杭州富陽牽絲排澇站頂管施工設(shè)備選取及頂力計(jì)算

張 平

(杭州富陽永安工程監(jiān)理有限公司，浙江 杭州 311400)

1 引言

隨著城市快速發(fā)展，地下空間利用程度不斷提升，由于城市建筑較為密集，采用開挖手段新建管線將會(huì)對(duì)原有建筑的使用產(chǎn)生較大的影響[1-2]。因此，在城市管線施工中，頂管施工已經(jīng)成為常規(guī)手段。由于頂管施工穿越線路長，地質(zhì)等不可預(yù)料性較強(qiáng)，設(shè)計(jì)及施工難度較高[3-4]。泥漿質(zhì)量是保證頂管施工工程質(zhì)量和施工進(jìn)度的一個(gè)重要因素，尤其是采用泥水平衡頂進(jìn)方式，在工程施工過程中需要結(jié)合地質(zhì)情況，采用合適的泥漿特征。結(jié)合杭州富陽牽絲排澇站頂管工程，對(duì)施工機(jī)具選取以及頂力進(jìn)行分析計(jì)算。

設(shè)計(jì)穿杭富沿江公路采用DN1800焊接螺旋鋼管頂管施工，設(shè)計(jì)頂管長度77.1 m，在杭富沿江公路北側(cè)排水渠處設(shè)置頂進(jìn)井，頂進(jìn)井結(jié)構(gòu)為10000 mm×8400 mm鋼筋砼井，牽絲排澇站采用沉井施工為接收井，接收井結(jié)構(gòu)為26000 mm×17500 mm鋼筋砼井。

2 頂管機(jī)的選型

根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)土層主要為素填土、粉質(zhì)粘土、圓礫，結(jié)合設(shè)計(jì)管道管徑、管材，綜合考慮采用NSPD系列D1800泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)。

使用該設(shè)備主要是利用泥水壓力保證頂管管道的穩(wěn)定，刀盤切削的巖土體也以泥水循環(huán)的形式運(yùn)輸至地面。目前，該設(shè)備主要由頂管機(jī)、泥水輸送、泥水處理以及頂進(jìn)管道四個(gè)部分組成。

2.1 泥水平衡頂管機(jī)

(1)頂管機(jī)主機(jī)工作原理如下：在正常作業(yè)前，頂管機(jī)的刀盤與殼體外圈緊密接觸，刀排與刀盤接觸，同時(shí)，泥水倉處于緊密狀態(tài)，以減緩泥水泄露，保證泥水壓力，同時(shí)也有利減小泥水壓力的變化，減少對(duì)開挖面的擾動(dòng)，當(dāng)泥水倉內(nèi)壓力穩(wěn)定后，啟動(dòng)中心軸泵站，帶動(dòng)中心軸和道家向前運(yùn)用，此時(shí)，刀架與刀盤分離，兩者間距約70 mm，可用于進(jìn)土。之后，啟動(dòng)刀盤電機(jī)，帶動(dòng)刀盤及刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。以3.5 rpm轉(zhuǎn)動(dòng)速率切削土體，頂管機(jī)示意圖見圖1。

圖1 頂管機(jī)主機(jī)示意圖

2.2 泥水處理

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，泥水處理采用一次沉淀的方法即可，在沉井40 m外區(qū)域設(shè)置一處沉淀池，沉淀池長、寬、深不應(yīng)小于20 m×20 m×1 m。沉淀處理后的泥漿可輸送至調(diào)整槽，重新調(diào)整粘度、密度后方可重新使用。清水可利用臨近江水水源，利用潛水泵抽取江水至清水槽中。粘度控制在25 s左右，密度在1.2 g/cm3左右，可根據(jù)實(shí)際頂進(jìn)施工情況進(jìn)行調(diào)整，泥水處理系統(tǒng)見圖2。

圖2 泥水平衡式設(shè)備的配置示意圖

2.3 泥水輸送

泥水輸送主要由送泥管、排泥管、送泥泵、排泥泵組成。其中送泥管、排泥管管徑均為4寸。將處理槽處理后的泥漿由調(diào)整槽利用PH泵送至井下，頂管排出的泥漿由接力泵送至地面沉淀池。泥水輸送系統(tǒng)見圖3。

圖3 泥水輸送系統(tǒng)流程圖

啟動(dòng)泥漿輸送系統(tǒng)時(shí)，操作順序如下：開啟VP閥門→啟動(dòng)PI泵→開啟V3、V5閥門→啟動(dòng)P2泵→啟動(dòng)P3泵→啟動(dòng)PE泵。操作完成后，待泥漿壓力與切口壓力基本相同時(shí)，方可進(jìn)行“頂進(jìn)工作”。開啟頂進(jìn)工作操作步驟如下：開啟V1、V2閥→關(guān)閉V3閥。當(dāng)滿足泥水平衡要求時(shí)，調(diào)整泥水壓和排泥流量保證頂進(jìn)過程中的泥水平衡。若切口水壓偏差過大，超過允許值時(shí)，需切換為“旁路狀態(tài)”。需查明切口水壓偏差原因，調(diào)整切口水壓，滿足要求后，方可重新進(jìn)入“頂進(jìn)工作”。頂進(jìn)完成后，切換至“停止?fàn)顟B(tài)”。

2.4 泥水平衡頂管主要施工參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整

頂進(jìn)施工過程中參數(shù)眾多，需要結(jié)合參數(shù)與施工情況及時(shí)調(diào)整，以保證工程順利進(jìn)行。

(1)切口水壓設(shè)定

在頂進(jìn)施工過程中，管道開挖斷面被刀頭切削，護(hù)壁泥膜也將被刀頭切削，同時(shí)，泥水壓力也將作用于土體。切口水壓需要結(jié)合設(shè)計(jì)值、實(shí)時(shí)的土砂量和干砂量等參數(shù)綜合確定。

(2)頂進(jìn)速度

頂進(jìn)速度應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①主頂啟動(dòng)時(shí)，檢查千斤頂狀況，開始、結(jié)束頂進(jìn)速度不宜過快。每節(jié)頂進(jìn)應(yīng)逐步提速，啟動(dòng)時(shí)速度不應(yīng)過大。②一節(jié)頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)速度值、切口水壓應(yīng)穩(wěn)定，送、排泥管應(yīng)暢通。③頂進(jìn)速度須滿足潤滑泥漿注漿量的要求，保證泥漿系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài)。正常條件下，速度應(yīng)設(shè)定為3 cm/min～10 cm/min；如正面遇到障礙物，速度應(yīng)低于1 cm/min。

(3)泥水質(zhì)量控制

1)密度

密度是泥水的主要控制指標(biāo)。泥水密度對(duì)工程施工影響較大，比重不宜過高或過低，否則將影響到泥水的輸送能力和管道的穩(wěn)定性。工程的泥水密度應(yīng)在1.12 g/cm3～1.20 g/cm3之間為宜。

2)粘度

泥水粘度應(yīng)在20 s～25 s，考慮到粘度調(diào)整需要時(shí)間，應(yīng)在泥漿粘度為22 s時(shí)，逐漸添加CMC，添加量根據(jù)粘度下降趨勢(shì)確定。

3)析水量

地面沉降量是檢查泥漿配比合理性的一個(gè)因素。在沉降量得到控制后，需要密切關(guān)注泥水指標(biāo)的變化，使得泥水指標(biāo)穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。

(4)逆洗時(shí)壓力控制

在頂管頂進(jìn)過程中經(jīng)常遇到排泥管堵塞等現(xiàn)象。為解決這一問題，通常采用逆洗法進(jìn)行處理。采用逆洗法過程中，土倉、排泥管處于堵塞狀態(tài)，因此，在逆洗時(shí)需要提高排泥流量，但需要控制切口水壓。在逆洗過程中，需要密切監(jiān)控開挖面穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)垮塌。推進(jìn)、逆洗和旁路狀態(tài)切換時(shí)，切口水壓偏差值小于±0.02 MPa。

(5)開挖面穩(wěn)定的判斷方法

開挖斷面穩(wěn)定性是頂管施工過程中最重要的項(xiàng)目，對(duì)工程的順利頂進(jìn)施工以及施工質(zhì)量具有極大的影響。為保證開挖斷面穩(wěn)定，需嚴(yán)格控制每節(jié)的掘削土量，不宜過大，造成斷面垮塌，影響工程進(jìn)度和安全。

3 頂力計(jì)算

3.1 總頂進(jìn)頂力估算

①迎面阻力PF：

PF=γkHπD2/4=19×0.5×8.58×3.14×2.162/4=298.53 kN

(1)

式中：PF機(jī)頭迎面阻力，kN；γ土體容重，取值19 kN/m3；k靜止土壓力系數(shù)(取值0.5)；H地面至管中心高度(施工圖計(jì)算為8.58 m)；D1機(jī)頭外徑，m。

1.2.4 飲食護(hù)理：手術(shù)清醒之后，給患者進(jìn)食少量水，確認(rèn)無腹脹情況可多次少量進(jìn)水；確認(rèn)胃腸道蠕動(dòng)恢復(fù)后，給予流質(zhì)飲食，遵循少量多餐的原則，避免增加腸道負(fù)擔(dān)。排氣之后，多食用高營養(yǎng)、高熱量的食物；排便之后，恢復(fù)正常飲食，并多食用含有高維生素、高熱量、高蛋白、高纖維的食物，防止患者出現(xiàn)便秘。

②頂管頂進(jìn)時(shí)周邊摩阻力P：

P=ks×π×D1×L=4×3.14×2.16×77.1=2091.69 kN

(2)

式中：P采取觸變泥漿工藝時(shí)管壁的摩阻力，kN；ks采取注漿工藝的單位摩阻力，取4 kN/m2以內(nèi)；D1為管道外徑，m；L為一次頂進(jìn)最長頂管長度，m(設(shè)計(jì)長度77.1 m)。

③總頂進(jìn)頂力F：

F=PF+P=298.53+2091.69=2390.22 kN

(3)

根據(jù)《頂管施工法用鋼筋混凝土排水管》(JC/T 640-2010)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管道頂進(jìn)的安全系數(shù)一般取值為不小于管道總頂進(jìn)頂力的2.5倍，根據(jù)規(guī)范數(shù)據(jù)6400 kN/2390.22=2.68>2.5，滿足要求。

3.2 后背墻的核算(以頂進(jìn)工作井為例)

后背墻在頂進(jìn)頂力作用下會(huì)出現(xiàn)壓縮變形，方向與頂力作用方向相同。當(dāng)頂管機(jī)停止頂力作業(yè)后，頂力消失，此時(shí)后背墻壓縮變形也隨之消失。這要求，在頂進(jìn)過程中，后背墻不應(yīng)發(fā)生變形破壞，變形量不應(yīng)超過壓縮變形。同時(shí)，需要保證后背墻壓縮變形應(yīng)當(dāng)均勻，否則將會(huì)造成頂進(jìn)誤差?？勘呈芰Ψ治鰣D見圖4。

圖4 靠背受力分析圖

(4)

式中：R為總推力之反力，kN；α為系數(shù)，取α=1.5～2.5，此處取2.0；β為后座墻的寬度，取3.4 m；γ為土的容重，取19 kN/m3；H為后座墻的高度，取4 m；Kp為被動(dòng)土壓系數(shù)tan2(45°+θ/2)，此處取0.55；c為土的內(nèi)聚力，取10 kPa；h為地面到后座墻頂部土體的高度，此處取8 m。

經(jīng)計(jì)算，工作井后背允許抗力為3245.84 kN除以總頂進(jìn)頂力2390.22 kN=1.36，滿足要求。

4 結(jié)論

杭州富陽牽絲排澇站管線需穿越已有道路，為降低對(duì)公路通行的影響，綜合考慮采用頂管施工。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)情況，以及管道管徑、材料等參數(shù)，選取NSPD系列D1800泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，通過計(jì)算總頂進(jìn)力為2390.22 kN，工作井后背允許抗力為3245.84 kN，滿足規(guī)范要求。在工程施工過程前需要編制合理的施工組織方案，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求以施工方案要求進(jìn)行施工，嚴(yán)格把控泥漿密度以及頂進(jìn)速率，以保證工程順利進(jìn)行。