10米范圍內(nèi)，管線可校正過來。4.3泥漿減阻在頂進(jìn)過程中，隨著距離的增長，管道的摩阻力也隨之增大，特別是在富水砂層中頂進(jìn)更為 特別。

7、為了提高頂進(jìn)施工的效率，在施工過程中盡可能地降低管道外側(cè)的阻力，通常情況下 往管外側(cè)噴射觸變泥漿，降低頂進(jìn)的阻力。觸變泥漿管設(shè)置在頂管機(jī)后面34節(jié)管，每節(jié)管都設(shè)置觸變泥漿管，在管節(jié)外壁形成完整的漿套。以 后的管節(jié)間隔3節(jié)管設(shè)置一道，用來對(duì)漿套進(jìn)行補(bǔ)漿。4.4中繼間接力中繼間接力放置是頂進(jìn)方向及頂力控制十分關(guān)鍵的工序，過早或過退放置中繼間對(duì)施工影響 很大。中繼頂壓站由一些短行程T斤頂組成，這些千斤頂共同產(chǎn)生的推頂力必須達(dá)到推動(dòng)中 繼頂壓站前方的管段所需的數(shù)值。中繼環(huán)的設(shè)計(jì)必須滿足剛度大、安裝方便和加工精確，并 在使用中具有水密性。4.5中繼環(huán)的設(shè)計(jì)設(shè)置中繼環(huán)是將頂進(jìn)管段分成若干段，采用接力頂進(jìn)的

8、方法來延長頂距。頂進(jìn)中，工具管的 迎面阻力由一號(hào)中繼環(huán)承擔(dān)，其余的中繼環(huán)各自承擔(dān)其前面管段的摩阻力，主壓站承擔(dān)最后 一段管段的頂進(jìn)，中繼環(huán)的設(shè)計(jì)頂力不大于主千斤頂?shù)淖畲笤试S頂力，即W。（1）主千斤頂?shù)淖畲箜斶M(jìn)距離可用下式表示：2式中：一工作系數(shù)取0.8,以考慮主千斤頂?shù)墓ぷ餍?，防止頂力過大損壞油缸；單位面積摩阻力（KN/m）,因主千斤頂最大頂進(jìn)長度較長，對(duì)于粘土取23 ,粉質(zhì)粘土取45；管道半徑(m);最大允許頂力(KN)。一號(hào)中繼環(huán)的安裝位置可按下式來計(jì)算2：式中：一一號(hào)中繼站的安裝位置(m)；中繼環(huán)的設(shè)計(jì)頂力(KN)；工具管的迎面阻力(KN)；單位面積管道的摩阻力(KN/m2),對(duì)于粘性

9、土取3；工作系數(shù)，取0.6,主要考慮第一中繼環(huán)除了承擔(dān)迎面阻力，還受到管壁摩阻力的作用;管道半徑(m)；以計(jì)算值為基礎(chǔ)，第一中繼站的位置宜稍靠向前，以防遇障或土質(zhì)突變引起迎面阻力加大。中繼環(huán)的設(shè)置間距2中繼環(huán)的間距(m);工作系數(shù)，對(duì)普通的中繼環(huán)取0.7,對(duì)組合中繼環(huán)取0.8； 取值宜比設(shè)計(jì)1號(hào)中繼站時(shí)小一些，對(duì)于粘性土，可取25KN/m2。根據(jù)以上公式，計(jì)算各頂管段中繼環(huán)設(shè)置情況如下：J3-J4： 157 (m)，其小于頂距236 m故需加中繼環(huán)。第一中繼環(huán)的位置=89.44 (m),取=90 (m),即15節(jié)6m/節(jié)的鋼管總長度；由=247 (m),于是可只在距機(jī)頭90m處設(shè)置一道中 繼環(huán)

10、。實(shí)際施工中沒有添加中繼環(huán)，旦頂管出洞時(shí)的頂力也只有5923.8kN,占總頂力的82%。分 析其原因，是J3-J4段頂管覆土淺，穿越地層多是松散的流塑狀的淤泥土，鋼管的浮力大， 且管土摩擦系數(shù)較低，從而使總頂力偏小。J5-J6： 187(111),其小于頂距401m故需加中繼環(huán)。第一中繼環(huán)的位置=123.41(111),取=120, 即20節(jié)6m/節(jié)的鋼管總長度；=184.24 (m),取=186 (m)：故可分別在距離機(jī)頭120 m及306 m處設(shè)置中繼環(huán)。實(shí)際施工中在距離機(jī)頭29 m與126.5m處設(shè)置中繼環(huán)，其實(shí)際頂力分別為878 KN和8279 KN,分別占總頂力的22.4%與70.4

11、%。分析其原因，是該段地質(zhì)復(fù)雜，且對(duì)基礎(chǔ)及地層變 形要求高，為了減少整條管線剛性長度的距離以降低偏差，故中繼間設(shè)置靠前。J6J7： 215 (m),其小于頂距398m故需加中繼環(huán)。=138.67 (m),取=138 (m),即23 節(jié)6m/節(jié)的鋼管總長度；=353 in ,接近398 m的總長，同時(shí)考慮頂進(jìn)中觸變泥漿的減阻 作用，管壁摩阻力降低，可不用再設(shè)置中繼環(huán)。于是，可只在138 m處加入一中繼環(huán)。實(shí)際施工中在118.3 in處安裝了中繼環(huán)，該處的頂力大小為5644.8KN,占總頂力的48%, 故上述中繼環(huán)的設(shè)計(jì)是可行的O實(shí)測頂力結(jié)果分析理論頂力與實(shí)測頂力對(duì)照?qǐng)D如圖1圖3圖一 J4-J3頂管段頂力對(duì)照?qǐng)D圖二J5.J6頂管段頂力對(duì)照?qǐng)D圖三 J6-J7頂管段頂力對(duì)照?qǐng)D從圖一到圖三可以看出根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的頂力與管段長度呈線性關(guān)系，但實(shí)測值表明，頂 力隨頂距并不呈明顯的增長關(guān)系。說明經(jīng)驗(yàn)公式中未考慮注漿、土質(zhì)變化以及地下水位等的 影響，同時(shí)管土接觸的綜合摩擦阻力也采用不變的數(shù)值，導(dǎo)致頂力計(jì)算差異很大。頂管施工過程中不可避免的要對(duì)偏差的管節(jié)進(jìn)行及時(shí)糾偏，但糾偏時(shí)會(huì)對(duì)側(cè)向土體產(chǎn)生很大 的被動(dòng)土壓力，使管道周圍的摩阻力劇增，使頂力增加。在圖三中，該曲線的兩端頂力變化 很大。圖二和圖三中使用中繼環(huán)后，頂力隨頂距增加沒有呈增加趨勢，反而有時(shí)會(huì)降低。同 時(shí)J5-J6段管線