顶管工程.docx
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顶管工程
一、顶管机选型及施工措施
1、选型理由
我们决定在本工程中投入¢800小刀盘土压平衡顶管机。
加泥式小刀盘土压平衡顶管机的特点:
土压平衡顶管掘进出是靠密封舱内的土体来平衡正面土体的,密封舱内始终被土体充满,靠底部的螺旋机输送出土,并不要求开挖面土体有较好的自立性,因此较适合在粉砂土和淤泥粘土等较软土质中进行施工。
土压平衡顶管掘进机无须借助气压即可平衡正面土体,减少了工人的劳动强度,也不会发生因无法保持气压而引起的正面土体坍塌。
能较好地适应土质的变化,小刀盘能将土体搅拌均匀,必要时可以加水或加紧泥进行土体改良,以适应不同的土质情况,采用螺旋机出土,能排除石子等小块硬物。
在密封舱板上开有人孔,当遇到障碍物时可以加气压进行排障施工。
现场有场地和水源等有利条件,在螺旋机出土口安装一只土箱,用高压水将土冲成泥水,用管道污泵送出管道弃土,即出土采用水力输送,可以减少土体在管道内的水平运输时间,对长距离顶管较为有利。
2、结构形式
小刀盘土压平衡顶管机正面机正面的小刀盘主要是起搅拌土体的作用,其作用面积是最重要的参数,因此在顶管机正面密封舱上部布置两个小刀盘。
密封舱的下部是螺旋机进土口,在密封舱左侧半腰开有一个人孔,如果遇到障碍物时,可以在加气压的情况下,打开入孔,进入掘进机正面排除障碍物。
密封舱板上还布置有两个土压传感器和六个加泥孔,两个土压传感器布置在密封舱板的半腰部位;六个加泥孔两个布置在螺旋机进土口两边,四个布置在小刀盘投影位置的上半个圆周处,呈60度均布。
上部四个加泥孔可以加水或加泥改良土体,使土体在密封舱内呈软塑流塑状,土体分布更均匀,有利于顶管机的正常运行,下部两个加泥孔可以进一步改善螺旋机进土口处的土质,保持出土顺畅。
顶管机为二段一铰结构,顶管机长径比(即纠偏灵敏度)为L/D=1.08。
纠偏系统由4台150t双作用油缸及控制阀件组成,4组油缸呈斜向45度正交布置,每个纠偏油缸都通过万向铰顶管掘进机前后壳体连接在一起,使顶管掘进机能在一定范围内任意做出纠偏动作。
4组纠偏油缸由4个三位四通电磁换向阀控制,每个油缸的前后腔均安装有平衡阀,当纠偏油泵关闭时,平衡阀能将油缸前后控油路关闭,使油缸内始终保持高压,确保纠偏动作的可靠。
纠偏铰处有两道密封圈进行密封,密封圈由环向压板通过压紧螺栓压紧,其中靠前的一道密封圈轴向挡板是可拆卸的,当密封圈损坏时,可以拆下挡板,剥出密封圈加以更换。
小刀盘和螺旋机分别通过减速器由电动机驱动,螺旋机采用轴向出土的方式,可以增加土箱的容积,提高工作效率。
3、工作原理
加泥式小刀盘土压平衡顶管机的工作原理是:
由掘进机正面的小刀盘搅拌、切削土体、刀盘上的几排钨钢刀可以有效地切削正面土体,土体被切削以后,通过刀盘上的开口进入刀盘后的密封舱,密封舱内的土压传感器进行检测,通过土压平衡控制器来调节螺旋机转速,从而达到控制封舱内土压力的目的。
该顶管掘进机采用土压平衡机理,即将正面压力控制在土体的主动土压力与被动土压力之间,维持开挖面的稳定。
小于主动土压力,会导致地表沉陷,大于被动土压力,会引起地面隆起。
该掘进机由PLC控制,能自动调节螺旋机转速,因此能有效维持开挖面土体的稳定。
4、主顶装置
主顶装置共有四只千斤顶,分两列布置。
主顶千斤顶为等推力双冲程千斤顶,总行程为3.70m,2.0m长的管节可以一次顶进完成,无须加放顶块。
每只最大顶力为200t,主顶最大总顶力为800t,满足设计顶力的要求。
主顶动力站由一台63ml/r的轴向柱塞泵驱动,可以满足5cm/min的顶进速度,另外也可以通过调节变频器来改变油泵流量,从而控制顶速。
主顶千斤顶通过一个顶进环作用在管节尾部,使管节能均匀受力,千斤顶的合力中心应位于管节中心,以免顶进轴线产生偏差。
主顶装置上装有活动底架,便于调整轴线。
顶进用的导轨上也装有活动底架,除了用于调整轴线外,还可在顶进施工中根据需要调节砼管节位置的高底,保证洞口处的像胶水圈顺利套在顶管机及管节上。
5、顶进设备安装
把地面上建立的测量控制网络引放至工作井内,并建立相应的地面控制点,便于顶进施工时进行复测。
工作井内测量放样,精确测放出顶进轴线。
安装顶进后靠。
后靠采用整块箱型结构钢后靠,与井壁的接触面积大于4m×3m范围。
以扩大井壁受力面积,有利于工作井的稳定。
顶进后靠的平面垂直于顶进轴线,后靠与井壁结构砼之间的空隙要用砂浆或是砼填塞密实。
安装主顶装置和导轨。
先将它们大致固定,然后在测量的监测下,精确调整它们的位置,直至满足要求为止,随即将它们固定牢靠。
工作井内的平面布置,见附图。
搭建井内工作平台、安装配电箱、主顶动力箱、控制台等,敷设各种电缆、管线、油路等。
井内平面布置要求布局合理,保证安全,方便施工。
地面辅助设备的安装及平面布置。
辅助设备主要有拌浆系统、供电系统、电瓶车充电间等的安装及诬蔑财试,此外还有管节堆场、材料堆场、安全护栏等的布置。
地面辅助工作及井内安装结束后,吊放顶管机,接通电气、液压等系统,进行出洞前的总调试。
出洞的封门采用外封门,外封门用30#钢封门。
钢封门内外用防水玻璃布与了防水涂料涂布,洞门内用两道30#钢封门作横梁,与外封门及洞圈预埋铁焊接,外封门底部低于洞门300mm,插入由预埋铁件组成的楔形槽中,上部延伸至高于地面300mm,并与井体钢筋连接,防止沉井时脱落。
出洞前,先在洞口处安装双层止水带,其作用是防止顶管进出洞时正面的水土涌入工作井内,其另一个作用是防止顶进施工时压入的减阻泥浆从此处流失,保证能够形成完整有效的泥浆套,两层橡胶止水板间可以压注触变泥浆,使管节一出洞便被泥浆包裹。
为了防止钢封门拔除后洞外土体涌入顶管机密封舱,在顶管机顶入洞圈前,用黄粘土填充密封舱,这样既能平衡顶管机出洞时的部分正面土压力,又能减小对洞口处土体的扰动和地表沉降。
出洞时可以利物沉井施工时的井点,降低洞口处的地下水位,减小水头差,防止洞外水土涌入。
7、顶管机出洞
先在预留洞内接长顶进导轨,并做好限位块。
在洞圈内割除外封门钢横梁,在洞门内将钢板桩顶松。
将顶管机顶入止水带内,至顶管机端部离外封门约10cm时停止。
拨除外封门。
在测量监控下顶管机继续顶进,至主顶行程伸足。
在顶管机尾部烧焊限位块,防止主顶千斤顶缩回时,顶管机在正面土体作用下退回。
缩回主顶千斤顶,吊放砼管节。
割除限位块,继续顶进。
出洞后,顶管机和其后的第一至第三节砼管节用拉杆连在一起,形成一个整体。
顶管机和砼管节连在一起后增加了稳定性,对出洞后的一个阶段的顶进施工十分有利,同时也便于在以后的顶进施工中对顶管机进行控制。
8、顶进施工工艺
出洞阶段结束后,即可进行正常的顶进施工。
小刀盘土压平衡顶管掘进机采用计算机闭环控制的土压平衡机理,电脑控制。
小刀盘将土体搅拌后,经由螺旋机送到密封舱板后出土。
密封舱内有两个土压传感器将测定的土压力转换成电信号输入到土压平衡控制器内,由其自动调节螺旋机变频器,改变螺旋机转速,从而改变出土速度,使之与主顶顶速相匹配,使土压舱内的压力始终控制在土体的主动土压力与被动土压力之间。
顶进时,一般情况下主顶顶速是恒定的,随着土质的变化可能引起正面土压力的变化,当正面土压力高于设定土压力时,螺旋机出土加快,使正面土压力下降,降到低于设定土压力时,土压平衡控制器又会调节螺旋机变频,使出土减慢,土压力回复到设定范围,也就是维持一个动态平衡的过程。
顶进施工时,必要根据覆土深度和土质情况计算出顶管掘进机正面的水土压力,作为设定土压力,输入土压平衡控制器,此后就可以靠土压平衡控制器自动控制正面土压力。
土压平衡控制器分手动和自动两种控制方式,手动控制方式能将实际的正面土压力控制在更小的波动范围内,对于控制地表沉降是十分有利的。
在整个过程中,要针对不同的覆土和土质情况及时调整设定土压力值,以利顶进的顺利进行。
顶管机的螺旋机采用轴向出土。
螺旋机出的土直接卸在土箱内,土箱装满后,由电瓶车运出管道,到工作井内由吊车吊上地面弃土。
然后将倾空的土箱再放入井下,继续运土。
顶进时应注意,由电瓶车运土时,即螺旋机停止出土时,应暂停顶井,以免造成“闷顶”,引地面隆起。
同时也要防止顶时中断时螺旋机仍在出土,造成开挖面坍塌,地面下陷的情况。
一节管节顶进结束后,缩回主顶千斤顶,拆除洞口处的管线,吊放下一切管节,然后连接洞口处的管线,再继续顶进。
在顶管机和中继间处应放置应急照明灯具,保证断电或停电时管道内的工作人员能顺利撤出。
在中继间处压浆总管用软管过渡。
管道内的设备安装和管线布置,可采用预埋件或膨胀栓固定,凡采用预埋件固定的,应在砼管节生产前,将预埋件图纸提交给砼管节生产厂家。
9、管节接口处理措施
管节接口处理是顶管工程的关键部分,保证做好接口部分是顶管工程成败的关键,因此对组成接口的每一部分都必须严格遵照有关规程的要求逐一分别严格制作。
顶进前应对砼成品管、钢套环、橡胶密封圈和衬垫板从尺寸、规格、性能、数量等均作详细调查,必须符合标准设计图的要求。
顶进前还必须在现场作试安装,对不合格的砼成品管应予以剔除。
砼管接头的槽口尺寸必须正确,光洁平整无气泡。
橡胶圈的外观和任何断面都必须质密、均匀、无裂缝、无孔隙或凹痕等缺陷,橡胶圈应保持清洁、无油污,不能在阳光下直晒。
钢套环必须按设计要求进行防腐处理,刃口无疵点,焊接处平整,脚部和钢板平面垂直,堆放时整齐搁平。
衬垫材料为多层胶合板,其应力一应变关系应符合试验曲线要求,误差±5%。
粘贴时,凸凹口对中,环向间隙符合要求。
插入安装前滑动部位应均匀涂薄层硅油等润滑材料,对橡胶无侵蚀性,减少摩阻。
严禁使用其它油脂及肥皂水等润滑剂。
承插时外力必须均匀,橡胶圈不移位、不反转、不露出管外,否则应拔出重插。
顶管结束后,应按设计要求在内间隙嵌以弹性密封膏,要求与二管口抹平。
10、供电及照明
长距离供电为了解决电压降问题,一般采用高压输电,但是顶管施工有其特殊性,其管径小,若采用高压供电安全缺乏保障,因此我们是采用380V低压输电。
为了防止电缆线接头松动,接触电阻增加而影响供电质量,我们使用中的电缆接头箱,既保证了接头质量,又可以避免包扎受潮而产生的漏电事故。
顶时施工时,顶管机所需要电力由操纵平台上的电箱用50mm2电缆直接输送到工作面,电缆采用三相五芯制,井口采用航空接头,便于拆卸,管道内用接头箱进行电缆连接,确保使用安全。
照明采用36V安全电压,由管道内电箱中的1KVA变压器提供36V电源,每只变压器连接9-10只行灯进行照明,根据顶进长度来决定使用变压器的数量。
11、通讯、监控
顶管施工必须保证信息交换渠道的畅通,同时对施工操作人员要进行监护,防止发生安全事故,因此我们设立了通讯、监控系统。
通讯采用数字程交换机,各联络点之间可以通过电话自由通讯,在管道内空气潮湿,应使用防潮防爆的矿用电话机,以保证通话质量。
监控采用了两台监视器,分别对顶管机操作面和主顶操纵台进行监控。
这样地面人叫能及时了解施工情况,发生问题可以立即着手解决。
为了解决传输信号长距离输送衰减的问题,将信号通过放大器放大后再送上地面,保证了图像的清晰。
12、顶管进洞技术措施
为保证顶管机能顺利进入接收井预留洞,在离线收井15m左右时要加强对顶进轴线的观测,及时纠正顶进轴线的偏差,保证顶管机能顺利地按设计轴线进入预留洞。
为防止预留洞封门打开后洞外的土体涌入接收井内,在顶管机到达接收井前,在接收井内预留洞处安置一道橡胶止水带,以防止顶管机进洞时水土涌入井内。
接收井内按顶进轴线安装接收机架,使顶管机平稳地进入接收井,防止进洞后顶管机直接落到接收井底板上,造成后续管接口质量问题。
顶管机进洞后,尽快把顶管机和砼管节分离,并把管节和工作井、接收井的接头按设计要求进行处理。
13、降观测点的布置和观测
顶进施工的每个顶程都要布置地面沉降观测点。
出洞后的15m范围内每隔3m布置一个沉降观测点,然后每隔5m布置一个沉降观测点,在地面重要构筑物处适当增加沉降观测点布置。
在每一个顶程中还要布置两道断面沉降观测点。
沉降观测点布置必要做到安全、可靠。
对测量所用的仪器要经常校核,确保测量数据的准确性。
顶进施工时,对沉降观测点每天进行两次观测,对要保护的构筑物处的观测点适当增加观测的次数。
并及时把测量数据反馈到施工人员手中,便于指导顶进施工。
14、保护地面构筑物的技术措施
沿途设置沉降观测点,同时设几道断面观察点,每天二次观测地表沉降量、将数据及时反馈施工人员,以便根据沉降量,调整顶进参数。
顶进的前20m作为试验段,采集尽可能详尽的数据,掌握当地土层中顶进的适宜的顶进参数,同时控制好轴线,为以后顶进创造一个良好的导向。
顶管机穿越后,会存在一定的后期沉降,此时顶进仍在进行,必须不断进行定点补压浆,支护土体,补充失水的泥浆,直至顶进结束,补压浆的地点和压浆量均应根据沉降观测数据来确定。
顶进结束后,立即用水泥浆置换膨润土泥浆以固结土体,减少地表的最终沉降量。
水泥浆仍由管道内的压浆孔压法。
顶进施工中,必须严格执行以上各项措施,将顶管对环境的影响降低到最小程度。
15、与工作井,中继间的连接方案。
1)与中继连接,采取中继间千斤顶后,用砖砌平后,高标号水泥砂浆饰平。
2)与工作井,A、无流砂可采用砖水泥砂浆置换,止水橡皮。
B、可在洞内壁纸筑20-25cm砼。
16、顶管过程中遇到流砂、坍方采用的施工方案
如遇到流砂,采用闷顶,挤压,出土不求快,从小逐渐放大,以不产生流砂为原则,注意观测原地面,遇到坍方地段,采用注浆加压的防水土流失。
顶管机械和电气设备简介。
机头采用¢800的自制小刀盘土压平衡顶管机,功率为60KV,中继间为自制¢800,功率为15KV。
主顶装置800T。
、
对焊机,型号UN1-100型,直流电焊机为2×50-40型,功率13KW。
二、中继间设置
1、中继间型式
中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式钢结构件,偏转角度α=±2°,端头结构形式与“F”型钢筋砼管节相同,中继间由8只50t千斤顶推动,总顶力达到400t,千斤顶行程为30cm。
在铰接处设置二道可径向调节密封间隙的密封装置,确保顶进时不漏浆,并设置4只可以压注1号锂基润滑脂的油嘴,以减少顶时密封圈的磨损。
在正常顶进时,只使用第一道密封装置,第二道作为储备。
当第一道密封圈磨损时,发现有漏浆点,即可用径向调节装置,调整密封间隙,使漏浆现象得以及时制止。
当第一道密封圈磨损时,发现有漏浆点,即可用径向调节装置,调整密封间隙,使漏浆现象得以及时制止。
由于顶进距离长,密封圈磨损相当厉害,为防万一,第一道密封装置设计成可拆卸的,便于更换密封圈,从而达到万无一失。
2、中继间顶进流程
启动中继间液压动力站
中继间缸伸25cm
中继间油缸卸荷
主顶油缸顶进,中继间油缸缩回
一节管节顶进完毕
关闭中继间液压动力站
顶进施工中当主顶顶力接近许用顶力时,就应安装中继间。
中继间由液压力站控制,顶进时先开启顶管机,中继间同步启动,顶进25cm后,同时关闭顶管机和中继间,将中继间液压回路置于卸荷状态,然后主顶油缸顶进,将中继间油缸顶进,将中继间油缸压回。
这样一个行程完毕,如此反复,直到管节顶完。
五、顶管纠偏
1、纠偏装置
纠偏是通过顶管机上的纠偏铰产生折角的面进行的,顶管机为二段一铰结构,顶管机长径秕(即纠偏灵敏度)为L/D=1.08。
纠偏系统由4台150t双作用油缸都通过万向铰将顶管掘进机前后壳体连接在一起,使顶管掘进机能有一定范围内任意做出纪偏动作。
4组纠偏油缸由4个三位四通电磁换向阀控制,每个油缸前后腔油路关闭,使油缸内始终保持高压,确保纠偏动作的右靠。
2、实用纠偏技术
在施工过程中,要根据测量报表绘制顶进轴线的单值控制图,直接反映顶进轴线的偏差情况,使操作人员及时了解纠偏的方向,保证顶管机处于良好的工作状态。
在实际顶进中,顶进轴线的设计轴线经常会发生偏差,因而要采取纠偏措施,减少顶进轴线和设计轴线间偏差值,使之趋向一致。
顶进轴线发生偏差时,通过调节纠偏千斤顶的伸缩量,使偏差值逐渐减少并回至设计轴线位置。
在施工过程中应贯彻勤测、勤纠、缓纠的原则,不能剧烈纠偏,以免对砼管节和顶进施工造成不利影响。
实际操作中还应注意,纠偏是与顶管同步进行的一项工作,重要的是把握顶管趋势,不能指望一蹴而就,而应缓慢地、逐步进行,若操之过急就容易造成轴线的较大折角,反而不利于顶进的顺利进行。
六、顶进测量及控制
1、轴线测量方法
为了使项进轴线和设计轴线相吻合,在顶进过程中,要经常对顶进轴线测量。
在正常情况下,每顶进一节砼管节测量一次,在出洞、纠编、进洞时,适当增加测量的次数。
施工时要经常对测量控制点进行复测,以保证测量的精度。
2、顶进测量利用J2激光经纬仪置于顶进轴线上,跟踪顶管机内光靶测尺,顶进时,施工人员随时可以直观地看出顶管机动性偏差情况及行进方向,同时每顶进一节管节利用T2经纬仪二测回直接在井内观测顶管机内平面测尺偏差读数。
高程偏差测量采用水准仪测量测得顶管机中心标高,再与设计高程比得高程偏差。
另外,指示轴线在顶进过程中,必须利用联系三角形法定期进行复测,以保证整个顶进轴线的一致性。
顶进中顶管机前进趋势的测定
测定顶管机前趋势,能达到减少测量时间的目的。
顶进中施工人员对顶管机的纠偏也迫需要及时了解顶管机走势,以能够较有效地纠偏。
施工人员及时了解项管机走势,如果轴线偏差较小,且走势较好(沿设计方位),有时就可省去不必要的轴线差测量,提供更多的顶进时间,如轴线偏差较小,但顶管机不致偏离较大。
可见掌握了顶管管机的走势好处显而易见,为此我们设置了顶管机前进趋势测量及计算方法。
通过观察顶管机的持进趋势来指导纠偏。
本工程测量所用的仪器有全站仪、激光经纬仪和高精度的水准仪。
顶管机内设有坡度过板和光靶,坡度板用于读取顶管机的坡度和转角,光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。
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