燃气管道穿越道路与铁路施工通用版Word文档格式.docx
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1.公路等级划分根据《公路工程技术标准》(JTJ01—1988),公路等级分为“汽车专用公路”和“一般公路”两类。
汽车专用公路又分高速公路、一级公路、二级公路三个等级。
汽车专用公路属国家重要交通干线,车流量大,路面宽度大,技术等级较高。
一般公路又分为二、三、四级、其车流量、路面宽和技术等级和重要程度依序降低。
此外还有不属国家管理的公路,如矿区公路。
县乡公路等。
2.穿越公路的一般要求输气管线穿越公路的一般要求与铁路基本相同。
汽车专用公路和二级一般公路由于交通流量很大,不宜明挖施工,应采用顶管施工方法。
其余公路一般均可以明沟开挖,埋设套管,将燃气管敷设在套管内。
套管长度伸出公路边坡坡角外2m。
县乡公路和机耕道,可采用直埋方式,不加套管。
一、顶管施工
地下燃气管道穿越铁路、电车轨道和城市主要于道时,一般不允许开挖管沟,常采用顶管施工。
运用液压传动产生巨大的推力向土壤内顶进套管,再将燃气管道安装在套管内。
1.顶力计算顶管施工必须有足够的顶力,才能克服管子在顶进过程中土壤对管子产生的阻力。
顶管施工的主要设备(油泵、油缸或千斤顶)及配套设备(顶铁、槽钢)是根据所顶管道的最大顶力来选择的。
顶管时,管道在土壤中承受两种力:
管端阻力P1
和管外壁与土壤的摩擦力P2
。
最大阻力为:
式中D—管道外径(m);
q—土壤单位面积的抗力,其值取0.7~1.5MPa;
k—管道外壁在土壤中单位面积的摩擦力,其值取18~35kPa;
L—管道顶进长度(m)。
取最在阻力的1.1~1.2倍即为最大顶力,由此来选择设备。
(1)外挤压顶进法常用于φ400mm以下的小口径管顶管施工。
顶进前在钢套管端部加安锥体顶头,根据土壤可压缩特性,借助顶力将管子四周土壤压缩而不需要管内出土。
锥体顶头的作用是将正面阻力变成侧面摩擦力,从而大大降低管道顶进时的阻力。
见图9-1。
图9-1平面顶进和加装锥体顶头顶进摩擦力比较
图9-1b所示的平顶头正面阻力为:
式中p——单位面积抗力(MPa)。
图9-1a锥形顶头侧向摩擦力为:
P锥
=pcosαfF
式中p——水平方向单位面积的抗力(MPa);
α——侧面法向力在水平方向的投影角;
F——锥形顶头的侧面积(m2
);
f——摩擦系数。
α角越大,P锥
越小。
而α角随锥体顶头锥度θ而变化,θ角越小,α角就越大。
阻力就越小,因此锥体顶头锥度角越小,阻力就越小。
图9-1c和d所示平顶和锥形顶头挤压土壤力的扩散情况,平顶挤压扩散面大于维形顶头挤压扩散面。
平顶头不仅阻力大,而且由于扩散面大,往往容易造成地坪拱起。
1)选择千斤顶。
根据顶力计算公式,计算出最大顶力,即可选择所需的千斤顶。
2)顶铁。
由于千斤顶行程有限,每顶完一行程,再次顶管前需增加顶铁的组合长度。
完成1根顶管,需多次更换顶铁。
顶铁用与顶进管道同规格或较大规格的钢管制作。
制作时,应保证两端面平行且与轴线垂直。
顶铁的长度及数量见表9-1。
顶铁上焊有φ10mm钢筋把手。
表9.1顶管顶铁长度及数量
顶管长度/mm
6000
9000
顶铁长度/mm
100
200
500
1000
数量/个
2
3
4
3)垫板。
顶管过程中,顶铁与顶铁之间以及顶铁与管子之间,常会出现不在同一轴线上的现象,为解决这一问题,在管子与顶铁以及顶铁与项铁结合处加1块钢制垫板。
垫板厚约14mm,为圆形或方形,其直径或边长比套筒外径大40~60mm。
4)导轨。
可用槽钢组焊,两根槽钢之间可用钢板连接。
5)操作坑与辅助坑。
操作坑应设置在地下管线较少的一侧,操作坑长度一般由管节长度、千斤顶长度、后背墙厚度(枕木、钢板等)等而定。
操作坑宽度为管径加1.2m,操作坑深度由燃气管道设计标高确定。
在路的另一侧挖辅助坑,深度与操作坑相同,用于观察和切除管子锥盖(锥体顶头)。
操作坑挖好后,坑底夯实,并在项管部位挖一深为500mm、直径与操作坑相同的洞,用以定位。
下一步,在后背墙处设置横竖两排枕木和一块20~30mm厚钢板,作为千斤,其他部件按图9-2所示就位。
图9-2顶管工装就位
1—管子2—导轨3—顶铁4—套筒5—千斤顶6—铁板7—枕木
6)顶管。
端焊锥体顶头,管子就位,千斤顶施力。
管子顶入一段,千斤顶回程,增加顶铁长度,再次顶管。
一根管子顶完后与第二根管焊接,焊缝检验、防腐合格后再顶第二根管子。
顶管过程中要及时测量,如发现水平偏差,可用外力校正,如用锤击或千斤顶校正。
如出现套管向上翘起时,在此端压重物压下。
在辅助坑观察,管端顶出路边后,检查其坐标与标高,然后割除锥体顶头,与管道连接,继续施工。
(2)管内出土法φ700mm以上的套管顶进时,常采用管内出土法。
先清除管内积土,出土范围一般应保持超过管端前200mm的距离,以减少管道顶进时的阻力。
在顶管深度较浅及铁路和建筑物下顶进,要注意管内清土,防止管内泥土阻塞造成路面拱起、铁路轨道变形、建筑物和邻近管道损坏的事故发生(其原因是在顶力的作用下,管子顶端部分土壤结构发生变化)。
在管端不出土的顶进状态下,管道顶进时的受力情况包括3部分。
受力情况见下式:
P总
=P1
+P2
+P3
式中P总
——总的阻力(MPa);
P1
——管外壁与土壤的摩擦力(MPa);
P2
——管内壁与土壤的摩擦力(MPa)由入管土壤的密度而定,
P3
——管顶端面阻力(MPa)。
在顶力的作用下。
使管道不断顶进,上述3方面的阻力各自不断变化。
管外壁与土壤的摩擦力是随着顶进管道长度的增加而均匀递增的,管内壁与管内土壤的摩擦力的变化却不同。
由于土壤的孔隙率为30%~60%,存在着较大的压缩性,进入管内的土壤与管内壁的摩擦力逐渐增加,使断面内土壤逐渐压缩。
与此同时,管顶端面阻力也在逐渐增加,致使土壤从软塑状态逐步过渡到可塑状态、硬塑状态与坚硬状态,管前土壤将停止向管内移动(一般入管土长约2m),并迫使管前土壤不断压缩,由此而引起管端面阻力不断增加,总阻力迅速上升。
停止向管内移动的管端面土层,随着顶力的增加不断压缩,并通过不断增大的土壤内摩擦角向管端四周传递顶力,由此造成路面拱起、铁路轨道变形等事故。
因此,顶进管道管内出土应严格按照“先挖后顶”的顺序操作。
1)内挤压出土法。
一般用于大口径套管顶进。
在顶进套管顶端加焊特殊顶头.顶头外径略大于管径,内壁作成锥体(见图9-3),借助油缸的推力,将进入管内泥土压缩成小于管内径的圆柱体,使泥土与管底壁脱离。
这样,不仅使管道摩擦力减小,而且可以防止管内的积土阻塞。
为了使出土机械化,应配备内挤压机械出土专用设备。
将切土钢丝绳绕顶头后壁1圈,并套入活络夹箍内,再将出土车推入管内靠近顶头后壁,并将阻动钢闩压入槽内(事先按小车长度焊接于钢管内)。
启动油泵,按额定长度要求顶进,挤压后进入管内的圆柱体土壤引至出土车上。
管道每次顶进长度应根据出土车长度计算而定。
图9-3坑井顶管总装结构示意图
1—四周坑桩槽钢2—顶管头3—出土车坑4—活络阻闩5—顶埋钢管
6—钢制出土坑7—油缸体8—出土钢索滑轮组9—油缸靠座桩板
10—集水井11—入口挡土钢板12—钢制顶块13—混凝土基座
14—坑基槽钢平台15—平衡导轨16—顶块17—油缸基座平衡钢板
18—测管中心桩19—卷扬机20—油泵组合车
式中L——顶管每次顶进长度(m);
l——出土车长度(m);
D——顶管外壁直径(m);
d——锥体顶管头小口直径(m)。
停止油泵,顶管暂停,将卷扬机钢丝绳与管内切土钢丝绳连接,开动卷扬机带动切土钢丝绳,把进入管内土壤切开。
拆除与切土钢丝绳连接的接钩,将卷扬机钢丝绳与出土车后钢钩连接,开动卷扬机牵动出土车拉至管外,再用吊车吊出工作坑外运。
依此循环进行。
采用内挤压法,把原来人工进入管内挖土改为机械出土,不仅可提高工效,降低劳动强度、改善劳动条件,而且由于挤压入管内的土壤密实、无碎土,使管内与工作坑内保持整洁。
2)钻孔法。
根据土壤类别选择钻头,在钻孔作业方便的一侧开挖工作坑。
工作抗应有足够的工作面,其深度应按钻孔位置的需要而定,地下水位较高的地段应设排水井降低地下水位。
工作坑应平整,垫上枕木及轨座后应找平。
钻头中心和管道中心必须同心。
钻孔时。
对于糙土土壤,钻头应比主机低1%钻杆长度;
对于岩性土壤,钻头应比主机低5%钻杆长度,以补偿钻头上抬。
钻孔允许偏差,每钻40m长度为±
150mm。
套管长度应与钻杆长度一致。
钻进时应及时出土,钻进、出土、顶管,周而复始。
穿越管道与干线管道应保持同心,穿越的管子允许偏差为管子长度的±
2%。
3)水力机械法。
一般局限于穿越河流或野外顶管施工,在土质疏松、水源充足的条件下使用。
原理是用高压水泵将水加压,经过管道与高压水枪连接,通过高压水枪将管道前端土壤冲成泥浆,然后由吸泥泵通过管道将泥浆排出管外。
常采用向心冲刷的水枪技术,在端面装3支水枪,相隔120°
每根水枪各自摆动120°
,形成扇形冲刷面,3支水枪即可完成整个土层冲刷。
双铰型工具管见图9-4。
图9-4双绞型工具管示意图
1—上下斜偏油缸2—水平绞3—垂直绞4—左右斜偏油缸
为防止泥浆冲刷过快而造成塌方,在操作时必须协调好顶进和冲刷的速度。
目前常采用在管端部操作室内加入气压或水压,使之平衡于地下水压力,可以阻止塌方和流砂的出现。
这种方法,设备不很复杂,投资不高,劳动强度低,已趋于自动化。
但由于排出泥浆需要过滤、外运,需要较大的堆放场地,所以在市区内和小型工程中不宜使用。
4)人工挖土法。
先挖工作坑,将管子放到工作坑内千斤顶的前面,人在管道的最前端挖土,为管子开路。
挖出的土从管内运至管外,再吊到地面运走。
挖一段后,摇动千斤顶顶管。
设备布置与操作情况,见图9-5。
图9-5人工挖土顶管工作坑布置
a)工作坑新面b)工作坑底部平面
a.开挖工作坑。
工作坑平面尺寸根据管径大小、管节长度、操作机具、出土方式及后座墙厚度等而定。
一般可按以下考虑:
(a)工作坑宽度:
B=D1
+2b
+2c
(9-6)
式中D1
——管外径(m);
b——管外侧操作空间。
根据管径大小及操作工具而定,一般为1.2~1.6m(用长撬棍为1.6m,短撬棍1.2m);
c——撑板厚度,一般取0.2m。
(b)工作坑长度:
L=l1
+l2
+l3
+l4
+l5
+l6
式中l1
——管节长度(2m、4m等);
l2
——顶镐机长度(0.9~1.1m);
l3
——后背墙厚度(包括后背立板、后背方木、后背顶铁),约1m左右;
l4
——稳管时,前一节已顶进管子留在轨道上的最小长度,一般为0.3~0.5m:
l5
——管尾出土所留的工作长度,根据出土工具而定。
用小铁车为0.6m,用手推车为1.2m;
l6
——调头顶进时的附加长度。
(c)工作坑深度。
由设计管底标高、顶管的基础、轨道等综合尺寸而定:
H=h1
+h2
+h3
+h4
式中H——工作坑深度(m);
h1
——设计管底标高(m);
h2
——轨道高度(m);
h3
——混凝土基础厚度(m);
h4
——套管外壁至燃气管道外壁间的距离(m)。
b.后靠墙。
因后靠墙要受顶管过程中的最大反力,故应有足够的坚固性、稳定性。
原土后靠墙的许可顶力值,可由土压力公式计算决定。
原土应有足够的高度、宽度和长度,一般长度不应小于7m(工作坑后靠墙附近的管沟不要开挖),以保证有可靠的稳定性。
为了降低顶力压强并均匀地传递给后靠墙面上,一般多在原土表面加设木板、方木(或槽钢与厚钢板)、顶铁等。
c.平基与导轨。
这是为了保证管子按要求的方向前进而设置的。
当坑底无地下水时,可将工作坑的底层平整夯实,敷设方木,在方木上直接铺设铁轨。
当地下水较高,土质不好时,可先在平基下面作一定深度和宽度的卵石盲沟,通住集水水井,再作混凝土方木平基。
混凝土采用C15或C20。
如图9-6所示。
铁轨一般用18kg轻便铁轨,大管径时应用重轨(32kg),因为大管径时轻便铁轨容易产生较大的挠度,致使两节管对口困难。
导轨是起定向作用的,导轨安装必须符合管道中线、标高、坡度的要求。
导轨安装后,要进行六点(轨前、轨中、轨尾的左右各一点)的验收,并在稳第一节管子后测量负载后的变化,并加以校正。
图9-6横铺混凝土平基
1—φ15×
130道钉(钉在导轨内侧,中距800~900)2—C15混凝土基础
3—18kg/m导轨4—必要时加铺卵石100~150
5—木轨基150×
150(与混凝士接触面处包油毡一层)
导轨间距(上部的净距),如图9-7所示,可按下式计算:
式中A——导轨上部的净距(mm);
D——管内径(mm);
h——导轨高度(mm);
t——管壁厚度(mm);
c——预留空隙高度(mm)。
导轨中心至中心间距:
当采用铁轨时,A0
=A+a(mm);
当采用18kg轻便铁轨(轨高为90mm)和c=10mm时,为A=
d.机械设备
千斤顶,应采用起重量大,顶杆长度长的电动油压式千斤顶。
按顶力计算出的总顶力选用1台或数台千斤顶。
卷扬机:
下管及水平、垂直运土用各1台。
摇镐机:
单排串联,摇动千斤顶,包括液压泵及动力设备。
图9-7导轨安装间距计算
导轨:
长4m与长1m各2根。
顶铁:
是传递千斤顶顶力的工具,应配备成套,可用工字钢或钢管。
变压器:
24~32V、500~1000W1台,用于低压照明。
e.顶管与管前挖土。
准备工作就绪后,往工作坑中下管,安装在轨道上。
顶进时,先使千斤顶顶头伸出使管子入土。
当顶头仲至极限后,千斤顶回程,插入顶铁,再次顶管。
如此反复进行一节管子顶完后,再放第二节管子,并与第一节管子连接后,再继续顶管。
在无水的土中挖土,可先挖下面。
管前150mm以外的土要随挖随找周边,管前250mm以外的土可先挖成锥体。
当土中有水时,应由目往下挖。
防止下面的土成为稀泥,并应及时用小车出土。
f.测量与校正。
一般管子每顶进1m长度,进行1次标高及中线测量。
垂直方向偏差的测量可用水平仪,只测量最前一节管子的管底标高,或采用水柱连通器测定。
如图9-8所示。
水柱连通器是利用在同一容器中液体压力平衡原理制成。
该方法是在顶进管道内壁确定1条与管线相平行的直线为基准线,将水柱连通器液面线与该基准线的顶端和末端重合。
如顶进管道发生垂直方向偏移,连通器两端玻璃管内的水平面,将会高出或低于基准线。
图9-8水柱连通器监视方法示意图
1—玻璃管2—与轴线平行基管线3—连通器内水平面
平面位置偏差的测定方法中,直接观察法常用于短距离顶管的顶作坑上定出顶管轴线,过该轴线引2根铅垂线至工作坑。
在顶进管的顶端管断面装1个小灯泡,监测者站在工作坑末端,用肉眼观察。
两根铅垂线和小灯泡应三点成一直线。
如果发生位置偏移,观察视线中小灯泡将会发生位移。
此法虽不精确,但方法方便。
见图9-9。
有的方法,是在工作坑后部设固定测量架,用经纬仪对标高和中线进行测量,精确较高。
目前还有一种方法,应有激光进行导向,使机械顶管的方向测量与偏差较正自动化,从而节省人力,提高顶管质量并加快施工进度。
激光导向是应用激光的特性,用激光准直仪发射出来的光束,通过光电转换和有关电子线路来控制液压传动机构,使机械顶管的方向测量与偏差校正自动化。
图9-9平面偏移监视示意图
1—监测视线2—中心光源3—顶进轴心样线投影4—铅垂线
5—偏移角6—铅垂线7—光源中心定位架8—观察起点
9—监测视线10—顶进轴心样线11—铅垂线12—水准0.000
顶管中标高和中线方向发生偏差,要及时校正,否则误差将随着顶进长度的增长而增大。
当发生误差时,如仅在第一管节上,其余管节合乎要求,一般用挖土法校正。
当管头高时,开挖前方土孔时多挖下半圆土,使其在继续顶进时借管子自重而沉降。
当管头低时。
则多挖上半圆土,继续顶进中管头自然抬起,也可用型钢一端支在管内,另一端支在管前的土壤上,上放千斤顶,在管端将管节顶起至要求高度。
中线方向的偏差,同样可用管前挖土校正。
当管头发生偏差时,利用一侧超挖,一侧不挖或留5~10mm的土坎,使管中徐徐变位。
g.套管接口。
当使用钢筋混凝土套管时,要求管子接口能承受较大的顶力而不破裂,管节不易错开,防渗漏好,在管基不均匀沉陷时的变形较小等。
目前钢筋混凝土套管多用平口管,接口处内加钢固,两管节之间加塑料圈或麻辫,抹石棉水泥后内加钢圈。
当用钢套管时,套管外壁应进行与燃气管道相同等级的防腐绝缘。
两节套管焊接并检验合格后,焊口作防腐绝缘层,作法与燃气管道相同。
待防腐层实干后再开始顶管,以免损伤防腐层。
h.套管内的燃气管道安装。
安装在套管内的燃气管道要采用特殊加强防腐蚀层。
为了防止燃气管道进入套管时损坏防腐层,燃气管道安装滚动支座或滑动支座。
如图9-10,滑动支座事先固定在燃气管道,支座与燃气管道之间垫橡胶板或油毛毡,防止移动燃气管道时支座擦伤防腐层。
支座间距按设计要求。
支座的形式很多,但一定要保证支座与燃气管道使用寿命相同,避免由于锈蚀等原因使支座损坏而使燃气管道悬空、承受过大的弯曲应力。
套管内的燃气管道应使用质量好、长度较长的钢管,以减少中间焊缝。
由于顶管工作坑长度小于整根钢管长度,所以必须先将工作坑后靠墙挖开,与管沟接通,以保证整根钢管下管安装。
不允许按工作坑长度将整个钢管切断安装。
当第一根燃气管送入套管内,留出管端在套管外与第二根管子组对焊接时,外观检查合格后,立即用射线探伤(焊缝应100%射线检查)。
合格后,将焊口除锈,作防腐层,作法与管身要求相同。
待完全干透并用电火花检漏仪检验合格后,再往套管内送入第二根管子。
周而复始,直至完成。
套管两端与燃气管之间的环形间隙,用油麻、沥青封堵严密。
见图9-11。
图9-10套管内燃气管道支座的构造
1—卡板2—加固拉条3—滑道4—板条5—用防水材料、沥青纸、油毛毡及相似材料做的包扎层
图9-11套管端部的构造
1—沥青密封层2—油麻层3—φ50mm检漏管4—φ50mm管箍5—丝堵
6—防护罩7—防护罩底座8—支座
二、开挖管沟施工
燃气管道穿越城市非主要街道时,在交通部门的同意下,可开槽施工。
为了不影响交通,可先挖道路的一半,挖完后铺厚钢板方便车辆行驶,再挖另一半道路。
也可组织夜间施工。
施工期间必须作好安全防护措施,防止车辆及行人跌入沟内。
燃气管道可敷设在套管内或过街管沟内,适用于燃气管道埋设深度小于1.2m的情况。
钢套管和燃气管道应作特殊加强防腐层。
燃气管道应选择长度较长的钢管,以减少中间焊缝。
焊缝应100%射线探伤检查。
当采用管沟时应按设计要求砌筑。
当燃气管道埋设深度较深时,根据按设计规定,可直接敷设在土壤中。
三、涵洞内施工
当燃气管道穿越铁路干线处,路基下已经作好函洞,施工时将涵洞两侧挖开,在涵洞内安装。
涵洞两侧设检查井,均安装阀门。
安装完毕后,按设计要求将挖开的涵洞口封住。
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