中国十九冶集团有限公司市政交通分公司
摘要:在川南某市政产业集群连接线建设项目施工中,其下行市政管道需穿过现有左侧人行道,地面下方管线众多,市政管线、通信电缆和国防光缆,地面上方交通是岷江新区与老城片区联系的重要通道,交通转换困难,为缓解交通通行压力,避免大量管线迁改,采用了手掘式液压顶管法进行地下管线施工,在平交口车辆流量大,地上地下施工条件复杂的情况下,通过路面注浆加固和地下有序施工,保证了施工期间地表沉降符合要求,减小放坡开挖带来的不变以及对周围环境的影响,快速恢复交通,协同地表施工,缩短了施工周期。
关键词:手掘式液压顶管法 路面注浆 回填 测量 注浆加固
1 工程概况
该项目起于三江厂平交口,起点桩号 BSK0-001.12,终点止于规划横二路,终点桩号BSK4+346.1,线路长4347.22m,整个项目包括川云中路主线、川云中路辅道、环城路改造、三江厂立交、观斗山立交与岷江桥南节点。采用放坡开挖需要的工作面较大,管线迁改工程量大。为缓解交通通行压力,避免大量管线迁改,YD1~YX1采用顶管施工,将顶管工作井计划在YD1位置(现围挡区域内)。
2 地质情况及管道施工工艺选择
因该管段位于交通要道上,车辆通行量和荷载较大,且本段顶管管径较大,覆土较薄且为填筑土或杂填土,管道范围内为填筑土和细砂,管底为细砂和填筑土。在顶进过程中具有极大的安全质量风险。勘察期间为丰水期,根据钻探记录,可得管道施工段稳定水位埋深6m~14.6m,标高为307.44~315.16m。本次顶管管底流水面最低标高为315.000,西侧现有沟渠流水面标高为307.82,顶管施工不受地下水位影响。
根据物探图及现场人工开挖探坑提供的信息显示,地下管线主要包括强电、监控、照明、通信、燃气、给水、排水、国防光缆等,地上构造物含人行道绿化树、监控杆线、路灯、电力电缆控制箱等。根据物探图本次顶管施工区域内,原有市政管线埋置最深为市政雨水管,管道底标高318.63m。本次顶管管道顶标高最高为317.77m,顶管与市政管线最小高差约为0.86m,顶管施工对原有市政管线不会造成破坏。
结合工程水文地质资料、物探图以及坑探信息表明,施工范围不受地下水位影响,且不影响其他原有市政管网,顶进距离短,因而本项目管道顶进施工工艺采用手掘式液压顶管法[1-2]。
3顶管施工顶力计算
本项目管道顶进施工工艺采用手掘式液压顶管法。本工程总顶力、工作井允许顶力和管材承受顶力根据公式计算[3],具体计算如式(4-1)、(4-2)、(4-3)所示。
(1)后座墙土体允许施加的顶进力:
后背受力计算公式:
) (4-1)
式中:—总推力的反力,为推力的1.2~1.6);
系数(取1.5~2.5之间)此处取1.5
后座墙的宽度,此处取4m;
土的容重(KN/m3) 19.6(KN/m3)
后座墙的高度 此处取4m;
被动土压系数tan2(30°+
/2),
此处取9°
土的内聚力(kPa),取10kPa;
地表到后座墙顶部土体之间的高度差(m),本项目取2m.
由式(4-1)计算,可得工作井后背墙允许施加的顶进力为1217.95T。
(2)管道许用顶力:
=
(4-2)
式中: 混凝土管道允许顶力设计值;
混凝土受压强度折减系数,取值0.9;
偏心受压强度提高系数 ,取值1.05;
混凝土材料脆性系数,取值0.85;
混凝土强度标准调整系数,取值0.79;
顶力分项系数,取值1.3;
混凝土受压强度设计值;取值14.3 N/mm2;
管道最小有效传力面积; 取值1.8 m2。
根据公式(4-2)可得管道许用顶力:10066.044KN=10271(T)。
(3) 总顶力计算:
(4-3)
由于采用人工挖掘,管道迎面阻力
式中: 总顶力(T);
管外径(m),取2.88(m);
管道设计顶进长度(m),取 38 (m);
管外壁与土层摩阻力,取0.4/m2;
由式(4-3)计算得本段顶管总推力为168.96(T);
本工程总顶力168.96(T),工作井允许顶力1217.95(T),管材承受顶力10271(T),拟采用油泵站推力为2个320(T)千斤顶,即:管材承受力>后背墙承受力>千斤顶推力>所需总顶力,满足施工要求。
3 施工流程
管道顶进施工总体工艺流程,如图1所示,
图1管道顶进总体施工工艺流程
管道顶进施工工艺采用手掘式液压顶管法,本次施工钢筋混凝土管径为DN2400,顶管采用2台320t千斤顶并联,每节管道2m长,顶管动力使用电动液压顶管机,顶管管节采用汽车吊,先吊放进顶管井内就位,再通过经纬仪将管道中线控制桩引至工作井内,顶进过程中利用激光发射器的激光束进行控制点延申,以便随时对控制点进行复测, 最后进行顶管顶进设备安装,包括导轨安装:主顶装置顶铁(传力柱)、传力板、工具切屑管的安装。顶进施工时,通过风镐掘进取土,在施工作业中,为了防止误差累计过大,影响后续施工的精确度,施工过程中需要保持随挖随测,做好持续纠偏工作。
4 管道顶进施工要点
YD1~YX1段采用顶管施工,工作井设置在YD1,然后向YX1顶进,整个施工顶进长度为38m。顶管管径为DN2400,以解决泵房DN500压力管排水问题。为防止顶管造成地面沉降,影响地面道路正常运行,顶管施工前在顶管上部进行小导管压力注浆。
本节点采用人工顶管的方式进行施工;在YD1处施工设置顶管工作井1个,工作井采用内井直径6.5米的圆形井,护壁厚度50cm,使用C30钢筋砼结构。顶管井深度7m,管底埋深5.8m,工作井采用逆作法施工,顶管施工完成后,逆作法井内再单独设置永久检查井,永久检查井与顶管井之间采用天然砂砾石分层回填,分层回填厚度≤30cm,压实度≥0.95。考虑道本项目的实际出口情况,在出口不设置接收井,直接顶出后采用八字式出水口。
4.1 路面注浆
为防止顶管施工时造成地面沉降[4],影响路面道路正常运行和施工安全,顶管施工前需在顶管上部进行小导管压力注浆,加固土体。注浆采用常规注浆方案,注浆深度约6米,注浆孔为Φ60@500×500,选用重复性注浆管施工。通过计算确定注浆范围,为管底以下1.0m~管顶以上2m和管道两侧各2m,注浆加固体28天无侧限抗压强度不小于1.0MPa,抗剪强度应大于0.2MPa。
4.2 测量控制及纠偏
在工作井中布置好测量仪器,通过顶进过程中的作观测记录,计算方位高程值,进而在顶进过程中实时纠偏[5],纠偏的程序和结果必须符合规范要求。在道路下顶进,当路面沉降量≥10mm时,需要进行钻孔取样,通过检查土体孔隙比的变化判断施工是否安全可控。
(1)水平监测
第一节管(工具管)施工作业和校正偏差过程中,为了保证管道入土位置的准确性,前后测量距离间距小于300mm;管道进入土后的正常顶进段,前后测量间距不宜超过500mm;纠偏时,需要加强测量频率,每进深0.5m测量记录≥2次;出洞前每进深0.5m测量记录≥2次;
(2)高程监测
利用透明胶管在工作井内设置水准点,测头一节控制前端管内底高程,通过前端管内底高程变化确定前一节管道的水平和竖向走向。
(3)随挖随监测,小角度、高频率纠偏
常用的方法有超挖纠偏方法、顶木纠偏、千斤顶纠偏法[6],具体操作原则应随挖随监测,小角度、高频率纠偏,防止累计偏差,造成误差过大。
第一节管在顶进过程中受到不均匀外力的影响,头部偏离了轴线及设计标高,需要对第一节管进行纠偏操作,纠偏角度一般不宜≥0.5°,纠偏频率在管道所处施工阶段有所不同,在管道顶进阶段,每进深0.5m不宜少于1次,在纠偏阶段不宜少于2次,管道运行轨迹,并快定纠偏大小。每次纠偏角度严格控制在10′~20′,小于0.5°,纠偏操作要求平稳准确,安全牢靠,如果偏差过大,需要将偏差分角度、分批次进行,做到纠偏角度小、纠偏过程连续,保持适当的曲率半径返回到轴线上来,避免管道顶进时产生过大的侧应力,对于短距离纠偏作业,可采用后座液压油缸进行纠偏,根据偏差情况,确定后座油泵的开启和关闭。
4.3注浆减阻
顶进管与地层间的空隙密实,可以确保顶进管段时施工安全,上部不沉陷,管节不渗水,对已经顶进施工完成的管道进行管背注浆。注浆孔间距1m,直径为3.5cm。注浆孔由顶管生产厂家在管道预制的时候进行预留螺纹管,要求减阻后管道侧摩阻力≤15kpa。
注浆液采用双液浆(水泥+水玻璃浆),注浆材料为普通硅酸盐水泥,每0.5立方米水玻璃浆液配合比(重量比)水玻璃﹕硫酸﹕碳酸氢钠﹕水=150﹕39.32﹕1.02﹕368.3;水泥浆配比:水﹕水泥=0.5﹕1;水泥浆﹕水玻璃浆液=1﹕1。注浆压力:0.4Mpa~20.8Mpa。注浆孔上均设管螺纹、管箍及丝堵,将制作好的注浆管头预先拧紧插入管道上。注浆过程中,控制注浆量及注浆压力,待下一注浆孔中出现压浆液并且注浆压力≥0.6MPa时,每孔稳压时间≥2min,及时关闭注浆孔上控制阀,进行下一个孔注浆。
4.4壁后注浆
本次顶管采用人工掘进的施工工艺,对于管节与岩土层之间存在的空隙和顶进过程中使用的减阻泥浆,采用水泥砂浆进行壁后注浆填充加固[7],以避免后期道路沉降。采用自带注浆孔的管材,注浆孔的设置:需注浆段在每根钢筋混凝土管节中部设置2根注浆管,相邻的钢筋混凝土管注浆孔布置按逆时针方向依次旋转90°。
采用挤压式注浆机将购置的水泥砂浆,通过φ32mm高压胶管连接顶管用钢筋混凝土管注浆孔眼,向管外注入M20水泥砂浆。注浆压力控制在0.2~0.3Mpa之间,以保证水泥套管与岩土层间无孔隙,从而确保地表不发生沉降。
4.5八字式出水口与检查井施工
YX1处顶管顶出后,立即施工八字式出水口。顶管施工完成,拆除顶管设备后,工作井内利用工作坑内平面另做检查井,检查井按设计图纸与规范要求施工。
矩形检查井,利用1220mm×2440mm×15mm制作模板,模板外侧选用截面为10×5cm木枋作为模板竖向支撑,环向间距0.5m,紧贴木枋外侧采用双拼φ48×3.5mm钢管双拼作为横向支撑,环向间距0.5m,选用φ8mm螺杆作为对拉杆,蝴蝶扣锁紧加固。外侧设置Φ48×3.5mm扣件式双排脚手架作为操作架,间距0.6m,内侧利用Φ48×3.5mm扣件式脚手架进行支撑,间距0.5m。井筒安装完成后拆除脚手架,利用吊车吊出材料。
盖板采用现场预制与人工吊车安装方式,井筒采用厂家预制,人工配合吊车安装方式进行施工。对于操作井与工作井之间的空隙,利用细沙回填,分层夯实,每层厚度为30cm。
4.6井周回填
闭水试验合格后,利用天然砂砾石对检查井与工作井之间进行分层回填,车行道位置回填至水稳层顶,后按既有道路面层结构进行沥青混凝土铺筑。
结论:
项目采用手掘式液压顶管法,日掘进量在 6m~ 7m,安全快速。通过科学高效的管理和有序组织施工,实现了工期和成本的高效提升,在既不影响路面交通,且对施工周围构筑物影响小的基础上,又为地面施工增加工作面,缩短了建设工期,整体建设周期缩短了一个月,项目节约了成本,也为以后市政工程改扩建项目管道施工提供了参考。
参考文献:
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