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        PCCP直頂管施工技術(shù)要點(diǎn)分析

        2020-08-05 01:37:10呂曉娜
        山西水利 2020年2期
        關(guān)鍵詞:中繼站頂力頂管

        呂曉娜

        (山西辛安泉供水工程有限公司,山西 太原 030002)

        在水利工程施工中,頂管施工目前在長(zhǎng)距離輸水工程中起到非常重要的作用,是一種非開挖或少開挖的管道埋設(shè)施工,其中PCCP 直頂管施工技術(shù)在辛安泉供水改擴(kuò)建工程中取得了較好的效果。

        1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

        辛安泉供水工程為省重點(diǎn)工程,于2012年開工建設(shè)。建成后主要為長(zhǎng)治市9 縣(市、區(qū))工農(nóng)業(yè)供水。其中辛安泉供水工程中長(zhǎng)治支線管線起點(diǎn)位于潞城市三井村附近,終點(diǎn)位于壺關(guān)縣壇坡,主要為長(zhǎng)治市城區(qū)、郊區(qū)和長(zhǎng)治縣供水。管線線路總長(zhǎng)25.92km。

        本管線施工需穿越一座土山,土山上部有水泥公路和耕地。頂管擬頂進(jìn)長(zhǎng)度318m,管頂覆土約45m,全段為直線施工。根據(jù)地質(zhì)情況,該處頂管施工采用手掘式的方法,該處PCCP 直頂管頂進(jìn)施工距離長(zhǎng),是本工程的主要特點(diǎn)。

        2 PCCP直頂管施工技術(shù)

        2.1 地質(zhì)條件

        實(shí)施318m 的DN 1400 PCCP 直頂管施工段地質(zhì)情況為:頂進(jìn)坑處地質(zhì)為低液限粘土(含砂低液限粉土),地基為卵石混合土;接收坑處土質(zhì)結(jié)構(gòu)較為密實(shí),局部夾鈣質(zhì)結(jié)核,厚度大于15m。該段頂管施工處,頂進(jìn)坑、接收坑及頂進(jìn)施工高程區(qū)域,無(wú)其它管線和地下構(gòu)筑物。

        2.2 預(yù)估頂力分析

        該頂管擬采用人工挖掘方法頂進(jìn),頂進(jìn)阻力計(jì)算如下。

        頂管頂力參考《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268-2008)第6.3.4 中的計(jì)算公式:

        式中:FP——頂進(jìn)阻力,kN;

        DO——管道的外徑,m;

        L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度,m;

        fk——實(shí)驗(yàn)確定的管道外壁與土體的平均阻力(觸變泥漿減阻技術(shù)的摩擦阻力從表1 中選用),kN/m2;

        NF——頂管機(jī)的迎面阻力,kN。

        表1 觸變泥漿減阻技術(shù)的管道外壁與土體的平均阻力單位:kN/m2

        頂管機(jī)的迎面阻力計(jì)算公式:

        式中:NF——頂管機(jī)的迎面阻力;

        Dg——頂管工具管外徑,m;

        t——工具管刃腳厚度,m;

        R——擠壓阻力,取300~500 kN/m2。

        根據(jù)該處頂管頂進(jìn)坑和接收坑實(shí)際地質(zhì)勘探、頂管配件參數(shù)、頂管設(shè)計(jì)等條件,相關(guān)參數(shù)如下:直頂管外徑DO為1.82m,頂管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L 為318m,因頂進(jìn)坑處土質(zhì)為細(xì)沙土,故管道外壁與土的單位面積平均阻力fk預(yù)取10 kN/m2,工具管外徑Dg為1.84m,擠壓阻力R 取500 kN/m2,工具管刃腳厚度t 為0.01m。

        根據(jù)公式(1)計(jì)算,當(dāng)頂管全線地質(zhì)為細(xì)沙土?xí)r,得出頂進(jìn)阻力為18201 kN。當(dāng)頂管進(jìn)入山體后,全段土質(zhì)為粘土?xí)r頂進(jìn)阻力公式(1)中,摩擦阻力系數(shù)fk取5 kN/m2,擠壓阻力R 取300 kN/m2,其他套用數(shù)值不變,計(jì)算結(jié)果頂進(jìn)阻力為9103 kN。

        2.3 頂進(jìn)坑與接收坑

        因該頂管施工方向?yàn)樽怨芫€下游向上游頂進(jìn),頂進(jìn)坑所在位置,原地面向下1m 段地質(zhì)為含砂粘土,再向下為卵石混合土。地下水位低于坑底,故采用淺槽式矩形頂進(jìn)坑,開挖邊坡為1:0.5,且不需要支撐。接收坑地質(zhì)為低液限粘土,結(jié)構(gòu)較密實(shí),施工方法同頂進(jìn)坑。根據(jù)該處頂管施工點(diǎn)原地貌和設(shè)計(jì)情況,長(zhǎng)治支線施工坑平面尺寸,頂進(jìn)坑1 處6.8m×5m(長(zhǎng)×寬);接收坑1 處6.8m×5m(長(zhǎng)×寬)。

        2.3.1 頂進(jìn)坑與接收坑開挖

        頂進(jìn)坑開挖時(shí),應(yīng)按照測(cè)量時(shí)放好的控制線,用1m3反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行開挖,前后兩側(cè)應(yīng)按1∶0.3 向下挖,左右兩側(cè)按1∶0.5 開挖,后靠背與頂進(jìn)方向垂直。開挖深度距設(shè)計(jì)開挖高程20 cm 時(shí),停止開挖,人工清理場(chǎng)地,清理完畢后,在頂進(jìn)坑的底部鋪設(shè)500mm厚的3∶7 灰土墊層,來(lái)增加抗壓強(qiáng)度,上部澆筑20 cm混凝土墊層,并砌筑排水槽,以保證坑內(nèi)的積水排出。開挖接收坑時(shí),開挖深度保證頂出管道下部緊挨底面。

        2.3.2 頂進(jìn)坑澆筑

        結(jié)合本標(biāo)段土質(zhì)情況,頂進(jìn)方向正面澆筑混凝土襯砌,后側(cè)澆筑混凝土靠背,基坑兩側(cè)坡度為1∶0.5,并用防雨布加蓋。

        后靠背施工過(guò)程中表面要平直,并垂直于頂進(jìn)管道的軸線,后靠背與坑壁土體墻面貼緊,并用砂石料填塞密實(shí)。

        忽略鋼筋混凝土后座的影響,假定主頂千斤施加的頂進(jìn)力是通過(guò)后座墻均勻的作用在頂進(jìn)坑后的土體上,為確保后座在頂進(jìn)過(guò)程中的安全,后座的反力或土抗力,應(yīng)為總頂進(jìn)力FP的1.2~1.6 倍,反作用力R 的計(jì)算公式:

        式中:R——總推力的反作用力,kN;

        α——系數(shù),取值范圍1.5~2.5,此處取2;

        B——后座墻的寬度,取5m;

        γ——土的容重,取17 kN/m3;

        H——后背墻的高度,取5.5m;

        KP——被動(dòng)土壓系數(shù),取3.69;

        C——土的內(nèi)聚力,一般取10 kPa;

        h——地面到后座墻頂部土體的高度,取3.5m。

        根據(jù)公式(3)計(jì)算得,后背反作用力為23267 kN。

        2.4 頂管施工設(shè)備及安裝

        2.4.1 導(dǎo)軌安裝

        本管道坡度為0.48%,小于1%,導(dǎo)軌水平鋪設(shè)。

        2.4.2 頂進(jìn)油缸安裝

        該處頂管施工頂進(jìn)油缸總頂力1000 t,分兩臺(tái)500 t 級(jí)的液壓驅(qū)動(dòng)活塞式油缸使用。兩臺(tái)千斤頂固定在支架上,并將進(jìn)油管并聯(lián)在一起,保證兩臺(tái)千斤頂活塞的行程和出力一致。

        2.4.3 頂鐵的安裝及使用

        頂鐵把主作用力均勻地分散到頂進(jìn)管道的管端面上,不僅可以保護(hù)管端,還可以延長(zhǎng)千斤頂?shù)男谐獭?/p>

        2.4.4 工具管和導(dǎo)向油缸的安裝

        工具管是放置于頂管前端的一節(jié)短管,主要是用于導(dǎo)向和掘進(jìn)及密封,導(dǎo)向油缸安裝在工具管中,十字分布。

        2.4.5 起重機(jī)械及安裝

        該頂管施工配備25 t 汽車吊,對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)設(shè)備、頂鐵及管材的垂直運(yùn)輸。

        2.5 中繼站安裝

        長(zhǎng)距離頂管施工中,中繼站法施工較為常用。分段頂進(jìn)過(guò)程中,在管段中間設(shè)置封閉環(huán)形(外形同管件),沿管環(huán)設(shè)置小千斤。本次頂進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到80m 時(shí),在機(jī)頭后設(shè)置一處中繼站,并采用觸變泥漿注漿工藝,理論上本頂管施工加裝3 處中繼站。實(shí)際施工過(guò)程中可根據(jù)掘進(jìn)地質(zhì)條件和頂力反饋分析,適當(dāng)調(diào)整中繼站個(gè)數(shù)。

        在頂管作業(yè)結(jié)束后,將其內(nèi)部的千斤頂、連接件、均壓環(huán)和液壓管線等配件,由人工拆除回收,而中繼站前、后特殊管和鋼制外殼都留在地層中。之后將前、后特殊管和鋼制外殼焊接,探傷檢測(cè)合格后再掛網(wǎng)用高強(qiáng)度砂漿抹平整。

        中繼站的數(shù)目和位置根據(jù)所預(yù)測(cè)頂力以及管件允許頂力來(lái)確定,計(jì)算公式如下:

        式中:i——中繼站的數(shù)目(取整數(shù));

        F——頂管總頂力;

        Fpipe——管道允許頂力。

        根據(jù)最大總頂力18201 kN,管道允許頂力7040 kN,得i=2.6,需安裝3 套中繼站,頂力為9103 kN 時(shí),得i=1.29,需安裝2 套中繼站。根據(jù)預(yù)估頂力計(jì)算,該頂管施工至少加設(shè)1 套中繼站。

        2.6 頂進(jìn)施工

        經(jīng)計(jì)算得,頂管的最大總推力為18201 kN,后靠背最大承載力為20618 kN,PCCP 頂管管件允許頂力為7040 kN,因管件允許頂力限制,剩余頂力需要設(shè)置中繼站來(lái)解決。理論上至少加設(shè)3 處中繼站,每處設(shè)計(jì)頂力為7500 kN(頂進(jìn)總長(zhǎng)318m,每80m 加裝一處),當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟可靠的情況下,形成漿套,潤(rùn)滑頂進(jìn)阻力隨頂進(jìn)長(zhǎng)度增速緩慢時(shí),考慮適當(dāng)減少中繼站個(gè)數(shù)。若進(jìn)入山體后土質(zhì)為粘土,計(jì)算頂力得9103 kN,只需加設(shè)一處中繼站。在頂進(jìn)時(shí),當(dāng)頂力達(dá)到中繼站設(shè)計(jì)推力的60%時(shí)(4500 kN),即需設(shè)置中繼站,當(dāng)頂力達(dá)到中繼站設(shè)計(jì)推力的80%(6000 kN)時(shí),即需啟動(dòng)中繼站。

        2.7 校正糾偏

        在管道頂進(jìn)過(guò)程中如果出現(xiàn)小范圍的偏差,應(yīng)在頂進(jìn)中糾偏,本工程采用小角度逐漸糾偏。

        2.8 回填注漿

        頂進(jìn)結(jié)束后,須立即對(duì)每節(jié)管道的外縫依次隔開注漿處理,中間隔一節(jié)或兩節(jié)管道。末端注漿完成后,對(duì)中間空開的管道注漿。最大限度地保證將空隙填充飽滿。

        2.9 管縫處理

        施工結(jié)束后,檢查管道、管節(jié)及管道坡度。該處頂管采用水泥砂漿密封處理。

        3 控制地面隆起、沉降的措施

        頂管工程的施工,要避免發(fā)生冒頂現(xiàn)象,且降低對(duì)地面附著物及周圍地質(zhì)情況的影響,采取沉降測(cè)量與相關(guān)措施防范。該處頂管下穿土山,頂進(jìn)土層距山頂高差45m,若掘進(jìn)過(guò)程形成土拱,理論上不會(huì)有因施工引起的地面隆起和沉降。但實(shí)際施工期間也應(yīng)對(duì)原地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        測(cè)量控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)在方便校正且不易擾動(dòng)宜于保護(hù)的地方,第一節(jié)和第二節(jié)是關(guān)鍵,所以要勤測(cè),保持頂進(jìn)30 cm 測(cè)一次,然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果頂進(jìn)管道,第二節(jié)管道進(jìn)入土體后可以適當(dāng)放寬測(cè)量的次數(shù),50 cm測(cè)一次。根據(jù)實(shí)際情況,可增加和減少測(cè)量頻次。

        頂管工程在頂進(jìn)過(guò)程中,必須把握好適宜的速度進(jìn)行連續(xù)頂進(jìn),不能中斷,以確保頂管穩(wěn)中求進(jìn)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)PCCP 直頂管施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析,做到規(guī)范施工,對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程有很大幫助。

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