巖石頂管施工技術(shù)

巖石頂管施工技術(shù)榮生【摘要】通過對巖石地層頂管施工中制約正常頂進主要因素及工藝的介紹,結(jié)合龍南縣自來水廠滲濾取水項目施工工作情況，闡述了頂管機頭、刀盤、刀具、泥漿配置及施工測量過程中的控制幾大難題，介紹了施工中面對問題所作出的分析結(jié)果，也為類似工程提供經(jīng)驗和參考.【期刊名稱】《價值工程》【年(卷)，期】2018(037)022【總頁數(shù)】3頁(P151-153)【關(guān)鍵詞】巖石地層;頂管施工;泥漿減阻;控制【作者】榮生【作者單位】中鐵上海工程局集團第三工程有限公司，煙臺264000【正文語種】中文【中圖分類】TE9731工程簡介本工程為龍南縣自來水廠滲濾取水項目的頂管工程，工程主要由1~6號井及集水井組成，管節(jié)設(shè)計為“F”型混凝土管，管徑為DN1200，長度800米，管底標高為196.73~189m，其中，1至4號井段管底標高為196.73~196.23m，頂管長度512m,管道坡度為0.1%，管節(jié)需要256節(jié)。4至5號井段管底標高為194.3~194.13m，頂管長度175m，管道坡度為0.1%，管節(jié)需要88節(jié)。4號井至取水井段管底標高為189.38~189m,頂管長度133m,管道坡度為0.3%，管節(jié)需要67節(jié)。工作井和接收井直徑為5米，其中集水井直徑為6米，頂管主要地層為砂卵石層和巖石層。2工程難點及工藝制約頂管的因素較多（如機械選型設(shè)計），本工程頂管頂進過程中，需要克服穿越塊石層、砂卵石層、泥質(zhì)粉砂巖石層難題，在施工工藝及其工具設(shè)計方面需要考慮更多因素。2.1頂管工藝選擇針對該工程地質(zhì)（砂卵石、泥質(zhì)粉砂巖石等）及地下水豐富的情況下，綜合考慮選用巖石二次破碎泥水平衡工藝。巖石頂管機原理及主要特點：巖石頂管機是采用盾構(gòu)機前端的切削布局進行設(shè)計，刀盤上裝備有數(shù)個高強合金滾刀、貝殼刀等，首先將其前面的巖石、較大的卵石進行第一次破碎，然后再進入刀盤后錐形體和破碎條進行二次破碎，使其卵石或被切削巖石粒徑小于3cm后，通過高壓砂石泵通過管道將碎屑、泥水輸送到井外，掌子面采用高壓化學(xué)泥漿混同高壓水進行平衡，以防地面沉降和隆起。該工藝適應(yīng)性強，能夠在較為復(fù)雜地層中對80MPa以下的巖石、巨卵石、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫層進行破碎而保持進行正常工作，具備安全系數(shù)高、性能穩(wěn)定之優(yōu)勢。2.2頂管設(shè)備選擇為滿足本工程對巖石層作業(yè)的施工需要，結(jié)合工程實際情況，對選用偏心破碎功能的NPD1200泥水平衡巖石頂管機進行了改裝，見表1、圖1、圖2。表1頂管機技術(shù)參數(shù)頂管機外徑乂長度①2420x4200mm切削刀盤（刀盤刀臂噴水、殼體噴水）技術(shù)參數(shù)電機功率2x22kW最大扭矩44「m轉(zhuǎn)速1.5rpm巖石滾刀數(shù)量12個巖石滾刀直徑170mm切削直徑①1520mm卵（礫）石破碎后直徑30mm油缸數(shù)量4個油缸推力80t糾偏角度2.5°電機功率2.2kW進排泥漿系統(tǒng)管徑100mm頂進速度mm/min0-200機頭總功率kW配電纜控制方式適應(yīng)土層電壓糾偏系統(tǒng)50100mPLC機外集中控制適應(yīng)于硬土、硬巖、砂及礫石、卵石等380V2.3管道內(nèi)布置頂管內(nèi)布置有動力電纜、進排泥管路、注漿系統(tǒng)管路、通風(fēng)管路等，各種電纜與管道分別在兩邊分開布置，電纜用專用掛鉤掛于管道內(nèi)壁，管道則架設(shè)在固定在砼管內(nèi)的支架上。進水、排泥鋼管、注漿管在中繼間位置采用軟管連接，電纜在中繼間位置留1m長余線，通風(fēng)管在中繼間處設(shè)風(fēng)琴式波紋管。3管道頂進各項優(yōu)化3.1管道頂進：設(shè)備安裝調(diào)試（試頂）完成后進行頂進工作，頂進過程中，記錄每頂進50cm數(shù)據(jù)（包含頂進里程、上下偏差、機頭姿態(tài)、油缸行程、刀盤電流、刀盤轉(zhuǎn)速、土壓、進排泥壓力、泥水倉壓力、頂力、同步注漿量、沿線補漿量等），通過分析數(shù)據(jù)，相應(yīng)調(diào)整技術(shù)參數(shù)，保證管道的順利頂進。圖1泥水輸送循環(huán)系統(tǒng)示意圖圖2泥水平衡頂管機泥水系統(tǒng)：由補水泵、補水管道、泥漿池、泥水分離機、調(diào)整槽、進泥泵、進泥管道、排泥泵及排泥管道組成。補水泵放置在水源處，為DN150無堵塞排污泵；補水管道連接補水泵和泥漿池，為DN100鋼管；泥漿池容量1200m3，位于工作井場地附近；進泥泵放置在泥漿池旁，為渣漿泵；進泥管道采用DN100鋼管，連接進泥泵和頂管機泥水倉，排泥泵放置在泥漿池旁，為渣漿泵；排泥管道采用DN100鋼管連接頂管機泥水倉、排泥泵和泥漿池。圖3泥水輸送循環(huán)系統(tǒng)示意圖3.2減阻方法注漿減阻：頂管掘進過程中，應(yīng)當以適當?shù)膲毫?、必要注漿量和合理配比的壓漿工藝，在管道周圍的環(huán)形空隙中進行同步注漿和補漿，既能減小摩擦阻力，又起到控制或減小地面沉降的作用。機尾同步壓漿：目的是為了及時填充機頭與管節(jié)之間的空隙以及糾偏產(chǎn)生的空隙，在泥石接觸管節(jié)前先一步填滿空隙，建立泥漿套。沿線補漿：因管外壁泥漿會滲透到土層中，沿線補漿的目的是對泥漿套缺損進行修補。沿線補漿量由沿線各補漿站自動注入。注漿孔封堵：頂進結(jié)束后，通過注漿孔向管外壓入水泥漿，水泥漿固化后拆除注漿管件和單向閥，孔內(nèi)填入聚氨酯密封膠，然后安裝不銹鋼內(nèi)六角管堵，管堵進行0.4MPa水壓試驗，無滲漏后合格。3.3頂力計算確定控制頂力：頂進設(shè)備選用2臺最大頂力200T油缸，總推力為4000kN。根據(jù)工作井設(shè)計圖估算，允許最大頂力約4000kN，所以需采取井壁周圍壓密注漿措施，使其允許頂力提升5000KN左右，以首先滿足油缸頂力要求。頂力計算：根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246-2008，按照GB50268-2008中表6.3.4-1土壓平衡頂管公式選擇計算。3.4頂進測量管道頂進使用激光導(dǎo)向法測量，激光全占儀通過人工的測量和計算發(fā)出一束與管道設(shè)計軸線和管道坡度一致的激光直接打到機頭測量光靶上，由于機頭和管節(jié)在頂進時都在不斷的向前移動，這束激光在機頭和管節(jié)移動的同時是穩(wěn)穩(wěn)的跟蹤測量光靶，這樣在頂進過程中可以在測量光靶上直觀看出機頭的前進方向是否按照管道設(shè)計軸線和坡度挺進，若發(fā)現(xiàn)有偏差機頭操作人員可以及時依據(jù)測量光靶上的偏差數(shù)據(jù)來進行反向糾偏。頂進管道洞口處量出管內(nèi)底中心線位置E點，E點高程為管道進洞圖紙設(shè)計高程，用水準儀在管道內(nèi)相對E點的基礎(chǔ)上分別測量出A、B兩點的高程HA、HB。圖4長距離頂管高程測量圖3.5糾偏方法與措施為了使管節(jié)按照規(guī)定的方向前進，頂管頂進前按設(shè)計的高程和方向精確地安裝導(dǎo)軌、修筑后背及布置頂鐵，必須通過測量來保證以上工作的精度。在頂進過程中必須不斷觀測頂管機前進的軌跡，檢查頂管機的姿態(tài)是否符合設(shè)計規(guī)定的軸線要求。3.5.1頂管機姿態(tài)控制有三個方面：①方向角控制：頂管機在水平方向與設(shè)計軸線產(chǎn)生夾角稱為方向角，方向角的大小直接影響到頂管機的水平軸線偏差及發(fā)展；②俯仰角控制：頂管機在豎直方向與設(shè)計軸線產(chǎn)生夾角稱為俯仰角，俯仰角的大小直接影響到頂管機的高程偏差及發(fā)展；傾側(cè)角控制：頂管機沿軸線向一側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)角稱為傾側(cè)角，傾側(cè)角不直接影響軸線偏差，但傾側(cè)角過大時，可能使頂管機無法正常操作；頂管開挖面頂進的反力，是通過千斤頂提供，刀盤切削土體的扭矩主要由頂管機殼體與洞壁之間形成的摩擦力矩來平衡。在穩(wěn)定性好的地層，頂管機殼體與洞壁之間只有部分摩擦力提供摩擦力矩。當摩擦力矩?zé)o法平衡刀盤切削土體產(chǎn)生的扭矩時將引起管體的滾動。一般頂進管道是圓形斷面，頂管機即使發(fā)生滾動偏轉(zhuǎn)，也不會對軸線產(chǎn)生太大的影響。但如果機體滾角值太大，頂管機不能保持正確的姿態(tài)，影響頂管的施工質(zhì)量，有時也會引起管道軸線的偏斜。此時，需要通過反轉(zhuǎn)刀盤來減少傾側(cè)角。圖5頂管機的姿態(tài)控制通過安裝在頂管機內(nèi)的高精度雙軸傾斜儀，分辨率達0.01度，可方便讀數(shù)俯仰角側(cè)傾角的數(shù)值，并及時判斷其變化趨勢。另在頂管機頭部縱向設(shè)一對水平橫尺，利用布設(shè)的三維坐標控制點，測量各尺讀數(shù)，經(jīng)精確計算得頂管轉(zhuǎn)角、頂管中心方向偏差值、頂管坡度、頂管中心高程等數(shù)據(jù)，從而相應(yīng)調(diào)整頂管機的各個施工參數(shù)。3.5.2糾偏方法誤差是由于作用在頂管開挖面和沿管線上的力系的不平衡而產(chǎn)生偏心力矩作用的結(jié)，及時校正消除。本工程采取的糾偏方法為頂管機糾偏，利用頂管機的糾偏油缸進行糾偏操作是頂管常規(guī)的糾偏方法。頂管機糾偏段可以上下、左右轉(zhuǎn)動，即頂管機糾偏。一般糾偏油缸分成四組，成井字形布置。糾偏液壓系統(tǒng)能夠滿足任意二組糾偏油缸共同伸縮，起到糾偏的目的。3.5.3糾偏控制要點頂管機的糾偏液壓系統(tǒng)工作可靠。設(shè)備在施工前應(yīng)該進行認真的維修保養(yǎng)，在施工過程中配備足夠的易損件，糾偏系統(tǒng)不能帶故障施工。液壓鎖不能有泄漏現(xiàn)象。糾偏油缸的設(shè)計頂力能夠克服異常情況下的糾偏推力的要求；施工過程中，貫徹勤測量、勤糾偏、微糾偏的原則。在施工現(xiàn)場，繪制頂管姿態(tài)變化曲線圖表，包括高程變化曲線和水平變化曲線，在姿態(tài)變化曲線圖上標出控制線，以便施工人員及時了解異常情況；確定頂管姿態(tài)的報警值，當頂管姿態(tài)達到報警值時，現(xiàn)場施工人員必須遵循逐級匯報制度。不允許擅自繼續(xù)頂進。以便將頂管的偏差事故消滅在萌芽狀態(tài)；根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件，在開挖面必須建立水土壓力的平衡手段。只有開挖面的穩(wěn)定才能夠使得頂管的糾偏操作有效；0.5°以上的大動作糾偏須盡量避免并慎重討論，爭取在非重要地段進行并加強觀測，糾偏動作后如無折角變動立即停頂，會同電工、機修工檢查電路和液壓管路，盡早排除故障，嚴防軸線超差；糾偏要在下管后盡早進行，注意觀察傾斜儀讀數(shù)的糾后趨勢及光點滯后變化，同時通知地面和地下壓漿人員加大同步壓漿量。3.6通風(fēng)供氣通風(fēng)主要解決換氣防止缺氧，其次解決工作井焊接時防止煙氣進入管道。采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)機安裝在靠近工作井井口的地面上，用硬質(zhì)PVC通風(fēng)管道把風(fēng)送至工井底部，并用同直徑的硬質(zhì)PVC通風(fēng)管道，從管內(nèi)把風(fēng)送至端部機頭處。通風(fēng)管固定在工作井側(cè)壁及鋼管內(nèi)壁的側(cè)向。在管口及中繼間處采用風(fēng)琴式軟管，以利風(fēng)管伸縮，在施工的全過程中風(fēng)管隨著鋼管的延伸而不斷的接長。在風(fēng)管末端安裝減壓消音裝置，降低通風(fēng)口的嘯叫噪音。3.7施工供電現(xiàn)場總用電100kW，均采用現(xiàn)有電源。作業(yè)需要經(jīng)常接拆電纜，考慮到人工操作的便利性，采用三根YC重型橡套軟電纜供電，每根電纜作為三相電中的一相使用。每段長度為電纜200m，中間使用航空插接件連接，方便拆裝，安全可靠。管道內(nèi)電纜按照A、B、C三相排列順序固定在焊接在管道內(nèi)壁的電纜支架上，后面多余部分堆放在管道內(nèi)的小車上，為避免渦流現(xiàn)象，電纜不宜盤成整齊的重疊的環(huán)狀堆放。根據(jù)計算，選用電纜截面為3x120+2x70mm2。現(xiàn)場預(yù)先聯(lián)系好一臺250W的備用發(fā)電機。3.8供水造漿工作井附近設(shè)置泥漿池，用于頂管泥水循環(huán)系統(tǒng)的泥水存放、濃度調(diào)整、泥漿逐級沉淀循環(huán)。為滿足施工需要，配備6臺泵（5臺型號4/3D-AH進泥泵、排泥泵、2臺進泥接力泵、場外輸送泵、1臺150ZW200-15自吸補水泵）。3.9頂進通訊通訊采用有線和無線兩種方式，管道內(nèi)因無線通訊困難采用有線通訊，在井內(nèi)主頂平臺處設(shè)小型程控電話交換機，通過普通電話線傳送到管道內(nèi)各個崗位，通訊終端采用普通程控電話機。由于頂管施工，各種機械設(shè)備噪音極大，特別是管道內(nèi)部。為了保證通訊暢通，通訊終端處加裝醒目的閃光警示信號燈作為提醒。4巖石頂進效果該頂管施工采取了上述施工方法，順利完成了巖石頂進800m，解決了巖石及復(fù)雜地層的頂管頂進，從機械的選型改裝到頂進完成，施工進度、質(zhì)量等有了很大提高，說明工藝方法是有效的。5結(jié)語隨著地下埋管采用頂管法實施，應(yīng)用會越來越頻繁，本工程頂進過程中克服了一系列的技術(shù)及施工上的難題，在項目部的努力和相關(guān)科研部門的大力協(xié)助下成功完成巖石頂管頂進施工，初步成型一套施工工藝，這對以后類似工程能起到一定的指導(dǎo)作用。參考文獻：【相關(guān)文獻】田艷玲，張寶強，黃琳.巖石地層管道頂管施工影響因素[J].油氣儲