大直径水平平行顶管穿堤施工及控制
2023-03-30
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第31卷第l期 隧道建设 Tunnel Construction V0 J.31 No.1 2011年2月 Feb. 2011 大直径水平平行顶管穿堤施工及控制 龚云强。,郭魏峰 ,章忠华 (1.中国市政工程华北设计研究总院,天津300074; 2.杭州市七格污水处理厂工程建设指挥部,杭州 310005) 摘要:以某穿越海堤水平平行顶管【 程为例,在施I:方案优化分析的基础上,详细地介绍复杂地质条件下长距离大直径水平平行 顶管施工技术,并对顶管施工引起的地层变形进行现场监测与分析,提出顶管顶进施工过程中土体扰动特性的变化规律。保证了 施工安全与顺利进行,并提出相应的变形控制措施。 关键词:大直径;水平平行顶管;穿堤;堤身变形监测;堤身变形控制 中图分类号:TU 990.3 文献标志码:B 文章编号:1672—741X(2011)01—011O一04 Construction and Control of Level Parallel Large Diameter Pipe Jacking Crossing Embankment GONG Yunqiang ,GUO Weifeng ,ZHANG Zhonghua (1.Noah China Municipal Engineering Design and Research Institute,Ea n 300074,China; 2.Construction Headquarters of Qige Sewage Treatment Project,Hangzhou 3 10005,China) Abstract:The construction technology for level parallel long—distance large—diameter pipe jacking under complex geotechnical conditions are descried in detail after optimization analysis of the construction scheme,with a level parallel pipe jacking project as an example.The monitoring results of the deformation of the stratum caused by the pipe jacking construction are analyzed.The characteristics of the stratum disturbance during the crossing process is provided.Some countermeasures to control the deformation are recommended and the construction safety is quaranteed. Key words:large diameter;level parallel pipe—jacking;crossing embankment;embankment deformation monitoring; embankment deflnrmati0n 0ntro1 () 引言 近年来顶管施工技术在我国得到迅速发展,并广 l 工程背景 某污水处理厂排江工程穿堤顶管分为排江主管和 泛应用于取排水管道工程中。由于城市地下空间的限 制及现有管线的存在,使近距离双线平行管道的施工 成为不可回避的课题。文献[1—5]介绍了水平平行 顶管在工程中的应用。文献[6]通过对大量地面沉降 数据及工程资料分析,提出地面沉降槽拟正态分布边 应急排放管(如图1所示)。排江管道长458 m,其中 放流管长360.5 m,采用C50钢筋混凝土预制F型管, 内径为2.4 m,外径为2.88 m,厚度为24011"112o.,节长2.5 In;扩散器管长97.5 m,采用Q235b钢管焊制,壁厚28 iqlm,外径为2.88 m,设计节长为3.0 m和2.0 m(施工 线。文献[7—9]对水平平行顶管之间的相互作用进 行了分析,尤其对引起地面沉降和附加荷载进行了研 究。 时按井的实际空间长度而定),局部有加强纵肋和环 肋,垂直顶升 管内径1.0 nl,外径为1.04 m,厚度为 20Into,采用Q235b钢管焊制,每隔l1 m设置1根,共 9根 应急排放管道长392 m,与排放管平行,中心间 距7.5 m。事故排放管道前段371.5 m,采用同正常排 放管结构的混凝土F型管,事故排放管在末端的水平 管采用与排江主管相同的钢管管道,并设计有2根竖 管,竖管管径1.0m,间距11 m。 由于管道之间的相互影响,水平平行顶管产生的 沉降要大于单顶管,特别是复杂地质条件下,当轴线距 离较近时会对周围环境造成较大危害:因此,在顶管施 工过程中,要加强施工监测,并采取相应的控制措施, 保证施工安全与顺利进行。 收稿日期:2010—06—08;修回日期:2010—07—06 作者简介:龚云强(1984一),男,2008年毕业于天津大学结构工程专业,硕士,工程师.主要从事岩土及地下工程设汁方面的工作 第l期 龚 强,等: 夫良径水平半干亍顶管穿堤施上及控制 N=(L×S X F+R×A)X K。 (1) 式中: 为工作井中千斤顶的推力,取3 000 kN×4= 12 000 kN;S为外周长,S=3.14 D=7.536 1TI;F为单 位面积的摩擦力,当采用注膨润土减阻时F=10 kN/ m;A为顶管机头前端面积,A= r =6.51 m ;R为挤 压阻力,取500 kN/m ;K为安全因数,取1.2。 根据公式计算出L=89.50m,故需在中间设置中 继问,本工程西2400顶管有2根:1 管454in、2 管392 133,1 管最长,故将其作为计算数据。第1环布置在距 图1 水平平行顶管平面图 Fig.1 Plan of the construction 2 施工方案优化分析 方案1:从顶管的安全角度考虑,先顶应急排放管 道,再顶排江管道。因应急排放管的钢顶管有20.5 nl,而排江管道的钢顶管有97.5 113,受钢顶管顶进时焊 接时间的影响,应急排放管的顶进速度比排江管道快。 若应急排放管先于排江管道顶进,则2根管道的距离 差会越来越大,有助于管道顶进时被扰动土体的恢复 (因2根管道之间的间距比较小,中心间距7.5 111,若2 根管道顶进距离小,土体扰动程度较大)。但先顶应 急排放管,会造成整个管道的施工工期延长,应急排放 管只有392 m,而排江管道长度有458 1TI。 方案2:排江管道的钢顶管长度为97.5 m,若2根 管道同时顶进时应保持一定的距离,使在顶管时相互 干扰少;因此,先顶排江主管,待其顶进60~70 Ill时再 进行应急排放管的顶进。在正常情况下,2根管道始 终有60~701TI的距离差,一定程度上避免了管道顶进 产生的相互影响,根据顶管速度计算,其时问差始终有 4~5 d。 在实际施工过程中,采用方案2,先顶进排江主管一 段距离后,再进行应急排放管的顶进,既最大程度上避免 了距离过近造成的相互影响,又满足了施 [工期的要求。 3 顶管施工技术 3.1 掘进机选型 掘进机是控制顶管施工对土体的扰动最为重要的 一环,直接影响着开挖面的稳定、注浆管路、机头纠偏 等。经过比较分析,本工程采用气压平衡式掘进顶管 机。开挖面土体的稳定主要依靠气压来维持,采用冲 泥仓中的气压平衡正面土体的水土压力,控制正面塌 方,有利于保证海堤的安全。 3.2 施工技术参数 3.2.1 长距离顶管的设计 顶管施工时一次性顶进长度经验公式为: 顶管掘进机40 HI处,其他环间距为100m,在顶进过程 中 依据实际顶力予以适当调整。 顶管机迎面阻力(N ,)的计算公式为: ,rrD N =— (aR+P )。 (2) 斗 式中:P, 为气压强度,kN/m ,取200 kPa; 为网格截 面参数,取1;R为挤压阻力,因在粉砂土中顶进,故 取500 kN/m 。计算得N =4 560 kN。 钢管段中继问设计许用顶力F=8400kN,采用触 变泥浆减阻后的管外单位面积平均摩阻力 =10 kN/ I-D 。其原因是前200多m的管道顶进都在粉砂土中 进行,因此外壁不能形成有效的泥浆套。 第1中继问顶进距离 (混凝土管中继间设计许 用顶力9 600 kN)=(F—NF)÷盯X D ×-厂=42 m;其 他各中继问顶进距离L =F÷(耵×D xf)=106 m; 后座设计许用顶力为13 000 kN,L,=143 m。 经计算得中继问布置为4道,第l道由工具管后 15 m左右,这样设置的原因是确保工具管头部有足够 的顶力,以便过堤时采用很少出土的方法得以实现,而 且在顶管需要暂时停止的话,第1中继间有足够的顶 力重新启动工具管继续顶进。 3.2.2 注浆减阻 长距离顶管施工一个重要的技术措施就是通过压 注触变泥浆填充管道周围的空隙,形成一道泥浆保护 套,起到支撑地层,减少地面沉降,减少顶进阻力的目 的。注入的润滑泥浆能在管子的外围形成一个比较完 整的泥浆套,一般情况摩阻力可由12~20 kN/m 减至 3~5 kN/m 。本工程采用顶管掘进机尾部同步注浆和 中继问后面管段补浆2种方式进行减阻,顶管压浆系 统如图2所示。 注浆孑L除工具管尾部的压浆环外,补浆管按每10 113布置1道。中继间后面第2节管段和2道中继间中 问一节管段上,补浆孔按9O。设置4只,每道补浆环有 独立的阀门控制。顶进采用“先压后顶,随压随顶,及 时补浆”的注浆方法。泥浆物理性能指标:体积质量 1.05~1.08 g/cm ,黏度30~40 S,泥皮厚3~5 mm。注 浆压力P=2yh(式中:y为土体的容重,h为管道的 ll2 窿莲 第3l卷 覆土深度)。第1次压浆量为管道外周空隙的1.5~2 倍,每个压浆断面设置4个压浆孔,按圆周90。分布。 压浆孔应设置在钢套环的下面,制管时应预制好。 在顶进100m以后的补浆断面上每隔2~4 h补浆一 次。 图2 顶管压浆系统布置图 Fig.2 Arrangement of grouting system 4 施工变形监测及控制 顶管施工引起地层变形进而以各种形式引起周边 建筑物及地下管线的破坏;因此,要防止周边构(建) 筑物破坏,保护周边环境,须对顶管施工引起的地层变 形进行监测,并采用相应措施控制顶管施工引起的地 层变形。 4.1 施工变形监测 4.1.1 变形监测布置 穿堤顶管施工引起的地层变形监测包括陆域及海 堤垂直位移监测、海堤水平位移监测及海堤深层水平 位移监测。陆域垂直位移监测范围为大堤内坡脚外 230m的区域,在排江管/应急管的轴线上,每隔5 m布 置测点;而海域垂直位移监测呈4排布置,内坡脚1 排,堤顶内口侧1排,挡浪墙顶1排,外江坡角处1排, 共44个’狈0点;海堤水平位移测点分别布置于堤顶内口 侧、挡浪墙顶和外江坡角处,共布置l7个水平位移测 点,测点位置与部分垂直位移观测点相同;在海堤堤顶 位置布置3根测斜管,以监测顶管施工时海堤深层水 平位移。本文选择海堤沉降为研究对象,对施工监测 结果进行详细的分析,顶管施工时海堤变形监测布置 如图3所示。 囊1 1 1 1 1 1… \\\\ j j j i等i誊j j j … _ - _-, ,-V - ・9 3O . ;一…一— 一。了—了■=厂 ]— 』 _f … /- 厂 厂 厂 i 4 j/ 她 (a)北岸海塘变形观测布置示意图 (3个) 测点(27个点) 平位移测点(17个点) (b)A_-A剖面 图3 顶管施工时海堤变形监测布置 Fig.3 Arrangement of the site monitoring 4.1.2监测结果分析 顶管施工引起的不同位置处海堤沉降水平分布曲 线如图4所示,坐标零点为排江管和应急管中线位置。 由图4可知:不同位置处海堤沉降纵向分布曲线呈漏 斗状,排江顶管轴线处沉降最大(7 mlTI,在海底沉降允 许的1.2 cm范围内),向两侧逐渐减小,具有对称特 征,以2 mm为沉降界限,顶管施工对海堤影响范围约 为40 m。顶管施工引起的海堤沉降纵向分布曲线如 图5所示,从图5可发现:先行的排江管轴线位置的沉 星\ 出蟪 降大于后行的应急管轴线沉降,表明后行的应急顶管 ;i i 1 施工对先行的排江管沉降产生了较大程度的影响,故 在后行应急管施工时,需加强对先行排江管沉降的监 测与控制。 一40 —30 —20 —10 0 10 20 30 40 北海堤 测点与中心线距离,由 南海堤 图4 海堤沉降水平分布曲线 Fig.4 Displacement of the embankment l 背坡侧 2 测点编号 3 内江侧 图5 海堤沉降纵向分布曲线 Fig.5 Displacement of the embankment 第1期 龚云强,等: 大直径水平平行顶管穿堤施工及控制 4.1.3顶管顶进海堤扰动规律分析 基于水平平行顶管顶进过程中海堤沉降实测数据 的变化情况,将大直径顶管顶进施工按不同的扰动特 性变化规律划分为4个阶段。 1)顶管顶进前期。顶管在出洞到达海堤影响区 域前,土层在初始地应力的长期作用下,达到了平衡状 态,地层应力、应变均处于稳定状态。 2)排江管顶进阶段。该阶段为排江顶管施工扰 动的主要阶段,当排江管顶进至海堤区域时,各测点开 始发生变形,并以较快的速率增大,当顶管远离海堤 时,各测点沉降趋于稳定。 3)应急管顶进阶段。该阶段为应急顶管施工扰 动的主要阶段,当应急管接近海堤时,测点再次发生变 形,之前排江管施工引起的土体扰动范围因应急管施 工影响进一步增大,应急管施工一定距离后,各测点沉 降逐渐减小,最后趋于稳定状态。 4)长期固结阶段。该阶段主要是受扰动土层不 断固结和调整。土层也将在长期作用下逐渐恢复平 衡,时间将持续几个月甚至几年。 4.2堤身变形控制措施 4.2.1预加固措施 为保证顶管穿越海堤时施工安全,在穿越海堤前, 需对大堤堤身穿堤管48 m范围进行水泥灌浆的预加 固(如图6所示),预加固措施为:管道中线两侧共9 排灌浆孔底高程为一22 m,再外侧各4排灌浆孔底高 程为一10m,其余灌浆孔底高程为01TI。海塘横向布置 l2行,行距2 m;纵向布置29排,中问9排,排距1.5 m,其余排距2m。 4.2.2后加固措施 为控制穿堤后顶管后续施工对堤身变形的进一步 影响,保证大堤防洪安全,需对大堤堤身进行后加固, 具体加固措施如图7所示,穿堤后10 d开始对堤身进 行加固,具体措施为:临近管道中线两侧共9排设压密 灌浆,孔底高程为一22m,灌浆顶高程为一14m。 图6 海堤预加固措施 Fig.6 Pre—reinforcement measures ④砂质粉土 }心 。粉土 粉质教 一21 ④一4粉质黏土 量龄砂 6\灌浆加固区域 26 3OO I.L———一 (b) 图7 海堤后加固措施 Fig.7 Reinforcement measures after crossing 5 施工及变形控制效果 排江管施工期间,陆域地面沉降较大,陆域测点观 测到的日沉降量一般在10 mm以下,至大堤内侧10 m 处,地面日沉降量在5mIll左右;顶管穿堤施工期间,最 大日沉降量为2.7 mm;排江管施工结束,堤身测点最 大累计沉降为7 mm;应急排放管施工期间,堤身最大 沉降量为6.5 mm。从顶管管施工期间的沉降效果来 看,海堤加固效果显著。 6 结论与讨论 以某穿堤水平平行顶管工程为背景,在施工方案 优化分析的基础上,对复杂地质条件下穿堤水平平行 顶管技术进行了详细介绍,并对顶管顶进全过程进行 了现场监测,提出了堤身变形控制措施,可得出以下结 论: 1)在对海堤进行预先加固补偿措施后,当顶管施 工穿越时,海堤变形在允许的范围内,保证了施工安全 与顺利进行。 2)基于监测数据对水平平行顶管穿越海堤时沉 降变形进行了分析,总结出顶管顶进海堤沉降曲线4 阶段规律,在实际工程中,可按照该规律对沉降过程判 断工程稳定性,从而采取相应的控制措施。 本文从工程实践角度出发, (下转120页) 12O 隧道建设 I二 1J 第3l卷 1j[6] 王宁,薛绍祖.人工地层冻结法在地铁联络通道中的应 用[J].隧道建设,2007,27(s2):494—497.(WANG Ning,XUE Shaozu.Application of artiifcial ground freezing tlement of cement・・improved Shanghai ̄grey・-yellow silty sand [J].Journal of China Coal Society,2009,34(3):334— 339.(in Chinese)) method in construction of contacted aisle『J 1.Tunnel Con— [10]檀鲁新,赵燕,齐吉龙,等.地铁隧道联络通道冻结监测 分析[J].地下工程界,2009,12(3):62—64. 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Laboratory research on properties of frost heave and thaw set. conditions[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005,1(6):979—982.(in Chinese)) (上接113页) 针对顶管顶进海堤沉降进行了定性分析。对水平平行 [6] RBPeck.Deep excavations and tunneling in soft ground [C]//Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City:sate of the Art Report,1969:225—290. 顶管顶进过程不同阶段的定量计算还需要进一步研究。 参考文献(References): 屠毓敏.长距离顶管穿越海堤时的堤面沉降分析[J].中 国市政工程,2001(1):53—55.(TU Yumin.Surface set— dement from,[7] 魏新江,魏纲.水平平行顶管引起的地面沉降计算方法 研究[J].岩土力学,2006(7):111—114.(WEI Xi ̄iang, WEI Gang.Study on calculational method of ground settle- long distance pipejacking through an embank— ment[J].China Municipal Engineeirng,2001(1):53—55. (in Chinese)) ment induced by level parallel pipe jacking[J].Rock And Soil Mechanics,2006(7):111—114.(in Chinese)) 邹长中.吴闵污水外排穿越黄浦江顶管的施工[J].地下 空间,1998(S1):413—418,428—454.(ZOU Changzhong. 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