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[摘要]根据自己多年的工作经验，主要讲述了在市政工程建设中，大口径顶管工程的施工技术，并通过计算为施工技术提供了理论依据,将实际施工的每一个步骤与理论计算的结果结合起来应用后，起到了很显著的效果。
[关键词]市政工程顶管施工推力计算
1、前言
在市政项目建设中，因为顶管施工具有出土量小,施工污染小;作业面小,对市民干扰小;埋地深,对既有管线构筑物影响小;一次性顶进长,穿越河床不影响通航等优点,产生了巨大的社会效益和经济效益。市政工程中采用顶管方法施工可以将作业面移入地下,从而避免对地面交通的影响。只要施工前选线合理,施工方法恰当,构筑物并不妨碍施工的正常进行。该技术在市政工程的施工中应用日益增多,有必要对其技术要点进行总结和提高。
2、工程概况
某工程位于市区,顶管部分共7段,每段长56m,管径3006mm,管面覆土约3.5m,主要穿越粉质粘土层和中、粗砂层。顶管管材采用钢筋混凝土管,内径d=3000mm,管壁厚300mm,每节管长2·5m,采用“F型”接口。属于较少见的大口径顶管工程。它穿越市区交通要道,周边建筑物密集,交通流量大。管道所经道路位置地下有通讯、排水等综合管线,施工场地狭窄,施工难度非常大。
3、机械顶管施工
3·1顶管机选型
根据本工程的实际情况，经过详细分析后，采用地面遥控操作的D3000型泥水平衡掘进机。其主要部件有切削刀盘及外壳、动力装置、机头液压装置、机头纠偏系统、机内泥水系统、电气操作系统、显示系统等。
3·2泥水平衡顶管机原理
泥水平衡式顶管机是利用加压的泥水及刀盘推动切削刀具进行挖掘施工。压力泥水在挖掘面泥土的表面形成一层泥膜,同时通过压力作用与挖掘面的土压和地下水压力保持动态平衡,有效的稳定挖掘面,将顶管施工对地面的影响即地面沉降减少到最小。当掘进机正常工作时,进排泥阀均打开,机内旁通阀关闭。泥水从进泥管经进泥阀进入顶管机挖掘面的泥水仓里,挖掘来的泥砂同泥水搅拌后,通过排泥管和排泥泵送到地面的泥水分离装置。分离装置将泥砂和水分离以后,泥水再次送入刀盘循环使用。这些工序完成由中央操作盘进行遥控。
4、机械顶管推力计算
4·1最大推力计算
顶管时采用单排顶进法。
F=F1+F2(F—总推力;F1—端阻力;F2—侧壁摩阻力)
(D—管外径; P—控制土压力)
P=Ko·r·Ho
式中:Ko—静止土压系数,一般取0·55
Ho—地面至掘进机中心的高度,取值17m
r—土的容重,取1·8t/m3
P=0·55×1·8×17=16·83t/m2
F1=3·14/4×3·372×16·83=150t,F2=πD·f·L
式中: f—管外表面综合磨擦阻力,本工程顶管采用触变泥浆,取值0·8t/m2。
D—管外径,L—顶距,最长段取值为70m
F1=3·14×3·37×0·8×70=592·58t
F=F1+F2=150+592·58t=742·58t
顶管工作井最大设计控制顶力为1200t,设备采用4个300t的千斤顶,顶进能力和工作井的控制顶力均达到1200t>742·58t。因此,不须加设中继接力顶进。70m总顶力F=742·58t,顶进井平面尺寸10×4m,采用竖井。
依据图1与下式计算反力:
B=4m,H=4·0m, a=2·5, h=4·85,φ=40°,C=0kPa,
γ=19·5KN/m3
=2·5×4×(19. 5×4. 02×4. 602+2×0×4. 0)
图1反力计算示意图
×+19. 5×4. 0×4. 85×4. 6
=10×(717. 6+0+1740. 18)
=10×2457·78=24577·8KN=2457·78t>F=1200t(4台千斤顶控制顶力)对于顶距为70m的工程,反力是足够的。
4·2掘削量计算
开挖面的稳定是泥水平衡顶管施工中最重要的管理项目之一,它直接影响顶管施工质量。控制每节掘削量是开挖面稳定的必要保证。
4·2·1掘削量的控制
根据地质情况进行掘削量计算:
W=V(1-n)r
W:理论掘削量(m3/Ring)
V:砂性土在顶管机断面内所占的体积(m3)
n:砂性土的孔隙度(% )
r:砂性土的密度
W′:实际掘削量(m3/Ring)
实际掘削量直接显示在计算机屏幕上,它较真实地反映实际掘削过程中的掘削量。
实际掘削量W′(干砂量)与偏差流量Δq的关系:
偏差流量Δq瞬时计算式:
Δq=Q1-(AVs+Qo)⑴
Δq:偏差流量(m3/min)
Q1:排泥流量(m3/min)
A:刀盘面积(m2)
Vs:顶进速度(m /min)
Qo:送泥流量(m3/min)
⑴式变换可得排泥量计算式:
Q1=(AVs+Qo)+Δq⑵
4·2·2掘削量的判别方法
偏差流量为正值时,顶管机处于“超挖”状态,干砂量比标准值大;偏差流量为负值时,顶管机处于“溢水”状态,干砂量比标准值小。
當发现掘削量过大时,应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。查明原因后应及时调整有关参数,确保开挖面稳定。
5、机械顶管的顶进施工
5.1管的顶进施工
顶进利用千斤顶出镐在后背不动的情况下将被顶进管子推向前进,其操作过程如下:
⑴安装好顶铁并挤牢。管前端已入土一定长度后,启动油泵,千斤顶过油,活塞伸出一个工作行程,将管子推前一定的距离。
⑵停止油泵,打开控制阀,千斤顶回油,活塞回缩。
⑶添加顶铁,重复上述操作,直至安装下一节管为止。
⑷卸下顶铁,下管,用钢套环连接混凝土管。在混凝土管接口处放一圈麻绳,保证接口密封和受力均匀,并采用其它防渗漏措施,保证管与管之间的连接可靠。
5.2切口水压设定
泥水平衡顶管顶进时,开挖面不断被刀头切削,此时泥膜被刀头切削并将泥水压力传递给土体。由于刀头的介入使传递给土体的外力增加,因此开挖面处于动态平衡之中。切口水压的上、下限设定可根据常用土体力学公式计算得到。顶进过程中的切口水压应根据切口水压设计设定值、实际的土砂量和干砂量积算值等重要参数设定。其中切口水压设定值可根据近10~50m掘进过程中较佳的设定值选定。
5.3顶进速度
顶进速度的控制应注意以下几点:
⑴主顶启动时,必须检查千斤顶是否靠足,开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快。每节顶进开始后,应逐步提高顶进速度,防止启动速度过大。
⑵顶进过程中,顶进速度应尽量保持恒定,减少波动,保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。
⑶顶进速度的快慢必须适应每节润滑泥浆注浆量的要求,保证润滑泥浆系统始终处于良好的工作状态。
5.4逆洗时的压力控制
逆洗是顶进过程中较常用的防止和消除排泥管吸口堵塞的工作,因此逆洗时应提高排泥流量,但不能降低切口水压,整个逆洗过程必须密切注意开挖面稳定状态。推进、逆洗和旁路三状态切换时的切口水压控制偏差值为:±0·02MPa。
5.5管材安装、下管就位
管节起吊时应保持水平,起吊要缓慢平稳。施工人员用麻绳牵引,避免管节晃动。管节下吊速度均匀,低速轻放。当管节距导轨小于50?时,操作人员方可近前工作。控制钢管平稳放置在轨道面上。
6 、结束语
本工程采用的顶管技术与其它支护基坑开挖法在城市管线施工过程比较,本工艺施工不需要大面积开挖土方、占用施工场地小、不影响道路交通、施工方便,在文明施工方面也比较有优势。在横穿管线、交通繁忙的道路、施工要求较高的城市中施工其优越性尤其突出。从本工程的使用效果来分析,工程的施工质量优良。
参考文献
[1] 彭福泉.长距离大口径钢管顶管施工关键技术的研究与应用[D] 2009.
[2] 刘敦林.长距离顶管施工技术的分析[J] .广东水利水电，2009.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
[关键词]市政工程顶管施工推力计算
1、前言
在市政项目建设中，因为顶管施工具有出土量小,施工污染小;作业面小,对市民干扰小;埋地深,对既有管线构筑物影响小;一次性顶进长,穿越河床不影响通航等优点,产生了巨大的社会效益和经济效益。市政工程中采用顶管方法施工可以将作业面移入地下,从而避免对地面交通的影响。只要施工前选线合理,施工方法恰当,构筑物并不妨碍施工的正常进行。该技术在市政工程的施工中应用日益增多,有必要对其技术要点进行总结和提高。
2、工程概况
某工程位于市区,顶管部分共7段,每段长56m,管径3006mm,管面覆土约3.5m,主要穿越粉质粘土层和中、粗砂层。顶管管材采用钢筋混凝土管,内径d=3000mm,管壁厚300mm,每节管长2·5m,采用“F型”接口。属于较少见的大口径顶管工程。它穿越市区交通要道,周边建筑物密集,交通流量大。管道所经道路位置地下有通讯、排水等综合管线,施工场地狭窄,施工难度非常大。
3、机械顶管施工
3·1顶管机选型
根据本工程的实际情况，经过详细分析后，采用地面遥控操作的D3000型泥水平衡掘进机。其主要部件有切削刀盘及外壳、动力装置、机头液压装置、机头纠偏系统、机内泥水系统、电气操作系统、显示系统等。
3·2泥水平衡顶管机原理
泥水平衡式顶管机是利用加压的泥水及刀盘推动切削刀具进行挖掘施工。压力泥水在挖掘面泥土的表面形成一层泥膜,同时通过压力作用与挖掘面的土压和地下水压力保持动态平衡,有效的稳定挖掘面,将顶管施工对地面的影响即地面沉降减少到最小。当掘进机正常工作时,进排泥阀均打开,机内旁通阀关闭。泥水从进泥管经进泥阀进入顶管机挖掘面的泥水仓里,挖掘来的泥砂同泥水搅拌后,通过排泥管和排泥泵送到地面的泥水分离装置。分离装置将泥砂和水分离以后,泥水再次送入刀盘循环使用。这些工序完成由中央操作盘进行遥控。
4、机械顶管推力计算
4·1最大推力计算
顶管时采用单排顶进法。
F=F1+F2(F—总推力;F1—端阻力;F2—侧壁摩阻力)
(D—管外径; P—控制土压力)
P=Ko·r·Ho
式中:Ko—静止土压系数,一般取0·55
Ho—地面至掘进机中心的高度,取值17m
r—土的容重,取1·8t/m3
P=0·55×1·8×17=16·83t/m2
F1=3·14/4×3·372×16·83=150t,F2=πD·f·L
式中: f—管外表面综合磨擦阻力,本工程顶管采用触变泥浆,取值0·8t/m2。
D—管外径,L—顶距,最长段取值为70m
F1=3·14×3·37×0·8×70=592·58t
F=F1+F2=150+592·58t=742·58t
顶管工作井最大设计控制顶力为1200t,设备采用4个300t的千斤顶,顶进能力和工作井的控制顶力均达到1200t>742·58t。因此,不须加设中继接力顶进。70m总顶力F=742·58t,顶进井平面尺寸10×4m,采用竖井。
依据图1与下式计算反力:
B=4m,H=4·0m, a=2·5, h=4·85,φ=40°,C=0kPa,
γ=19·5KN/m3
=2·5×4×(19. 5×4. 02×4. 602+2×0×4. 0)
图1反力计算示意图
×+19. 5×4. 0×4. 85×4. 6
=10×(717. 6+0+1740. 18)
=10×2457·78=24577·8KN=2457·78t>F=1200t(4台千斤顶控制顶力)对于顶距为70m的工程,反力是足够的。
4·2掘削量计算
开挖面的稳定是泥水平衡顶管施工中最重要的管理项目之一,它直接影响顶管施工质量。控制每节掘削量是开挖面稳定的必要保证。
4·2·1掘削量的控制
根据地质情况进行掘削量计算:
W=V(1-n)r
W:理论掘削量(m3/Ring)
V:砂性土在顶管机断面内所占的体积(m3)
n:砂性土的孔隙度(% )
r:砂性土的密度
W′:实际掘削量(m3/Ring)
实际掘削量直接显示在计算机屏幕上,它较真实地反映实际掘削过程中的掘削量。
实际掘削量W′(干砂量)与偏差流量Δq的关系:
偏差流量Δq瞬时计算式:
Δq=Q1-(AVs+Qo)⑴
Δq:偏差流量(m3/min)
Q1:排泥流量(m3/min)
A:刀盘面积(m2)
Vs:顶进速度(m /min)
Qo:送泥流量(m3/min)
⑴式变换可得排泥量计算式:
Q1=(AVs+Qo)+Δq⑵
4·2·2掘削量的判别方法
偏差流量为正值时,顶管机处于“超挖”状态,干砂量比标准值大;偏差流量为负值时,顶管机处于“溢水”状态,干砂量比标准值小。
當发现掘削量过大时,应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。查明原因后应及时调整有关参数,确保开挖面稳定。
5、机械顶管的顶进施工
5.1管的顶进施工
顶进利用千斤顶出镐在后背不动的情况下将被顶进管子推向前进,其操作过程如下:
⑴安装好顶铁并挤牢。管前端已入土一定长度后,启动油泵,千斤顶过油,活塞伸出一个工作行程,将管子推前一定的距离。
⑵停止油泵,打开控制阀,千斤顶回油,活塞回缩。
⑶添加顶铁,重复上述操作,直至安装下一节管为止。
⑷卸下顶铁,下管,用钢套环连接混凝土管。在混凝土管接口处放一圈麻绳,保证接口密封和受力均匀,并采用其它防渗漏措施,保证管与管之间的连接可靠。
5.2切口水压设定
泥水平衡顶管顶进时,开挖面不断被刀头切削,此时泥膜被刀头切削并将泥水压力传递给土体。由于刀头的介入使传递给土体的外力增加,因此开挖面处于动态平衡之中。切口水压的上、下限设定可根据常用土体力学公式计算得到。顶进过程中的切口水压应根据切口水压设计设定值、实际的土砂量和干砂量积算值等重要参数设定。其中切口水压设定值可根据近10~50m掘进过程中较佳的设定值选定。
5.3顶进速度
顶进速度的控制应注意以下几点:
⑴主顶启动时,必须检查千斤顶是否靠足,开始顶进和结束顶进之前速度不宜过快。每节顶进开始后,应逐步提高顶进速度,防止启动速度过大。
⑵顶进过程中,顶进速度应尽量保持恒定,减少波动,保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。
⑶顶进速度的快慢必须适应每节润滑泥浆注浆量的要求,保证润滑泥浆系统始终处于良好的工作状态。
5.4逆洗时的压力控制
逆洗是顶进过程中较常用的防止和消除排泥管吸口堵塞的工作,因此逆洗时应提高排泥流量,但不能降低切口水压,整个逆洗过程必须密切注意开挖面稳定状态。推进、逆洗和旁路三状态切换时的切口水压控制偏差值为:±0·02MPa。
5.5管材安装、下管就位
管节起吊时应保持水平,起吊要缓慢平稳。施工人员用麻绳牵引,避免管节晃动。管节下吊速度均匀,低速轻放。当管节距导轨小于50?时,操作人员方可近前工作。控制钢管平稳放置在轨道面上。
6 、结束语
本工程采用的顶管技术与其它支护基坑开挖法在城市管线施工过程比较,本工艺施工不需要大面积开挖土方、占用施工场地小、不影响道路交通、施工方便,在文明施工方面也比较有优势。在横穿管线、交通繁忙的道路、施工要求较高的城市中施工其优越性尤其突出。从本工程的使用效果来分析,工程的施工质量优良。
参考文献
[1] 彭福泉.长距离大口径钢管顶管施工关键技术的研究与应用[D] 2009.
[2] 刘敦林.长距离顶管施工技术的分析[J] .广东水利水电，2009.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。