采用泥水平衡顶管岩层施工

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1、本工程顶管工艺采用泥水平衡式顶管。在顶管顶进施工中,总顶力由两部分组成，即管节前 端贯入阻力和管道摩阻力.其中,管道摩阻力是顶力的重要组成部分，其大小直接影响顶力的 大小.它与土层的土性参数、管道埋深、管径大小以及管道与土体之间的接触应力等因素有 关。本文选取其中三个顶管段进行分析，其基本参数见表1.表1各段管道外径管道埋深顶进长度标号D（mm）H（m）L（mm）J3J424208236J5-J624207.5401J6J728206。5398其中顶管穿越地层：J3-J4段主要为粉质黏土、淤泥质黏土、黏土，沿线穿越40m宽石井河， 最小覆土只有 0.4m；J5J6 段主要为粗砂、淤泥质黏土、细

2、砂、粉土、残积质黏土、粉质 黏土,管道外边与高速公路桥桩基础的支撑桩距离只有1m;J6J7段主要为粉质黏土、粗砂、 残积粉质黏土、粘细砂。目前常用的泥水平衡式顶管顶力计算经验公式如下（不考虑泥浆减阻等）.1式中：总推力（kN）;-初始推力（kN）；每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（kN/m）.（1）式中：地下水压力（kPa）,；水的密度（kg/m3）;重力加速度（m/t2）；地下水位到挖掘机中心深度（m）；-管外径（ m） ;-挖掘面前土压力（取 =150kPa）；附加压力（一般取20kPa）。（ 2）式中：一-综合摩擦阻力（kPa）；管外周长（m）;-每米管子的重力(KN/m);管子重力在土

3、中的摩擦系数，取0。2。经计算可得：J3-J4 总推力 1 = 1011。40+63.58x236=16016.28 (KN);J5-J6 总推力 2 = 965。43+63。58x401=25495。58 (KN);J6J7 总推力 3=1310.95+74。 58x398=30993.79(KN).3 顶进系统DN2800钢管轴向允许推力为57340 KN, DN2400钢管轴向允许推力为42065 KN，根据总推 力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力. 各油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心来进行辅助 纠偏。每只油

4、缸顶力控制在1800 KN以下，这可以通过油泵压力来控制，顶进时需加中继间， 顶进系统概况见表2 。表2顶管段工作井设计顶力长度m主顶油缸选用J3-J47500kN2364 台 2000kN 级油缸J5-J64000kN (加固 8000kN)4014 台 2000kN 级油缸J6J77000kN (加固 10000kN)39810台1000kN级油缸4 长距离钢管顶管顶进4。 1 刀具布设根据地质资料及J7井施工时的地质情况，管道下半部分为泥岩，上部为砂质粘性土，穿越该 地层长度为120m，其他地层为砂质黏土及淤泥层从J7出洞后进入泥岩地层，是上软下硬的 典型地层，泥岩的硬度较大，一般的刮刀

5、切削时易损坏，切削不充分时顶进极易往上偏移 施工前进行刀盘五幅刀杆的刀具重新布设，增设合金贝壳先行刀,每幅刀杆布设45把贝壳 刀，贝壳刀比刮刀高35cm。每全断面布设道轨迹线有23把贝壳刀切削，贝壳刀切削轨 迹线间有58cm没有切削，在推进过程中由刮刀来切削同时，在施工过程中顶进速度由原 7150cm/min降低到35cm/min,使到顶管机的刀盘充分切削土体，形成均匀的土洞同时, 在泥土仓喷射高压水，减少刀具的磨损，在粘土层中减少泥饼的形成。4。 2 纠偏节的布设 钢管顶管施工与砼管顶管施工最大的区别是：钢管的接口是焊接的，呈刚性，管节对接时间 长；砼管的接口是插入式 F 型接口，呈柔性，管

6、节对接时间短。本工程顶管施工管线主要 穿过的土层为砂质黏土和泥岩，顶管机刀盘切削前面土体不完整时，顶进方向不好掌控，施工 中容易出现偏差，一旦产生偏差就不容易纠正过来。为了长距离钢管顶管施工能顺利进行， 使到偏差能校正过来，把顶管机后面的两节钢管接口设计做成与砼管 F 型接口一样，每段 管节称铰接管，铰接管长度一般与管径相等。顶管机的纠偏段接口及两个铰接管接口,使 顶管机到钢管段共10 米长的管道有三个铰接点的柔性连接，形成一个过渡区段，从而使刚 性的钢管有较好的适应性.一般顶进 10米范围内，管线可校正过来。4.3 泥浆减阻 在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大，特别是在富水

7、砂层中顶进更为 特别。为了提高顶进施工的效率，在施工过程中尽可能地降低管道外侧的阻力，通常情况下 往管外侧喷射触变泥浆，降低顶进的阻力.触变泥浆管设置在顶管机后面34节管，每节管都设置触变泥浆管，在管节外壁形成完整的浆套。以 后的管节间隔 3 节管设置一道,用来对浆套进行补浆.4.4 中继间接力 中继间接力放置是顶进方向及顶力控制十分关键的工序，过早或过迟放置中继间对施工影响 很大.中继顶压站由一些短行程千斤顶组成，这些千斤顶共同产生的推顶力必须达到推动中继 顶压站前方的管段所需的数值.中继环的设计必须满足刚度大、安装方便和加工精确，并在 使用中具有水密性。4。 5 中继环的设计 设置中继环是

8、将顶进管段分成若干段，采用接力顶进的方法来延长顶距。顶进中，工具管的 迎面阻力由一号中继环承担，其余的中继环各自承担其前面管段的摩阻力，主压站承担最后一段管段的顶进，中继环的设计顶力不大于主千斤顶的最大允许顶力，即。(1) 主千斤顶的最大顶进距离 可用下式表示： 2式中： -工作系数取0.8，以考虑主千斤顶的工作效率，防止顶力过大损坏油缸；-单位面积摩阻力(KN /m),因主千斤顶最大顶进长度较长，对于粘土取23，粉 质粘土取 45；管道半径(m)；最大允许顶力(KN)。(2) 一号中继环的安装位置 可按下式来计算2：式中:一号中继站的安装位置(m)；-中继环的设计顶力(KN)；工具管的迎面阻

9、力(KN);单位面积管道的摩阻力(KN /m2),对于粘性土取3;-工作系数，取 0。 6，主要考虑第一中继环除了承担迎面阻力，还受到管壁摩阻力的作用； 管道半径(m)；以计算值为基础，第一中继站的位置宜稍靠向前，以防遇障或土质突变引起迎面阻力加大。(3) 中继环的设置间距2中继环的间距(m)；工作系数，对普通的中继环取0.7，对组合中继环取0.8； 取值宜比设计1号中继站时小一些， 对于粘性土， 可取25 KN / m2。(4) 根据以上公式,计算各顶管段中继环设置情况如下：J3J4： 157 (m),其小于顶距236 m故需加中继环。第一中继环的位置=89。44 (m), 取=90 (m)

10、, 即卩15节6m/节的钢管总长度；由=247 (m)，于是可只在距机头90m处设置 一道中继环。实际施工中没有添加中继环，且顶管出洞时的顶力也只有5923.8kN,占总顶力的82%.分析其 原因,是 J3-J4 段顶管覆土浅，穿越地层多是松散的流塑状的淤泥土,钢管的浮力大，且管土 摩擦系数较低，从而使总顶力偏小。J5-J6：187 (m)，其小于顶距401 m故需加中继环。第一中继环的位置=123。41 (m),取=120,即20节6m/节的钢管总长度；=184。24(m),取=186(m)；故可分别在距离机头120 m及306 m处设置中继环。实际施工中在距离机头29 m与126.5m处设

11、置中继环，其实际顶力分别为878 KN和8279 KN, 分别占总顶力的 22。 4与 70。 4。分析其原因，是该段地质复杂,且对基础及地层变形要 求高，为了减少整条管线刚性长度的距离以降低偏差,故中继间设置靠前。J6J7： 215(m),其小于顶距398m故需加中继环。=138。67 (m)，取=138(m),即23节 6m/节的钢管总长度；=353 m，接近398 m的总长，同时考虑顶进中触变泥浆的减阻作用， 管壁摩阻力降低,可不用再设置中继环。于是，可只在138 m处加入一中继环。实际施工中在118。3 m处安装了中继环，该处的顶力大小为5644.8KN，占总顶力的48%, 故上述中继

12、环的设计是可行的。5 实测顶力结果分析理论顶力与实测顶力对照图如图1图3图一 J4J3 顶管段顶力对照图图二 J5-J6 顶管段顶力对照图图三 J6-J7 顶管段顶力对照图从图一到图三可以看出根据经验公式计算的顶力与管段长度呈线性关系，但实测值表明，顶 力随顶距并不呈明显的增长关系.说明经验公式中未考虑注浆、土质变化以及地下水位等的 影响，同时管土接触的综合摩擦阻力也采用不变的数值,导致顶力计算差异很大。顶管施工过程中不可避免的要对偏差的管节进行及时纠偏，但纠偏时会对侧向土体产生很大 的被动土压力,使管道周围的摩阻力剧增，使顶力增加。在图三中,该曲线的两端顶力变化很 大。图二和图三中使用中继环后，顶力随顶距增加没有呈增加趋势，反而有时会降低。同时J5J6 段管线穿越土质变化大,图二中顶力变化显著； J6J7 段土质较均匀，图三中顶力变 化平缓。6 结语 因影响顶管的因素较多，不同地区顶管顶力的变化情况不同，即使是同一地区，同一管段的 顶力变化差异也很大.所以很多经验公式都只能适用于特定的条件,如某种土质、一定的管径 范围、顶进长度等。中继环的安装位置可按本文公式计算确定，但也必须根据选用管材及顶进管道沿线地层土质 条件加以经验判断后最终确定。