浅谈复杂地质条件下大管径长距离顶管难点与对策

发表时间:2015/9/15   来源:《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿   作者:储建强
[导读] 中铁四局集团有限公司市政工程分公司,安徽,合肥 顶管施工技术是继盾构施工之后发展起来的一种非开挖地下管线施工技术。

储建强
        (中铁四局集团有限公司市政工程分公司,安徽,合肥,230000)
        【摘 要】随着我国社会经济和城镇化的不断深入发展,不可避免会遇到一些复杂地质条件的开发与施工,在大量的市政工程项目开始采用大管径长距离顶管施工技术背景下,其在不断发展中也遇到了很多难点。这里分析了长距离顶管施工过程中的主要难点,并介绍相应的关键对策。
        【关键词】复杂地质;大管径;长距离;顶管技术;难点;对策
        引言:顶管施工技术是继盾构施工之后发展起来的一种非开挖地下管线施工技术。其特点是节约用地;施工期缩短,减少工程量和工程造价;不破坏原状土,大大减少对沿线用地水土环境的污染。基于上述优点,顶管施工技术近年来有了突飞猛进的发展,各种新方法新工艺不断出现。这里着重介绍复杂地质条件下大管径长距离顶管施工难点与对策。
        一、顶管施工技术概述
        顶管法施工,是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力,克服管道与周围土壤的摩擦力,将管道按设计的坡度顶入土中,并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后,再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力,把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起,同时把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。
        二、复杂地质条件下的顶管施工概况
        厦门某海堤要进行拆除改造,原来铺设在海堤上的引水干渠和管道必须改造,采用方案为顶管法结合明挖管道敷设,即在原引水干渠段设置2 根DN2600 的钢管,中心距5.2—15.0m;原特供管设置1 根DN2000 的钢管。单管顶进长度约830m,总长度约为2490m。顶管均位于海堤北侧的海湾水域下,由设置于西侧的1#、2#工作井往设置于北引大池内的1#、2#、3#接收井顶进,管中心标高-11.2m。顶管经过的土层主要为:淤泥混砂、粘土、中砂、残积砾质粘性土。
        三、复杂地质条件下大管径长距离顶管技术的施工难点
        本工程是海堤开口的配套工程,是工程实施的先决条件。管道迁改需要停水施工,将影响到厦门岛内的生产和生活用水,需服从市政府的统一安排。因此工期的保证始终是本工程的重点。顶管施工是本工程的核心内容及关键线路,有如下特点:
        (1)顶管直径大(为DN2600mm 和DN2000mm),根据以往厦门的大中型地下工程分析,厦门的地质条件比较复杂,有可能在顶管施工过程中碰到孤石、岩层等地下障碍物,处理难度将比较大;
        (2)单根顶管长度较长,超过800m,一次顶进距离较长;
        (3)顶管基本上在海域内顶进,影响施工的因素比较多,风险较大。
        四、针对复杂地质条件下大管径长距离顶管技术难点的对策
        (一)顶管工具管选型及其特点
        因本工程大部分土层是淤泥层,土质较软、切削容易,顶管决定选择泥水平衡顶管机。如果碰到砂层时可以在泥土仓中注入些粘土,也能应用于砂层的顶管。用此机型进行顶管施工作业,不仅安全可靠,而且施工进度快、效率高,但若碰到孤石等障碍物时只能采取其它技术措施在管外处理。
        (二)顶管顶进过程中碰到的难题与对策
        顶管碰到障碍物时,应综合考虑障碍物的情况、顶管机头位置和损伤情况以及周围可利用的具体环境,采取有效合理、经济的技术措施进行处理。


以下分几种情况结合具体工程实例对顶管过程中出现的难题及相应的解决方案进行介绍:
        1.碰到孤石及岩层等障碍物时的技术处理措施
        本工程中,由于岩层高出管道底部的高度不是很大,且现场场地条件较为方便有利,海堤开口围堰已施工完成,可以利用围堰填出施工便道进行冲孔破岩施工,岩层可以通过冲孔破碎的方法,而且冲孔破岩施工技术已相当成熟,决定采用重锤冲孔破碎岩层后再回填夯实处理方法。
        2.顶管过程中碰到顶管机头损坏时采用的修复机头方案
        (1)采用拔管方式修复顶管机头
        本工程的DN2600-1 顶管顶进至207m时,顶管机头遇到孤石而无法继续顶进,此时采取拔管维修的方法技术上可行,且顶管机头后续要顶进的长度较长,拔管后机头可以彻底维修,保证后续能够较顺利地进行顶进工作,此方案还节约时间和造价。但拔管时应注意几个问题:在管道回退前,顶管必须保持前后滑动,以防止管道周边的土层沉积固结,同时需不断向管道与土层之间的空隙内补充触变泥浆,保持泥浆套的存续。每个中继间每日启动15—20 次,启动距离20cm 左右;顶管回退后,前方将形成空洞,为防止管道上部土体坍方,需及时注入填充物,保持上部土体的稳定。填充物要求很高,必须具备良好的流动性,也需要有一定的强度承受上部水土压力;填充物强度也不能太高,以免顶管恢复顶进时切削困难,填充物由粉煤灰、膨润土、水泥和水拌制而成,实验配合比为300:25:25:350。机头尾部退至洞口时,在洞口前施一道钢板桩墙,以堵住空洞内注入的填充材料在上部水土压力下通过洞口涌入工作井内,然后将机头由洞内取出,再吊至地面对机头进行检查维修处理。
        (2)采用在顶管机头上方开挖竖向通道进行维修机头
        本工程的DN2600-2 当顶管顶至470.5m时,1#中继间顶力达28MPa,千斤顶后座环形钢板变形,纠偏功能不能正常发挥,无法继续启动中继间顶进。因此处是原来岩层的位置,刀盘外缘的超挖刀在当初遇到基岩时即已损伤严重,外缘切削能力基本丧失,在切削砂浆填充物时形成的空隙圆形尺寸小于工具管,从而造成目前这种切削正常却无法顶进的现象。由于此时冲孔破岩时施工的便道还在,各个桩孔均已回填砂浆,在顶管上方开挖竖直通道条件很有利;因此采用钢套管护壁,开凿一条竖井直达机头头部,对机头刀盘超挖刀进行修复和加强,然后回填粘土,恢复正常顶进施工。
        3.顶管过程中中继间上浮及管顶覆土厚度不足的处理措施
        在长距离顶管中,随着顶进距离的加长,中继间是必不可少的。但有时会因为顶管机头遇到障碍物或管顶覆土厚度不足而发生中继间上浮的现象。发现上浮趋势后,现场采取措施将中继间上部环板焊接卡码锁死,防止发生中继间接口脱开事故,并要求暂停了此管道的顶进施工。对此问题主要采取以下处理方案:
        (1)加强监测
        在中继间设置监测点,通过观测其相对标高的变化,掌握其位移动态。
        (2)增加覆盖层
        根据现场实际条件,现在管顶为4—5m厚流塑态淤泥,容重较小,无法为管道提供足够的上部荷载,考虑到在含水丰富的淤泥中填砂比填土更容易密实,挤开并置换淤泥的效果更好,因此采用覆盖砂,长度为120米,顶部标高为-2 米,高于现状海底淤泥面3 米,挤出淤泥厚3 米,填砂厚度为6 米。
        (3)管内配重
        配重材料采用钢锭,每根80KG,用人工送入管道内,均匀排布在管道底部。以2号中继间为中心,向1、3 号中继间逐步递减。使用的总配重为628 吨。
        (4)管道活动
        在完成顶部覆土压载和管内配重后,通过中继间启动,活动管道,使其与周围土层产生滑动,减小土层对管道的包裹力,帮助管道在配重的重力下向下沉降。
        通过采用上述技术措施进行处理,最终使顶管机头能正常恢复顶进。根据最终顶管完成后实际情况来看,其轴线纵坡较为平顺,在管内行走时几乎没有感觉到管道的高差。
        结语:顶管施工技术解决了大管径长距离顶管在复杂地形下的应用问题,在特定复杂地质条件下进行大管径长距离的顶管施工会遇到较多难题,需要我们采取相应的技术措施进行解决,只有这样才能最终保质、保量、进度较快且工程造价较节省地完成顶管贯通任务,以确保很多施工工程的顺利完工,为今后类似工程的施工提供了较好的借鉴作用。
        参考文献:
        [1]戴志勇.复杂地质条件下大管径长距离顶管难点与对策[J]中华建设2011(06)
        [2]李熙,邓迎芳.复杂地质条件下大管径顶管出洞施工技术[J] 中国高新技术企业2008(12)

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