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        某河道整治項(xiàng)目長(zhǎng)距離大直徑頂管無(wú)中繼間施工技術(shù)研究及應(yīng)用

        2020-08-31 02:48:46馬永志蔡坤晉
        廣東水利水電 2020年8期
        關(guān)鍵詞:頂力后背頂管

        盧 斌,馬永志,陳 松,蔡坤晉

        (1.中建水務(wù)環(huán)保有限公司,北京 100071;2.中建三局南方公司基礎(chǔ)設(shè)施部,廣東 深圳 518000)

        中繼間是大直徑長(zhǎng)距離頂管重要設(shè)備之一,目前在長(zhǎng)距離頂管施工中應(yīng)用廣泛,但是中繼間仍存在不足。如中繼間前后管材之間接頭密封性相對(duì)較差,是頂管施工技術(shù)難點(diǎn);中繼間安裝周期長(zhǎng),加工成本高,操作不便,降低工效;中繼間拆除需采用氣割,施工安全要求高,氣割對(duì)管道內(nèi)外防腐存在影響。因此對(duì)于一些對(duì)于工期進(jìn)度、工程造價(jià)、管道耐久性要求高的工程,盡量減少使用中繼間數(shù)量。

        2018年9月28日,深圳市某河道整治截污工程上、下游污水系統(tǒng)均已貫通,中間連通區(qū)域存在一未貫通節(jié)點(diǎn),要求在2018年11月1日前完成。該段管道長(zhǎng)度為168 m,內(nèi)徑為2.2 m,采用頂管施工。根據(jù)《頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS:246),該頂管施工需設(shè)置2處中繼間?!督o水排水管道施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268—2008)6.3.1條要求一次頂進(jìn)距離超過(guò)100 m需采用中繼間技術(shù)。如采用中繼間方案,工期進(jìn)度難以滿足要求。綜合分析頂管方法、管材、土層等情況,經(jīng)充分論證,該項(xiàng)目取消中繼間設(shè)置,發(fā)揮頂管機(jī)械頂力、后背土體和后背墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、管道材料強(qiáng)度,保障工期進(jìn)度。

        1 長(zhǎng)距離頂管影響因素

        1.1 管道總頂力

        長(zhǎng)距離頂管要克服迎面和管道周邊土體阻力才能頂進(jìn)作業(yè),管道總頂力可按式(1)估算[1]:

        F0=πD1Lfk+NF

        (1)

        式中F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值;D1為管道外徑;L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度;fk為管道外壁與土的平均摩阻力;NF為頂管機(jī)迎面阻力。

        目前頂管掘進(jìn)機(jī)械分為人工掘進(jìn)和機(jī)械掘進(jìn),機(jī)械頂管又分為土壓平衡、泥水平衡、氣壓平衡和巖石頂管。根據(jù)頂管機(jī)械前端面和機(jī)型的不同,對(duì)于頂管機(jī)迎面阻力計(jì)算方法不同[2],公式見(jiàn)表1。

        表1 管道迎面頂力計(jì)算公式

        1.2 管道外壁摩阻力

        頂管施工為非開挖施工,其上部覆土自重及管道周邊土體壓力對(duì)于管道周邊形成摩阻力。隨著頂管頂進(jìn)距離的加大,摩阻力越來(lái)越大,是長(zhǎng)距離頂管阻力主要組成部分。摩阻力與土壓力、摩擦系數(shù)有關(guān),實(shí)際頂管施工中頂管覆蓋層厚度往往變化較小。因此,降低管道摩阻力主要考慮降低摩擦系數(shù)。目前主要方法是在頂進(jìn)管道與周邊土層環(huán)狀空間注入觸變泥漿,形成完整連續(xù)潤(rùn)滑膜,保障減摩效果。不同管材,不同掘進(jìn)方式下,管道側(cè)壁與土體摩擦系數(shù)見(jiàn)表2[3];采用觸變泥漿后,管道外壁單位面積平均摩阻力可按表3[1]計(jì)算。

        表2 不同土層和管徑下管道摩擦系數(shù)

        表3 觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力 kN/m2

        1.3 頂管管材強(qiáng)度

        頂管施工目前應(yīng)用最多的是鋼筋混凝土管材、鋼管、玻璃鋼夾砂管。此3種管材允許最大頂力計(jì)算公式見(jiàn)表4[2]。

        表4 管道允許頂力計(jì)算公式

        1.4 頂管主頂裝置

        頂管施工主頂設(shè)備多采用液壓驅(qū)動(dòng)的活塞式雙作用油缸頂進(jìn),目前常規(guī)主頂設(shè)備單臺(tái)頂力800~3 000 kN,耐壓42 MPa,部分廠家能夠做到超高壓50 MPa。常規(guī)頂管頂進(jìn)裝置主要包括后靠背、頂鐵、導(dǎo)軌和油缸4大組件(如圖1所示),頂進(jìn)油缸數(shù)量可以是大于2的任意數(shù)量,總的頂進(jìn)能力和頂進(jìn)管道承載能力相關(guān)。根據(jù)《液壓缸技術(shù)條件》(JBT 10205—2000)[5]液壓缸體能夠承受其最高工作壓力1.5倍壓力,實(shí)際操作過(guò)程中以最高工作壓力作為允許頂進(jìn)作用力。

        1-導(dǎo)軌;2-油缸;3-頂鐵;4-后靠背

        1.5 后座結(jié)構(gòu)形式

        一般情況頂管結(jié)構(gòu)后座墻位于頂管工作井內(nèi),為使油缸推力均勻作用頂管工作井后方土體,需澆筑一堵后背墻,后背墻能夠承受管道頂力。后座結(jié)構(gòu)尺寸取決于頂管管徑大小和后背墻被動(dòng)土壓力,因此需要對(duì)于在最大頂力情況下后座土體不被破壞,充分利用天然土體強(qiáng)度,同時(shí)后座墻結(jié)構(gòu)也能滿足頂力作用下不發(fā)生破壞。

        滿足后背土體不被頂力破壞同時(shí)還需要后背墻自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足需要,其驗(yàn)算見(jiàn)公式(2)[3]

        Mr=0.28Bt2σct

        (2)

        式中t為后座墻厚度;σct為混凝土抗拉強(qiáng)度;B為后座墻寬度;Mr為后背墻承受最大彎矩。

        2 大直徑長(zhǎng)距離頂管無(wú)中繼間施工技術(shù)設(shè)計(jì)原則

        2.1 充分發(fā)揮后背墻及后背土體強(qiáng)度

        后背土體及后背墻強(qiáng)度是保障長(zhǎng)距離頂管順利進(jìn)行首要要素,目前關(guān)于后背土體計(jì)算方法較多(見(jiàn)表5),可用多種方法驗(yàn)證校核,確保方案可行。

        表5 后靠背土體反力計(jì)算公式

        F0≤R

        (3)

        M≤Mr

        (4)

        式中F0為管道總頂力;R為后背墻土體允許頂力;M為設(shè)計(jì)頂力下后背墻彎矩;Mr為后背墻承受最大彎矩。

        2.2 充分發(fā)揮主頂機(jī)械頂進(jìn)能力

        為充分發(fā)揮頂管頂進(jìn)機(jī)械性能,通過(guò)頂力驗(yàn)算,布置若干個(gè)液壓油缸,油缸布置對(duì)稱,以免受力不均導(dǎo)致管道頂進(jìn)偏位。頂管管徑、長(zhǎng)度、土層信息確定后計(jì)算出管道總頂力,根據(jù)總頂力大小選取滿足要求的主頂油缸和個(gè)數(shù)(根據(jù)公式(5)、(6)驗(yàn)算)。

        Fj≥F0

        (5)

        Fj=nfj

        (6)

        式中Fj為頂管機(jī)機(jī)械頂進(jìn)推力;F0為管道總頂力;n為主頂油缸數(shù)目;fj為油缸工作壓力。

        2.3 充分發(fā)揮管材設(shè)計(jì)強(qiáng)度

        長(zhǎng)距離大直徑頂管目前常用的有鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼管,常用混凝土管材抗壓強(qiáng)度范圍為14.3~23.1 MPa,玻璃鋼夾砂管抗壓強(qiáng)度范圍為90~100 MPa,鋼管抗壓強(qiáng)度210 MPa。

        Fd≥F0

        (7)

        式中Fd為管道允許頂力;F0為管道總頂力。

        頂管施工前根據(jù)最大頂力和不同管材允許頂力進(jìn)行初步評(píng)估,確保所選管材能夠滿足頂力需要。鋼管抗壓強(qiáng)度最高,重量輕,與土體摩擦系數(shù)小,頂力相對(duì)小,但覆土深度較大時(shí),需加強(qiáng)其環(huán)向剛度壁厚需加大,難以加工;玻璃鋼夾砂管強(qiáng)度高,彈性變形大,傳力效果好,質(zhì)量輕,摩阻力小,但是目前玻璃鋼夾砂管單價(jià)相對(duì)較高;鋼筋混凝土管目前應(yīng)用廣泛,生產(chǎn)廠家多,供貨周期快,接頭連接方便,抗腐蝕能力優(yōu)于鋼管,施工效率高。實(shí)際應(yīng)用中,在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件下,綜合管道工程造價(jià)、使用性質(zhì)、土層條件、施工工期等要求確定管材。

        3 某河道項(xiàng)目無(wú)中繼間長(zhǎng)距離頂管實(shí)施及效果驗(yàn)證

        3.1 不同管材頂力計(jì)算及管材允許頂力計(jì)算

        根據(jù)地質(zhì)勘察成果頂管覆土層厚12 m,頂管穿越強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中粗砂、粉質(zhì)黏土3個(gè)土層,選用泥水平衡方式進(jìn)行頂管施工。為減小管道側(cè)壁摩阻系數(shù),采用觸變泥漿減阻。通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼管3種管材總頂力和允許頂力進(jìn)行計(jì)算(結(jié)果見(jiàn)表6),其中鋼筋混凝土管和玻璃鋼夾砂管滿足要求(見(jiàn)表7),根據(jù)造價(jià)控制、管道生產(chǎn)周期和供貨進(jìn)度選擇C40鋼筋混凝土頂管。

        表6 某河道不同管材頂管施工總頂力計(jì)算

        表7 某河道不同管材允許頂力計(jì)算

        3.2 后背墻土體反力和后背結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

        根據(jù)表6計(jì)算,鋼筋混凝土頂管總頂力為9 491.77 kN。按照1.5節(jié)公式驗(yàn)算5種后背墻土抗力(見(jiàn)表8)。結(jié)果表明,僅北京地標(biāo)(DB11/T 594.2—2014)計(jì)算結(jié)果不滿足要求,原因在于其未考慮后座墻后板樁或工作井對(duì)土抗力的聯(lián)合作用,結(jié)果偏于保守,僅作為參考。綜合考慮其他4種算法,按照公式(3),后背墻土體反力滿足頂進(jìn)需要。

        表8 某河道頂管后靠背土體反力計(jì)算

        后背墻結(jié)構(gòu)為3.5 m×3.0 m,厚0.5 m,C35商品混凝土澆筑,為雙向簡(jiǎn)支板,驗(yàn)算出頂力作用下承受彎矩為624.5 kN·m。此尺寸構(gòu)件素混凝土允許承受最大彎矩為384.65 kN·m,不能滿足公式(4)需要,因此對(duì)后背墻進(jìn)行配筋,配置雙層雙向直徑16@150三級(jí)鋼筋,配筋面積As=1 350 mm2。

        3.3 頂管機(jī)械選型及頂力施工過(guò)程記錄

        根據(jù)計(jì)算總頂力,選擇8臺(tái)最大推力1 970 kN主頂油缸,油缸額定壓力31.5 MPa,缸徑220/280 mm,8臺(tái)油缸對(duì)稱布置在頂管頂鐵上,總頂力15 760 kN,滿足公式(5)、(6)要求。通過(guò)施工頂管頂力記錄和設(shè)計(jì)總頂力對(duì)比(見(jiàn)圖2)發(fā)現(xiàn):設(shè)計(jì)總頂力隨著頂進(jìn)距離增加頂力波折性逐漸增大,末端頂力為最大值9 491.77 kN;施工期間測(cè)得最大頂力在152 m處,最大頂力值10 258.4 kN,152~168 m區(qū)間頂管頂力急劇減小。頂力波折變化原因在于實(shí)際土層密實(shí)度、注漿效果、土層變化都會(huì)使得頂力出現(xiàn)一定范圍波動(dòng);末端頂力急劇下降原因在于頂管機(jī)頭接近河道岸坡,接收側(cè)土體頂力因土體發(fā)生變形位移導(dǎo)致應(yīng)力逐漸釋放急劇減小。

        圖2 某河道設(shè)計(jì)總頂力和實(shí)測(cè)總頂力對(duì)比示意

        該頂管2018年9月28日開始頂進(jìn)作業(yè),2018年10月25日完成,比計(jì)劃提前6 d,滿足了現(xiàn)場(chǎng)污水管道貫通節(jié)點(diǎn)要求。

        4 結(jié)語(yǔ)

        1)實(shí)際頂管施工過(guò)程中,在滿足頂力和管材強(qiáng)度前提下,應(yīng)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地條件、工期進(jìn)度需要、生產(chǎn)加工難度及造價(jià)多方面因素綜合考慮,選擇合適管材。

        2)地質(zhì)勘察鉆孔只能以點(diǎn)帶面,揭示主要土層分布,計(jì)算頂力與實(shí)測(cè)往往有一定差別。某河道頂管實(shí)測(cè)頂力較設(shè)計(jì)最大頂力大8%,因此施工過(guò)程選用頂管機(jī)械、管材強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)考慮一定裕度,避免頂力無(wú)法滿足管道頂進(jìn)需要。

        3)實(shí)際施工過(guò)程中實(shí)測(cè)最大頂力已經(jīng)超過(guò)后背抗力計(jì)算值,在加強(qiáng)后背墻土體監(jiān)測(cè)后,未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和變形變化,故未停止頂管作業(yè)。分析認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)頂管結(jié)構(gòu)采用直徑8 m的圓形沉井作為工作井,后背墻能夠?qū)㈨斄鶆騻鬟f,頂管工作井整體土抗力能夠滿足頂管頂進(jìn)需要。

        4)隨著我國(guó)建筑材料和施工機(jī)械技術(shù)的發(fā)展,更高強(qiáng)度的頂管管材、更大頂力的頂管機(jī)械、更精確的定位裝置為地下頂管工程提供了更大助力。在經(jīng)過(guò)合理分析和論證后,考慮無(wú)中繼間頂管作業(yè)能夠節(jié)省工期和成本,可為其他類似項(xiàng)目提供參考。

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