污水管道顶管施工技术及后座墙受力计算.docx
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污水管道顶管施工技术及后座墙受力计算
污水管道顶管施工技术及后座墙受力计算
杨友超
【摘要】结合开封市一渠六河项目D800污水顶管施工,介绍了顶管施工的整个过程,特别是详细地对顶力和后座墙土体进行了受力计算,便于保证工作坑的安全,防止后座墙土体破坏,为顶管工程施工提供了参考。
【期刊名称】铁道建筑技术
【年(卷),期】2018(000)005
【总页数】4
【关键词】顶管后座墙受力计算
基金项目:
中铁二十局集团有限公司科技研发项目(J17-31C)
1工程概况
开封市一渠六河连通综合治理工程二标截污管道工程在羊市桥至花园街桥段,由于设计污水管道沟槽开挖深度较深有5m左右,管道周边电力电缆、自来水、通讯、天然气等管线复杂并且管道紧邻家属院和目前正在通行的道路,可施工范围场地狭小,无法满足放坡施工条件,根据现场实际情况,经设计变更变为顶管施工。
2方案选择及泥水平衡顶进作业的优点
2.1方案选择
2.1.1顶管工作井型式的选择
本标段顶管总长度约410m,其中最长一段顶管为170m,其余顶进长度平均70m左右,覆土厚度约4.8m。
根据现场实际地质情况,结合以往的顶管施工经验,项目对沉井法、钢板桩法、地下连续墙法[1]、灌注桩法、SMW工法等几种工作井和接收井的做法进行成本、工期、可靠性综合分析,因本项目工作井不是特别深、顶进长度不是特别长,本着确保安全质量、节约成本的原则,减少工作井和接收井的投入,项目部研究讨论后决定工作井、接收井[2]均采用9m长拉森Ⅲ型钢板桩进行支护,工作井设置2座,长7m×宽5m;接收井设置3座,长5m×宽3m。
2.1.2顶管机的选型
图纸地勘报告显示,管道施工范围内为粉轻质砂壤土,为确保施工质量及安全,并且满足业主的工期要求,结合现场沟槽开挖的实际地质情况及以往顶管施工经验,根据《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246:
2008)的适用性情况,对土压平衡和泥水平衡两种机械施工工艺进行综合对比分析,项目部选用泥水平衡[3]式顶进作业。
项目部编制顶管专项施工方案后进行内部评审,再邀请外部专家进行方案评审,对专家提出的问题进行修改完善后用来指导现场施工。
2.2泥水平衡顶进作业的优点[4]
泥水平衡具有双重平衡功能,大刀盘能自动平衡顶进正面土体的土压力,并且对泥水室进行泥水加压,可以平衡地下水压力;泥水平衡可以适应各种地质条件;泥水平衡由于泥浆的减阻作用,顶进推进力较小,刀具、刀盘的寿命较长,刀盘驱动转矩小;泥水平衡法泥水通过管道进行连续输送,工作效率高,可以大大提高顶进速度。
3顶管施工技术
3.1顶管施工工艺流程(见图1)
3.2顶力及后座墙受力[5]计算
3.2.1顶力[6]估算
采用经验公式进行计算:
F0=π·D1·L·fk+NF
式中,F0为总顶力标准值(kN);D1为管道的外径(m);L为管道设计顶进长度,最长顶距170m;fk为管道外壁与土的平均摩阻力,根据当地地质粉轻质砂壤土情况,查表1为5.5kN/m2;NF为顶管机的迎面阻力(kN)。
泥水平衡式顶管机迎面阻力(NF)的计算式:
式中,Dg为顶管机外径,此处取1.0m;γs为土的重度,取16.8kN/m3;Hs为覆土层厚度,平均覆土厚度4.8m。
代入计算:
NF=64kN
F0=3267kN
为了确保工作井安全,后座墙总反力R取1.2倍的F0,则:
R=1.2×3267=3921kN
3.2.2工作井的尺寸确定
(1)工作井净宽度计算公式
B=D1+(2.0~2.4)
式中,B为工作井的内净宽度(m);D1为管道的外径尺寸(m)。
B=1.0+2.4=3.4
因此,工作井的内净宽度为3.4m,本工程取为5.0m,满足要求。
(2)工作井净长度计算公式
L≥L2+L3+L4+Lk
式中,L为坑的最小内净长度(m);L2为下井管节长度,取2.0m;L3为千斤顶长度(m),一般可取2.5m;L4为留在井内的管道最小长度,取0.5m;Lk为后座和顶铁的厚度及安装富余量,可取1.6m。
L≥L2+L3+L4+Lk=2.0+2.5+0.5+1.6=6.6m
因此,后座墙混凝土厚0.5m,本工程工作井内净尺寸为6.6m,本工程取7m,满足要求。
接收井只要满足机械设备吊出就可以,本项目接收井长取5m,宽取3.0m。
(3)工作井后背土体受力计算
后背土体被动土压力计算(后座墙插入工作坑底板下1.0m):
式中,Kp为被动土压力系数;Ep为被动土压力(kN/m);φ为内摩擦角,查相关资料,开封粉砂土取值35°;γ为土的重度,当地为16.8kN/m3;H为土体总高度,此处为6.28m。
计算得:
Kp=3.69
Ep=1222.5kN/m
工作井宽度B为5.0m,则:
5.0×1222.5=6113kN>R=3921kN
基坑后座土体稳定。
(4)工作井后座混凝土墙受力计算
式中,R为后座墙的总反力,前面算得3921kN;Kp为被动土压力系数;上面计算值3.69;B为后座墙宽度(m);c为黏聚力,查相关资料开封当地的c值为7.5kPa;h为混凝土后座墙顶距原地面的高度,为2.28m;H为混凝土后座墙的高度,为4.0m。
代入计算得:
B=3.34m
因此本工程后座墙宽度取值3.5m,满足要求。
取后座墙[7]高度4.0m,宽度3.5m,厚度0.5m。
为了防止在顶进过程中管道破裂,确保管道在顶进过程中的安全,根据《钢筋混凝土排水管管体结构尺寸与配筋设计图册附录》、钢筋混凝土管厂家施工图纸和以往同类型顶管施工经验:
采用Ⅲ级管完全可以满足施工要求,不会出现管道破裂等现象,上报业主审批同意后,项目采用直径800的Ⅲ级钢筋混凝土管,在后续施工中没有出现管道破裂现象。
3.3工作坑施工
3.3.1工作井[8]施工及导轨安装
(1)测量放样后调查地下管线的详细位置、标高等,如有冲突及时与有关部门联系,确定相关解决方案。
(2)钢板桩打设完成后采用长臂挖机开挖一层进行加固一层,采用36c工字钢进行焊接加固,每2m一道,共加固两道。
(3)封底及后座墙的施工:
采用40cm厚的C30混凝土进行封底,后座墙采用50cm厚的C40混凝土并安设8cm厚的钢板用来增大受力面,把千斤顶推力的反作用力均匀地分布到工作井的后座墙上,可以防止混凝土后座墙集中受力遭到破坏。
(4)导轨安装。
导轨安装牢固与准确程度对管子的顶进质量有很大影响,因此导轨安装前认真复核管道中线的位置,导轨必须安装牢固、轴线准确,确保导轨在顶进中受到荷载时不位移、不变形。
导轨采用轻型钢轨进行制作。
3.3.2洞口止水
为了防止顶管机进洞时泥浆涌出,在洞口预留的法兰上安装止水装置[9],该止水装置与管道保持同心,工作井洞口止水装置密封为橡胶止水板,在橡胶止水板之前预埋注浆孔,用来压注膨润土泥浆。
3.3.3注浆减阻
通过前面的顶进阻力公式可知,顶管顶进阻力由两部分组成,一部分是迎面阻力,与管道埋深、顶管机外径、土的重度有关,是一个固定值;另一部分是管道外壁与土体的摩擦阻力,主要与管道外壁与土体的摩擦系数、顶进距离有关,随着顶进距离的增大摩擦阻力持续增大。
目前减小顶进阻力最好的办法就是注入膨润土泥浆,在混凝土管道与土层之间形成一个完整的泥浆润滑层,这样就可以减少管道在顶进过程中的顶进阻力。
压浆和顶进作业要同步进行,从而在管道外部快速形成稳定且性能良好的膨润土润滑层。
为了防止泥浆失水,确保膨润土泥浆质量,在顶管施工前通过计算确定泥浆的主要技术参数,包括泥浆的流速、注浆压力、泥浆浓度等;泥浆拌制必须均匀并且不能放置时间过长。
在正常顶进时,先对第一注浆环的3个注浆孔进行注浆,其余剩下的注浆阀门关闭,补浆时从工作井向机具方向逐道进行补浆,补浆和顶管顶进同步进行,从而确保注浆效果和注浆质量。
3.3.4泥浆处理
泥水平衡法施工是将切削下来的渣土全部以泥浆的形式通过管道排进泥浆池,再采用泥浆沉淀池和机械泥水处理装置将泥浆的浓度降低为低浓度的泥水,不允许将泥浆直接排入河道。
施工过程会产生大量的泥浆,沉淀出的泥渣及时用出渣车运至渣土场,浓度低的泥水再生产成泥浆进行重复循环使用,这样既节约了制造泥浆的成本也减少了对环境的污染。
3.3.5顶进作业及过程纠偏[10]
工作井内设备安装完毕,经检查各部处于正常状态方可进行顶进作业。
管道在顶进的过程中,由于工具管迎面阻力分布不均、管壁周围摩擦力不均和千斤顶顶力的微小偏心等都可能导致工具管前进的方向[11]产生偏移,因此在顶进过程中必须及时进行纠偏。
顶进过程中的纠偏是顶管作业质量好坏的关键,若操作不当可能造成管接口破损等,严重时可能无法进行顶进作业,更为严重的可能会产生安全、质量事故,尤其在砂层中顶进时,经常会出现管道遭受泥浆冲刷造成顶管机机头下沉的现象,因此要高度重视顶管作业过程中的纠偏,避免施工偏差值超过允许值。
顶管施工不仅管道两端头要在允许偏差标准范围内,在顶进全过程的偏差值都应在允许偏差值范围内。
顶进过程中纠偏原则是:
偏差始终保持在较小的波动范围内,要做到勤测量、勤纠正,小幅度纠偏和看趋势纠偏,严格控制纠偏角度,严禁大角度纠偏。
随时分析顶进过程中偏差的变化,确定合理的纠偏幅度。
导向系统具有轨迹曲线查询和实时轨迹曲线显示功能,可以很直观地分析出顶管机的偏差趋势。
顶管机刚发生偏差时,就采用改变刀盘的转向来进行校正;若改变刀盘转向的校正方法不满足要求时,采取加快进度、减慢出泥浆速度的方法进行调整,最终确保偏差一直在偏差允许值范围内。
3.3.6地面沉降测量控制
在顶管顶进作业过程中根据监测数据,随时分析地面产生变形的原因,合理调整顶管机设定的土压力、减阻泥浆注浆量和推进速度等参数,用来控制地面变形,达到保护沿线建筑物的目的。
为确保顶管作业顺利进行,针对地面沉降现象,结合项目实际情况,特提出了以下地面沉降控制的具体要求:
(1)将接近顶管机切口前方的测点布置在略有隆起的部位。
(2)减少管节背土现象,严格控制地面沉降。
(3)顶管施工的初次放样及顶进尤为重要,要确保顶管施工测量的正确性。
(4)严格控制施工参数,防止超、欠挖,主要控制顶进速度和出土量。
(5)严格控制顶进过程中的偏差量,减小纠偏对土体的扰动。
(6)均衡连续施工,尽量减少施工过程中的停留。
(7)进行沉降观测[12]。
根据监测数据,及时调整减阻泥浆注浆量,施工中加强地面沉降观测,根据观测数据,随时进行原因分析,合理调整土压力、注浆量和顶进速度等参数,控制地面沉降[13],达到保护好沿线建筑物的目的,从而确保施工安全。
4结束语
泥水平衡顶管施工目前成为市政排水施工中的一种常见形式,不需要中断道路交通,减少了对人们正常生活的影响;方便了人们的正常出行,顶管施工可以提高排水系统运行的稳定性和安全性,本项目采用的泥水平衡顶进法施工不但对地质要求低、适用于各种类型的地质、保证了工程质量和安全,而且施工效率高,进度满足业主的工期要求,因此取得了良好的社会和经济效益,为类似工程积累了施工经验,特别是随着城市规模的扩大及基础设施的不断兴建,地下管线需求量也在逐年增加,泥水平衡顶管施工方法将会得到更进一步的推广。
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