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上海過江倒虹管泥水平衡頂管施工技術

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上海過江倒虹管泥水平衡頂管施工技術


    1、工程概況
    本工程為上海市污水治理二期1.1標黃浦江倒虹管工程,沿線共設有兩座豎井,即一座工作井及一座接收井。其中工作井位于浦東耀華支路三渣攪拌站內,西靠黃浦江,東接耀華支路,接收井位于浦西龍華機場附近,西靠豐溪路,東臨黃浦江,南北分別與石化公司及電力公司相鄰,見圖1。
    圖1 合流二期1.1標倒虹管工程總平面、剖面圖
    隧道部分為兩條長度均為610m的平行頂管隧道,隧道坡度均為i=0.162%,兩條隧道中心間距為5m,隧道頂最大覆土約24.8m。頂管機將穿越寬510m的黃浦江,江中段隧道頂最小覆土約7.5m。
    圓隧道首次采用隧道股份設計、制造的適用于各種軟土地質的φ2660mm泥水平衡式頂管機頂進施工,頂管主頂機械總頂力為10000kN。
    圓隧道結構全部采用"F"型預制鋼筋混凝土管節,其外徑2640mm,內徑2200mm,每節長度為3000mm,相鄰兩管節間由特制接頭承插連接,接縫防水采用由氯丁橡膠制成的齒形橡膠圈,襯墊材料為多層膠合板。
    本工程范圍內的土層及各地層土質物理力學指標,見表1。
    地層土質物理力學指標 表1
    層號
    土層名稱
    層底標高
    含水量W(%)
    密度kN/m3
    孔隙比e
    凝聚力C(kPa)
    內摩擦角φ°
    地基承載力kPa
    ①1
    填土
    3.53
    34.6
    17.6
    1.08
    ①2
    沖填土
    -5.47
    33.8
    17.8
    1.03
    ③
    灰色粘質粉土
    -10.07
    34.
    17.9
    1.04
    8.0
    29
    90
    ④1
    灰色淤泥質粘土
    -10.67
    47.7
    17.2
    1.37
    65
    ④2
    灰色淤泥質粉質粘土夾砂
    -13.07
    35.4
    17.8
    1.07
    10.0
    24
    80
    ⑤2
    灰色砂質粉土
    -25.87
    31.7
    17.9
    0.99
    3.0
    28
    100
    ⑤3
    灰色粉質粘土
    -42.67
    33.3
    17.8
    1.04
    20.0
    19
    100

    2、泥水平衡頂管系統
    泥水加壓平衡頂管工法的特征是在機械掘削式頂管前部的刀盤附近安裝隔板,形成泥水壓力倉,將加壓的泥水送入泥水壓力倉,使開挖面穩定,刀盤切削下來的土砂以泥水形式被輸送到地面。
    泥水平衡頂管系統主要由頂管機、泥水輸送、泥水處理及頂進管理四個系統組成。
    (1) 泥水平衡頂管機
    ① 泥水加壓平衡頂管機主機
    ·工作原理:
    工具管在正常作業前,刀盤與殼體外圈接觸,刀排與刀盤盤體接觸,泥水倉處于密閉狀態,以延緩泥水壓力泄漏。同時在泥水旁路切換大循環時,使泥水壓力的波動對開挖面的擾動降到最小,待泥水倉中壓力穩定后,啟動中心軸動力泵站帶動中心軸及刀架向前運動,使刀架與刀盤分離,在兩者之間形成四條70mm的進土間隙,并由中心軸及刀架的繼續伸出帶動刀盤盤體的運動,使之與殼體保持一定距離,此時機頭即處于待工作狀態,啟動刀盤驅動電機,通過第一級減速(105k行星齒輪減速機),其輸出軸上的小齒輪帶動中心軸上的大齒輪(即第二級減速i=131/17)最終帶動刀盤及刀架,以1.5rpm轉動(可正反轉)切削土體,見圖2。
    圖2 頂管機主機示意圖
    ·主要技術參數:
    A.外形尺寸:直徑(外徑)2660mm,長度4240~4300mm。
    B.刀盤:最大扭矩277kNm,轉速1.516rpm,驅動電機功率22kW×2,最大移動量40mm。 C.中心軸:最大移動量110mm,油缸最大壓力32MPa,最大平衡力2050kN,最大平衡土壓范圍0-368.9kN/m2。
    D.糾偏裝置:千斤頂數量8臺,最大工作壓力32MPa,單臺最大推力900kW,糾偏行程60mm,糾偏角度±1.8°。  ②頂進裝置
    頂進裝置分主頂進裝置及中繼頂進裝置兩部分。主頂進裝置的主要功能是完成管節的頂進,其由底座、油缸組、頂進頭、V形頂塊、鋼后靠及液壓動力泵站等組成;中繼頂進裝置主要是為中繼接力頂進所用。
    (2) 泥水處理
    泥水處理系統主要由粘土溶解槽、調整槽、剩余槽、清水槽、泥水分離旋流器和沉砂池等組成,起處理泥水(由盾構開挖面排出)和制造新鮮泥水的作用。
    泥水處理采用一次沉淀的方法,沉淀后的泥水送入調整槽,調整粘度、密度后重新利用。
    江中設置一臺潛水泵引水入清水槽,清水槽內設潛水泵一臺,用于向調整槽內加注清水,調整槽內設攪拌裝置,調整后泥水通過P1(PH)泵送入頂管機內使用,粘土溶解槽內攪拌濃泥漿,加入調整粘度、密度。粘度控制在25S左右,密度在1.2g/mm3左右,并且根據實際情況再作調整,見圖3。
    圖3 泥水處理簡圖
    (3) 泥水輸送
    泥漿輸送系統是由一根6″送泥管、一根6″排泥管、送泥泵和排泥泵等部分組成。經處理后的泥水由調整槽通過P1-1泵或PH泵由地面送至井下,頂管內排出的高密度泥水,經安裝在地面和隧道內的接力泵送回至地面泥漿沉淀池,見圖4。
    圖4 泥水輸送系統流程圖
    泥水輸送系統啟動時,先開啟VP閥,啟動PI泵,開啟V3、V5閥,再逐個啟動P2、P3、PE泵。系統啟動數分鐘后,當送排泥水壓力和流量趨于穩定,送泥水壓力和切口壓力基本相同時,才可操作到"頂進狀態"。
    進入"頂進狀態"時,開啟機頭閥,開啟V1、V2閥,關閉V3閥。泥水輸送系統可逐漸達到泥水平衡,調整送泥水壓和排泥流量,使推進過程中一直保持泥水平衡,若在推進過程中,切口水壓值偏高設定值,操作人員應采取措施,使之恢復正常。若切口水壓繼續偏差達限值,應立即切換到"旁路狀態"。
    如果切口水壓的偏離原因是泥水管道堵塞引起的,就應操作至"逆洗狀態",對堵塞管道進行沖洗。管道暢通后,應先轉換到"旁路狀態",最后才轉換到"頂進狀態"。
    頂進結束后,應將"頂進狀態"切換到"旁路狀態",待泥水平衡后,再切換到"停止狀態"。

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