顶管技术在软塑淤泥层施工中的应用

陈智和,张 霆

(1.金华市水利水电工程质量与安全监督站,浙江 金华 321017;2.金华市九峰水库管理处,浙江 金华 321017)

1 问题的提出

随着城市建设的高速发展,在输水管、排污管、煤气管、地下人行道等采用顶管施工有着很好的前景,可避免大开挖(特别是地下水丰富的地区)带来的环境影响等弊端。但也提出了难题,如:在含水率高的软塑淤泥、砂层、不均匀土层中的顶管技术;钢筋混凝土管的水下长距离顶管技术;在水下超长距离顶管使用的二铰三段式工具头、中继环接力、激光测量等,有待于研究、解决和使用。本文介绍在水下软塑淤泥层中进行长距离顶管施工的成功实例。

2 工程概况

某厂顶管工程是从水泵房顶出钢管至河中引水作发电机冷却水源。顶管原设计长度122m,后增加到136 m,共2根,钢材用量580t;钢管直径3 000mm,壁厚28mm,设计管中高程-6.00 m。钢管顶出岸后接至码头进水门。

顶管在水下软塑淤泥层中进行,钢管轴线在水深6～7 m以下。淤泥层经打塑料排水纸板、吹填砂堆载预压排水固结处理。覆盖层以吹填砂为主,大部分＜6 m(2D),最厚处在厂区简易道路处(厚度为7.3 m)。

经钻孔取样,软塑淤泥层的质量密度1.7 g/cm3,天然含水率53.5%,孔隙比1.386,液限31.4%,塑限22.1%,液性指数3.19,塑性指数8.9,粘聚力4.9 kPa,内摩擦角2.1°,标贯击数1.5击;经排水固结处理后质量密度1.8 g/cm3,含水率38.1%,孔隙比1.041,液限23.5%,塑限13.3%,液性指数2.73,塑性指数7.5,粘聚力10.2 kPa,内摩擦角17.1°,标贯击数3.3击。该土层不稳定,纠偏难度大,容易出现冒顶、塌方、涌水等问题。由于顶管在砂层与淤泥交界面下及老堤穿过,遇到大量的坍落块石和塑料排水板等障碍物,给施工增加难度。

第1根钢管自2001年9月18日开始顶进,至11月26日结束,实际顶进长度135.26 m,终端偏西70 cm,偏下4.3 cm;第2根钢管自2001年11月28日开始顶进,至2002年2月 11日结束,实际顶进长度 137.07 m,终端偏东54 cm,偏上9 cm。对取得这样的施工成绩,工程相关单位比较满意。

3 施工技术要点

3.1 气压技术

土质虽经过处理,但仍是流塑淤泥,覆盖层薄且是吹填砂层,不稳定,钢管直径大,开挖面大,极易塌方,不但增加泥量,造成地面沉降,覆盖层内块石易落入工具头前,造成受力不均,钢管弯曲,顶进方向失去控制,容易损坏触变泥浆套的完整性,给施工带来困难,同时顶管在珠江水位下施工,平衡水压力,制止正面塌方成了工程顶管施工的关键问题。

该工程采用局部气压及全气压技术。顶进过程中,土体进入格栅相对稳定后,在冲泥舱前形成密封土墙,通过加气压,使土墙获得作用力来平衡管前水土压力。顶进过程中虽然土体被顶入格栅并被冲掉,但又补充新的土墙,气压始终起作用,防止塌方。在顶进时仅对冲泥舱加气压即局部气压,加到以不塌方为准,等于或略小于地下水压力。

当工具头遇到障碍物,格栅被堵,泥浆滤网堵塞或其它机械损坏须进入冲泥舱处理时,操作室也加气压,即全气压施工,此时操作人员、处理事故人员在气压下工作。

3.2 顶进方法

3.2.1 正常顶进

安装好顶进设备及各系统运行正常后,便开动油泵千斤顶顶伸,同时对顶进冲泥舱的土体用水冲枪的高压水流冲刷、破碎,水力吸泥机械吸走排出,顶进速度根据冲泥出土情况确定,在这个过程中对冲泥舱进行局部加气压,并不断补充触变泥浆。千斤顶伸出一行程后,回油安放另一顶铁又进行顶进至顶完1节钢管,拆除所有连接管路,吊开顶铁,吊开另1节钢管于轨道上,调整焊接、防腐,再装进相应1段管路并对接,便开始另一循环顶进。每次顶进约6～7 h,土方53 m3左右。

3.2.2 穿墙顶进

钢管穿墙顶进时先对连续墙上预留孔封板进行割除,迅速把钢管顶过泥浆套,安装好止水装置,确保止水、挡土。更重要的是保证顶管尾部正位,便于对接下1条钢管。

3.3 测 量

为使钢管按设计的高程和方向要求顶进,故不断对工具头的高程、方向、转动进行测量,上下方向偏位采用连通管及水平仪测量,左右偏差采用2″经纬仪测量。在穿墙及在20～30 m长度时,每顶进20 cm测1次,以后每顶进60 cm测1次,并及时提供值班人员指挥纠偏,对扭转采用垂标测量。

3.4 水力机械出泥

通过高压水主冲枪喷射水束,冲碎进入格栅的土体,使用副水冲枪把土块打碎与水混合成泥浆水。同时一路高压水通过水力吸泥机,高压水喷射形成高速水流,当流速＞30 m/s时,形成真空,抽吸冲泥舱内的混水,并完成在管内的水平运输,排出。

由于场地块石、石渣等杂物及大量塑料排水板塌落顶入管内,而吸泥器通过间距仅5 cm,易堵塞,拆卸清理困难,这是造成劳动强度大,影响进尺的重要原因。

3.5 触变泥浆压注

顶进前严格按配合比制备好触变泥浆;停置24 h的压注10 min,并控制压力为水压力的1.0～1.2倍,然后进行顶进。顶进过程中不断观测流量,使流量控制在需用量的1.2～1.5倍。随时检查泥浆是否到位,是否渗漏,并及时处理。

3.6 通 风

为保证管内空气清新,采用鼓风机通风,φ300 mm风管送风,风量为2 000～3 000 m3/h。

4 施工控制

4.1 顶力计算

顶管的顶推力随着顶进长度的增加而增大,不但受土质变化和障碍物出现的影响,也受管道强度的限制及顶进设备能力的限制。为解决长距离顶管在管道允许强度范围内顶进的问题,一般采用中继环接力顶进或设置润滑减阻的方法比较有效,该工程采用后者。

顶管阻力主要由正面阻力、局部气压和管道与土的摩擦力组成。根据经验估算总阻力R如下:

式中:D1为工具管最大外径,取3.106 m;D2为顶管钢管外径,取3.056 m;P1为正面阻力,取400 kPa;P2为局部气压阻力,取90 kPa;F为管壁与土层摩擦系数,取10 kPa;L为顶管长度,取136 m。

把数据代入式(1)得R=16 770 kN。现有400 t千斤顶4只,按80%效率计算,N=1 280 t,偏小,宜采用触变泥浆减阻技术,把摩擦系数控制在F=5 kPa,则R=10 240 kN＜N。

由于采用了触变泥浆减阻技术,使4台千斤顶有一定的顶力储备。实际顶力小于估算值。触变泥浆以膨胀土为主通过制造、储备、压注系统压入,在管壁外形成厚度为2.5 cm的泥浆套,并间隔40～60 m设置补浆孔,使钢管在泥浆套中向前滑行,达到减阻目的。

4.2 方向控制

4.2.1 穿墙顶进

钢管顶出穿墙管及在20～30 m长度范围内的偏差是影响全段偏差的关键,特别是出墙时,由于长度短,头部重,近出洞土体在穿墙时受扰动,往往向下偏,在顶进过程采用改变后座千斤顶作用力合力中心及利用工具头的不均匀出土造成反方向的扭转力矩,达到控制顶管方向的目的。

4.2.2 顶进纠偏

根据以往的工程实践,上下方向在20 m内,左右方向在30 m内采用改变后座千斤顶作用力中心来控制顶管方向效果较好,但随着顶进长度增加,效果减弱。因此,除对土体进行不均匀冲刷外,根据偏差情况伸出活动纠偏铲,以增大引导方向正面阻力,并使管壁外侧土体形成空隙造成土体对工具头的压差进行纠偏(及时进行纠偏)。

由于覆盖层薄,土质为软塑淤泥,且钢管直径大,当顶出一定距离后,浮力增大,易浮起向上偏,因此利用纠偏铲适当向下超前控制,并在管内加配重或地面堆压砂袋。

4.2.3 钢管纠扭

由于吸泥机械在运行过程的振动,钢管的纠偏重量不平衡,钢管顶进时会扭转,故采用均匀压重来纠扭。

5 顶管装备

综合考虑顶管长度、成本、准备时间及偏差要求,并考虑水下软塑淤泥的地质条件,设计了“气压带活动纠偏铲工具头”作为顶进的前导装置及水力出泥、油压千斤顶顶进系统等。

5.1 工具头

采用的工具头外径与顶管钢管相同,内设2个舱(冲泥舱与操作舱),通过这2个舱实现局部气压或全气压施工,在它们之间设有密封门。冲泥舱最前端有格栅,使土体进入格栅得到稳定;上下左右各有2片纠偏铲,通过纠偏千斤顶实现纠偏目的;在前隔板上设有3台主冲枪,2台副水冲枪及观察窗、照明窗,前隔板也作为防止外界水、土冲入管内的安全屏障;主副水冲枪在操作舱操作;在后部有清理阴井、水力吸泥器,并有高压水、压缩空气、通风、触变泥浆等管道连通;工具头外侧有一环形泥浆套,泥浆通过它填充到管壁四周。

5.2 工作坑

根据水泵房结构在胸墙前布置顶铁、钢管,把千斤顶等布置在胸墙后,使钢管最长,减少焊接。利用水泵房隔墙作为后座反力,并有垫铁把千斤顶反力分散传到钢筋混凝土后座。工作坑里设有导向轨道以放置钢管等。布置有放置顶铁,管道的位置便于吊放,还有电焊设备、排泥、供水机械、配电盘、油压设备等,工作坑上布置有25 t行吊。

5.3 顶进设备

顶进设备包括:油泵车、操作控制块、千斤顶、导轨、顶铁等。

油泵:采用单只流量为10 t/min油泵车2台,改装成油泵车组,泵组供油量20 t/min,效率90%;并成功设计了液压控制块阀组,控制千斤顶单独工作或同步工作,也可操作进油量,在10～20 t/min范围内任意调速,控制顶进速度,4只千斤顶组合工作,改变合力作用中心。

千斤顶:采用4只400 t千斤顶,总额定顶力为1 600 t。

顶铁:顶进时置于导向轨道上滑行,把顶力传递给钢管,其中刚性顶铁置于千斤顶处分散千斤顶的顶力,U型顶铁、过渡顶铁按千斤顶的顶距逐块放入顶进,环形顶铁置于钢管处使顶铁传来的力分散到钢管中。

5.4 出泥机械

出泥机械:2台30 kW高压水泵;吸浆量70 m3/h、喷嘴直径26,159 mm水力吸泥器;由万向球及喷嘴φ6～8 mm、高压皮管组成的水冲枪。水冲枪配有密封装置,以便灵活操作且不漏水或气。

5.5 气压系统

由空压机、汽泡、滤清器和冷却器组成。其中滤清器与冷却器可清除空气中的油气,使送入的空气保持适宜的温度,在全气压施工时使用。

5.6 润滑系统

润滑系统由造浆机、存储、压力控制、压浆机组成。

6 钢管制作

6.1 管段制作

管段制作在修造厂完成,长7.5 m左右,采用“X”型手工焊,经检验合格后出厂,用汽车运到工地。在工地进行防腐施工,到固化期,经检查合格,便提供顶管使用。

所有焊接按二级标准进行外观检查,并按三级标准进行超声波无损探伤验收。施焊时做到第1轮施焊电流足够大,以熔透2边坡口。进行第2轮施焊前先把第1轮焊渣打掉、清理干净。在碳弧气刨时,做到刨透。

6.2 钢管现场对接

由于管径大、壁厚,对接时难免有偏差,故采用先焊接码子,打入铁楔,逐步修正,达到错边＜3 mm的精度后点焊固定。先焊接内缝(分3次),后焊接外部;先用气刨开槽,再分2次焊接,后进行接头防腐施工。

6.3 钢管防腐

原采用2道玻璃布3道环氧煤沥青防腐涂料,由于在顶进过程中易损坏,而改用仅环氧煤沥青防腐涂料,加牺牲阳极保护。随着潮位的变化,存在咸淡水交替的过程,因此对钢管的防腐要求更高。为此先用电动除锈工具将毛刺、表面打磨,去除锈迹,露出金属光泽。手工除锈达ST2～ST3级标准。施工现场温度5～50℃,湿度＜85%。在清洗干净后,立即上2道环氧煤沥青底漆,再上4道面漆,固化2星期后才使用。对接缝采用快干的同种油漆,在固化8 h后开始顶管。

7 结 语

通过该工程实践,说明只要工具选型得当,技术措施合理,在水下软塑淤泥层管道施工中采用顶管技术可避免软塑淤泥层长距离开挖,对缩短工期、节省投资、避免施工塌方流砂安全事故等方面效果明显,技术可行,并取得很好的社会效益和经济效益。

[1]侯学渊,钱达仁,杨林德.软土工程施工新技术[M].合肥:安徽科学技术出版社,1999.