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水利工程頂管施工技術(shù)應(yīng)用研究

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水利工程頂管施工技術(shù)應(yīng)用研究

摘要:頂管施工技術(shù)的“非開(kāi)挖”或“少開(kāi)挖”特性,已經(jīng)廣受工程設(shè)計(jì)、施工人員的青睞。本文從頂管施工技術(shù)的產(chǎn)生背景、主要原理、施工前中期的測(cè)量準(zhǔn)備工作、頂管工作坑的設(shè)置方式、降低頂進(jìn)過(guò)程摩擦阻力的有效方式、應(yīng)用于水利工程中時(shí)的頂管施工技術(shù)作業(yè)流程等方面對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,以供參考。

關(guān)鍵詞:頂管施工技術(shù);水利工程;摩擦阻力;測(cè)量準(zhǔn)備

引言

頂管施工技術(shù)是一種非開(kāi)挖或少開(kāi)挖的管道埋設(shè)施工方式。籠統(tǒng)來(lái)說(shuō),在工作坑內(nèi),使用頂進(jìn)設(shè)備,借助其在特定方向產(chǎn)生的頂力,降低管道與土壤間的摩擦力,從而將管道從目標(biāo)坡度“頂”入土中,最后將土方運(yùn)走。此種技術(shù)由于無(wú)需或少量開(kāi)挖,不會(huì)對(duì)工程所在地的道路及其他重要設(shè)施的周邊環(huán)境造成破壞,因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑工程、道路橋梁工程以及水利工程。

1水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)的產(chǎn)生背景及主要原理

在水利工程施工中,地下管道的安置、更換長(zhǎng)期以來(lái)嚴(yán)重困擾著設(shè)計(jì)人員。頻繁的開(kāi)挖不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、造成極大的成本支出,還會(huì)嚴(yán)重影響工程建筑主體下方的土層環(huán)境,一旦出現(xiàn)問(wèn)題,將會(huì)嚴(yán)重影響工程整體質(zhì)量。面對(duì)此類問(wèn)題,盾構(gòu)施工法應(yīng)運(yùn)而生,以更加先進(jìn)的頂涵作業(yè),革新了工程主體結(jié)構(gòu)的頂進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)方式,并將明挖開(kāi)槽轉(zhuǎn)變?yōu)榘低诙軜?gòu)支護(hù),極大地降低了施工過(guò)程對(duì)交通造成的影響。而頂管施工技術(shù)在盾構(gòu)施工法的基礎(chǔ)之上,得到了進(jìn)一步的改進(jìn)。應(yīng)用于水利工程、橋梁隧道工程、地下管線鋪設(shè)時(shí),無(wú)需開(kāi)挖面層,即可穿越諸多障礙物。其主要原理為借助主頂油缸和管道間、中繼間的推理,將作業(yè)工具管甚至是掘進(jìn)設(shè)備沿著工作井內(nèi)部直接穿過(guò)土層,一直推到接收井所在位置后,執(zhí)行吊起操作。與此操作同時(shí)進(jìn)行的,是將緊隨工具管與掘進(jìn)設(shè)備后方的管道埋設(shè)在工作井和接收井之間,最終通過(guò)非開(kāi)挖的方式達(dá)到成功敷設(shè)地下管道的目的。

2施工前中期的測(cè)量準(zhǔn)備工作

在水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)時(shí),必須重視導(dǎo)向問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),頂管的距離越長(zhǎng)、口徑越大、導(dǎo)向工作的困難性就會(huì)越高。在施工前期,應(yīng)該工作管道的頂進(jìn)方向,一旦出現(xiàn)偏差,將會(huì)嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。具體流程如下:首先,在靠近建筑體后墻的平面位置進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算后,設(shè)置頂管工作坑。如果水利工程規(guī)模較小、施工距離較短,可以采用樣線法,將初始位置、終端位置的線路相連,確認(rèn)頂級(jí)管道的“行駛”軸線后,執(zhí)行打樁定向作業(yè)。如果頂進(jìn)距離較長(zhǎng),可以在經(jīng)緯儀等輔助工具的作用下,確定軸線。其次,將敷設(shè)工作坑平面的導(dǎo)軌作為頂進(jìn)管道的基準(zhǔn)。為了保證后續(xù)作業(yè)的精準(zhǔn)程度,進(jìn)行導(dǎo)軌安裝作業(yè)時(shí)必須反復(fù)確認(rèn),直至滿足“牢固”、“水平”等要求,同時(shí)還應(yīng)注意導(dǎo)軌的中心線與頂管的軸線“完美重合”。最后,以第一根正確頂進(jìn)的管道作為起點(diǎn),通過(guò)吊裝的方式,將之放置于導(dǎo)軌之上。此時(shí)可以啟動(dòng)油泵,正是開(kāi)始頂進(jìn)作業(yè)。在此過(guò)程中,必須時(shí)刻注意中心線與軸線的重合情況,一旦出現(xiàn)偏離必須即刻調(diào)整。水利工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜,地下土層很容易出現(xiàn)各種突發(fā)情況,因此在頂進(jìn)過(guò)程中,必須采用良好的檢測(cè)方式,使管道按照預(yù)定線路前行。達(dá)到一定的行進(jìn)距離后(以1m作為分隔),進(jìn)行降準(zhǔn)測(cè)量,務(wù)必保證行進(jìn)方向不會(huì)出現(xiàn)任何偏離。總體來(lái)看,在水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù),很容易出現(xiàn)行進(jìn)放線偏離預(yù)定線路的情況,因此,必須及時(shí)進(jìn)行糾偏作業(yè)。常見(jiàn)的糾偏方式可以分為短距離人工法和長(zhǎng)距離機(jī)械法:①施工人員可以將頂管偏離方向的土層清除干凈,此舉能夠使偏離區(qū)段土壤對(duì)頂管的作用力失衡,在調(diào)整油缸端的頂點(diǎn)位置后,即可達(dá)到糾偏的目的。②采用機(jī)械方式,在工具管的頂頭以及鋼管的環(huán)圈斷面上設(shè)置獨(dú)立運(yùn)行的液壓系統(tǒng)。此舉能夠使工具管具備活絡(luò)頂頭的功能性,一旦出現(xiàn)偏離現(xiàn)象,受到異常作用力后,壓力表上的讀數(shù)會(huì)出現(xiàn)偏差,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏離現(xiàn)象。通過(guò)針對(duì)性改變油缸壓力的方式,可以對(duì)偏離的導(dǎo)管進(jìn)行“導(dǎo)正”,從而完成糾偏[1]。

3頂管工作坑的設(shè)置方式

頂管工作坑作為頂管施工技術(shù)的核心操作場(chǎng)所,必須維持安全、穩(wěn)固的工作狀態(tài)。如前文所述,水利工程周邊的土層環(huán)境不可控性較大,工作坑的大小、應(yīng)用的支護(hù)設(shè)備等需要經(jīng)過(guò)精確計(jì)算。一般來(lái)說(shuō),工作坑的實(shí)際尺寸與頂管的各項(xiàng)參數(shù)息息相關(guān)。(1)進(jìn)行平面參數(shù)確認(rèn)時(shí),應(yīng)該按照下列公式進(jìn)行計(jì)算:工作坑寬度=頂管外徑(m)+2×套管兩側(cè)操作寬度(1.5m)+2工作坑兩側(cè)支撐板裝厚度(0.25m)工作坑長(zhǎng)度=單一頂管長(zhǎng)度(m)+油缸長(zhǎng)度(m)+后靠墻厚度(0.5m)+頂管外留的焊接長(zhǎng)度(0.5m)+引出土環(huán)長(zhǎng)度(m)+頂頭等特殊工具管長(zhǎng)度(m)(2)進(jìn)行斷面位置確認(rèn)時(shí),應(yīng)該按照以下公式進(jìn)行計(jì)算:斷面位置務(wù)必與水平方向保持垂直狀態(tài),在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)深度=地坪至頂管頂部的深度距離(m)+平鋪槽鋼的深度距離(0.25m)+混凝土基礎(chǔ)厚度(0.35m)+頂管的截面直徑(外徑,m)(3)進(jìn)行后靠墻確認(rèn)時(shí),應(yīng)該充分考慮頂管的深度,否則在巨大的反作用力下,容易對(duì)水利工程的地下建筑結(jié)構(gòu)造成沖擊。此外,墻面必須保持90°的垂直狀態(tài)[2]。(4)布置操作面。首先,使用混凝土,在工作坑的地步澆灌厚度在30cm以上的土層。其次,在土層上方鋪設(shè)兩層以上的槽鋼,同時(shí)還應(yīng)注意對(duì)水平面的矯正。再次,沿著頂進(jìn)軸線設(shè)置一組導(dǎo)軌(一般來(lái)說(shuō),導(dǎo)軌之間的距離應(yīng)該在頂管外口徑的60%~70%之間)。之后,選用一組或兩組油缸(雙數(shù)),將之放置在升降調(diào)節(jié)架上,并執(zhí)行固定作業(yè)。最后,在頂坑的前端預(yù)留1m左右的工作坑,用來(lái)焊接導(dǎo)管。

4降低頂進(jìn)過(guò)程摩擦阻力影響的有效方式

執(zhí)行頂進(jìn)作業(yè)時(shí),地下土層與頂管外表面必然產(chǎn)生較大的摩擦阻力。隨著頂進(jìn)距離的提升,導(dǎo)管的長(zhǎng)度、質(zhì)量均會(huì)增加,故而作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng),產(chǎn)生的阻力越大。為了提升頂進(jìn)作業(yè)效率,需要通過(guò)合理方式降低摩擦阻力的影響。常見(jiàn)的方法為:①在工具管中接入水管,采用環(huán)噴等方式,是水均勻覆蓋在頂管外表面。當(dāng)水分深入到土層后,土層的堅(jiān)硬程度必然降低,從而起到降低摩擦阻力的作用。此種方式僅適用于短距離作業(yè),一旦距離加大,效果將會(huì)顯著降低。②執(zhí)行長(zhǎng)距離頂進(jìn)作業(yè)時(shí),可以使用出邊潤(rùn)滑劑,從頂管的外壁壓入,接觸泥漿之后,能夠極大地降低摩擦阻力。觸變式泥漿潤(rùn)滑劑的配置方法如下:以質(zhì)量計(jì),水、石堿、膨潤(rùn)土的比例應(yīng)該大致滿足4:1:1,此比例無(wú)需嚴(yán)格控制,只要大致滿足即可。根據(jù)頂管施工實(shí)際案例的相關(guān)數(shù)據(jù)可知,受水分影響而形成的泥漿,阻力如果達(dá)到30N/m2,添加泥漿潤(rùn)滑劑之后,摩擦力的下降幅度接近70%。③在頂進(jìn)管道中以串聯(lián)的方式安裝一定數(shù)量的接力環(huán)。此舉的目的在于將長(zhǎng)頂管分為多個(gè)接力環(huán)段,在其周圍布置油缸。當(dāng)接力環(huán)上的油缸啟動(dòng)時(shí),處于后置未知的頂管能夠切到支撐底座的作用,從而使頂管先前推進(jìn)。此種方法的原理在于,將長(zhǎng)距離頂管收到的摩擦阻力進(jìn)行“分割”,類似于多人分處線路的不同位置,無(wú)需人移動(dòng),實(shí)現(xiàn)物品傳導(dǎo)的過(guò)程。然而此種方式需要消耗大量的機(jī)械動(dòng)能,成本較高[3]。如圖1所示,為長(zhǎng)距離頂管接力環(huán)的安裝示意圖。

5水利工程中應(yīng)用頂管施工技術(shù)的主要作業(yè)流程

上述四點(diǎn)主要介紹了頂管施工的各項(xiàng)要素,再具體作業(yè)時(shí),應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行如下流程:(1)預(yù)先檢查油泵、油缸、液壓系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等是否處于正常工作狀態(tài)。特別是供電系統(tǒng),容易受到水利工程周邊濕潤(rùn)環(huán)境的影響,必須仔細(xì)檢查。(2)操作頂管時(shí)必須循序漸進(jìn),不可操之過(guò)急。(3)頂進(jìn)過(guò)程中必須時(shí)刻注意油缸活塞桿的行程,按照預(yù)先設(shè)計(jì)方案,行程數(shù)設(shè)定在1m左右。如果油泵壓力表中的相關(guān)數(shù)值出現(xiàn)異常浮動(dòng),則必須即可暫停作業(yè),待查明原因后,方可繼續(xù)。(4)務(wù)必及時(shí)清理土方,保持“頂進(jìn)-清土-頂進(jìn)-清土”循環(huán)進(jìn)行。如果出現(xiàn)“悶頂”狀況,將會(huì)嚴(yán)重影響頂進(jìn)質(zhì)量(若工程規(guī)模較小,頂管外口徑在300cm以下,則可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)環(huán)境進(jìn)行悶頂)。(5)頂管施工應(yīng)該連續(xù)進(jìn)行。一旦施工間隔超過(guò)一定期限,土層堅(jiān)硬程度必然提升,導(dǎo)致阻力大幅度增加。

6結(jié)語(yǔ)

在水利等工程施工中,“非開(kāi)挖”的設(shè)想雖然早已出現(xiàn),但得以實(shí)現(xiàn)并受到廣泛應(yīng)用的時(shí)間較短。其主要作用為糾正管道在地下延伸的偏差。很多大中型管徑的開(kāi)挖施工“動(dòng)靜”極大,稍有不慎即會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成破壞,故而具有“不開(kāi)挖地面、不拆遷、不破壞工程主體建筑物、不影響管道段差變形”的頂管施工技術(shù)能夠從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面,為諸多工程項(xiàng)目提供更加合理的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]石榮鋼.研究頂管施工技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用[J].建材與裝飾,2019(33):293-294.

[2]王小煥.頂管施工技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用[J].珠江水運(yùn),2019(19):85-86.

[3]石振軍.頂管施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2018,15(8):40,42.

作者:沈印 單位:安徽水利開(kāi)發(fā)有限公司