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        網(wǎng)格式泥水平衡頂管機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)用

        2020-06-08 10:21:05桑澤晶

        桑澤晶

        【摘要】目前,頂管常用的施工方法一般有人工頂管、機(jī)械頂管兩種,其中機(jī)械頂管又分為土壓平衡、泥水平衡和氣壓平衡頂進(jìn)工藝。人工頂管適用范圍小,地質(zhì)要求高施工領(lǐng)域;土壓平衡適用于無地下水位施工領(lǐng)域;氣壓平衡適用于相對(duì)密實(shí)、可形成氣囊的土質(zhì)施工領(lǐng)域;普通泥水平衡施工適用于地下水位高和長(zhǎng)距離頂管施工;但普通泥水平衡在頂進(jìn)過程中如遇到砂礫或其他特殊雜填地質(zhì),在障礙物處理能力上相對(duì)欠缺,需要采用特殊泥水平衡機(jī),但造價(jià)特別高,不適合于市政配套管網(wǎng)工程。本文依托太原市新店街建設(shè)工程三標(biāo)段頂管施工中,已經(jīng)明確該施工區(qū)域存在特殊、復(fù)雜、有水等條件環(huán)境,為達(dá)到能夠有效施工的目的,通過集思廣益,確定對(duì)現(xiàn)狀普通泥水平衡頂管機(jī)刀盤進(jìn)行改造方案,將原有刀盤替換為“網(wǎng)格刀式”刀盤,網(wǎng)格刀盤在前進(jìn)過程中處于吃土頂進(jìn)狀態(tài),切下的土方進(jìn)入到工作艙的前艙,采用水沖法(水沖法即用高壓水沖擊切下土方,從而形成泥水混合物)將泥水混合物排出,配備大功率泥漿泵將工作艙中的泥水混合物輸出。此工藝制作成本低,操作簡(jiǎn)單,適用于中小工程,尤其是在保證進(jìn)度、安全、質(zhì)量的情況下,有效解決了機(jī)械頂管施工中遇障礙物處理難的問題。

        【關(guān)鍵詞】普通泥水平衡;網(wǎng)格式刀盤;障礙物處理

        1、引言

        近年來,隨著太原市北部片區(qū)的發(fā)展建設(shè),城市地下管網(wǎng)建設(shè)也在不斷完善,面臨地上結(jié)構(gòu)物眾多的實(shí)際情況,非開挖技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。但是針對(duì)太原市北部片區(qū),尤其是新城大坡片區(qū),是幾十年不斷由建筑垃圾、生活垃圾填筑,將新城“大坑”填筑成為新城“大坡”,具有回填層厚、地下水位高、地質(zhì)復(fù)雜的實(shí)際情況,經(jīng)常出現(xiàn)大塊孤石、大塊混凝土、樹根等現(xiàn)象,對(duì)頂管施工工期、安全、質(zhì)量、成本造成極其嚴(yán)重的影響。由于地下水位高、水量豐富、滲水系數(shù)大、成本高等因素,人工頂管、土壓平衡頂管、氣壓平衡頂管在此受到極大的制約,泥水平衡是最合適的選擇,但是針對(duì)孤石、大塊混凝土、樹根、建筑棄料等,又超出泥水平衡遇到障礙物的處理能力。

        基于此實(shí)際而又棘手的問題,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的提前詳細(xì)調(diào)查,并且通過對(duì)泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改造,形成人工與機(jī)械結(jié)合的頂進(jìn)方案,遇障礙物采取作業(yè)人員直接進(jìn)入操作倉進(jìn)行清除方式,既有效解決了頂前方障礙物清除的問題,同時(shí)又節(jié)約成本、保證工期、確保安全,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

        2、工程簡(jiǎn)介

        2.1 工程概況

        太原市新店街建設(shè)工程三標(biāo)段,西起新城南大街、東至石太客專鐵路橋、北起恒山路口、南至恒山路小學(xué),占地面積約2.5平方公里。主要施工內(nèi)容包含市政道路、管線、橋梁三部分,其中道路工程包含新店街道路、新店街地下通道、恒山路道路;管線包含市政雨污水、電力及太鋼北防洪涵;橋梁包含新店街主線橋、恒山路主線橋、四條轉(zhuǎn)向匝道、兩條太鋼專用匝道等。

        2.2 周邊環(huán)境情況

        該工程位于太原市城市北部片區(qū),太鋼、六十一中學(xué)、恒山路小學(xué)等多家企事業(yè)單位分布于此,同時(shí)區(qū)域內(nèi)縱橫分布著17條既有鐵路,多年來受鐵路阻隔,交通和經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到極大限制。所以,為保證交通的正常運(yùn)行和鐵路運(yùn)行設(shè)備的安全,雨污水、防洪等管線施工多采取圓管頂進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

        2.3 水文地質(zhì)情況

        擬建區(qū)域由多年前的新城“大坑”,采用建筑垃圾、生活垃圾等堆積回填成為新城“大坡”,原地面至以下15-20m范圍內(nèi)無序分布著塊徑1-3m孤石、大混凝土塊、磚砌塊、甚至舊村落的青磚城墻等,而且地下水位極高,原地面以下2-4米即為地下水,水量豐富,地質(zhì)滲水量大,對(duì)頂管施工造成及其嚴(yán)重的影響。

        3、頂進(jìn)方案的選擇

        目前常規(guī)的頂管技術(shù)分為人工頂管和機(jī)械頂管兩種。機(jī)械頂管常用的有土壓平衡、泥水平衡和氣壓平衡。鑒于本工程地下水位高、水量豐富、滲水系數(shù)大、特殊地質(zhì)層厚等實(shí)際情況,人工頂管、土壓平衡頂管、氣壓平衡頂管適用于無地下水位施工領(lǐng)域,在此受到極大的制約,普通泥水平衡適用于地下水位高和長(zhǎng)距離頂管施工,但是針對(duì)孤石、大塊混凝土、樹根、建筑棄料等特殊復(fù)雜地質(zhì),又超出普通泥水平衡機(jī)的使用范圍,極易造成遇特殊地質(zhì)而中斷頂進(jìn)作業(yè),增加工期和加大成本、影響鐵路運(yùn)行安全。通過以上情況的綜合比選,本工程采用普通泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè),對(duì)泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行局部改造,形成網(wǎng)格式泥水平衡頂管機(jī),以適應(yīng)不可預(yù)知的特殊復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。

        4、總體方案的制定

        對(duì)常規(guī)泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行局部改造,用自制網(wǎng)格刀式刀盤代替原刀盤,使泥水平衡頂管機(jī)頭形成敞開式,頂進(jìn)過程中,網(wǎng)格刀全部呈吃土狀態(tài),保證機(jī)頭前方土體穩(wěn)定。進(jìn)入土壓艙后,配備大功率泥漿泵,采用水沖法排出。如遇孤石、混凝土塊、建筑垃圾等大塊徑障礙物,現(xiàn)場(chǎng)工作人員可直接打開操作倉進(jìn)入,人工進(jìn)行破除后搬運(yùn)至地面,有效解決了頂進(jìn)過程中遇障礙物無法清除的問題。

        5、“網(wǎng)格刀式”泥水平衡頂管機(jī)介紹

        5.1設(shè)備改造

        圖中:1-工作艙;2-操作艙;3-網(wǎng)格刀盤;4-隔斷支撐墻;5-隔離門;6-隔離擋板;7-液壓缸組件;8-支撐液壓缸;9-第一搭接部;10-第二搭接部;11-方向調(diào)節(jié)控制閥;12-外圈;13-隔板;14-加固肋板。

        5.2工作原理

        網(wǎng)格刀式頂管機(jī)頭,包括工作艙和操作艙,所述工作艙的前端設(shè)置有用于切土的網(wǎng)格刀盤,工作艙后半部?jī)?nèi)設(shè)置有隔斷支撐墻,所述隔斷支撐墻的下部設(shè)置有隔離門,隔斷支撐墻之后的工作艙內(nèi)底部設(shè)置有防止水或泥沙進(jìn)入所述操作艙的隔離擋板,隔離擋板與隔斷支撐墻之間的軸向距離以及相對(duì)高度保證人跨越隔離擋板后能穿過隔離門;工作艙與操作艙通過用于糾偏頂進(jìn)偏差的液壓缸組件相連接。

        在機(jī)頭頂進(jìn)過程中網(wǎng)格刀盤吃土頂進(jìn),能保證前方地質(zhì)穩(wěn)定,土方通過網(wǎng)格刀盤進(jìn)入工作倉;隔斷支撐墻不僅起到支撐工作艙的作用,而且還能將操作艙和工作艙隔離開,增加了作業(yè)人員的安全指數(shù);隔斷支撐墻將工作艙隔斷為前艙和后艙,在隔斷支撐墻下部開設(shè)隔離門,是為了在頂管機(jī)前進(jìn)過程中,能順利清出砂礫等泥沙混合物,而且當(dāng)頂進(jìn)過程中如遇到大直徑砂礫或其他特殊雜填地質(zhì),工作人員能夠從隔離門進(jìn)入到工作艙前艙,隔離門的大小保證能通過工作人員,隔離擋板與隔斷支撐墻之間的軸向距離以及二者相對(duì)高度保證工作人員跨越隔離擋板后能穿過隔離門進(jìn)入到工作艙的前艙中;工作人員進(jìn)入工作艙的前艙后能掏出網(wǎng)格刀盤中的大直徑砂礫等,此時(shí)網(wǎng)格刀盤能起到支撐保護(hù)作用,防止機(jī)頭前方塌陷等造成人員傷亡;當(dāng)不工作時(shí),關(guān)閉隔離門,能增強(qiáng)隔斷支撐墻的支撐作用,通過液壓缸組件能對(duì)機(jī)頭方向進(jìn)行微調(diào),實(shí)現(xiàn)糾偏頂進(jìn)偏差。

        具體操作時(shí),網(wǎng)格刀盤在前進(jìn)過程中處于吃土頂進(jìn)狀態(tài),切下的土方進(jìn)入到工作艙的前艙,采用水沖法(水沖法即用高壓水沖擊切下土方,從而形成泥水混合物)將泥水混合物排出,配備大功率泥漿泵將工作艙中的泥水混合物輸出,或者切下的土方含水量較大時(shí),泥漿泵也能直接將泥水混合物抽出,當(dāng)頂進(jìn)前方土質(zhì)較軟時(shí),就加快頂進(jìn)速度,反之則減慢,這樣就能保證在頂進(jìn)過程中泥水平衡;隔離擋板能防止泥水混合物進(jìn)入到操作艙,在保證操作人員安全的前提下,還保證了操作艙工作面的整潔。

        5.3改造流程

        組織技術(shù)人員、施工負(fù)責(zé)人進(jìn)行研討,成立創(chuàng)作小組,形成改造方案,經(jīng)行業(yè)專家確認(rèn)后,進(jìn)行“網(wǎng)格刀式”泥水平衡頂管機(jī)刀盤制作,并現(xiàn)場(chǎng)試頂試驗(yàn),并通過設(shè)備功能驗(yàn)收、頂進(jìn)質(zhì)量驗(yàn)收后,應(yīng)用于施工生產(chǎn)。

        施工工藝流程:施工準(zhǔn)備→圖紙繪制→機(jī)頭制作→現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)→圓管頂進(jìn)→驗(yàn)收

        (1)施工準(zhǔn)備:成立創(chuàng)作小組,責(zé)任明確,分工負(fù)責(zé)。

        (2)圖紙繪制:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及施工要求,會(huì)同專家意見,繪制頂管機(jī)詳細(xì)圖,經(jīng)多方審核完成,與山西華晟重工有限公司技術(shù)對(duì)接,細(xì)化施工圖,具備制作條件。

        (3)機(jī)頭制作:委托山西華晟重工有限公司按圖1:1完成該機(jī)頭制作。

        (4)設(shè)備驗(yàn)收:機(jī)頭制作完成后組織專家及現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人完成驗(yàn)收。

        5.4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        (1)場(chǎng)地模擬:機(jī)頭制作完成后,運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng);提前完成工作井及其他頂管相關(guān)配套設(shè)施;提前準(zhǔn)備場(chǎng)地,該場(chǎng)地區(qū)段為回填建筑垃圾及混凝土塊區(qū)段;

        (2)實(shí)施頂進(jìn):各準(zhǔn)備工作完成后,開始頂進(jìn),頂進(jìn)2m后,建筑垃圾等其他已經(jīng)堵死機(jī)頭,無法繼續(xù)頂進(jìn),現(xiàn)場(chǎng)工作人員打開操作倉,人工鑿除建筑垃圾,清理完成后,重新開始頂進(jìn),圓滿完成該特殊地段頂管。

        (3)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收:試驗(yàn)段頂進(jìn)完成后,組織專家現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收,頂管區(qū)段下沉在控制范圍內(nèi),遇特殊地質(zhì)在保證安全前提下,可以開艙鑿除影響物,使用達(dá)到預(yù)想效果,可投入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行使用。

        6、網(wǎng)格式泥水平衡機(jī)較其他頂管機(jī)的優(yōu)勢(shì)

        (1)頂進(jìn)土加少量大直徑砂礫、雜填地質(zhì)含磚塊混凝土塊等特殊地質(zhì)施工。

        (2)頂進(jìn)前不須做井點(diǎn)降水處理,頂進(jìn)時(shí)能對(duì)抗地下水保持平衡沉降。

        (3)掘削土排出方法為水沖式,大直徑砂礫及其他雜填塊,現(xiàn)場(chǎng)能夠人工搬運(yùn)。

        (4)使用性廣,各種不確定地質(zhì)都能頂進(jìn)。

        (5)維修方便,檢修人員能夠直接進(jìn)入操作區(qū)間,在鐵路頂管施工過程中,極大的保證了鐵路安全。

        (6)采用隔離控制艙,設(shè)置4套油缸,糾偏頂進(jìn)偏差。

        (7)操作區(qū)間與土壓艙隔離,增加了作業(yè)人員的安全指數(shù)。

        (8)網(wǎng)格式頂管機(jī)較泥水平衡機(jī),內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,造價(jià)低等特點(diǎn)。

        結(jié)語:

        本實(shí)用新型的有益效果是構(gòu)思巧妙,制作成本低,操作簡(jiǎn)單,適用于中小工程,適用于在頂進(jìn)土含少量大直徑砂礫、雜填地質(zhì)含磚塊混凝土塊等特殊地質(zhì)施工,當(dāng)機(jī)頭卡在大直徑砂礫、雜填地質(zhì)含磚塊混凝土塊等特殊地質(zhì)施工時(shí),能實(shí)現(xiàn)人工開挖并搬運(yùn),不需要在障礙物的上方地面再開挖第三基坑,省時(shí)省力,提高了工作效率,頂進(jìn)前不須做井點(diǎn)降水處理,頂進(jìn)時(shí)能對(duì)抗地下水保持平衡沉降,適用性廣,各種不確定地質(zhì)都能頂進(jìn),設(shè)置隔離門使得維修方便,檢修人員能夠直接進(jìn)入操作艙,而且隔離門使操作艙與工作艙隔離,增加了作業(yè)人員的安全指數(shù)。

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