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钢管双曲线顶管在宁波供水环网工程中的应用

时间:2012-10-04


钢管双曲线顶管在宁波供水环网工程中的应用
斯宇航 褚金雷
(宁波市自来水总公司,宁波315041)

摘要

宁渡市城市供水环网工程C6标世纪大道段12#~14#井成功实施了DN2 000钢管长距

离双曲线顶管。介绍了该工程曲线项管曲率半径的确定、顶力及侧向顶力的计算。机头后采用4节
导管,以应对软弱土层的不利条件。同时,介绍了工程中采用的安全监测方法。最终成功完成了竖 向、水平双曲线顶管工程。管道通水使用两年多来运行正常。 关键词供水工程钢管 曲线顶管 曲率半径顶力 监测

0引言

我们根据现场条件设计了如图1、图2所示的

近年来随着大量给排水管道工程的建设,顶管技
术发展很快,同时曲线顶管技术也有很大的发展。钢

钢管顶管水平与竖向轴线:水平方向从12#工作井
开始258 ITI采用直线顶管,直接避开块石土层,然后 开始以R----2
927.128

管曲线顶管的基本原理是利用钢管在允许弹性变形
范围内,在顶管过程中利用机头的引导,通过一定的 方法(如曲线内外侧的不同挖土量、纠偏千斤顶的不

121的曲率半径向14#接收井 m的

顶进,曲线半径的确定取决于口、卢、口角度的计算;竖
直方向先直线顶管100 121,再以R----2 曲率半径向14#接收井顶迸。
520.061

同行程、改变两侧土体特性等),使机头产生偏心,有 目标、有控制地改变方向,为后续管节折线前进提供
条件,使钢管形成预先设计的曲线。曲线的形成和保 持是该项技术的关键,它与管道曲率半径、管节接缝 开口值、单节管节几何尺寸、管径大小、管节接缝形

式、土体特性、机头形式和设备性能等有关。目前曲线 顶管工程所用的钢管外形几何尺寸为普通标准型号。
宁波市城市供水环网工程C6标世纪大道段 12#~140井(竖直方向曲顶9.6 m,水平方向曲顶
15

m)DN2(DO钢管双曲线顶管成功实施。该管道通
曲线顶管实施步骤

图1平面轴线

水使用两年来,运行正常。

1.1

钢管曲线顶管曲率半径确定及钢管轴线坐标计算 宁波市城市供水环网工程c6标世纪大道


1.1.1钢管曲线顶管曲率半径确定及验算

12#~14#井顶管总长745 m。因地质条件影响, 12#井顶管中心标高为一14.2 m,而14#井管中心 标高为一4。6 m,高差9.6 121。原设计13#井偏离两
图2竖向轴线

井15 m;但13#井位置没有施工场地及进出通道,
若施工需要拆除大量建筑,前期费用要几百万元。

参考《排水管道定向钻进敷设施工及验收技术 规范》管道弹性敷设公式,求得钢管曲线顶管最小曲
率半径R施: R曲=ED/(2crp)=1 010(m)
(1)

经认真分析研究后决定取消138井直接从128井顶 到14#井,这样使该段顶管形成双曲线顶管。

给水排水VOL37№2

2011

101

万方数据

式中EL一钢管弹性模量,2.10×105 MPa;

D一管道外径,2.020 m;
“——钢管弯曲应力,210 MPa。
根据《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246:2008)表13.2.1附注2的规定,钢管曲线顶管 只要曲线的曲率半径≥l 260Dl(Dl=2
000

mm)即

可。本工程的水平曲率半径2 927.128 ITI,垂直曲 率半径2
520.061

m,均符合≥1

260D1(2 520 m)的

弹性敷设要求。 1.1.2钢管轴线坐标计算 我们运用计算机系统进行计算:事先根据工作 井、接收井的两个洞口坐标及预定的钢管曲线编制 控制程序,计算出每节钢管(每间隔6 m)设计坐标 及标高,并形成完整的书面数据,作为跟踪测量的依 据(见表1)。
表1钢管轴线坐标
点号
1 2


图3

曲线顶管顶力示惹

么ABC=2卢,么艿一么口一180。一帮。
假设忽略管壁摩阻力,并假设AB管段的轴向 顶力是P。,则BC管段的轴向顶力P。和侧向顶力

爿分别是:
标高/m
14.187 14.187

坐标X/m
108 964.197 108 958.332

坐标Y/m
609 822.755 609 824.022

P2一Plctg口

(3) (4)

P;=P1tan口

由此可见,曲线顶管曲线形成主要靠侧向顶力, 由于曲线的曲率半径R1—2
927.128 m,R2=



1.2曲线顶管顶力计算 参考《给水排水管道工程施工及验收技术规范》 计算顶管井中顶管设备所需最大顶力PMAx: PMAX=1rDLFk+NF=nDLFk+丌D2/(4yh)
(2)

2 520.061 m非常大,所以每根管节调整的角度么艿一

么a非常小,因此曲线顶管时所需的侧向顶力也很 小。根据曲线顶管的基本原理,曲线是靠机头及导 管的角度调整形成的,机头内设置4个50 t(合5×
105

式中L——管道设计顶进长度,m; Fk——管道外壁与土的平均摩阻力,kN/mz; NF——顶管机的迎面阻力,kN;

N)千斤顶,足以能提供曲线顶管所需侧向顶力。 综上所述可以得出机头可以完成该段曲线顶

r土容重,17.7

管,并可形成所需要的曲线。 1.4钢管曲线顶管测量 钢管曲线顶管的测量是曲线顶管的关键技术, 也是钢管曲线顶管成败关键所在。曲线顶进时因管 内外无法通视,为保证轴线坐标的正确,需进行频 繁的测量和计算,工作量很大、精度要求高。尽量缩 短测量周期,要求每节钢管顶进均测量一次,随时掌 握钢管顶进情况。 在施工中通过全站仪瞄准机头上的站牌,可 即时计算出机头在此处的实际坐标与设计坐标之 间的偏差,得出机头的上下左右偏差值,并预判其 发展趋势。技术人员可以直观地通过调整纠偏机 头内4个千斤顶等方法来调整机头方向和姿态。可 根据需要设置全站仪多台,数据通过信息电缆输人

kN/m3;

^——128井管覆土深度,m。
该地段为淤泥质土,顶管过程中加强减摩注浆 的注浆量,Fk变得很小,根据施工经验,顶管工作井 内顶力都很小(施工实际显示最大顶力为5.58×
106 106

N),我们在顶管工作井内设置4个800 t(合8× N)油压千斤顶,完全满足顶管所需顶力需要,因

此不必计算最大顶力。 1.3曲线顶管机头侧向顶力计算 曲线顶管的顶力可分解成轴向顶力和侧向顶力 两部分,下面分析验算曲线顶机头所需侧向顶力的

大小,这也是能否进行曲线顶管的必备条件。
由图3可知,折线转向角艿是么ABC的补角,
102给水排水V札37
N仉2 1011

万方数据

计算机。由于整个系统是自动运行,测量在动态下

测量过程用H)【zX一2频率检测仪读取各监测

连续进行,操作人员可以随时了解到顶进情况和发
出指令。 顶管偏差允许范围垂直方向±40 mm,水平方 向±50 ITtm,顶管顶进时测量组必须时刻提醒顶管

点在测量时的应变计频率。在顶管过程中每天派人
到现场测读各测力计的频率。 2.2监测结果 从整个监测的结果来看,顶管工作时管壁各监 测点上的应力有所波动,主要原因可能是顶管并不

施工人员,及时进行纠偏,曲线顶管是在不断的纠偏 过程中形成的。
1.5钢管曲线顶管实施 由于顶管工程中需穿越建筑群,而土质含砂量

完全是一条直线,同时由沿线地质变化、工作顶力等 综合变化所致。如在1号剖面工作过程中所测到的 各监测点应力变化见表2。
表2
测力计号
080601 080605 080609 080613

较多,含水量很高,本工程决定采用泥水平衡式顶管 掘进机。为便于曲线顶管施工,在机头后特安装4
节导管(常规方法一般只有1节)。导管之间采用铰

1号断面钢管应力监测结果(单位:IⅧPaJ
846(上)


877(下)


875(左)


832(右)


接形式,并在每一个铰接处设置特殊锁定装置,以使 所有的铰接处间隙处于可控状态,为钢管曲线顶进
创造条件(见图4)。

3.79 0.87 3.79 6.19 5.96
O.96

O.17 ~O.35 ~8.34 ~6.40 —2.oo ~9.46 —7.21 一O.57 一O.04

I.79 2.66 8.Z7 11.15 9.96 8.15 4.99 6.58 0.33

1.27 3.43 一O.08 一O.29 2.52 2.93 1.33 3.05
0.36

080616 080619 080623 080627 080701 080706

6.47 5.21 O.72

从表2监测结果来看,各监测断面在钢管曲线
图4曲线顶管不意

顶管时曲线的形成由位于机头内部的机长根据

顶管过程中由于受顶推的作用,钢管内部有一定的
应力,在两井贯通后,应力得到了有效释放。管内由 于管道本身的起伏弯曲的应力,各监测断面在贯通

预先设计的顶管曲线坐标、测量人员的测量数据、土
质状况不断调整机头内4个千斤顶不同伸出量来 完成。

后没有能测量释放的应力。
参照128井到14。井的贯通应力释放,在贯通后

顶管过程中加大减摩注浆的注浆量,使顶进 阻力始终处于不需要采用中继环的状态。常规顶 管注浆量控制在每i00 m用5 t注浆粉,而本工程
注浆粉用量控制在每100 m用10 t。最大顶力为
5.58X106

管内的应力并不是很大,应力测试结果表明,其值远 远小于《钢结构设计规范》中钢管[d]=205 MPa(6=
16~40 mm),因此该段钢管曲线顶管施工是安全的。

3结论及建议 钢管曲线顶管后钢管的稳定性与土体承载力密

N,平均每平方米为:5.58×i06/(2.04X

3.14X740)=1 200(N)。

切相关,因此实施前必须深入了解当地土质情况,根 据土体承载力来确定是否适合曲线顶管。曲线顶管 时曲线控制难度与土体强度成反比,土体强度越小、 土体承载能力越差,越难形成曲线,曲线顶管难度
越大。

2钢管安全性监测与评估
为了评估钢管曲线顶管的安全性,我们对曲线 顶管进行钢管受力情况实时跟踪测量。 2.1监测方法 在顶管机头导管后第一节内表面上下、左右以 电焊的方式固定安装一组4个KBJ型振弦式表面

本工程在软弱土层中尝试曲线顶管及理论验 算,说明即使在软弱土层中,只要适当加长机头及导 管铰接段的长度,使其达到钢管弹性变形所需的弯 矩,就能进行曲线顶管。
给水排水voL37
No.2 2011

应变计,后面每190 m安装l组,共4组,并做好相 应保护,以免被破坏。

103

万方数据

顶升纠正浅埋顶管下沉的一种补救方法
刘 会1’2 张亮亮1 杨转运2
(1重庆大学土木工程学院,重庆400045;2四川建筑职业技术学院,德阳618000)

摘要某浅埋曲线顶管工程(埋深小于3 m)贯通后发现在纵向长约15 ITI范围内高程低于设 计高程超过15 C1TI,超出规范规定要求。论证施工方案找到了经济适用的施工方案进行轴线偏离 问题的处理,主要包括对施工过程中的关键部位进行了强度、裂缝宽度验算分析,施工难度和经济 技术方案的比较。工程实例采用本方案成功解决了顶管下沉的问题,具有经济实用、操作简单等 优点。 关键词 浅埋顶管轴线偏离 顶升纠偏

使用顶管法敷设浅埋大直径混凝土管道,施工 中操作不慎易造成管道偏离设计轴线,严重时将不 符合验收规范要求。要对已经偏离设计轴线的顶管 工程进行补救,不同方法所需的费用和工期不相同。 武志国等【1]在北京清河流域污水截流管线二期工程 中顶管轴线高程偏差36.4 cm,采取“错口换管”纠 偏的补救方法,成功完成了降低管道高程的纠偏任 务,该方法相当于重新顶推一次,造价高,工期延长 数月。盛德洋等[Z3采用布袋桩抬升顶管高程,其原 理是布袋桩注浆及浆液膨胀时对周边土体产生的挤 压作用力,压迫管道,逐渐减小偏差值直至满足质量

失而形成的空洞及沉降,一方面能够在注浆过程中
得到回填,另一方面为管线的抬升提供一定的空间。 综合已有的文献资料,顶管轴线的纠偏需要考 虑的因素包括顶管覆盖土层厚度、地层的密实情况、 顶管的施工工艺,穿越层岩土的工程地质性质、施工 作业面大小和是否富水等,牵涉的面较广。本文涉 及的顶管顶升现场在重庆沿长江岸滩回填新建南滨

路,设计污水管线位于行人和车辆密集的南滨路人
行道和路基下。本项目具有土层密实、施工作业面 狭窄、工期要求紧、浅埋等特点。 1工程概况 重庆主城排水工程D2.12标段浅埋圆形顶管 工程管顶覆盖土层厚度均不超过3 m,管内径
2 500 mrl'l,壁厚250 n2rn,工作并¥74至s8l已经全

验收要求为止,该方法需要较大的作业面,对于作业
面狭窄的市政工程项目基本无法实施。袁丽[3]采用

灌浆顶升技术抬高比设计高程偏低约40 cm的直径


m的混凝土顶管(位于广州市),通过30天的灌浆

线贯通,施工中由于顶管距离较长(1

200

m)且多次

顶升,纠正了高程偏差,达到了预期目的。要使用灌
浆顶升法完成纠偏必须具备以下条件:①管线上覆土

穿越小半径曲线轴线,导致在距离SD74井40 m至
55

m(长度约15 m)处高程低于原设计高程并超出

层(松散填土、淤泥等)具有高压缩性;②加固区域内
粉细砂层的强度特性,能为浆泡产生的上抬力提供 较好的“支座反力”;③顶管施工过程中,大量砂土流

规范要求,最低点比原设计轴线高程低15.5咖。
本工程管道沿线范围在长江南岸滨江路路基下,土 层条件由上而下为:
2排水管道定向钻进敷设施工及验收技术规范(试行)
3 GB

钢管曲线顶管的成败关键之一是顶管测量,顶 管曲线形成与控制主要靠机头内4个千斤顶伸出不 同油缸行程和机头后面几节导管来实现。 参考文献
1 GB

50017--2003钢结构设计规范

n电话:13806636311 E-mail:rib311@126.corn 收稿目期:2010—07—15 修回日期:2010—11—11

50268--2008给水捧水管道工程施工及验收规范
2811

lIM给水排水VeIL37

No.2

万方数据

钢管双曲线顶管在宁波供水环网工程中的应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 斯宇航, 褚金雷, Si Yuhang, Chu Jinlei 宁波市自来水总公司,宁波,315041 给水排水 WATER & WASTEWATER ENGINEERING 2011,37(2)

参考文献(3条) 1.GB 50017-2003.钢结构设计规范 2.排水管道定向钻进敷设施工及验收技术规范(试行) 3.GB 50268-2008.给水捧水管道工程施工及验收规范

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsps201102024.aspx


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