毕业论文-浅谈顶管施工技术.doc

浅谈顶管的施工技术文章摘要：板桥江大路污水处理顶管工程，由于合理选择了工具管形式，成功地解决了轴线控制和减阻泥浆等技术难题，只用了100天就完成了全部顶进施工，创造了市优工程。关键词：顶管机 顶进 测量第一章工程概况：1500mm顶管工程是污水处板桥新城污水处理工程的一个重要组成部分。正常排放管总长1808m，管道内径1500mm，从高位井向低位井顶进，埋深5.308.40m，顶进施工采用F-B型钢承口式钢筋混凝土管、楔形橡胶圈接口、多层胶合板衬垫。第二章顶管施工技术第一节 控制土压顶管需计算顶进时的控制土压力。控制土压力除了计算以外还需在顶进时实测，然后拿实测数据与计算的做比较，修正计算值实测的方法是在初始顶进过程中，当机头已完全进入土中以后，需停下来，待4小时以后，观察机头内土压力表的实际读数，此读数即可视为主动土压力，每一顶顶进之前的计算数据均需交监理工程师备案。顶管机在顶进过程中，其土仓中始终有一个压力，我们称之谓控制土压力为P，当控制土压力P小于顶管机所处土层的主动土压力PA时，土就涌向顶管机土仓，而这往往是由于螺旋输送机排出土的体积大于顶管机推进过程中理论排出土的体积所造成的，因此地面会产生沉降。反之，如果当控制泥水力P大于顶机所处土层的被动土压力PP时，这往往是由于排土过少而造成了土的过剩，因此地面就会产生隆起。所谓泥水平衡，即把土仓内的土压力控制在顶管机所处土层的主动土压力与被动土压力之间，也即：PAPPP式中：PA主动土压力（KPa）； P控制土压力(KPa)； Pp被动土压力(KPa)。这样，在顶管施工过程中，土仓的压力终是处于一种平衡的状态，这就是泥水平衡顶管的基本原理。但是，实际施工过程中，由于主动土压力和被土压力之间的压力值范围较广，又由于土压力的变化是一个非常复杂的过程，而且，在计算主动土压力和被动土压力时容易造成误差，所以必须在这个较大范围中取处于中间的那一段，以减少土压力值的波动。因此，常用的控制土压力的取值方法是在顶管机所处土层的静止土压力的基础上，规定一个上限和下限，具体的计算公式为：Pk0P0式中：K0静泥水系数；P0静止土压力（KPa）上述静止土压力系数K0取0.5，而静止土压力则为：P0 h 土的容量（KNm3） h覆土深度（m）。主动土压力PA为：PAh tg2(45。- 2)-2C.tg(45。- /2)式中：土的摩擦角（度）；C土的内聚力（KPa）。被动土压力PP为：Pp= h tg2(45。/2)2C.tg(45。/2)在本段顶管中，可采用下式确定控制土压：P=K0 P020Kpa式中，K0可取0.5，而P0则为： P0= h 取18.5KN/m3,h则以地面标高为参数，计算到管中心为止。第二节 顶力计算1、顶管机前迎面阻力F1的计算pk0p0 p0=rh其中k0取0.55，取18.5km/m3,h取8.75m所以 pk0h=0.5518.58.75=90kN/m2而F1为F1=SP=/4D2外90=/42.4290=406kN/m2=41t2、根据我们的经验，在这种土中，管子周边的摩阻力应取f=0.9t/m2,故本段顶管的推力F2F20.9D外L925TF=F1+F2=41+925=966t3、钢后靠板尺寸采用宽高3.53.0m，后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。否则，千斤顶在余面后背上，造成顶进偏差。为了保证顶进质量和施工案例，施工时应后背的强度和刚度计算式中：R-总推力之反力（一般大于推力的1.21.6）a系数（取1.52.5之间），此处取2B后座墙的宽度（M）此处取3 米土的容重（KN/M3)此处取18.5km/m3 H后座墙的高度(m)，此处取3.5米Kp-被动泥水系数c-土的内聚力（kPa) 一般情况下取10h-地面到后座墙顶部土体的高度（M），此处取2.5米按上式计算，圆形工作井加护套后能承受6858 T顶力实际顶力966T，完全能满足要求。工作坑主顶油缸设计总推力为1000t（小于管子及井所能承受的最大推力），则一次推进最大长度L为一次极限推进长度（主顶总推力-机头迎面阻力）每延米的推力L(1000t-F1)/F2=143m由上述计算可确定该段顶管不需要考虑设置中继间。第三节基坑布置基坑布置的重点是工作坑。最适用于泥水平衡顶管的工作坑是沉井工作坑，它整体性好不易产生渗漏、变形、位移等。当沉井工作坑沉到位底板封好以后应先把洞口止水圈安上。洞口止水圈工作状态见下图。洞口止水圈工作状态图第四节 后靠背导轨及后顶的安装轴线确定后先安放后靠背，后靠背后部距离井壁100200mm，调整后靠背前后以及左右方向，应尽量保证后靠背的中心于轴线相重合，调整方法见图：在轴线定好后既可安装导轨以及后顶，先根据导轨本身的尺寸计算出导轨顶面至轴线的高差h，至水平仪于井下，在井四周作出46个临水点，保证轴线标高-临水点高程= h，安放导轨时可用线绳在相对的两个临水点拉出一条直线，使导轨顶轻触于线绳既可，然后根据轴线调整导轨轴线在竖直方向上于已知轴线的竖直投影线重合，导轨轴线方向调整好后再精调导轨的高程，最后支撑导轨至井壁上。引轴线至井底前后两侧A、B两点，分中后靠背，在后靠背上作一分中点C，开始放置后靠背时尽量使C点在AB的延长线上，此值可肉眼鉴定，误差不应大于10cm，在后靠背边缘定出任意等高两点D、D，测量AD和A D，的距离，只需保证AD的距离约等于A D，的距离既可，误差不应大于3cm，导轨左右方向确定后既固定下面两侧各一点，后使用线坠调整前后方向既可，最后根据实际情况填塞C15-C30的混凝土至井壁到后靠背的间隙，后方顶的安装在后靠背的安装完毕后进行，抄平后顶后只要保证所以千斤顶后平面贴实后靠背既可固定。导轨安装完毕后需在预留洞口内安装副导轨，副导轨的轴线以及高程均要与主导轨保持一至，此副导轨用于防止机头进洞后低头，见下图：增高装置可根据机头重量以及增高量选择枕木，钢支架或砼垫层。洞口止水装置的安装，应保证除止水圈外最小直径大于进洞物最大直径的8cm，防止受到进洞物的剪切而失去止水效果，位置确定后可用水泥砂浆封堵与井壁形成的间隙，防止从间隙处漏水、漏浆。第五节 油缸架接下来，在主顶油缸架的上方搭上一个平台，它与基坑同宽，长度在后靠背与油缸架前端之间即可。此平台上安装主顶油泵、电源箱等。再接下来把油管及油泵电源接上试车。在此同时，应把主顶油缸前的环形顶铁与主顶油缸联接好。第六节 安装顶管机上述工作准备好了以后应把顶管机吊下基坑，让其在尽量靠近主顶油缸处就位。这时一边接电源，边安装激光经纬仪。然后，让顶管机试运转，并且用主顶油缸把顶管机慢慢地往前推，当刀盘距洞口约7080cm时停下。此时，基坑内的准备工作就差不多了，地面及基坑布置参见下图。顶管工作坑施工平面布置图第七节方向校正1初期方向校正在初始顶进的后期方可以进行正常的方向校正工作，这是因为如果当第一节砼管尚未与顶管机后壳体联接时进行纠偏，这时顶管机的前壳体已在土中，后壳体沿在导轨上，纠偏时前壳体不动，后壳体则有可能偏离导轨，不仅起不到纠偏作用，反而会带来更多的麻烦。在初始顶进阶段，纠偏时尽量先用纠偏油缸推而少用或不用纠偏油缸。2方向校正要领在整个顶管过程中，方向校正必须遵循小幅度纠、勤纠；看趋势纠的三纠原则。所谓小幅度纠，是指每次的纠偏量要小，不能过大，否则容易发生大起大落、起伏过大。所谓勤纠，则是要经常观察它的趋势而随时纠偏，不要等他发展了一段以后再纠，要让顶管在动态过程中保持方向的正确性。所谓看趋势纠则并非一朝一夕即能掌握的，他需要有一个经验积累的过程。如当顶管机偏向左的趋势在发展时，我们应该把它向右边动。但是，当它向右慢慢地发展成一种趋势时，我们又要及时地把这种趋势减下来，不让其发展下去。所以，这只能在长期操作才能掌握的一种本领。3纠偏顺序在纠偏过程中，一般来讲，高低偏差要比左右偏差难纠。这是因为左右两边的泥水力呈对称形态，而上下的泥水力不仅不等，还会受到顶管机自重等因素影响，因此它远较左右的复杂。当高低和左右都出现偏差时，一般应以高低偏差的纠正为重点，或者先纠高低偏差，后纠左右偏差。4影响方向的因素尽管影响顶管机方向的因素有许多，但从施工实践来看土质的影响是为主要因素。如顶管机在两层不同的土质中推进时，机头会向软的一层土中偏去，这是毫无疑问的。但是，如果顶管机在左右遇到有不同土质时，如左边遇到一个老的河道或水塘，尽管已埋了多年，它还会向左偏的。5倾斜仪我们在顶管机的前壳体中，安装有一倾斜仪，用它可判断顶管机的水平状态：如果倾斜仪上显示的数值为正，前机壳则处于上仰状态；反之，倾斜仪显示的数值为负，前机壳则处于俯冲状态。这就为我们判断机头的发展趋势提供了又一可靠的参考。倾斜仪小数点前的数值为度，小数点以后三位分别为十分之一，百分之一和千分之一度。第八节 初始顶进1初始顶进开始我们把从破洞一直到第三节砼管全部推进土中的全过程称之为初始顶进。在顶管施工中，初始顶进是一个至关重要的阶段，它的成败将决定于整个顶管过程的成败，务必要引起重视。首先，它是顶管的协调初始阶段，不仅要让每一个作业人员熟悉自已的作业过程，而且要让每一个作业人员学会与他人的配合过程。因此，在此阶段的作业指导思想不是求进度，而是求协调好、控制好。其次，它是顶管机及其附属设备调试、走合的过程，也是设备带负载调试的过程。最后，它也是确定本段顶管一些数据的计算与实际有无误差，进而调整的过程初始顶进的做法可分为以下几步：第一步是破洞。在破洞之前，必须将设备安装到位并调试完成，拆除砖封门时要迅速，将拆除下的砖墙和其他杂物清理干净后迅速将顶管掘进机徐徐推进洞内，直至切入土体。2顶管机入土第二步是让顶管机入土。机头刀盘切入土体后开动刀盘，用主顶油缸徐徐把顶管机推入土中。这一过程中应注意两个问题，第一个问题是要防止刀盘嵌入土中不转而顶管机壳体旋转，这时，操作人员应集中注意力，一旦发现有异常应迅速关机。第二个问题是要防止主顶油缸一松，顶管机会后退。后一种情况大多出现在覆土比较深的条件下，顶管机在入土过程中，当泥水力超过上限时应立即让其排土。在一般情况下，当掘进机的土仓部分全部入土以后应停下来，做其他准备工作。隔四小时以后再观察泥水力表的数值与计算的主动泥水力值之间有无误差，若无误差则说明计算数据可靠，如果误差较大，则应对数据作必要的修正，使之符合实际情况。3推进并连接第三步是顶管机推进到可以下第一节砼管的最小距离时，就应把第一节砼管下到基坑中，并且把第一节砼管与顶管机后壳体联接成一体。在此之前，纠偏油缸应全部收回，方向即使出现偏差也不要急于纠正，因为纠正时起不到应有效果。当第一节砼管联接上以后，也只有等它进入土中才可进行小范围的纠偏，而且这时纠偏只能让纠偏油缸伸出油缸只能推而不要拉。一般来讲，前三节砼管都应设有注浆孔，可以进行注浆。这样浆套容易形成。第九节 压密注浆减阻为了减小顶压进阻力，增大顶进力，并且为了防止出现塌方，顶管过程中，应采用在管壁与土壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆护套，减少管壁与土壁之间的摩擦力。必须保证泥浆在输送和灌注过程中具有流动性、可泵性。1触变泥浆的材料触变泥浆的主要成份是膨润土、掺入碱和水配制而成。为了在顶进完毕后使触变泥浆固结增强，可掺入石灰膏。但为了施工使用时保持流动性，还必须掺入缓凝剂和塑化剂。2触变泥浆的拌合程序将定量的水放入搅拌罐内，并取其中的一部分水来溶化碱；在搅拌过程中，将定量膨润土徐徐加入搅拌灌内，搅拌均匀；将溶化后的碱水倒入搅拌灌内，再搅拌均匀，放置12h后即可使用。3触变泥浆应注意的事项注浆孔的布置宜按管道直径大小确定，一般每个断面可设置34个，并具备排气功能。搅拌均匀的泥浆应放置一定时间方可灌注。灌浆前，应通过注水检查灌浆设备，确认设备正常后方可灌注。灌浆压力可按不小于0.1Mpa开始加压，在灌浆过程中再按实际情况调整。灌浆时，按灌浆孔断面位置的前后顺序依次进行并应与管道和中继间的顶进同步。灌浆遇有机械故障、管路堵塞、接头渗漏等情况时，经处理后方可继续顶进。第十节 地面沉降及其他建（构）筑物沉降监测1在沉降影响范围内的建（构）筑物，必须进行沉降和裂缝监测。2建（构）筑物沉降观测点选择能反映不均匀沉降的特征位置处。公用管线测点直接布置在管顶。3建（构）筑物的保护及监测方案应征得主管部门、单位、居民的认可。4施工时，应对建（构）筑物进行监测。5对一般建（构）筑物可用普通水准仪监测，对沉降有严格要求的建（构）筑物要用精密水准测量。6除对建（构）筑物和公用管线要设点监测外，还需对施工附近地面进行沉降观测，以核对估算的正确程度和判断是否会发生异常情况，及早采取处理措施。7观测预测：在该段顶管施工的轴线上要求设立沉降观察点，特别是铁路、道路两侧。观察点应在中心线及管中心线左右各5m处各设一点，该点需设在路面结构层和铁路路基以下的土层中，这样三个点组成一组。一般情况下在每隔10-15m纵向距离间可设一组沉降观察点，在铁路和道路两侧各加设两组沉降观测点。当顶管机接近观测点时就应观测，并做好记录，铁路监控里程为：宁芜线K38+484-K38+500，观测时间为桩基施工时，每1h测量一次，观察下沉，施工开挖时，每2h观测一次。发现垂直高差下沉2mm/h，累计达到10mm下沉量时，立即停止施工，并立即与线路车间联系，对病害进行处理，对线路进行养护。顶管施工沉降示意图8监测必须做好记录，报工程师汇总分析；发现异常及时反馈工程师，以便制定应急措施。第十二节 进洞进洞即顶管机进入到接收坑的过程。在进洞前，即在顶管机距洞口还有10m左右时，应进行一次精确的测量，确定顶管机与洞口及设计轴线之间的误差。若偏差过大应采取相应的措施。进洞时不需要破洞，只需慢慢地把顶管机往前推，同时把控制泥水力稍稍降低一些。到顶管机接近砖墙时，洞口中部的砖墙会凸出，还有放射状裂缝出现。再推砖墙就倒塌。当砖墙一倒塌，顶进速度可提高些。这样一直把顶管机推到接收坑。当第一节管子露出100时应停止推进。最后，准备把顶管机吊起，运走。至此，出进洞工作完成。第十三节 顶进监控 控制好顶进方向确保按设计管道轴线顶进是顶管施工中的核心问题，因此本工程的测量按照公司施工测量放样复核管理办法执行。具体如下：1前期测量顶管前先根据领桩点，放出本工程的平面控制点及临时水准点，经三级放线和复核后方可使用。在工作井位置是否移动。开顶前，准确测量掘进机中心的轴线和标高偏差，并作好原始记录。本项目顶管采用2激光电子经纬仪来控制。基坑的导轨尽可能延长至井壁洞口附近。导轨要有足够的刚度，且安装焊接牢固。安装后的导轨轴线和标高误差小于2mm；主顶油缸和后座的安装也要满足牢固的要求，其水平和垂直误差小于10mm。2顶进测量测量仪器固定安放在工作井的后部、千斤顶架子中心，并在工作井内建立临时测量系统。顶管过程中必须按要求测量和控制管道标高及中心偏差，并作好记录。每顶进一节管必须测量一到二次，要勤测量，多微调，纠偏角度应保持在1020，不得大于1。每节管道顶进结束时，及时测量管道中心的轴线和标高偏差，记录交工程师审核确认；测量仪器随时校正，每一次交班时必须校正仪器一次。3竣工测量管道顶完后，根据测量结果，绘制竣工曲线，以便进行管道质量评定。测量地面的沉降，并作好记录以确定施工对周围环境的影响情况。顶进时，工具管尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。混凝土管节上的压浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。第三章主要技术措施 第一节 减阻泥浆顶进施工中，减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。顶进时，通过工具管及混凝土管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。为了保证压浆的效果，在工具管尾部环向均匀地布置了4只压浆孔，顶进时及时进行压浆。工具管后面的3节混凝土管节上都有压浆孔，以后每隔2节设置1节有压浆孔的管节。混凝土管节上的压浆孔有4只，呈90环向交叉布置。压浆总管用50mm白铁管，除工具管及随后的3节混凝土管节外，压浆总管上每隔6m装1只三通，再用压浆软管接至压浆孔处。顶进时，工具管尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。混凝土管节上的压浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。 由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送，因此在管道内共设置5只压浆接力站，平均每隔300m左右设1站。压浆接力站的作用有两个，一是运输作用；二是承担至前面压浆接力站管道部分的补压浆。减阻泥浆的性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。顶进施工前要做泥浆配合比试验，找出适合于施工的最佳泥浆配合比。表1是本工程所采用的减阻泥浆控制参数，表2是减阻泥浆的配合比。表1 减阻泥浆的控制参数 顶进时穿越大堤时视粘度MPa.s1654失水量mL88.5泥并mm22pH值8.58.5重度N/cm310.911.1动切力Pa11.730.6静切力Pa1953.1胶体率%100100状态略稠厚稠表2 减阻泥浆配合比(kg/m3) 顶进时穿越大堤时膨润土130150水870850纯碱4.56CMC45.4拌制减阻泥浆要严格按操作规程进行，催化剂、化学添加剂等要搅拌均匀，使之均匀地化开，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化。泥浆拌好后，应放置一定的时间才能使用。通过储浆池处的压浆泵将泥浆压至管道内的总管，然后经压浆孔压至管壁外。施工中，在压浆泵、工具管尾部等处均装有压力表，便于观察，从而控制和调整压浆的压力。 顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的45倍，但施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。 本工程的减阻泥浆运用十分成功，全长2060m的顶进最大顶力不超过8500kN。把顶进过程中的顶力曲线和泥浆用量(实际用量与理论用量之比，用百分比表示)曲线通过处理后可以得到顶力、泥浆用量与距离之间的关系图(图2)图2 顶力和泥浆用量与距离的关系图由图2可以看到，除出洞阶段外，顶力曲线很平滑，顶力增加十分缓慢，最大值为8500kN。由于在出洞阶段无法建立完整的泥浆套，因而泥浆用量较少，但当泥浆套建立好以后，泥浆的用量就随着顶进距离的延长而增加，顶进结束时，泥浆的用量达到理论值的8倍。泥浆的用量之所以随着顶进距离的延长而有较大增加，主要是补压浆造成的，因为随着线路的增加，补压浆的量要大大超过工具管尾部的压浆量。管道外壁和土体间的摩阻力的大小是衡量泥浆减阻效果的标准，图3是本工程顶进过程中管道外壁和土体间的摩阻力曲线图。图3 摩阻力曲线图图3真实反映了顶进过程中侧向摩阻力的变化情况。在出洞阶段，由于泥浆套无法建立，因而侧向摩阻力比较大，随着泥浆套的建立，摩阻力急剧减小。顶至200m时，侧向摩阻力为2.1kN/m2；顶至600m时，侧向摩阻力为1.1kN/m2；顶至1500m时，侧向摩阻力为0.5kN/m2；顶至2000m时，侧向摩阻力为0.3kN/m2。上述值均远小于规范中的取值及利用经验公式计算的值，也远小于以往同类工程中的实际值。显然，侧向摩阻力随着顶进距离的增加而逐渐减小，是和泥浆的用量随着顶进距离的延长而增加有直接关系的。第二节.测量及轴线控制在顶进过程中，经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进1节混凝土管节测量1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。随着顶进距离的不断增长，轴线偏差测量需接站观测，从而产生接站误差。因此顶进前按不同的顶进里程，制定了相应的轴线平面偏差测量方法；高程偏差测量采用水准接站测量，先测得工具管中心标高，再与设计高程相比较就可得高程偏差。另外，指示轴线在顶进工程中，必须利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致性。为了较好地解决测量用时问题，要尽可能减少测量接站数，在转站处利用特殊发光源作为目标，再利用放大倍率较大的瑞士T2经纬仪观测；测定工具管前进的趋势，同样能达到减少测量时间的目的。在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。施工过程中，及时了解工具管的趋势对纠偏十分有利。如果轴线偏差较小，且趋势较好(沿设计方位)，就可省去不必要的测量和纠偏，提供更多的顶进时间；如轴线偏差较小，但工具管前进趋势背离设计轴线方向，则要及时进行有效的纠偏，使工具管不致偏离较大。 测量采用高精度的全站仪，激光经纬仪和水准仪。工具管内设有坡度板和光靶，坡度板用于读取工具管的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。图4-1、图4-3是根据施工过程的轴线偏差绘制的曲线，图4-2、图4-4是竣工后的轴线偏差