土壓平衡矩形頂管施工工藝的製作方法

2023-06-11 10:09:16

專利名稱：土壓平衡矩形頂管施工工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種矩形頂管施工工藝，特別是一種土壓平衡矩形頂管施工工藝，屬於建築工程領域。
背景技術：
頂管技術運用至今已有近一百年的歷史，特別在城市基礎設施全面興起後，頂管工法被越來越廣泛地運用到地下工程中去，頂管施工技術已日趨成熟，頂管施工工藝也日益先進。隨著現代施工技術的高速發展，特別是雙層隧道、縱型、橫型隧道、地下人行通道和共同溝等地下結構設施的發展，眾多的地下工程建設對地下工程空間的充分利用提出了更高的要求。先前的隧道掘進機大多是圓形的，在1825年為穿越泰晤士河而挖掘的隧道，第一次採用了矩形斷面的盾構，1937-1942年期間建造的Maas河隧道也為矩形斷面。近年來，利用盾構法施工建設城市隧道已逐漸成為主要方式，在我國，盾構隧道已廣泛應用於地鐵隧道、水底公路隧道、取排水隧道、電纜隧道等方面的工程建設，但盾構隧道的斷面全部為圓形。由於過街人行地道要求埋深淺，作為地鐵車站的進出口日益增多，城市地下管道共同溝也將在我國得到發展，加上城市用地十分緊張，施工中對環境保護要求嚴，地下的利用又較複雜，因此，矩形隧道以其能充分利用結構斷面、合理的形狀分布，減少土地徵用量和掘進面積，降低了工程造價，越加顯示出其獨特的優越性。經文獻檢索發現，日本大豐建設株氏會社1995年開發出DPLEX矩形盾構機，其斷面尺寸為4.38×3.98，用該盾構機開挖的一對間距為60釐米圓角矩形斷面隧洞，隧道上有上水、下水道、煤氣管、電信電纜等地下管線，矩形隧道掘進引起的地面沉降小於2釐米，其路線總長達810米，該盾構為偏心多軸式刀盤形式，它最大的優點是全斷面切削任何形狀的斷面，並能滿足土壓平衡需求，但其刀盤的驅動形式較複雜，刀盤的結構受力計算困難，造價也相應較高。

發明內容
和
具體實施例方式本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種土壓平衡矩形頂管施工工藝，使其根據土壓平衡的基本原理，利用頂管機的刀盤切削和維持機內土壓倉的切削土體壓力抵抗開挖面的土、水壓力達到土體穩定，從而保持土體的穩定，有效控制了地表沉降和隆起。本發明工藝具體如下第一、頂管施工前期工藝(1)工作井或坑、接收井或坑的清理，測量、軸線放樣；(2)地面頂進輔助設施的布置、安裝，井口龍門行車(吊機)的設置、安裝，洞口密封的安裝、主頂設備後靠背的安裝，主頂設備導向機架、主頂千斤頂的安裝、調整，工作井或坑內的工作平臺、輔助設備、控制操作臺的布置、安裝，出洞輔助技術措施井點降水或地基加固處理的設施；(3)頂管機吊裝、下井、就位，頂管機井內安裝調試，做好出洞準備。
第二、頂管機施工工藝順序管接口扣密封環、傳力襯墊的安放、固定→管節下吊→管口中心調整、連接就位→電源接通及管線接通→頂管機主機啟動→土壓平衡控制器運行→主頂進裝置啟動、頂進→地面注漿或注水系統投入運行→螺栓輸送機運轉→排土，至箱滿→主頂進千斤頂停止頂進，注漿或注水系統停止→排土停止，關閉主機→至機架頂程達1.15-1.21管長，頂進中途繼續數次軸線偏差測量→主頂千斤頂全部回縮原位→→切斷井下總電源，準備，下一循環。
本發明適用於飽和含水地層中的淤泥質粘土、粘土、粉砂土或砂性土，尤其適用於鬧市區或在建築群、地下管線下進行頂管施工，也可進行穿越公路、鐵路、河流特殊地段的地下管道的施工，施工管道口徑一國標下水道口徑系列尺寸中的Φ1650mm-Φ2400mm為宜，頂管管材為鋼筋混凝土，管節的接頭形式可按要求選用「T型」、「F型」鋼套環式，企口承插式等，也可按工程的要求選用其他材質的管節和管口接扣形式。
其工藝方法進一步說明如下(1)砼管吊裝、對接，就位時，應注意封閉環，傳力襯墊和管口的完好，防止發生人為的損壞，而影響管口的密封。
(2)頂進施工中應隨時觀察頂進軸線偏差情況，要做到「勤測勤糾」。
(3)刀盤應正、反兩方向交替使用，防止頂管機人為的發生偏轉。
(4)土壓力的管理和排土量的控制是控制地表沉降的關鍵，土壓力管理值即設定土壓力，應根據施工土質狀況、地下水位、管理埋深等因素初步確定，並根據施工的情況和地表沉降的實測結果，隨時進行調整。
(5)在施工中應視土質的情況，注入一定量的水或合成泥漿對土砂進行塑流性改良，在粉砂土、砂性土地層中施工，當其粘粒含量小於10％時，應對土進行塑流性的改良。
(6)根據頂進施工距離、管節的砼抗壓強度、管壁減摩的效果、注漿的可靠程度等施工因素確定中繼頂裝置的配置，當頂進阻力達到中繼頂進裝置最大工作頂力的0.8時，需配置中繼頂裝置。
(7)用膨潤土泥漿減阻潤滑，施工時，泥漿注入量、壓力等參數均應視施工、地質條件的變化控制膨潤土泥漿的配合比。
本發明根據土壓平衡的基本原理，利用頂管機的刀盤切削和維持機內土壓倉的切削土體壓力抵抗開挖面的土、水壓力達到土體穩定，並以頂管機的頂速即掘削量為常量，螺旋輸送機轉速即排土量為變量進行控制，達到使土壓倉內的土、水壓力與掘削麵的土、水壓力保持平衡，從而使開挖面的土體保持穩定，控制了地表的沉降和隆起。與開槽埋管法相比，施工場地佔用小，適應在市區街道建築密集的場合下施工，不須封閉道路、交通，對周圍環境、交通影響小。
在整個施工過程中，整個控制系統以土壓平衡為工作原理，通過大刀盤及仿形刀對正面土體全斷面切削，改變螺旋機的旋轉速度及頂進速度來控制排土量，使土壓倉內的土壓力值穩定並控制在所設定的壓力值範圍內，從而達到開挖切削麵的土體穩定。具體控制的項目和內容如下(1)、正面土壓力的控制土壓力根據Rankine土壓力理論進行計算，計算值作為土壓力的最初設定值，在實際頂進後，通過頂進參數、地面沉降監測，將設定土壓力值調整到1.2kg/cm2左右，正面出土量、地面沉降情況較為理想。
(2)、出土量的控制應儘量精確統計出每節管節的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對穩定。
(3)、頂進速度的控制在頂進時應對頂進速度作不斷調整，找出頂進速度、正面土壓力、出土量的最佳匹配值，以保證頂管的頂進質量。
(4)、頂進軸線的控制a.高程控制在頂進過程中一旦頂管出現上拋現象，不宜採取降低地面土壓力、增大出土量、過量向下糾偏等動作，應在頂進時將機頭高程始終控制在負值，這樣即使在機頭下沉較大時，所採取的糾偏措施也和地面沉降控制相統一。
b.平面控制由於受第一條頂管頂進時擠壓、壓漿等影響，在已成管道周邊土體強度較原狀土大，在第二條頂管頂進時，機頭平面可能有偏離已成管道的現象，頂進時應把機頭平面始終控制在靠已成管道方向。
c.轉角控制矩形管道的橫向水平要求較高，在頂進過程中對機頭的轉角需密切注意，機頭一旦出現微小轉角，應及時糾轉。
d.機頭糾偏控制頂管在正常頂進施工過程中，必須密切注意頂進軸線的控制，在每節管節頂進結束後，必須進行機頭的姿態測量，並做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以避免土體出現較大的擾動及管節間出現張角。
(5)、地面沉降控制a.利用土壓平衡矩形頂管機對矩形斷面進行全斷面切削，嚴格控制施工參數，防止超、欠挖。
b.解決矩形頂管機機頭頂部背土問題在矩形頂管機的機頭殼體頂部安裝壓漿管，並開有壓漿槽，使漿液均勻分布於整個上頂面，在土體和殼體平面之間形成一泥漿膜，以減少土體同殼體的摩擦力，防止背土現象的發生。
c.在頂進時，每隔一段時間對頂管機後部已成管道高程作一次複測控制，一旦出現管道下沉情況嚴重時，應對下沉部位進行底部注漿，防止由此引起的地面沉降。
具體測量的內容如下(1)矩形頂管機出洞前認真測定頂管機切口的軸線和標高，並將數據及時反饋進行調整，頂進中原始數據、表格必須連續真實填寫清楚。
(2)交接班時交清測量記錄，將儀器對中，並交清管道軌跡和糾偏趨向。
(3)頂程結束後全線複測、繪製管道頂進軌跡圖(含高程、方向、頂力曲線)，並由施工質監人員檢查覆核。
(4)在過道路時，應按建設單位的要求在指定地段進行施工監測布置，觀測頂進過程中地表變形和土體位移情況，以便採取預防措施，避免影響道路正常運行的事故發生，頂進結束後繪製施工過程和竣工後的地面變形圖。
整個工程運用矩形頂管施工工法以日頂進速度5米，最高速度9米/日，順利地穿越了離隧道頂部僅為1.37米的引導段，四周密布的重要管線絲毫未損，並將隧道引道段的沉降控制在10mm以內，轉角控制在±0.5°之內。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明利用帶面板的刀盤切削、支承土體，對土體的擾動小；採用乾式排土，廢棄泥土處理方便，對環境影響和汙染小；土壓平衡系統採用具有智能控制PLC技術，土壓平衡控制精度高；施工設備投入較少，施工方法簡單，技術先進，經濟合理；施工安全，速度快，工期短，質量好。
權利要求
1.一種土壓平衡矩形頂管施工工藝，其特徵在於工藝具體如下第一、頂管施工前期工藝(1)工作井或坑、接收井或坑的清理，測量、軸線放樣；(2)地面頂進輔助設施的布置、安裝，井口龍門行車或吊機的設置、安裝，洞口密封的安裝、主頂設備後靠背的安裝，主頂設備導向機架、主頂千斤頂的安裝、調整，工作井或坑內的工作平臺、輔助設備、控制操作臺的不止、安裝，出洞輔助技術措施井點降水或地基加固處理的設施；(3)頂管機吊裝、下井、就位，頂管機井內安裝調試，做好出洞準備；第二、頂管機施工工藝順序管接口扣密封環、傳力襯墊的安放、固定→管節下吊→管口中心調整、連接就位→電源接通及管線接通→頂管機主機啟動→土壓平衡控制器運行→主頂進裝置啟動、頂進→地面注漿或注水系統投入運行→螺栓輸送機運轉→排土，至箱滿→主頂進千斤頂停止頂進，注漿或注水系統停止→排土停止，關閉主機→至機架頂程達1.15-1.21管，頂進中途繼續數次軸線偏差測量→主頂千斤頂全部回縮原位→切斷井下總電源，準備，下一循環。
2.根據權利要求1所述的這種土壓平衡矩形頂管施工工藝，其特徵是其工藝方法進一步說明如下(1)在施工中應視土質的情況，注入一定量的水或合成泥漿對土砂進行塑流性改良，在粉砂土、砂性土地層中施工，當其粘粒含量小於10％時，應對土進行塑流性的改良；(2)根據頂進施工距離、管節的砼抗壓強度、管壁減摩的效果、注漿的可靠程度等施工因素確定中繼頂裝置的配置，當頂進阻力達到中繼頂進裝置最大工作頂力的0.8時，需配置中繼頂裝置；(3)用膨潤土泥漿減阻潤滑，施工時，泥漿注入量、壓力等參數均應視施工、地質條件的變化控制膨潤土泥漿的配合比。
3.根據權利要求1所述的這種土壓平衡矩形頂管施工工藝，其特徵是在整個施工過程中，控制系統具體控制如下的內容(1)正面土壓力的控制，(2)出土量的控制，(3)頂進速度的控制，(4)頂進軸線的控制，包括a.高程控制，b.平面控制，c.轉角控制，d.機頭糾偏控制，(5)地面沉降控制，包括a.控制施工參數，b.解決矩形頂管機機頭頂部背土問題，c.在頂進時，每隔一段時間對頂管機後部已成管道高程作一次複測控制。
全文摘要
土壓平衡矩形頂管施工工藝屬於建築工程領域。具體包括頂管施工前期工藝(1)清理，測量、軸線放樣；(2)地面頂進輔助設施的布置、安裝；頂管機施工工藝順序管接口扣密封環、傳力襯墊的安放、固定→管節下吊→管口中心調整、連接就位→電源接通及管線接通→頂管機主機啟動→土壓平衡控制器運行→主頂進裝置啟動、頂進→地面注漿或注水系統投入運行→螺栓輸送機運轉→排土，至箱滿→主頂進千斤頂停止頂進，注漿或注水系統停止→排土停止，關閉主機→至機架頂程達1.15－1.21管，頂進中途繼續數次軸線偏差測量→主頂千斤頂全部回縮原位→切斷井下總電源，準備，下一循環。本發明方法簡單，技術先進，經濟合理、安全，速度快，工期短，質量好。
文檔編號F16L1/028GK1391053SQ0213620
公開日2003年1月15日 申請日期2002年7月25日 優先權日2002年7月25日
發明者傅德明, 丁志誠, 呂建中, 楊磊, 張冠軍 申請人:上海隧道工程股份有限公司