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1、长距离顶管施工主要技术措施匡志文摘 要 嘉兴污水处理排海顶管工程一次顶进 2060m，由于合理选择了工具管形式，成功地解决了轴线控制和减阻泥浆等技术难题，只用了 144 天就完成了全部顶进施工，创造了新的世界纪录。 关键词 排海工程 顶管 减阻泥浆 轴线控制 中继间一、工程概况2000mm 排海管道工程是嘉兴市污水处理工程的一个重要组成部分。正常排放管总长 2060m，管道内径 2000mm，从高位井向大堤外顶进，埋深9.3021.81m，出洞口管内底标高为-20.23m，前 1747.5m 为下坡(-2.5)顶进，最后 302.5m 为平坡顶进，终点管内底标高为-24.60m。顶进施工采用
2、F-B 型钢承口式钢筋混凝土管、楔形橡胶圈接口、多层胶合板衬垫。 二、地质资料顶进轴线上方覆土为粉土层；淤泥质粉质粘土，局部夹少量薄层粉土；粉质粘土。地质剖面见图 1。三、工具管选型正常排放管在出洞后的 150200m 范围内是层砂质粉土夹粉砂，然后穿过a 层粉质粘土、 层淤泥质粉质粘土淤泥质粘土。经多方论证，最终决定采用大刀盘泥水平衡式工具管。四、主要技术措施1.减阻泥浆顶进施工中，减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。顶进时，通过工具管及混凝土管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏
3、，直接关系到减阻的效果。为了保证压浆的效果，在工具管尾部环向均匀地布置了 4 只压浆孔，顶进时及时进行压浆。工具管后面的 3 节混凝土管节上都有压浆孔，以后每隔 2 节设置1 节有压浆孔的管节。混凝土管节上的压浆孔有 4 只，呈 90环向交叉布置。压浆总管用 50mm 白铁管，除工具管及随后的 3 节混凝土管节外，压浆总管上每隔 6m 装 1 只三通，再用压浆软管接至压浆孔处。 顶进时，工具管尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。混凝土管节上的压浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而确定。 由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送，因此在管道内共设置 5 只
4、压浆接力站，平均每隔 300m 左右设 1 站。压浆接力站的作用有两个，一是运输作用；二是承担至前面压浆接力站管道部分的补压浆。减阻泥浆的性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。顶进施工前要做泥浆配合比试验，找出适合于施工的最佳泥浆配合比。表 1 是本工程所采用的减阻泥浆控制参数，表 2是减阻泥浆的配合比。表 1 减阻泥浆的控制参数 顶进时 穿越大堤时视粘度 MPa.s 16 54失水量 mL 8 8.5泥并 mm 2 2pH 值 8.5 8.5重度 N/cm3 10.9 11.1动切力 Pa 11.7 30.6静切力 Pa 19 53.1胶体
5、率% 100 100状态 略稠 厚稠表 2 减阻泥浆配合比(kg/m3) 顶进时 穿越大堤时膨润土 130 150水 870 850纯碱 4.5 6CMC 4 5.4拌制减阻泥浆要严格按操作规程进行，催化剂、化学添加剂等要搅拌均匀，使之均匀地化开，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化。泥浆拌好后，应放置一定的时间才能使用。通过储浆池处的压浆泵将泥浆压至管道内的总管，然后经压浆孔压至管壁外。施工中，在压浆泵、工具管尾部等处均装有压力表，便于观察，从而控制和调整压浆的压力。 顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理
6、论用量大得多，一般可达到理论值的 45 倍，但施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。 本工程的减阻泥浆运用十分成功，全长 2060m 的顶进最大顶力不超过 8500kN。把顶进过程中的顶力曲线和泥浆用量(实际用量与理论用量之比，用百分比表示)曲线通过处理后可以得到顶力、泥浆用量与距离之间的关系图(图 2)图 2 顶力和泥浆用量与距离的关系图由图 2 可以看到，除出洞阶段外，顶力曲线很平滑，顶力增加十分缓慢，最大值为 8500kN。由于在出洞阶段无法建立完整的泥浆套，因而泥浆用量较少，但当泥浆套建立好以后，泥浆的用量就随着顶进距离的延长而增加，顶进结束时，泥浆的用量达到
7、理论值的 8 倍。泥浆的用量之所以随着顶进距离的延长而有较大增加，主要是补压浆造成的，因为随着线路的增加，补压浆的量要大大超过工具管尾部的压浆量。管道外壁和土体间的摩阻力的大小是衡量泥浆减阻效果的标准，图 3 是本工程顶进过程中管道外壁和土体间的摩阻力曲线图。图 3 摩阻力曲线图图 3 真实反映了顶进过程中侧向摩阻力的变化情况。在出洞阶段，由于泥浆套无法建立，因而侧向摩阻力比较大，随着泥浆套的建立，摩阻力急剧减小。顶至 200m 时，侧向摩阻力为 2.1kN/m2；顶至 600m 时，侧向摩阻力为1.1kN/m2；顶至 1500m 时，侧向摩阻力为 0.5kN/m2；顶至 2000m 时，侧向
8、摩阻力为 0.3kN/m2。上述值均远小于规范中的取值及利用经验公式计算的值，也远小于以往同类工程中的实际值。显然，侧向摩阻力随着顶进距离的增加而逐渐减小，是和泥浆的用量随着顶进距离的延长而增加有直接关系的。2.中继间应用正常排放管总长 2060m，在出洞后的 150200m 范围内，顶进断面主要为层砂质粉土夹粉砂，随后的顶进主要在层淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土中进行。因土层变化较大，顶进阻力在各土层中不同，考虑到长距离顶管的特殊性并结合以往同类工程的施工经验，原施工组织设计中拟布置 14 只中继间进行接力顶进。中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构，偏转角 =2，端部结构形式与所选用的管节形
9、式相同，外形几何尺寸与管节基本相同。在铰接处设置 2道可径向调节密封间隙的密封装置，确保顶进时不漏浆，并在承插处设置可以压注润滑脂的油嘴，以减少顶进时密封圈的磨损。中继间的铰接处设置 4 只注浆孔，顶进时可以进行注浆，减小顶进阻力。顶进至 194.1m 时，根据顶进施工所获得的数据计算，管节外壁和周围土体的摩阻力介于 23kN/m2，是比较小的，根据计算结果，并结合以往的施工经验，对中继间的位置作了适当调整，以减少中继间的投入，并能确保顶进的顺利进行。 由于第 1、第 2 号中继间已经放置，第 3 号中继间位置也已确定(因电缆等的长度已定)，因而中继间布置从第 4 只开始调整。调整后，正常排放
10、管共设置 9 只中继间，具体布置位置见表 3。表 3 中继间位置中继间 位置（管节后） 间距（m） 累计距离（m）1 10 30 302 42 96 1263 85 129 2554 165 240 4955 250 255 7506 330 240 9907 415 255 12458 495 240 14859 580 255 1740主顶 310 2050注：表中间距及累计距离中未计中继间长度，其长度在第 9 号中继间后计入调整。顶进至 1102.3m 时(中继间布置了 5 只)，管节外壁和周围土体的摩阻力为0.5kN/m2 左右，波动基本不超过 0.1kN/m2。经计算并结合顶进施工的
11、工艺要求，又对中继间的位置作出了调整(因第 1 至第 5 号中继间已经放置，因而中继间布置从第 6 只开始调整)。调整后，正常排放管共设置 8 只中继间，具体布置位置见表 4。中继间 位置（管节后） 间距（m） 累计距离（m）1 10 30 302 42 96 1263 85 129 2554 165 240 4955 250 255 7506 372 366 11167 472 300 14168 557 255 1671主顶 379 2050注：表中间距及累计中未计中继间长度，其长度在第 8 号中继间后计入调整。由于先后两次根据实际情况调整了原来的中继间布置，最终只设置了 8 只中继间，节
12、约了大量的资金，也减少了后期处理工作。3.测量及轴线控制在顶进过程中，经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进 1 节混凝土管节测量 1 次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。随着顶进距离的不断增长，轴线偏差测量需接站观测，从而产生接站误差。因此顶进前按不同的顶进里程，制定了相应的轴线平面偏差测量方法；高程偏差测量采用水准接站测量，先测得工具管中心标高，再与设计高程相比较就可得高程偏差。另外，指示轴线在顶进工程中，必须利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致性。为了较好地解决测量
13、用时问题，要尽可能减少测量接站数，在转站处利用特殊发光源作为目标，再利用放大倍率较大的瑞士 T2 经纬仪观测；测定工具管前进的趋势，同样能达到减少测量时间的目的。在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。施工过程中，及时了解工具管的趋势对纠偏十分有利。如果轴线偏差较小，且趋势较好(沿设计方位) ，就可省去不必要的测量和纠偏，提供更多的顶进时间；如轴线偏差较小，但工具管前进趋势背离设计轴线方向，则要及时进行有效的纠偏，使工具管不致偏离较大
14、。 测量采用高精度的全站仪，激光经纬仪和水准仪。工具管内设有坡度板和光靶，坡度板用于读取工具管的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。图 4-1、图 4-3 是根据施工过程的轴线偏差绘制的曲线，图 4-2、图 4-4 是竣工后的轴线偏差曲线。图 4-1 施工过程轴线水平偏差曲线图 4-2 竣工后轴线水平偏差曲线图 4-3 施工过程轴线高程偏差曲线图 4-4 竣工后轴线高程偏差曲线从图 4 可以看出，竣工后的测量结果与顶进过程中的测量数据基本上是吻合的，说明所采用的测量方法是合适的，测量精度能够满足施工的要求。4.纠旋转的技术措施正常排放管前 300m(100 节管书)的平直线段内，
15、共布置了 16 只垂直顶升口，垂直顶升口对旋转有很高的要求，转角不得超过 1，否则就会影响垂直顶升的施工，因此，控制好前 300m 管道的旋转十分重要。为了减小管节之间的相互转动，在前 300m 范围内的管节的两端设置了止转装置。通过止转装置将前 300m 管道连接成一个整体，从而减小整段管道在顶进过程中的旋转。虽然安装了止转装置，但由于施工过程中管道受力不均衡，管道还是产生了比较大的转角，为此，施工时根据各垂直顶升口的转角大小，辅以一定数量的压重块纠正转角，这种方法效果很明显。顶进结束时，16 只垂直顶升口的转角均控制在允许的范围内。5.水力机械化施工正常排放管的顶进距离为 2060m，因此
16、泥水系统的配置相当关键，根据本工程的特点布置了泥水系统。沉淀池利用工地原有的虾塘，进行必要的加深，留有足够的容量，筑坝分隔成清水池和泥浆池，并用 300 钢管连通泄水。在清水池旁设置 2 台 5 级泵，向管路供水，进水管路采用 150 无缝钢管、卡箍式活络接头，中继间处用橡胶波纹管过渡，以适应中继间之伸缩，满足顶管施工的工艺要求。实际施工时，前 1500m 是利用清水池旁 2 台并联的清水泵供水， 1500m 以后才用多级泵供水。这样配置的好处是节约了大量的能源，也降低了施工时的操作难度。排泥采用 100 无缝钢管、卡箍式活络接头，中继间处也采用橡胶波纹管过渡。废弃泥浆用管道泵串联水平输送，管道内每隔 200m 左右设置 1 台。工作井内设置 1 台大功率管道泵，担负泥浆的垂直输送。五、结语本次排海工程正常排放管一次顶进距离 2060m
