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長距離頂管施工主要技術措施

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長距離頂管施工主要技術措施


    摘  要:嘉興污水處理排海頂管工程一次頂進2060m,由于合理選擇了工具管形式,成功地解決了軸線控制和減阻泥漿等技術難題,只用了144天就完成了全部頂進施工,創造了新的世界紀錄。 
    關鍵詞:排海工程 頂管 減阻泥漿 軸線控制 中繼間


    一、工程概況
    φ2000mm排海管道工程是嘉興市污水處理工程的一個重要組成部分。正常排放管總長2060m,管道內徑2000mm,從高位井向大堤外頂進,埋深9.30~21.81m,出洞口管內底標高為-20.23m,前1747.5m為下坡(-2.5‰)頂進,最后302.5m為平坡頂進,終點管內底標高為-24.60m。頂進施工采用F-B型鋼承口式鋼筋混凝土管、楔形橡膠圈接口、多層膠合板襯墊。 
    二、地質資料
    頂進軸線上方覆土為粉土層;淤泥質粉質粘土,局部夾少量薄層粉土;粉質粘土。地質剖面見圖1。
    三、工具管選型
    正常排放管在出洞后的150~200m范圍內是④層砂質粉土夾粉砂,然后穿過④a層粉質粘土、⑤層淤泥質粉質粘土~淤泥質粘土。經多方論證,最終決定采用大刀盤泥水平衡式工具管。
    四、主要技術措施
    1.減阻泥漿
    頂進施工中,減阻泥漿的應用是減小頂進阻力的重要措施。頂進時,通過工具管及混凝土管節上預留的注漿孔,向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿,在管道外圍形成一個泥漿套,減小管節外壁和土層間的摩阻力,從而減小頂進時的頂力。泥漿套形成的好壞,直接關系到減阻的效果。
    為了保證壓漿的效果,在工具管尾部環向均勻地布置了4只壓漿孔,頂進時及時進行壓漿。工具管后面的3節混凝土管節上都有壓漿孔,以后每隔2節設置1節有壓漿孔的管節。混凝土管節上的壓漿孔有4只,呈90°環向交叉布置。壓漿總管用φ50mm白鐵管,除工具管及隨后的3節混凝土管節外,壓漿總管上每隔6m裝1只三通,再用壓漿軟管接至壓漿孔處。
    頂進時,工具管尾部的壓漿要及時,確保形成完整、有效的泥漿套。混凝土管節上的壓漿孔供補壓漿用,補壓漿的次數及壓漿量需根據施工時的具體情況而確定。
  由于頂進距離長,一次壓漿無法到位,需要接力輸送,因此在管道內共設置5只壓漿接力站,平均每隔300m左右設1站。壓漿接力站的作用有兩個,一是運輸作用;二是承擔至前面壓漿接力站管道部分的補壓漿。
    減阻泥漿的性能要穩定,施工期間要求泥漿不失水、不沉淀、不固結,既要有良好的流動性,又要有一定的稠度。頂進施工前要做泥漿配合比試驗,找出適合于施工的最佳泥漿配合比。表1是本工程所采用的減阻泥漿控制參數,表2是減阻泥漿的配合比。
    表1 減阻泥漿的控制參數 

  頂進時        穿越大堤時
 
    視粘度MPa.s
    16
    54
 
    失水量mL
    8
    8.5
 
    泥并mm
    2
    2
 
    pH值
    8.5
    8.5
 
    重度N/cm3
    10.9
    11.1
 
    動切力Pa
    11.7
    30.6
 
    靜切力Pa
    19
    53.1
 
    膠體率%
    100
    100
 
    狀態
    略稠
    厚稠
    表2 減阻泥漿配合比(kg/m3) 
   頂進時
    穿越大堤時
 
    膨潤土
    130
    150
 
    水
    870
    850
 
    純堿
    4.5
    6
 
    CMC
    4
    5.4
 
    拌制減阻泥漿要嚴格按操作規程進行,催化劑、化學添加劑等要攪拌均勻,使之均勻地化開,膨潤土加入后要充分攪拌,使其充分水化。泥漿拌好后,應放置一定的時間才能使用。通過儲漿池處的壓漿泵將泥漿壓至管道內的總管,然后經壓漿孔壓至管壁外。施工中,在壓漿泵、工具管尾部等處均裝有壓力表,便于觀察,從而控制和調整壓漿的壓力。
  頂進施工中,減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍空隙的大小及周圍土層的特性,由于泥漿的流失及地下水等的作用,泥漿的實際用量要比理論用量大得多,一般可達到理論值的4~5倍,但施工中還需根據土質情況、頂進狀況及地面沉降的要求等做適當的調整。
  本工程的減阻泥漿運用十分成功,全長2060m的頂進最大頂力不超過8500kN。把頂進過程中的頂力曲線和泥漿用量(實際用量與理論用量之比,用百分比表示)曲線通過處理后可以得到頂力、泥漿用量與距離之間的關系圖(圖2)
    圖2 頂力和泥漿用量與距離的關系圖
    由圖2可以看到,除出洞階段外,頂力曲線很平滑,頂力增加十分緩慢,最大值為8500kN。由于在出洞階段無法建立完整的泥漿套,因而泥漿用量較少,但當泥漿套建立好以后,泥漿的用量就隨著頂進距離的延長而增加,頂進結束時,泥漿的用量達到理論值的8倍。泥漿的用量之所以隨著頂進距離的延長而有較大增加,主要是補壓漿造成的,因為隨著線路的增加,補壓漿的量要大大超過工具管尾部的壓漿量。
    管道外壁和土體間的摩阻力的大小是衡量泥漿減阻效果的標準,圖3是本工程頂進過程中管道外壁和土體間的摩阻力曲線圖。
    圖3 摩阻力曲線圖
    圖3真實反映了頂進過程中側向摩阻力的變化情況。在出洞階段,由于泥漿套無法建立,因而側向摩阻力比較大,隨著泥漿套的建立,摩阻力急劇減小。頂至200m時,側向摩阻力為2.1kN/m2;頂至600m時,側向摩阻力為1.1kN/m2;頂至1500m時,側向摩阻力為0.5kN/m2;頂至2000m時,側向摩阻力為0.3kN/m2。上述值均遠小于規范中的取值及利用經驗公式計算的值,也遠小于以往同類工程中的實際值。顯然,側向摩阻力隨著頂進距離的增加而逐漸減小,是和泥漿的用量隨著頂進距離的延長而增加有直接關系的。
    2.中繼間應用
    正常排放管總長2060m,在出洞后的150~200m范圍內,頂進斷面主要為④層砂質粉土夾粉砂,隨后的頂進主要在⑤層淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土中進行。因土層變化較大,頂進阻力在各土層中不同,考慮到長距離頂管的特殊性并結合以往同類工程的施工經驗,原施工組織設計中擬布置14只中繼間進行接力頂進。
    中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式結構,偏轉角α=±2°,端部結構形式與所選用的管節形式相同,外形幾何尺寸與管節基本相同。在鉸接處設置2道可徑向調節密封間隙的密封裝置,確保頂進時不漏漿,并在承插處設置可以壓注潤滑脂的油嘴,以減少頂進時密封圈的磨損。中繼間的鉸接處設置4只注漿孔,頂進時可以進行注漿,減小頂進阻力。
    頂進至194.1m時,根據頂進施工所獲得的數據計算,管節外壁和周圍土體的摩阻力介于2~3kN/m2,是比較小的,根據計算結果,并結合以往的施工經驗,對中繼間的位置作了適當調整,以減少中繼間的投入,并能確保頂進的順利進行。

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