水利工程分洪管線頂管施工技術應用

曾博文

(江西省水利水電建設集團有限公司,南昌 330200)

0 引 言

水利工程分洪管線長度大、規模大,若采用傳統的開挖安裝施工技術,對周圍環境造成的影響比較大。現如今人們愈發注重環境保護問題,使得頂管施工技術的應用范圍逐年擴大。加強對頂管技術的分析研究,有助于改進和完善頂管施工技術,提升管道施工的技術水平。將其應用到分洪管線施工中,可大幅度提升分洪管線的利用率,提升防洪、抗洪效果,同時還能促使水利工程的施工建設更加科學、規范。基于此,開展水利工程分洪管線的頂管施工技術分析研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

南康堤位于鄱陽湖北岸的廬山市縣城城南,著名旅游圣地廬山南麓,三面臨水,隔湖與都昌、吳城相望。圩堤堤線全長3.692km,為保護廬山市城的圩堤。防洪能力提升路段共計2.16km,其中鄱陽湖大道防洪墻段1.37km、湖濱路防浪墻段0.3km、南康堤岸坡加固整治0.49km。分洪導流工程共計3.151km,PCCP管分洪導流2.934km,頂管0.2km。現有排澇設施改造3 座,新建流泗電排站1座,陂壩1座,拆除重建南門交通閘1座,流泗港清淤除障 0.6km。

2 頂管施工技術應用的重難點

本工程分洪管線所在區域為崗垅地形,地形地貌變化幅度大,高程在23～80m之間,防洪管線位于崗埠湖岸與湖灘交接處。湖岸在浪蝕作用下形成特有的浪蝕崖地貌。在此種地質條件和地形地貌下,應用頂管施工技術存在很多重難點,具體如下:

1)由于分洪管線的主要作用是泄洪和抗洪,因此,所在區域地層中含水量比較大,地形地貌起伏大,施工現場條件復雜,如何將頂管施工的頂進設備安裝到指定位置,并保證頂進設備發揮出相應的作用和功能是本工程施工的重難點之一[1]。

2)在頂管頂進施工中,如何結合地質條件和分洪管線的實際情況,確定頂進力預測和測量控制,同樣是本工程頂管施工的重難點。

3)本工程現場條件復雜,在頂管施工中需要多次糾偏調整,如何有效控制糾偏調整的有效性和準確性,也是本工程施工的重難點。

3 頂管施工技術在分洪管線施工中的應用要點

3.1 頂進設備的安裝

針對本工程頂管施工中存在頂進設備難以安裝到指定位置,以及頂進設備穩定可靠運行的重難點。在進行頂進設備運行的導軌安裝中,采用了裝配式軌道,以減少現場安裝工作量。導管直接安裝在混凝土基礎面上,當導軌定位后,要及時穩固,以免保證在頂進施工中不因承受的負載,發生位移、變形、沉降,導軌在安裝前需要提前復核管道中心位置。此次工程采用了以重軌為導向的軌道,以確保其具有較高的剛性及強度。兩條軌道應該是平行的,高度是相等的。經裝配后,導向器順直,平行,等高,牢固,其垂直斜率與設計的管線斜率相符合。軌道斜率符合設計,安裝后的軌道必須堅固,在運行期間不能有任何的位移和過度的變形。軌道的枕頭或枕頭的規格和安裝尺寸按照下面的要求進行:軌道由24kg/m或38kg/m的輕鋼軌道制造,長2～3m。導向裝置應筆直、平整、坡度與縱向管線平行,軌道高度和容許誤差為-2mm,軌道中心距離為3mm。最適宜的是每根枕頭的長度都要長出20～30cm。

工作坑上方的平臺采用工字鋼32號鋼作基礎,25號鋼筋作為踏腳,在平臺的入口處,采用5cm的板材滿鋪,并在工字鋼地梁上進行加固,其余滿鋪5cm厚板材。下管孔直徑≥2.5m×3.6m。為了方便挖掘,施工現場的井臺高度可以在一定程度上提高,但要與周圍的天然地表保持一致。該項目的后壁采用工作井和工作坑混凝土墻體,混凝土墻體外側加5cm厚的鋼板,與頂入軸線垂直。在進行安裝之前,必須對高壓油泵,液壓油缸,液壓管路控制系統,頂鐵和壓力計校準等進行檢驗,確保所有的裝置正常后,才能進行裝配。在頂管工程中,必須按照工程的要求,設置高壓油泵、管路和控制裝置。油泵最好安裝在靠近液壓缸的地方,管路應直順,轉角少;油泵應該和液壓油缸配合,并有一個后備的油泵,以保證頂進設備運行的穩定性,滿足頂管持續頂進施工的要求[2]。

3.2 加強對頂管頂進的控制

針對本工程頂管施工中存在頂進力預測和測量控制難度大的問題,結合本工程所在區的地質條件,在頂管施工中可采用預開挖方法進行施工。采用50t汽車吊來下管。接頭不能與導桿發生碰撞,管頭下至導桿,并與工具管引導圈緊密相連,分洪管線的中軸線根據圖紙所示的方位確定,前后高度要與圖紙一致,并經驗證后方可進行。該項目的地質條件是以砂礫層、泥質地層為主,具有良好的土質穩定性,采取了手工開挖的方法。巖體以水鉆法進行鉆孔,而粘土則以手工鑿入法進行。由于人工開挖造成的超開挖,為了保證管線與周邊的土壤或巖石的粘接,必須使用水泥砂漿對超開挖進行灌注。工具管接觸或者切入土層之后,必須從上往下進行分段施工,工具管的超挖量要依據土壤條件確認。在允許超開挖的穩定土壤中進行常規上推,管道下端135°以內嚴禁超掘;管道頂部的超挖深度≤1.5cm;在管之前,要按實際的條件來決定超限開挖,并采取相應的防護措施。在對頂時,對相鄰的管道末端處,可以在兩個管道中間挖一個小孔,以調節其偏移[3]。

頂管的頂力可按照以下公式估算出來:

P=fγD1[2h+(2h+D1)tg2(45°-φ/2)+ω/γD1]L+PF

(1)

式中:P為頂管頂進的總頂力,kN;f為頂管頂進施工中分洪管線表面和周圍土層之間的摩擦系數,其取值如表1所示;γ為分洪管道所處土層的重力密度,kN/m3;h為分洪管線頂部以上覆土層的厚度,m;D1為分洪管線的外徑,mm;φ為分洪管線所處土層的內摩擦角,°;ω為分洪管線單位長度的自重,kN/m;L為分洪管線的計算頂進長度,m;PF為頂管頂進施工中工具管的迎面阻力,kN。

表1 頂管頂進時和周圍土層的摩擦系數表

測量工作在頂管施工中起著舉足輕重的作用,其實施與否將直接關系到管道的線型平滑,乃至對頂管的順利貫通,所以必須進行細致的測量施工,以保證萬無一失。

1)井中測量:通過控制樁用儀器確定井下管線的頂進軸線測量裝置的定位;同時,在測量裝置的另一端和井沿上,安裝上測量儀的再測點和線,這樣就可以在管道頂進軸線的測量中,監測設備本身的位移量;每6小時對儀表的定位進行一次復查。

2)管道頂點軸線的測量:在井口安裝一個固定的測點,按照設計的縱坡,用經緯儀調整豎直角度,并在機頭安裝一個光靶,用于控制管線的軸線和高度;如果由于距離太遠,無法用一面反射鏡進行測量,就需要增加一個中轉站[4]。

在頂管施工期間,常常進行頂進軸線的測量,每次頂進25～30cm,并記錄3次,如果頂進軸線與設計軸線出現偏差,應及時糾正,減小誤差。在出洞、進洞和糾偏時,應適當加大測量的數量。

在工作井中,應設置對工作井的位移和傾角進行不定期的監控監測點,并根據頂力的增大,提高對工作井的位移和傾角的監控的頻率。

3.3 加強糾偏控制

在頂管施工中,糾偏是非常重要的工序,由于頂管全部位于地下,難以對頂進的方向進行精確監測和控制,使得糾偏難度非常大。在本工程頂管施工中,引起管道偏離軸線的原因主要外力不平衡造成的,外力不平衡的主要原因有:推進管線不在一條直線上、管道截面不垂直管道軸線、管節之間墊板的壓縮性不完全一致等。為了準確地反映各個節點的頂力和管線軸向的偏差,可以實時監控在頂板處的受力,由此可以計算出端面的應力和頂板的傾角,并據此來調節補償的范圍,避免由于偏心系數大,造成套管的接頭受壓或套管的中段產生環形裂紋[5]。由于管節出現裂紋,將不能確保套管周邊的鉆井圈起到支承和減摩擦力,從而導致鉆頭和地面塌陷。

在進行糾偏操作中,需要解決的問題有兩個,一個是往那個方向糾偏,另一個是糾偏量是多少。在本工程頂管施工中,操作人員都能從計算機顯示器上看到機頭的偏差方向,以決定往相反的方向進行糾偏。出現一個初始偏差后,需要根據土質情況和初始值的大小,先擬定一個糾偏計劃,可采用分洪管線端頭的張角或者開口來控制最大糾偏角度。

由于本工程頂管管徑為DF2600鋼筋混凝土管,因此,在進行糾偏調整中S1需要控制在20～30mm以內,以確定糾偏油缸的伸長量[6]。當糾偏量達到初始值的50%時,立即減少油缸的伸出量,以免機頭向另一側偏差。

4 施工效果

在案例工程頂管施工中,結合施工中存在的重難點,制定了有效的解決方法,保證了頂管施工順利完成,頂進設備、頂力、頂進過程、糾偏效果都達到了設計要求的效果,表明采用上述施工方法,可很好的解決頂管施工中存在的問題,更好的保證施工質量。

5 結 語

綜上所述,結合實際案例,分析了水利工程分洪管線的頂管施工技術,結果表明,在水利工程分洪管線頂管施工中,如何安裝頂進設備,確定頂力,頂進測量,頂進糾偏是施工的難點和重點。采用裝配式軌道、精確計算頂力、控制控制測量、糾偏半徑控制等方法,可有效保證施工頂管施工的質量,值得類似工程在施工中高度重視。