微型顶管在小口径排水管道工程运用

2022-09-21 16:42:52 来源:写作指导

摘要:顶管技术在国内大口径排水管道工程中有广泛的应用,且施工技术成熟,但在小口径排水管道工程中的实际应用却不多,又无相关的技术规范,而微型顶管技术则填补了小口径顶管技术的空白。因此结合工程实例,介绍了微型顶管技术的施工方法、工艺流程,总结了其适用范围、技术要点、施工注意事项和工艺特点。该应用案例可为小口径管道顶管施工提供参考,并推动微型顶管技术在城市排水管网中的广泛应用。

关键词:微型顶管;小口径排水管道;地箭式

微型顶管技术作为一种新型施工工艺,具有占地面积小、对周围环境影响较小、施工便利和对地面交通影响小等优势[1],可以很好地弥补现有常规技术的缺点。因此,笔者以上海市宝山区二级管网工程为实例,对微型顶管技术予以分析和总结,以便为国内其他项目设计与施工提供经验与技术支撑。

1工程概况

1.1项目简介

宝山区二级管网工程新建污水管道总长约3.3km,管径为300~400mm。新建污水管道均位于4条现状道路下,管道平均埋深4.0m,部分埋深达到8m,以开槽埋管施工为主,另有约0.4km管道位于复杂区域,采用非开挖方法施工。该复杂区域地下管线密集,存在燃气、超高压电力等管线,地面交通流量大,部分路段污水管道需穿越河道、地铁、铁路,若采用水平定向钻技术会存在无造斜距离、因施工精度不高而无法穿越管线密集区域等问题;采用常规顶管技术会因围护结构大而造成重要管线的搬迁或工期加长等问题;采用传统明挖法需采取支护措施和协调多家管线的搬迁,进而影响工期和交通,且费用大。因此,在对现有小口径管道施工方法进行全面综合分析、技术经济比较后,决定在部分条件复杂路段采用新型微型顶管工艺。

1.2地质条件和水文条件

该工程范围内勘探深度25m内的土层自上而下依次为①1-1层杂填土、②层褐黄—灰黄色粉质黏土、③层灰色淤泥质粉质黏土、③夹层灰色黏质粉土、④层灰色淤泥质黏土、⑤1层灰色黏土、⑥层暗绿色粉质黏土,微顶管道主要在③层灰色淤泥质粉质黏土中,局部位于④层灰色淤泥质黏土中。地下水稳定,水位埋深在0.3~1.5m,承压水水位埋深3~12m。

2管材选用

目前,适用于小口径顶管的管材有钢筋混凝土管、树脂混凝土管和离心浇铸玻璃钢夹砂管等。其中小口径玻璃钢夹砂管在国内已有成功应用[2],管道采用“FS”型不锈钢整体胶圈接头方式连接。综合对比以上3种管材性能和造价可知,树脂混凝土管工程综合造价低、效益好。因此该工程采用改进型树脂混凝土管,其规格参数见表1,玻璃钢套筒F型接口。

3微型顶管施工工艺

3.1工艺原理

微型顶管的出土方式常使用地箭式。地箭式工法按排土与不排土又分为标准地箭式和改良地箭式,前者为有排土步骤,后者为不排土的压密推进。地箭式工法是利用液压装置,以前导管作为导体,在其末端连接螺旋出土管和扩孔切削头,再将拟铺设的管材接在前导管的后面,然后按照设计轨迹顶进,最终完成新管道的铺设。

3.2适用条件

微型顶管工艺作为一种非开挖新兴施工工艺,适用于施工场地小、周边环境和地下管线复杂的地区,顶管管道以埋深较深、重力流排水管道为佳,可以在砂性、黏性等松软土层地质条件下使用;根据国内外相关经验,单段顶距不宜大于80m,工作井深度最大不宜超过15m;该工艺适用于管径≤600mm规格的小口径管道。

3.3施工方法确定

在地质较硬(标准贯入试验锤击数N>15)处宜采用标准地箭式工法施工,N<15的地质处宜采用改良式地箭式工法施工,而该工程顶管管径为300~400mm,管径小,顶管处于淤泥质粉质黏土层中,地下水位较高,土壤内摩擦力较小,压缩性高,N为6.0~9.0<15,所以综合考虑后,确定选用改良地箭式施工方法。

3.4工作井施工工艺

由于该工程微型顶管工作井和接收井的尺寸相比于传统顶管工作井小很多,所以在现状检查井满足设计和施工要求下,也可利用现状检查井作为顶管接收井,而仅施工1座钢筒工作井即可。钢筒井一般由壁厚20mm的Q235B钢板制成,由多节钢筒组成。每节钢筒长2.0m,钢筒之间采用焊接方式连接。钢筒井采用Y2590型摇管机进行摇井下沉。钢筒下沉至设计标高,并将井内渗水抽干后立即浇筑C35混凝土封底作为基坑底板(为防止钢筒井在地下水的浮力下上浮,封底厚度为2.0m);基坑底板高程应距设计管底标高以下0.8m左右,以便设备安装和施工操作;基坑底板预留1座深50cm、直径80cm的集水坑。该工程地质为黏土层且地下水位高,钢筒井下沉到位后,坑底应进行压密注浆,以防止开挖封底时地下水渗入而出现涌沙、涌泥现象。为保证顶管过程中封底和钢筒的稳定性,钢筒底部嵌入封底以下土层深度应不少于1.0m。部分工作井在深度较大、地下水位高的情况下,可采用在井内注水平衡地下水压方法进行水中开挖,挖掘至设计深度时,再采用水下混凝土封底。当混凝土强度达到设计规定且钢筒井满足抗浮要求时,再将井内水抽干。目前,常用的钢筒井壁厚为20mm,为防止在高地下水位、工作井深度过深条件下,钢筒下部水压过大导致变形,应进行钢筒受力分析,必要时可增加钢筒壁厚或增加钢制内支撑,以避免发生安全事故。

3.5微型顶管施工

3.5.1工艺流程

改良地箭式微型顶管施工流程如下:现场定线测量→工作井施工→后靠背安装→架设机台、激光经纬仪安装和调试→井壁开洞安装止水装置→箭头和先导管顶进→黑管顶进→安装简易挤扩机头→树脂混凝土管顶进→机头和微顶设备拆除→检查井施工→钢护筒拔除并回填→CCTV检测。

3.5.2顶力计算和设备选型

根据CECS246:2008《给水排水工程顶管技术规程》,管道的顶进阻力可按照下式估算:式中:F为总顶力,kN;Do为管道外径,m;Dg为顶进机头外径,m;L为顶距,m;fk为管道外壁与土单位面积平均阻力,kN/m2;Nf为顶管机的迎面阻力,kN;P为土仓压力,kN/m2。以DN400mm管道为例,顶管最长顶距为64m,Do=0.49m,Dg=0.50m,L=64m,fk=6.5kN/m2,P=60kN/m2,则预测总顶力F=π×0.49×64×6.5+π×0.25×0.52×60=651.84kN。用于微型顶管的推进机台有2种型号,推进台尺寸(长×宽×高)分别为1950mm×1200mm×850mm和1450mm×1200mm×850mm,故该工程选用第1种推进机台(功能和参数见表2),提供1600kN的顶力即能够满足施工要求。

3.5.3设备安装

工作井施工完成后安装后背。顶管后背为钢筒井井壁,后背墙为钢筒,后背与机台间隙采用三角铁焊接加固以保证机台的稳定性。钢筒中心与顶进管道的轴线应校正。后背安装完成后根据管道中心轴线安装推进机台、机台底座,并安装激光经纬仪。

3.5.4止水装置

设备安装完后开始切割钢筒井壁。为防止先导管和管道顶进过程中,管道出入洞口的泥水进入井内造成水土流失,井壁开洞后应立即安装镜面框(环形钢片+橡胶+紧固螺栓)进行止水止泥。在顶进前将中间橡胶割开,分3次开孔(分别为导向孔、黑管孔、管道孔,开孔孔径略小于导向管、黑管等管径)。为避免洞口因地下水位高导致泥水压力过大而涌入井内,在洞口开口位置上下1m范围内注浆加固。

3.5.5先导管顶进

激光经纬仪架设完毕并调试后开始先导管顶进施工,并通过导向箭头的斜面调整行进方向。先导管(外径89mm×有效长750mm)前端为导向箭头(导向箭头顶端为斜面箭头),箭头内部有测量觇标,施工中通过工作井内激光经纬仪观测觇标。当先导管推进方向与设计轴线没有偏差时,箭头则必须不停地转动并保持直线推进;当出现偏差时,则调整箭头斜面方向,停止转动先导管,继续顶进;当推进方向快导正时,则立即开始转动先导管并保持向既定方向推进。

3.5.6黑管顶进

先导管按设计轨迹顶进接收井后,将导向箭头拆除并吊离接收井,开始连接黑管。先导管与黑管间采用变径简易机头连接,连接完成后持续推进黑管。黑管顶进过程中在接收井内将对应长度的先导管拆除回收。

3.5.7树脂混凝土管顶进

当黑管顶入接收井后,在黑管尾端安装简易挤扩机头,然后缓慢推入洞内。在简易机头后方开始吊装树脂混凝土管并逐节顶进。树脂混凝土管顶进过程中在接收井内同步进行黑管拆除。当顶管所处土层推进阻力大时,为改善土壤性质、降低推进阻力,可将高压水管和浆液管连接到机头上,在机头内以高压喷水机注入水或浆液来减小机头和管道与土壤间的摩擦力。

3.5.8机头和微顶设备拆除

树脂混凝土管全部贯通后,在接收井内卸下简易机头并吊离,同时用堵漏材料封堵管壁,同步进行工作井内微顶设备的拆除。3.5.9钢筒拔出和CCTV检测检查井施工并回填后可进行钢筒的拔出回收,然后进行井座的施工。为避免对管道造成影响,仅拔出管顶50cm以上的钢筒。对于施工场地有限、检查井尺寸大于钢筒直径的,可直接将钢筒作为井外壁使用。为验证微型顶管施工质量,在施工完成后对管道进行CCTV检测,以检验管道接口、管材、坡度等是否符合质量要求。

3.6施工监测

为保证施工安全和保护工程周边环境,需要对重点部位进行施工监测。现场采用仪器监测与巡视检查相结合的方法,监测项目包括:地表和路面下沉、基坑结构位移、基坑结构下沉、基坑支护体径向变形、地下管线沉降和已有建筑物沉降等。在完善的施工监测方案、全过程的施工监测,以及三级预警控制管理措施下,该施工区域地面、管线沉降,基坑支护变形等均符合规范要求。

4改良地箭式工法注意事项

使用改良地箭式工法时,若管径太大、覆土厚度过小、挤压土壤过多,会造成地面隆起;若土壤密度大,能挤压的体积有限,会造成地面隆起;若土壤强度过大或含有卵砾石,则该工法无法贯穿;当土壤密度分布不均匀时,土壤会向较松软方向挤压,造成顶进线形精度不良。因此,应考虑管径大小、覆土厚度和土壤性质等因素而合理应用。

5结语

新型微型顶管工艺在宝山区二级污水管网工程中取得了良好效果,在管道通水运行近3年时间未出现不良情况,有效解决了设计、施工难题。该工艺具有占地面积小、施工便利、工期短、工程造价低、地面交通影响小、对周边环境和既有管线影响小、管道铺设精度高等诸多优点,在小口径排水管道工程中将具有广阔的应用前景。因该工艺在国内实际应用案例并不多[3-4],已实施的工程运行时间又较短,且尚无相关技术规范,所以还需在实践中进一步总结经验,以便为小口径微型顶管的设计、施工提供设计施工参数、技术要求和验收标准。

作者:张欢 单位:上海勘测设计研究院有限公司