泥水平衡顶管法在流砂层的施工

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工 程
中国科技信息 ２００９ 年第 １１ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊｕｎ．２００９
变泥浆，形成泥浆护套，减少管壁与土壁 之间的摩擦力。顶管的推力就是顶管过程 管道受的阻力，包括工具管切土正压力、 管壁摩擦阻及工具管气水压力。
由于工程地质较差，流砂严重，水 位较高， 水压脉动，如何采取合理的顶管 技术措施及避免工作井施工造成周围建筑 物及路面沉降是本工程的关键。
以下本人根据本工程特点针对在流砂 层进行基坑构筑、顶管的注浆材料、安装前 墙止水圈、推进等工艺进行阐述。
６．１ 基坑构筑 施工配套设施项目之基坑支护构筑、 工作井及接收井构件等前期顶管施工程序 已完成。 ６．１．１ 沉井采用逆作法施工 根据现场地形、地貌、周边环境与建 筑物、电信光缆、地质资料及地下管线复杂 等情况，如按原设计沉井方案方法施工，又 无位置可供平移，下沉施工时必将影响对 道路两旁结构稳定，难以保证原有地下管 线及道路的安全。因此，对沉井方法进行了 改良，选用“逆作法拱墙”方法施工。 逆作法施工是指在地下结构施工时， 不架设临时支撑，而以结构本身既作为挡 墙，又作支撑，从上而下依次开挖和构筑 结构体的施工方法，其施工顺序与顺作法 相反。 顶管工作井、接收井逆作拱墙法施工
经现场勘察分析：目前每个井开挖到 ３～４ｍ 时就出现了严重的涌砂，主要问题 是：
⑴中砂层地质致使搅拌桩机搅钻困 难，钻杆垂直度无法控制，造成桩体搭接 得不到保证而出现漏水涌砂。
⑵搅拌桩机钻杆经常折断是由于砂层 太厚，造成钻杆进入砂层后被“抱死”， 无法正常搅拌。
⑶由于中心路毗邻中心河涌，地下水 位跟河水的涨退潮有直接的关系，即地下 水的动态影响搅拌桩的成桩效果。
工 程
中国科技信息 ２００９ 年第 １１ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊｕｎ．２００９
泥水平衡顶管法在流砂层的施工
黄熠斌 厦门翔安新区发展有限公司
摘 要 管道埋深在 ５．０ｍ 以下，道路路宽只有 ８．０ｍ，道 路两旁是密集的民房建筑物，大部分建筑物 都没有桩基础，由于工程地质较差，流砂严 重，水位较高， 水压脉动，如何采取合理的顶 管技术措施及避免工作井施工造成周围建筑 物及路面沉降是本工程的关键。 关键词 高地下水位脉动；流沙层； 工作井； 逆作法；泥 水平衡；顶管
４ 、顶管施工的顶进方Leabharlann Baidu及机械原
理
根据地质分析，本工程有地下水及流 沙的情况，所以顶进施工机械不采用前端 开敞式的工具头，采用 ＮＰＤ － Ｂ１２００ 型 具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机。
该掘进机的优点是：顶管机、主千斤 顶、泥水循环系统和泥水分离装置 （ＤＥＳＡＮＤＭＡＮ）成套化，泥水分离装置是 一种密封性好，操作灵活的分离系统，且能 节省安装空间； 带锥形破碎机的条幅刀盘， 能破碎小于外径 ３０％，一轴强度 １９６Ｍｐａ （２ ０ ０ ０ ｋ ｇ ／ ｃ ｍ ２ ）的砾石； 该机能适用各种 土壤条件，如粘质土、砂土、砂砾混合卵石 土和软岩上；安装在轨道上的主顶油缸，一次 顶进长度超过 １００ｍ； 主千斤顶不间断便可 单独顶进一节管子；可在控制台上进行电视
⑶逆作拱墙施工应连续作业，每层拱 墙施工时间不超过 ２４ 小时。上道拱墙合拢 且混凝土强度达到设计强度的 ７０％后，才 可进行下道拱墙的施工。开挖第二道，重复 第一道施工工艺再循环作业至设计深度。
６．１．２ 旋喷桩护壁处理 顶管工作井和接收井的设计采用在沉 井四周采用两排搅拌桩进行做护壁处理， 止水挡流砂，防止沉井下沉时井外的泥砂 涌进井内，造成周边路面大面积下沉而危 及民房建筑物。 搅拌桩施工过程中，当搅拌钻杆钻到 ４～６ｍ 进入砂层时，搅拌桩机自身颤抖摇 晃得很厉害，钻杆自动偏移，垂直度无法 控制，桩与桩的搭接得不到保证，当钻杆
６．５．３ 压注触变泥浆系统使用螺杆泵以 减少脉动现象，浆液应保证搅拌均匀，系 统应配置减压系统，在泵出处 １ 米外以及 机头注浆处各安装一只隔膜式压力表。
６．５．４ 填充管道的外周空隙以减少地层 损失控制地面沉降和减少顶进阻力。顶管 机头尾端的压浆要紧随管道顶进同步压 浆，并在砼管道的适当位置进行跟踪补浆 以补充在顶进中的泥浆损失量。注浆孔的 布置按管道直径的大小确定，每个断面设 置 ３ ～５ 个，并具备排气功能。注浆压力 按不大于 ０．１Ｍｐａ 开始加压，在注浆过程 中的注浆流量、压力等施工参数按减阻及 控制地面变形的量测资料进行调整，拆除 注浆管后将管道上的注孔封闭严密。
防止顶管机头进出工作坑洞口流入泥水， 并确保在顶进过程中压注的触变泥浆不致 流失，必须事先安装好前墙止水圈，其组 成部分为预埋法兰底盘、橡胶板、钢压 板、垫圈与螺栓。法兰底盘预先埋设在砼 沉井内，中心正确，端面平整，安装牢 固，螺栓的丝口妥善保护，水泥浆预先清 除，再用水泥砂浆封堵与井壁形成的间 隙，防止从间隙处漏水、漏浆。
６．３ 安置土方运输设备 泥水平衡式顶管进机的出土采用全自 动的泥水输送方式，被挖掘的土通过在机 舱内的搅拌和泥水形成泥浆，由水力机械 方式将泥浆通过与管路连接的吸泥泵输出 并与排泥装置直接输送到地面泥浆沉淀 池。 ６．４ 顶进 ①推力的理论计算：（以Φ １０００ｍｍ 计算）Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２（Ｆ 为总推力、Ｆｌ 为迎面 阻力、Ｆ ２ 为顶进阻力） Ｆ１ ＝π ／４ × Ｄ２ × Ｐ （Ｄ 为管外径 １． ２ ｍ、Ｐ 为控制土压力） Ｆ１＝３．１４／４ × １．２ × ２ × ７ ＝ １３．１８ｔ。 Ｐ ＝ Ｋｏ ×γ× Ｈｏ （ Ｋｏ 为静止土压 力系数，一般取 ０．５５，取最大值 ７ｍ、γ为 土的湿重量，取 １．９ｔ／ｍ３、Ｈｏ 为地面至掘 进机中心的厚度） Ｐ ＝ ０．５５ × １．９ × ７ ＝ ７．３１ｔ／ｍ２ Ｆ２ ＝π Ｄ × ｆ × Ｌ （Ｄ 为管外径 １． ２ ｍ 、式中 ｆ 为管外表面平均（根据顶近 距离平均沙砾土）综合摩阻力，取 ０．８ｔ／ ｍ ２、Ｌ 为顶距，取最大值 １ ０ ０ ｍ ） Ｆ２ ＝ ３．１４ × １．２ × ０．８ × １００ ＝ ３０１．４ｔ 总推力 Ｆ＝１３．１８＋３０１．４ ＝ ３１４．６ｔ 根据总推力、工作井所能承受的最大 顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小 值作为油缸的总推力。工作井（Φ １２００ｍｍ 顶管）设计允许承受的最大顶力 为 ５００ｔ，管材轴向允许推力 ４００ｔ，主顶油 缸选用 ２ 台 ２００ｔ（２０００ＫＮ）级油缸。每只油 缸顶力控制在 １８０ｔ 以下，这可以通过油泵 压力来控制，千斤顶总推力 ３６０ｔ。因此我 们无需增加额外的顶进系统即可满足要 求。 ６．５ 压浆 ６．５．１ 泥浆池尽量靠近工作井边，可以 减少排泥管路过长而且产生的管路摩阻 力，沉石箱的配置可沉淀块状物，防止块 状物直接进入排泥泵引起排泥泵堵塞和损 坏。 ６．５．２ 为了减小顶压进阻力，增大顶进 力，并且为了防止出现塌方，顶管过程 中，应采用在管壁与土壁的缝隙间注入触
１ 、地形地貌
截污主干管网现场位于东莞市高埗镇 辖区内，为水泥硬化路面，地面平整。
２ 、地层结构及岩土特征
根据勘察文件，按地层成因类型和岩 土层性质，场区内地层自上而下分为：人 工填土层、耕植土、第四系冲积层及第三系 泥岩。
⑴人工填土层：灰黄色，稍湿，松散， 以粉细砂和粘土为主，层厚 ２．０～４．２０ｍ，平 均 １．３７ｍ。
监测及方向控制，精度高； 双光靶方向控 制系统，可由一人在地面遥控操纵并且将 方向误差控制在 １０ｍｍ 之内。
５ 、平面、井内及管内布置
５．１在工作井范围内实行全封闭隔离施 工并布置以下必要的设施：地面指挥监测 中心、办公室、仓库、配电间、冷作间等。
５．２ 管道顶进时，起吊设备采用跨距为 １４ｍ的龙门行车（起重能力为３０ｔ），行车导 轨与顶管中心线应平行铺设，并与管中心 左右对称。
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是具操作性，便利平行流水、立体交叉作 业，能有效缩短施工期限，施工不受雨 季、冬季影响，施工安全可靠，对周围 构筑物的影响非常小；在施工中采用快速 施工是保证逆作法成功关键，只有保证在 １２ 小时内完成从人工清壁、钢筋绑扎到立 模浇筑，才能有效防止侧壁土体塌方；每 模砼浇筑前在基底铺设砂垫层，作夯实处 理，再进行接口处理，保证相邻砼之间的 结合质量，有效防止渗漏现象。
④中砂、中粗砂、砾砂：浅黄色浅灰 色，饱和，松散～稍密，以中砂为主，次为 粗砂局部为砾砂，部分含少量卵石和圆砾， 卵石直径 ３～５ｃｍ。厚１．５０～１２．３５ｍ，平均４． ３５ｍ 顶面高程 －１０．９０～０．６２，平均 －７．８４ｍ。
３ 、水文地质条件
场地内地下水主要赋存于第四系中、 细砂、淤泥质粉砂、中粗砂、砾砂层中孔隙 水。水量较丰富。补给来源主要接受大气降 水、地表水体和邻近地下迳流渗透补给。地 下水位跟河水的涨退潮有直接的关系，混 合水位埋深在 ０．４５～３．２５ 米。
钻到 ７～８ｍ 时，经常造成钻杆折断。勉强 完成了９个沉井的搅拌桩施工，但是当沉井 挖到了 ３～４ｍ 时都出现了井底和井侧严重 的涌砂现象，造成井周围路面下沉严重，故 我施工方马上停止施工，采取了补漏措施， 把整个井底采用搅拌桩满布加固施工，试 图把井底的涌砂控制，在井内外采用高压 注浆补漏处理，采用井点降水等方法都无 法成功。
概述
高埗污水处理厂截污主干管工程按原 期一次建成。截污主干管总长 ２１．９５ｋｍ。该 工程中心涌南起点为农村信用社，跨振兴 大道转入育才路，经高埗大道、高龙大道、 冼沙二上坊、凌屋村路口至上江城村委会； 中心涌西起点为建设路口，经振兴北路、中 心路、卢溪、三联中建电子厂、三保路、三 塘路至低涌工业区大道。工程最大管径 ＤＮ２０００ｍｍ，最小管径 ＤＮ３００ｍｍ，最大 埋深 ８．６ 米，最小埋深 ２．０ 米，采用混流式 的合流制排水体制。施工方法主要采取顶 管施工。管材采用玻璃钢夹砂管。
５ ． ３ 工作井井内布置主要是后靠背、 导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶 梯等。
６ 、顶管施工主要工艺
施工开始：测量放样→基坑构筑→设备 安装（工作坑设备安装，地面设备安装） →准备（出洞准备，注浆材料准备）→ 挖土、运土、卸管、接口安装→推进、 注浆→测量→卸管、接口安装→进洞→取 工具管→全线测量→收坑。
⑴工作井和接收井采用逆作拱墙法施 工，其施工顺序是先施工深层搅拌桩支护 护壁，待强度达到 ９５％再开挖逆作拱墙。
⑵逆作拱墙应分段逐层开挖，水平方 向分 ４ 段施工，垂直方向每天长度不大于 １．２ｍ，施工时先开挖拱墙位置的土方。施 工逆作拱墙时待拱墙完成闭合后且强度达 到 ７０ ﹪以上强度后才能大面积开挖拱墙内 土方，尽快将拱圈闭合。逆作拱墙顶须设 临时栏杆，保证施工期间的安全。
②中、细砂：深灰色，饱和，松 散，以中细砂为主，局部夹粗砂、淤泥。 中、细砂为主、次沿线变化亦较大。层 厚 １．００～１４．５０ｍ，平均 ８．３２ｍ， 顶面高程 －９． ５８～－２．７７ｍ，平均 －１．６１ｍ。
③淤泥质粉砂、淤泥质中细砂： 灰黑 色，饱和，松散，以淤泥质粉砂为主，次为 含淤泥质中细砂，含粘粒不均匀，大多数为 冲淤混杂堆积，夹淤泥，部分地段含较多腐 木屑。本层空间分布形态较复杂，呈不规透 镜状。层厚０．６０～１４．７０ｍ，平均５．５４ｍ， 顶面 高程 －１０．４０～－１．９６ｍ， 平均 －４．１８ｍ。
⑵耕植土层：浅黄色，湿，松散，以粘 土为主，层厚度０．３５～３．９０ｍ，平均１．５２ｍ， 顶 面高程 ０．００～３．１２ｍ，平均 １．９１ｍ。
⑶第四系冲积层：根据颗粒特征及沉
积顺序，可细分为四个亚层，分述如下： ①淤泥层：灰黑色，饱和软塑，以
淤泥质土为主，间夹淤泥和淤泥质粉细 砂。层厚 ０．３０～１３．００ｍ，平均 ３．２０ｍ，顶面高 程 －２．００～－２．７３ｍ，平均 ０．６４ｍ。
因此，决定采用双管旋喷桩方案施 工，并根据地下水脉动的特点，加入 ２ ％ 的水玻璃，终凝时间 ３ ｈ ，以确保旋喷桩 的早期强度，同时，采用一次性从底至上 旋喷及双桶拌浆等措施，以确保桩的成形 及避免堵管等现象。实践证明，该方案针 对流沙层是行之有效的。
６．２ 安装前墙止水圈 在地下水丰富及砂层中的顶管过程 中，洞口止水是一个不容忽视的环节，必 须认真、仔细地做好洞口止水装置工作。 洞口止水装置的安装，应保证除止水 圈外最小直径大于进洞物最大直径的 ８ｃｍ， 防止受到进洞物的剪切而失去止水效果，