咬合大管棚施工工法

'咬合大管棚自动取土顶进工法中铁隧道集团有限公司马锁柱陈浩韩建坤一、前言采用暗挖法修建的大断面地下工程不仅结构形式、施工工艺多种多样，施工的辅助措施也不尽相同。“咬合大管棚自动取土顶进工法”是中铁隧道集团在北京地铁五号线崇文门车站近距离大跨下穿北京地铁既有环线区间隧道创造性应用一种新颖的施工方法。该工法控制地层变形效果显著，施工工艺先进，地层适应性强，具有显著的社会、经济效益。二、工法特点1、咬合大管棚施工采用液压顶进系统，螺旋钻管内出土，根据沉降控制标准和地层情况，可以调整钻头与钢管的相对位置，做到超前成孔或滞后出土，钻头超前时可以通过扩孔刀片进行扩孔操作。2、采用干取土作业方式，避免带水成孔施工方法自身操作对地层的严重扰动，可以更可靠、更有效地控制地层变形。3、咬合大管棚施工通过大管棚之间的咬合作用，能够防止管棚上方土体的流失变形，同时增强管棚的整体刚度和定位的准确性。4、可以附带注浆管同时安装就位，随时进行定位注浆作业，确保对地层的影响更小，从而达到更高的控制标准。三、适用范围13 本工法适用于非饱和含水的软岩地层中钢管管道或管幕施工，在卵石地层或含有建筑垃圾的回填土地层中施工时，卵石或块状垃圾粒径以不大于钻杆外壁和钢管内壁之间的空间为限。四、工法原理及关键技术1、水平液压顶进螺旋钻出土施工大管棚施工系统由支架、液压顶进系统和液压螺旋钻系统三部分组成，在施工过程中管棚和螺旋钻系统由同一套顶进系统同步顶进，位置相对稳定。通过调节机头框架可以调节螺旋钻头与管棚的相对位置，钻头的超前、超前距离、超前是否扩孔以及钻头滞后对地层的扰动变形和施工进度影响很大，在施工中根据需要进行控制和调整。施工原理示意图见图1。图1水平液压顶进螺旋出土顶管施工原理示意图2、大管棚的咬合工艺大管棚咬合设置根据施工工艺和施工需要进行设计，在施工中采用槽钢和工字钢作为咬合体系，可以使大管棚在施工和布设形式上有一定的调节空间，增强了大管棚施工的适应性。大管棚的咬合体系见图2。13 图2大管棚咬合体系示意图3、大管棚跟踪注浆施工在大管棚的顶进过程中，为了避免相临管棚施工或大管棚全部到位后引起地层扰动范围的扩大而引起地层的较大沉降，在管棚施工过程中适时进行跟踪注浆，补偿地层的松散变形，能够更加有效的控制地层的扰动变形。跟踪注浆采用袖阀式注浆管，硬PVC材质，每30cm一组溢浆孔，每节管长2m，管与管之间采用套扣连接。注浆管通过钢箍焊接固定在管棚钢管上，管头伸入焊接固定在钢管上的一段封闭钢套箍内，与管棚钢管同步到位。跟踪注浆管布置及固定见图3。图3跟踪注浆管布置及固定示意图4、施工监控量测与分析13 在大管棚施工过程中，进行管棚中线、标高和顶推力的监测，通过监测数据的变化情况及时分析和反馈信息，指导施工生产。五、工艺流程及施工要点1、施工工艺流程施工准备测量放线设备就位钢管就位顶进施工跟踪注浆下根钢管施工（下一循环）2、施工要点⑴施工准备大管棚施工准备工作主要包括顶管工作室的施工、顶管后背支撑墙的施工两项内容。顶管工作室要综合考虑施工设备、吊装运输、施工精度控制和施工现场条件等各种因素，工作室长度不易过短，至少要满足不小于一个顶进管节长度+设备动力系统长度+1m操作空间之和，高度根据结构设计进行适当调整，满足施工需要即可。顶管后背支撑墙根据顶管所需顶推力进行设计，要满足顶推力需要并有一定的安全储备，同时要有足够的刚度。⑵测量放线在大管棚施工掌子面和后背支撑墙按照设计位置测设出每根钢管的中心位置和标高，用来控制设备和钢管的就位以及施工过程中的检查和调整，保证钢管的施工精度。⑶设备就位13 根据预备施工管棚钢管的中线和标高进行设备就位和调整，调整过程中根据地层情况使设备顶推中线有一个上仰角，用来消减由于管头下垂造成的钢管在重力方向的偏差。设备标高和中线调整到位后进行固定。⑷钢管就位设备就位完成后进行钢管的吊装就位和螺旋钻的安装，钢管安装在顶管设备支架的滑动托架上。钢管到位后进行中线和标高的调整，调整到位后固定在滑动托架上，螺旋钻调配好钻杆和钻头位置后和螺旋钻动力头连接牢固。⑸顶进施工准备就绪后进行大管棚的顶进施工，在顶进施工时要特别注意以下内容：①控制开始几米的施工精度，防止钢管的上浮，若发生超出允许标准的上浮时需要拉出钢管重新进行顶进。②顶进过程中随时检查钢管和设备的中线和标高，随时进行调整和修正。③在一节钢管顶进完成进行下一节焊接时，要根据前节钢管的中线进行适当的调整，不允许接口处出现错口和中线折角。④顶进过程中通过控制螺旋钻的出土速度和钻头的位置决定顶进的速度，防止管头前方的土体坍落。⑤尽量缩短钢管焊接的时间，避免由于停止顶进时间过长出现“抱管”现象，造成再次启动顶进时的顶推力过大。⑥在顶进过程中如果顶推力过大，可以通过注浆管在管壁注入膨润土类润滑剂来减小摩擦力。13 ⑦在相临钢管施工过程中，咬合系统的准确定位十分关键，一般需要在咬合位置焊接定位销键，防止管棚施工偏差造成咬合系统与钢管贴死而增加顶推力，甚至无法顶进。⑧如果顶进前方遇到较大卵石等障碍物，可以通过调整螺旋钻杆使钻头超前成孔，从而使障碍物随螺旋杆旋出。⑨在顶进施工过程中，要作好跟踪注浆管溢浆孔的保护工作，通常采用固定钢箍兼做刮土保护装置。⑹跟踪注浆在大管棚施工过程中，适时进行跟踪注浆能够有效的控制地层的变形，控制结构物的变形。选择好注浆浆液和注浆顺序，袖阀注浆管可以作到多次注浆。跟踪注浆一般在一根钢管施工完成后进行。跟踪注浆浆液类型有缓凝低强度浆液和纯水泥浆液，在施工过程中为防止注浆对后续管棚施工的影响，一般首先采用缓凝低强度浆液进行补偿注浆，待整个大管棚施工完成后在对地层进行纯水泥浆的填充加固注浆。⑺监控量测监控量测在大管棚施工过程中分为两部分内容，一部分是对在施管棚的监控量测，另一部分是对顶推力和地层变化情况的监控量测，量测项目见表1。13 大管棚施工监测项目汇总表表1序号监测项目监测仪器监测频率1管棚标高水准仪，塔尺1次/2m2管棚中线J2级经纬仪1次/5m3顶推力轴离计根据施工需要4穿越地层随时观察出土六、机具设备咬合大管棚施工机具设备见表2。咬合大管棚施工机具设备表表2序号设备名称设备型号数量适用工序1水平液压螺旋顶管机1管棚顶进2电动葫芦5t1钢管吊装、出土3手动葫芦5t2钢管就位4电焊机BX-3002钢管焊接5注浆泵KBY-50/701跟踪注浆6搅浆筒800L1制备浆液13 7卷扬机3t1拉拔钻杆8切割机1切割钢管9抗震压力表5MPa6监测注浆压力10高压注浆管12MPa100m注浆11注浆芯管8注浆七、劳动组织劳动力组织见表3。劳动力组织表表3序号单项工程所需人数备注1管理人员1每台设备一班劳动力组织2技术人员13顶管机操作人员14电焊工25杂工8八、质量控制大管棚施工过程中质量控制要严格从以下几个方面进行：⑴设备基架中线与管棚中线重合，偏差不大于2mm。⑵钢管就位进行中线调整和固定，偏差不大于2mm。⑶顶进时动力轴线和钢管中线重合，偏差不大于5mm。13 ⑷管棚钢管进行现场对接焊接时首先要保证每节钢管中线重合，焊接对称进行，防止焊接变形，对接偏差不大于2mm。⑸管棚就位标高偏差不大于10mm，在施工过程中随时检查管棚标高变化情况，如钢管发生垂头或上扬超出控制范围，采用调整钻头位置、出土与顶进速度的措施进行纠偏。九、安全措施1、认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，建立健全安全管理体系，设专职安全员和班组兼职安全员，安全责任落实到人，作到人人懂安全，人人抓安全。2、机械设备加强维护保养工作，严格执行操作规程，非专职操作人员不得操作机械设备。3、加强液压管线、压浆管路和设备的检查工作，工作期间高压管线附近严禁站人。4、加强用电的管理工作，线路严格按照相关规范布设，不得私拉乱接电线。5、加强电焊机的安全检查，作好接地保护工作。6、在洞内进行吊装作业时，作业前应检查被吊物、场地、作业空间等，确认安全后方可作业。7、吊装作业时必须缓起、缓转、缓移，并用控制绳保持吊物平衡。8、吊装作业时，作业人员必须听从统一指挥，协调一致。9、施工人员必须把安全防护用品佩带齐全。13 10、注浆泵及高压管路必须试运转，确认机械性能、各种阀门管路和压力表完好后方可施工。十、效益分析1、社会效益⑴该工法避免了施工震动，对地层适应性强，在既有线下回填土地层中施工，解决了顶管前方遇到的槽钢、原木及建筑垃圾等障碍物的影响，使大管棚顺利施工到位，为确保既有地铁的结构和运营安全提供了有力保证。⑵该工法近距离下穿既有地铁线，不中断地铁运营，保证了人员的正常生活，社会意义重大。⑶该工法为国内首次在下穿既有地铁线中应用，取得了成功的经验，将为以后城市地下工程在类似情况下的施工提供可靠的决策依据和技术指标。2、经济效益⑴该工法的成功施作，保证了既有地铁的结构安全和运营安全，在施工期间地铁正常运营创造经济效益。⑵该工法施工设备简单，使用维护较容易，避免了其他工法昂贵的设备采购费用。⑶该工法施工速度和辅助措施较少，节约了工期和大量的辅助技术措施的投入。十一、施工实例13 该工法在北京地铁五号线崇文门车站过既有地铁环线区间施工中创造性的进行了应用。在崇文门车站中洞施工阶段,大管棚距离既有地铁结构仅1.0m,施工36m长，φ600钢管14根，在施工阶段有效的控制了既有线结构的变形沉降，在列车动载的作用下,在回填建筑垃圾地层中，大管棚施工完成后，既有线结构变形缝处最大变形为4.85mm。开挖后检测大管棚施工精度，标高偏差±20cm，中线偏差±10cm，达到了较高的施工精度，满足设计和施工标准。车站与既有线位置关系见图4、图5。图4崇文门车站与地铁既有线平面位置关系13 图5崇文门车站与地铁既有线剖面位置关系大管棚施工布置图见图6、图7。图6中洞管幕横断面布置示意图13 图7中洞管幕纵断面布置示意图13'