顶管施工技术的研究与应用
2011-03-16 19:11
顶管施工技术的研究与应用
【摘 要】顶管施工技术是地下管道开挖研究与应用的热点。介绍了顶管施工的基本原理及其与盾构法、大开挖技术比较的优缺点。概述了该技术的国内外研究现状与应用进展,展望了应用前景。
【关键词】顶管;施工工艺;开挖技术
引言
近年来,随着我国经济的快速发展,城市建设的步伐不断加快,城市基础设施也逐渐完善。其中,各类地下管线的铺设与改造,在城市的基础设施的建设中扮演了重要的角色。为了最大限度地减少对地面环境的影响,在地下管线的铺设与改造中,非开挖施工技术越来越受到重视。作为非开挖技术中经济性与适用性较为突出的顶管技术发展得很快,具有广阔的应用前景。
1、常见的顶管施工的分类
顶管按顶管直径的大小来分,可分为大口径、中口径、小口径和微型顶管4种类型。大口径多指Φ2 000 mm以上的顶管,人能在这样口径的管道中站立和自由行走。大口径的顶管设备比较庞大,管子自重也较大,顶进时比较复杂。最大口径可达5 000 mm,比小型盾构还大。中口径是指人弯着腰可以在其内行走的管子。这种管子在顶管中占大多数,其口径在Φ800 mm~Φ1 800 mm。顶管方法也可根据掘进工艺、顶进力的传递方法、顶管管材、顶进轨迹、工作井与接收井之间的距离来划分。其中根据掘进工艺的不同,可分为手掘式、挤压式、气压平衡式、泥水平衡式、土压平衡式、注浆式等类型。
2、顶管施工工艺简介
顶管施工是利用主顶油缸和管道间的中继环的推力,将工具管从始发工作井内推入土层并顶到接收井内吊起,而随工具管推进的预制管节则埋设在两个工作井之间。所谓顶管施工工艺,是指从机械设备开始进入场地到顶进全部结束的整个过程。管道顶进施工可分为4个阶段:工作井和接收井的制作;工具管出洞;后续管道顶进;工具管入洞。
2. 1 工作井和接收井制作
工作井和接收井的形式多样,一般有钢板桩、沉井、地下连续墙以及SMW法等多种形式,根据顶进形式可将工作井与接收井制成圆形与矩形。始发工作井用以安装顶进设备和承受主千斤顶的反作用力,工具管和后续管节被吊入始发工作井,并从这里向接收工作井顶进。接收工作井则用以接收工具管并由此吊出,有些接收井也作为下次顶进时的工作井。工作井一般要比接收井坚固得多,表面尺寸也较大。
2. 2 工具管出洞
在顶管施工过程中,工具管的出洞具有较大的难度和不确定性,应根据实际情况采取相应的措施。由于工具管外径设计时小于洞口直径,地下水与泥砂就会由此空隙流入工作井内,因而会引起洞口上部土体的塌陷,影响周围建筑的安全。在地下水丰富的地区,工具管出洞前应先对周围地层的地下水做降水处理,或对出洞口附近的土体进行加固处理,防止出洞时土体的大量流失。为了确保工具管安全出洞,尽量避免泥水流失而造成地面塌陷,可在洞口附近一定范围内采用高压旋喷、注浆、冻结、深井降水等加固施工措施。然后在工作井壁面出洞口的预留位置上凿除封门处的混凝土或砖墙,将工具管机头顶入凿出的洞口,同时机头前端刀盘转动切削井壁上剩余的混凝土及土体,顶进过程开始。
2. 3 后续管道顶进
工具管机头顶入后,钢筋混凝土管节随后陆续放入,同时进行定向测量,根据测量结果随时对顶进机头进行纠偏,以控制管道顶进方向。对于长距离顶管,当后部千斤顶顶力不够时,需要使用中继间,并在管壁周围注浆以减小摩阻力。管道的顶进过程是顶管施工的主要内容,可以分为以下几个部分:
(1)注浆减阻。随着顶进距离的增加,千斤顶所需的推进力也成比例增加。为了增加顶进距离,必须有效地减小管道侧壁与土体间的摩阻力。这时在两者之间注入润滑浆液,能够有效地减小摩擦阻力。在长距离和曲线顶管中,注浆减摩是极其重要的环节。
(2)中继环的使用。增加顶进距离的方法除注浆减阻外,还有提高管材的抗压强度和使用中继环等。但注浆减摩和提高管材的抗压强度都有限度,当超过限度时效果就不明显,这时必须采用中继环进行接力传递。
(3)正面推力控制。施工所用的工具管不同,则控制管道正面推力所采用的方法不同。土压平衡式是利用仓内土与外面土的压力差来控制正面推力;而泥水平衡式则是利用仓内泥水与外面土的压力差来控制正面推力的。
(4)定向测量及纠偏。在顶进过程中由于各种不确定因素,管道会偏离预定的线路,这时需要对管道顶进的轨迹进行定向测量。在实际施工中,一般是利用纠偏千斤顶对机头进行纠偏操作。
2. 4 工具管入洞
工具管到达接收井前,在有些情况下,对周围土层也要做相应的处理。随后凿去接收井壁面进洞口封门处的混凝土或砖墙,将工具管顶进接收井,顶进过程结束。
工具管全部进接收井后即吊起,然后先封闭进洞口处管道与井壁间的缝隙,再依次拆除中继间,随后封闭出洞口处管道与井壁间的缝隙。
3、顶管技术、盾构法与开挖技术的比较
顶管法与盾构法是地下管道开挖中重要的暗挖技术。与大开挖技术相比,它们在城市管道敷设中具有很大的优势,表1为技术、经济、社会效益等方面的对比。由于顶管施工无需隔断交通,能够穿越多种土层或上覆建筑物等,对环境影响小,因此,该技术将会在城市地下管道开挖中进一步推广应用。
4、顶管技术研究现状与前景展望
(1)已有的文献对顶管施工过程中周围土体扰动有一定的研究,但这还远远不够。随着城市的迅速发展,在闹市区敷设地下管道是一种趋势。所以,应当注重对不同建筑物类型、地基基础作用下,顶管施工对周围土体的影响的研究;研究顶管施工引起的地表变形的控制措施。
(2)顶力计算是顶管技术中的重要内容。从上述论述来看,对现有公式的辨析,无法给出确切的结论。虽然部分学者对公式作出修正,但实际工程中常出现因设计顶力不准确而引起的工程事故或工程造价的增加。
(3)目前,对于工作井的受力性能的研究很匮乏,且国家标准中未对顶管法的工作井作专门的规定,绝大多数地方性规范对此也没有说明。目前只是侧重于利用ANSYS软件对顶管工作进行研究,缺乏现场监测。所以,对工作井结构优化设计及现场监测技术的研究具有积极的现实意义。
(4)超长距离顶管技术与曲线顶管技术在近些年逐渐被应用,但对于这方面的研究还有待于进一步加强,特别是中继间设计、控制系统在曲线顶管中的应用等。
(5)关于顶管施工时进出洞技术的研究鲜有报道。进出洞技术是一门很复杂的技术,它涉及到工作井(接收井)、土体、管道与施工机器之间的关系,加强这方面的研究将有助于减少工程事故。
(6)目前,对顶管工程的研究还只是针对单管顶进的研究,而有关平行顶管研究的报道很少。随着城市的迅速发展,对顶管工程中相邻管道(两条或3条管道)的平行顶管或先后顶管的施工工艺以及周围土体应力应变的研究,有助于顶管技术理论的进一步完善。
5、结语
最近20多年来,顶管工程在我国各个城市得到了广泛的应用。顶管施工技术无论是在施工理论,还是施工工艺方面,都有了突飞猛进的发展。在借鉴国内外研究成果的基础上,结合国内外实际工程的使用特点,顶管施工技术的研究将步入一个崭新的阶段。随着顶管施工技术的发展,一些关键技术问题将得到更好地解决。通过相关规范与标准的制定,顶管施工技术在开挖地下管道工程中将得到不断地推广与应用。
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