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        大口徑頂管技術在水利工程中的應用與設計

        2014-07-09 01:56:12陶瑋TAOei丁國瑩DINGGuoying李長斌LIChangbin
        價值工程 2014年23期
        關鍵詞:施工

        陶瑋 TAO W ei;丁國瑩 DING Guo-ying;李長斌 LIChang-bin

        (江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,揚州225009)

        0 引言

        頂管施工是繼盾構施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法,它是借助頂推裝置,在工作井內(地下)將管道逐節(jié)頂進的非開挖管道施工技術,具有不需要開挖面層而能夠穿越河川、鐵道、公路、地面建筑物、地下構筑物以及地下管線等優(yōu)點,近年來在我國逐步推廣應用。隨著大直徑、長距離頂管技術逐漸成熟,其在水利工程上也正在逐步采用,但就我省水利工程而言,使用該技術起步較晚,應用實例不多,經(jīng)驗相對缺乏。鑒于這些情況,總結通榆河送水工程灌河地涵頂管成功的設計和施工實踐經(jīng)驗,為頂管技術在我省水利工程中應用起到推廣作用。

        1 工程概況

        灌通榆河北延送水工程利用通榆河中段工程和連云港疏港航道,增加一條向連云港市供水的新通道,提升連云港市經(jīng)濟社會發(fā)展的水資源保障能力。灌河地涵位于江蘇省響水縣和灌南縣,設計流量為50m3/s,是通榆河北延送水工程的重要組成部分,其工程任務是將南邊來水通過地涵穿越灌河北送。

        地涵位置處灌河河口寬約340m,河底高程-8.0m。其下10m深的范圍內分布了③2重粘土、④粉質粘土、⑤3重粉質砂壤土、⑥1粉質粘土、⑥2粉砂、⑦2重粉質壤土、⑧輕粉質砂壤土層,其中⑤3、⑥1、⑥2、⑦2、⑧土層含砂礓,粒徑一般在1~3cm,少數(shù)砂礓盤達20cm,砂礓含量10~20%左右,局部達40%。頂管所穿過的土層主要為⑥1、⑥2、⑦2層。管頂管底局部碰及⑤3、⑧層,頂管主要座落在⑦2、⑧層。⑤3、⑥2、⑧土層具有中等透水性,為承壓含水層,地下水壓力高達20m左右,且受灌河潮位影響。

        2 工程設計

        灌河是無控制的一條天然入海潮汐河道,全長74.5km,它既是沂南地區(qū)排水入海的重要河道,又是一條重要的航運通道,因此灌河地涵的設計方案須以灌河不斷流而能順利實施為前提。通過對頂管、沉管以及較為常規(guī)的半幅施工方案進行比選,最終選用了頂管設計方案。

        地涵主體由上下洞首、收縮(或擴散)段、沉井及內部斜管段、井間主涵管這幾部分組成。地涵斷面詳見圖1。

        圖1 灌河地涵縱剖面圖

        其中:主涵管長450m,采用4根內徑φ3.5m鋼筋混凝土預制頂管,其軸線采用直線布置,頂管間距9m;管中心高程-15.55m,管頂覆土厚度5.0~21.5m。頂管管節(jié)長度2.5m,壁厚0.35m,兩端分別預埋鋼套環(huán)和鋼環(huán),預留壓漿孔和起吊孔,管節(jié)間接頭為F型承插式。

        頂管施工的工作井和接收井均為鋼筋混凝土沉井,平面尺寸37×22.5m,井內設縱隔墻1道、橫隔墻3道,共有8個井格,兩沉井的前排(臨河側)井格分別作為頂進井格和接收井格,井格寬度為7.6m~8.0m,長度為9.15m。沉井底板面高程為-18.6m,操作空間高度為0.65m。工作井后排井格內均設兩道傳力隔墻,以使頂推力傳至工作井后井壁。

        3 頂管施工方法的特點和適用性分析

        本工程頂管施工有兩個特點:一是地質條件復雜,頂管范圍內存在幾種不同土質的土層,土層不厚而多有起伏,均含砂礓,各層砂礓含量不一,一般在5%~30%之間,粒徑在0.5~3cm左右,每一層的砂礓分布不均,局部含量達40%。二是存在承壓含水層,地下水壓力高,且受灌河潮位影響。因此不論何種施工方式,都必須以滿足本工程的要求為前提。

        頂管施工方法就大的方面來說目前有三種:氣壓平衡式、土壓平衡式和泥水平衡式,這三種方法的工作原理、優(yōu)缺點以及本工程的適應性分析見表1。

        通過以上分析,結合本工程水文、地質條件,實際施工中采取了泥水平衡式施工方法。

        4 頂管機頭和選型及主要設備配置

        頂管機頭選用泥水平衡頂管機,油缸組裝備頂力18000kN,選用雙作用雙沖程等推力油缸6只,每只油缸最大推力3000kN。施工時最大頂力采用裝備頂力的90%,經(jīng)計算,最大頂進長度約為170m。

        表1 頂管施工方案比較表

        由于頂管長450m,屬長距離頂管,為減小頂進力,設置中繼間,中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式結構,長度約2m,外形幾何尺寸與管節(jié)相同。中繼間裝備頂力采用15000kN,施工時最大頂力采用裝備頂力的80%,頂進長度約為125m。

        輸土裝置采用泥漿泵和管道將泥水輸送至排泥場。

        5 頂管施工常見問題解決措施

        5.1 洞口止水

        為了防止頂管機出洞、進洞時井外水土涌入工作井和接收井內,影響頂管施工,同時也為防止頂進施工時壓入的減阻泥漿流失,保證能夠形成完整有效的泥漿套,必須在洞口設置止水裝置。本工程頂進工作井、接收井為砼沉井,洞口為混凝土井壁預留洞,在預埋鋼環(huán)上安裝雙層橡膠止水裝置,形成良好的止水效果。

        5.2 洞口封門處理方法

        洞口封門用低標號砂漿在洞口砌一堵磚封門,再于內側通過預埋在井壁上的螺栓安裝鋼封門,頂管機頭出洞時將鋼封門拆除,用刀盤將磚封門慢慢切削掉,實現(xiàn)安全出洞。頂管機頭進洞時同樣拆除接收井內的鋼封門,然后用機頭將磚封門擠倒或切削掉,一直往里推進,完成進洞。

        5.3 注漿減摩措施

        為減少土體與管壁間的摩阻力,在頂管頂進的同時,通過頂管機鉸接處及管節(jié)上預留的注漿孔,向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿,在管道四周外圍形成一個泥漿套,減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力,從而減小頂進時的頂力。頂進時,頂管機尾部的壓漿孔要及時有效地跟蹤壓漿,確保形成完整有效的泥漿套。泥漿材料可采用膨潤土。

        5.4 糾偏措施

        在頂進過程中,頂進軸線和設計軸線經(jīng)常發(fā)生偏差,因此要采取糾偏措施,減小頂進軸線和設計軸線間的偏差值,使之盡量趨于一致。頂進軸線發(fā)生偏差時,通過調節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量,使偏差值逐漸減小并回至設計軸線位置。

        5.5 減摩泥漿的固化及洞口接頭處理

        頂進結束后進行減摩泥漿(觸變泥漿)的固化,使管節(jié)外壁與周圍土層的施工間隙盡快填充固結,減小地面沉降。減摩泥漿(觸變泥漿)的置換采用水泥砂漿或粉煤灰水泥砂漿置換觸變泥漿;置換時利用原有的注漿設備從管節(jié)的注漿孔壓注。頂管結束后,管節(jié)接口的內側間隙用彈性密封膏密封處理。工作井的洞口接頭處理(井壁與混凝土管節(jié)間的空隙),采用壓力灌注C30細石混凝土,在套管上焊接止水環(huán),再以聚硫密封膏封堵。

        5.6 對付砂礓的措施

        頂管所處斷面存在較多砂礓,對頂管頂進有不利影響,一是堵塞泥水艙進泥口,二是增大迎面阻力和刀盤驅動扭矩,三是增加輸土難度。為此采取了以下措施:將刀盤的進泥口由小開口改為大開口,在上部增加2個排泥口;加大刀盤的驅動功率;輸土采用沙礫泵,增加中間接力泵,加大輸泥管管徑;在進泥管路中加入膨潤土泥漿;改進刀盤上切削刀頭布置和數(shù)量,將單層刀盤改為三層刀盤等。

        6 結語

        頂管技術在水利工程中具有避免大面積土體開挖、無需導流和導航、不干擾地面附著物等優(yōu)點,是一種新型環(huán)保的施工技術,與其他施工方法比,有一定的優(yōu)勢,但也有比較多的缺點,比如施工進度還不夠快,施工受地質的影響大,投資高。隨著我國城市化的發(fā)展,機械頂管的發(fā)展,他的技術將越來越先進、工藝將越來越完善,應用也一定越來越廣泛。

        [1]余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術[M].北京:人民交通出版社,2005:91-141.

        [2]韓選江.大型地下頂管施工技術原理及應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008:163-271.

        [3]李健.頂管施工法的技術特點分析[J].筑路機械與施工機械化,2006,7:1-3.

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