非开挖微顶管施工多少米(非开挖顶管铺设大直径管道施工实践)

1. 工程概况

该工程是武汉市电信局规划,在汉口京汉大道横穿友谊路口。铺设长63m、24孔电信管道。该路面车辆流量大,路面为混凝,厚约30cm。混凝土垫层以下,杂填土厚度不大,主要以第四系土部土层为主,地层含水比较丰富。由于在地表以下4m之内有污水管道及自来水管道,因此采用非开挖预管技术在埋深5.5m的地方铺设Ф1000mm×12mm的钢管作为护管,采用管前人工挖土、机械顶管方式铺设钢管,然后在钢管内铺设24孔塑料波纹管。

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2. 顶管施工原理

顶管法是依靠人工或机械在管内端部挖掘土方,然后在工作坑内借助顶进设备,把铺设的管子按设计中线和高程的要求顶入。

顶管过程是一个复杂的力学过程,涉及到材料力学、岩土力学、弹塑性力学等诸多学科。但顶管力计算的根本问题是要估计顶管的推力、后背承载力。顶管时的推力就是顶管过程管道受的阻力,包括工具管切土正应力、管壁摩擦阻力及工具管焊接头对土层的切削力。

2.1 工具管切土正应力

工具管切土正应力与土层密实度、土层含水量及管内挖土状况有关、通常采用下式计算:

fk=25π(D²-d²)k₁

式中:fk——顶管正阻力,kN;D——顶管外径,m; d—一顶管内径,m; k₁一顶管正阻力系数,kg/m²。

根据有关工程统计资料,软土层一般取k₁=200~300kN/m²,硬土层通常取k₁:=300~600kN/m²,此时取k₁=500kN/m²,经计算得fk=89kN。

2.2 管道在顶进过程中的力

管道在顶进过程中所受的力,不仅与管壁和土之间的摩擦系数,土压力大小有关。而且与管道焊接时的弯曲程度有关。由于管道之间的焊接而垂直于管道的轴线,因此,管道轴线和水平线之间的夹角α是一个微小的角度,可以忽略不计,管道之间推力被认为沿水平方向传递,顶管所需的总顶力即为:

Q=fγ fk

式中:——顶管侧壁总摩擦阻力,kN,f₁=πDLk₂;k₂——顶管侧壁摩擦阻力系数,kN/m²;L——顶管长度,m;D——顶管外径,m。

根据有关工程统计资料,k₂一般为5~10kN/m²。由于忽略管壁弯曲对土的切削作用,因此,此时取最大值=l0kN/m²。经计算可得出fγ=1980kN,所以,总的预力为Q=2069kN。

通常减少管壁摩擦阻力的措施有:管壁与泥土间加泥浆套减阻,管外壁形态规则和表面光洁、减少管道拐弯。

2.3 后背结构及抗力计算

后背在顶方作用下产生压缩,压缩方向与顶力作用方向相反。当停止顶进时,顶力消失。顶管时,后背不应当产生破坏和不允许的压缩变形(后背不应出现上下或左右的不均匀压缩),否则,千斤顶支承在斜面后背的土上,造成顶进偏差。为了保证顶进质量和施工安全,应进行后背的强度和刚度的计算。

后背作为千斤顶的支撑结构,要有足够的强度和刚度,且压缩变形要均匀。顶管过程中,后背压力远大于土壁允许承载力,一般粘土、淤泥土可按承载力≯150kPa计算。为了安全起见,取σ=150kPa,根据顶进需要的总顶力,核算后背受力面积,使土壁单位土所受的力小于土体的允许承载力:

S=Q′σ≈14m²

式中:S一后背所需要承压面积,m²;Q——总顶力,kN;σ—土壁允许承载力,kN/m²。

本工程采用大型钢梁和钢板加强后背,在型钢后面充填砂袋或碎石,加大后背土壁的总承载力,以满足顶力要求。

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3. 顶管施工

顶管施工的基本工艺为:测量放线→做预管工作坑→设置平台→安装后背→铺设道轨→顶镐、顶铁、油泵就位→复测高程及中心线→安装钢管→开挖管前土方→顶进→复测、桥正管道中心线→工作坑的回填。

3.1 工作坑的布置

本工程根据管道布置、检查井的设置、地形及地表建筑物分布,设置1个顶管工作坑和1个接受坑。工作坑确定为4m×4mx6m,坑底两侧设置1m*lm*1m焊接工作坑,坑内设集水坑。工作坑基础使用碎石道床,道床厚度≥350mm,装枕木,枕木规格150mm×200mm×2500mm,间距500mm,以防止工作坑下沉,造成顶进位置的偏差。

道轨采用38kg/m重轨,左右各一根,轨长6m,轨高134mm。钢管底部距枕木顶按40mm设置,轨距为392mm。由于受工作空间的限制,钢管每节长为2.0m。

本工程中钢管只是用做施工安全保护用,因此可不必采取特殊的防腐处理。

3.2 顶进设备选择

顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、工具管及运土设备等。千斤顶是掘进顶管的主要设备。根据工程理论计算和实际情况,本工程选用的千斤顶为300t(3000kN)。

工具管即导向头,也称盾构头。导向头是由钢卷制而 成的一段钢管,在导向头前采用人工直接挖土和运土。

3.3 顶进施工

工作坑内设备安装完毕,经检查各部位处于良好状态,即可进行开挖和顶进。

管前挖土是保证顶进质量及地上建筑物安全的关键,管前挖土的方向和开挖形状,直接影响顶进管位的准确性,因为管子在顶进中是循已挖好的土壁前进的。因此,管前周围超挖应严格控制、对于密实土质,管端上方最好留有大于1.5cm的空隙,以减小顶进阻力;管端下部135°中心角范围内不得超挖,保持管壁与土壁相平,也可预留1cm厚土层,在管子顶进过程中切去,这样可防止管端下沉。在不允许顶管上部土壤下沉地段顶进时,管周一律不得超挖。

管前挖土深度,一般等于千斤顶出镐长度,如土质较好,可超前0.5m。超前过大、土壁开挖形状不易控制,容易引起管位偏差和上方土坍塌。由于本工程地层含水比较丰富,容易引起土方塌陷,因此在每掘进50cm时顶进一次,确保施工安全。

管前挖出的土用牵引小车及时运出管道,用工作平台上的电动卷扬机送到平台,然后运出工作场地。

3.4 钢管顶进误差调整

在工作坑内设有水准点和预设的方向线,采用激光水准仪直接测量前端管底高程和方向。每顶进50cm时,测量一次,如果在顶进中发现偏差,利用纠偏千斤顶进行校正,使其复位。在顶进过程中,顶管前面的第一节管道作为工具管,不和后面的管道焊接在一起,有利于在顶进过程中调整钢管的顶进误差。

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4. 结论

在本工程施工过程中,由于工程的埋置深度大、地层结构复杂、而且管道横穿交通运输干线、所以采用了非开挖顶管施工技术。在施工中,没有影响道路交通和商业经营,对地面建筑物的影响非常小,收到了较好的经济效益和社会效益;在铺设钢护管的过程中,由于钢管的编差校正花费了很多时间,整个施工工期比预计的30个工作日超出了2天,基本上达到了预计的效果。在整个管道铺设过程中,采用了经纬仪和水准仪进行精度控制,管道的铺设轨迹基本上与设计轨迹相符。最后在接收工作坑中,管道的铺设与设计的偏差≯10cm,完全符合工程的要求。

在顶进过程中,顶进速度要均匀。而且顶进的速度不能太快,同时在顶管前要注意观察顶管是否发生偏斜,如果发生偏斜,要及时校正;当有人在顶管前作业时,要注意通风,以确保安全。

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