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顶管施工方案
一、基本情况
二十一号路再生水管道工程中顶1~顶2节点间中水管道穿越外环河及环线中水管道采用顶管,管径为1650cm,内穿DN1000钢管,顶进长度为115m,埋深8.4m,我项目部计划60个工作日完成此段顶管施工(施工计划详见附表)。
二、顶管施工方法
图2.1施工工艺流程图
图2.2顶管施工断面图
1.施工计算
1.1工作坑的尺寸计算
1.1.1工作坑的宽度计算:
W=D1+2B+2b
式中W—工作坑底部宽度(m)
D1—管道外径(m)
2B+2b—管道两侧操作空间及支撑厚度。
1.1.2工作坑的长度计算:
L=L1+L2+L3+L4+L5
式中L—矩形工作坑的底部长度(m);
L1—工具管长度。
当采用管道第一管为工具时,钢筋混凝土管不宜小于0.3m;金属管不宜小于0.6m。
L2—管节长度(m);
L3—出土工作长度(m);
L4—千斤顶长度(m);
L5—顶管后背的总厚度(m);
1.1.3工作坑的深度计算:
H1=h1+h2+h3
式中H1—顶进坑地面至坑底的深度(m);
h1—接收坑地面至坑底的深度(m);
h2—管道外缘底部至导轨地面的高度(m);
h3—基础及其垫层的厚度。
但不应小于该初井室的基础及垫层厚度(m)。
1.1.4根据管径、埋深及以上公式,计算可得其尺寸如下:
主顶坑(d1650)7m×4m接收坑(d1650)6m×4m。
1.2本工程基坑深度为8.6m左右,此处的土为粘性土,可以采用“等值梁法”进行强度验算。
首先进行最小入土深度的确定:
确定土压力强度等于零的点离挖土面的距离y,因为在此处的被动土压力等于墙后的主动土压力即:
如图6.3.3
图1.3
式中:
Pb——挖土面处挡土结构的主动土压力强度值,按郎肯土压力理论进行计算即
——土的重力密度此处取18KN/m3
——修正过后的被动土压力系数(挡土结构变形后,挡土结构后的土破坏棱柱体向下移动,使挡土结构对土产生向上的摩擦力,从而使挡土结构后的被动土压力有所减小,因此在计算中考虑支撑结构与土的摩擦作用,将支撑结构的被动土压力乘以修正系数,此处φ=28°则K=1.78
——主动土压力系数
经计算y=1.5m
挡土结构的最小入土深度t0:
x可以根据P0和墙前被动土压力对挡土结构底端的力矩相等来进行计算:
挡土结构下端的实际埋深应位于x之下,所以挡土结构的实际埋深应为:
k2——经验系数(此处取1.2)
经计算:
根据抗倾覆稳定的验算,36号工字钢需入土深度为3.5m,实际入土深度为3.8m,36号双合工字钢需入土深度为5m,实际入土深度为5.5m,故:
能满足滑动稳定性的要求
1.3支撑结构内力验算
主动土压力:
被动土压力:
最后一部支撑支在距管顶0.5m的地方,36b工字钢所承受的最大剪应力
d=12mm,经计算
36b工字钢所承受的最大正应力
经过计算可知此支撑结构是安全的。
1.4管涌验算:
基坑开挖后,基坑周围打大口井,在进出洞口的位置,可降低地下水按距坑底1米计算,地下水形成水头差
,使地下水由高处向低处渗流,坑底下的土浸透在水中,土里可能处于浮动状态,坑底会产生管涌现象,为避免此类事故的发生,必须满足以下条件
t——挡土结构的入土深度此处为3.8m(由抗倾覆稳定性验算所得3.5m,实际为3.8m)
——地下水位至坑底的距离此处为1m
——地下水重力密度此处为1KN/m3
——土的浮重力密度此处为19KN/m3
——抗管涌安全系数一般取
经计算
因此此处不会发生管涌现象。
1.5顶力的计算
工程采取注浆减阻的方式来降低顶力。
考虑到顶管长距离顶进中摩擦力为主要阻力,正面土体被动土压力影响小,故忽略不计。
例如:
ф2000注浆后总顶力为:
F=F0+f0L
F0=αPeπD2/4
f0=(πDq+W)u’+πDC’
F——总顶力(kN);
F0——初始顶力(kN);
f0——每米管与土的综合摩擦阻力;
α——综合系数,取1.5;
Pe——土仓压力(kPa);
q——管周边的均布荷载;
L——最大顶进长度,取最长150m
D——管外径,ф2000管外径为2.4m
u’——管与土的摩擦系数(u’=tan(φ/2));
φ——土的内摩擦角,取15
W——每米管子的重力(kN/m);
C’——管与土之间的粘着力(kPa).
算得F=6300KN
1.6后背的计算
式中:
K——稳定系数;
Kp——被动土压力系数=tan2(45o+φ/2);
φ——土的内摩擦角,取20;
r——平均土的天然重度;
B——后背宽度(m);
P——最大顶力值;
h1——地面至后背墙顶部的深度(m);
h2——后背墙的高度(m);
h3——工作坑地面至桩尖的深度(m)
算得,K=2.6>1;所以,后背稳定。
2.工作坑施工
2.1工作坑的支护
2.1.1水泥搅拌桩制作
工作坑的支护采取外打水泥搅拌桩内打钢桩。
水泥搅拌桩长为12m,桩径500㎜,咬合200㎜,水泥含量15%。
主坑距离河边较近一侧设置为双排搅拌桩,其余三面为单排。
水泥按加固土重量掺入20%,改善其封的物理力学性能,使渗透系数降低在10-7—10-8cm/s以下。
副坑采用四周间隔桩,直径700mm,桩长12m,中心间距500mm,四面均做单排搅拌桩。
水泥搅拌桩固化后进行钢桩施工。
如图2.1和2.2。
图2.1顶管坑(主坑)平面布置图
图2.1顶管坑(副坑)平面布置图
2.1.2水泥搅拌桩质量控制
(1)抄平放线
施工前应平整场地,并测量施工范围的自然地面标高,放出水泥土墙位置的灰线,确定桩位。
在铺设好导轨后,测出桩机底盘标高,以此确定搅拌桩机悬吊提升及下降的起讫位置,控制桩顶、桩底标高,若采用步履式机架则可根据立柱底标高确定。
(2)样槽开挖
由于水泥土墙是由水泥土桩密排(格栅型)布置的,桩的密度很大,施工中会出现较大涌土现象,即在施工桩位处主体涌出高于原地面,一般会高出1/8~1/15桩长。
这为桩顶标高控制及后期施工带来麻烦。
因此在水泥土墙施工前应先在成桩施工范围开挖一定深度的样槽,样槽宽度可比水泥土墙宽增加300~500㎜,深度应根据土的密度等确定,一般可取桩长的1/10。
(3)清除障碍
施工前应清除搅拌桩施打范围内的一切障碍,如旧建筑基础、树根、枯井等,以防止施工受阻或成桩偏斜。
当清除障碍范围较大或深度较深时,应做好覆土压实,防止机架倾斜。
清障工作可与样槽开挖同时进行。
2.1.3打设钢板桩
钢桩选用工子钢,长为8m,型号为I36b、I40,主坑工字钢后备密排,其余间距为0.5m,副坑为0.8m,出洞口位置钢桩距管外皮50㎝,水泥搅拌桩与钢桩净距为10㎝,
2.1.4钢板桩施工前的准备工作
(1)钢板桩检验
钢板桩材质检验和外观检验,对焊接钢板桩,尚需进行焊接部位的检验。
对用于基坑临时支护结构的钢板桩,主要进行外观检验,并对不符合形状要求的钢板桩进行矫正,以减少打桩过程中的困难。
(2)钢板桩的矫正
钢板桩为多次周转使用的材料,在使用过程中会发生板桩的变形、损伤,在以后工程使用前应进行矫正与修补。
(3)钢板桩施工顺序
在钢板桩的打设前,应先进行基坑的测量放线,并在打桩处挖桩沟防止破坏地下管线。
将机架移动到位,挂好控制线,经反复核对无误后方可打桩。
打桩机选用振动打桩机。
2.1.5工作坑的支撑宜形成封闭式的框架,四角增加斜撑。
工作坑按坑深分三步支撑,支撑采用I40工子钢作顺水,顺水托架用三角形钢板制成焊接在钢桩上,每一个面上两个,并用Φ16钢筋将顺水与钢桩焊接牢固。
顺水安装时采取以长边顶住短边,并在4个交角处用钢管(Φ120、t=1.2)或短工子钢做角撑,与顺水焊接。
图2.3工作坑断面示意图
2.2工作坑降水
工作坑采用打设大口井降水,在工作竖井四角做内径为500mm深为16m的大口井,利用水泵进行降水。
大口井的水平间距应根据土层性质、渗透系数、涌水量等确定,一般不大于40m。
2.2.1大口井的施工方法
井筒的沉设方法,采用回转钻机,或冲击钻机冲击成孔,孔径比管外径(包括过滤层)大于30厘米以上。
钻冲成孔后,孔内的泥浆应稀释、置换,而后沉设井筒。
井筒的底部用草袋片或土工布加粗砂砾石作反滤层,厚度约20厘米。
井筒与孔之间的空隙,用粗砂、砾石等滤料回填至地下水位。
大口井施工完成后应立即进行排泥及试抽水,防止淤塞。
若试抽水6小时后出水仍含有大量土颗粒呈混浊水时,应立即检查井筒封底、管口连接、过滤层等,如发现问题应及时修复或拔出井筒,重新沉设。
在大口井开始抽水至基坑回填到地下水位前,不得中断抽水。
使用水位自动开关控制井内水位。
在抽水期间应经常检查水泵出水、地下水位变化、井底回淤等情况,防止潜水泵或水泵进水管被回淤掩埋。
大口井停止抽水后,应立即拆除抽水设备,并将井孔回填密实。
大口井应在基坑开挖前抽水,提前降低地下水,这有利于基坑(槽)的开挖及坑壁、坑底的稳定。
2.2.2大口井沉设深度的计算
H=h+δ+hl+h2+I*B
式中:
H—大口井的深度
h—基坑(槽)深度
δ—井筒封底厚度
h1—抽水泵吸水头高度
h2—井筒内预留回淤高度一般取0.5~1.0米
I—降水坡度,一般取1/10;
B—大口井与基槽的水平距离(rn);
根据经验,打井深度一般为基坑深度加上4-6m。
2.3工作坑开挖
工作坑开槽施工采用1m3挖掘机挖土,土方运至业主指定地点。
先挖距地平1.5m深处,焊扎钢架组成框架,焊接牢固再继续挖土至槽底0.2m处座砖砌集水井一座,钢桩内侧做排水沟并通入集水井,用3寸潜水泵排入河道内。
最后用人工清至设计槽底。
采用机械配合人工挖土,挖土顺序为首先用挖掘机挖至第一步顺水处,然后做第一步顺水,再用挖掘机挖至第二步顺水处,做第二步顺水。
并用木板卡在工子钢槽口做基坑四面的挡土撑板,中间用Φ16钢筋做横肋与钢桩焊住,再挖第三步土。
当挖掘机挖到够不着土时,改用人工挖土装入土斗,用吊车吊车将土吊到地面上,装入运行车拉走。
2.4工作坑清底做排水沟
当挖至基坑底时(设计的井底垫层下平),用人工清底。
坑底四边挖排水沟深0.3m、宽0.3m。
在工作坑两角处做水窝子,对角布置共计两个,直径0.8m、深1m,周圈及底面用红砖干砌,外压草帘子。
水窝子内设1台潜水泵,以备坑内的排水,基坑地面应清平,遇有腐软的地方要挖掉软土回填片石或混渣石料以加固土体。
待监理验过基坑底后,进行垫层的施工。
2.5工作坑垫层的施工
工作坑底板采用C30混凝土,地板厚度为30cm(根据土质情况进行调整)。
混凝土浇筑前,要做好各项准备工作,保证现场的用电、照明、振捣器、振捣棒、平板振捣器能正常使用,以及混凝土溜管连接可靠,无漏口及破损。
为保证工程质量和加快施工进度,本工程中所涉及的混凝土全部采用商品灰。
混凝土运到现场后,先由现场的施工技术人员和质量负责人对其进行检查,包括观察其外观、测塌落度,如不符合要求,应立即要求搅拌站换混凝土,待自检和监理检验均合格后方可浇筑,浇筑时混凝土溜管应自始至终垂直垫层的平面。
浇筑顺序应先从垫层的中央浇筑,均匀由里向外周圈式扩散。
由于垫层的混凝土用量较少,可一次浇齐。
振捣时先用平板振捣器将垫层的大面平整一遍,后用插入式振捣棒对垫层的边角振捣,最后瓦工用木抹子对其表面抹平搓毛。
浇筑后覆盖工程专用塑料薄膜进行养护。
混凝土浇筑同时,派专人制作试块,共计3组,其中一组为28天标养,另外两组为同期养护,待同期养护试块强度达到50%时,可进行底板的施工。
2.6工作坑底板的施工
2.6.1钢
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