旋喷与井外降水.docx

1、旋喷与井外降水旋喷与井外降水，顶管机出洞的风险可以大大降低。1.1.1 注浆减摩系统本工程顶距长，顶进过程中使用中继间和注浆减阻，但中继间的增加加大了设备的投入，同时给供电带来比较多的困难，如果注浆系统做得好，减阻效果明显，会加大中继间之间的距离，减少中继间数量，减少设备投入，同时减轻供电压力。如泥浆配比适当，压力控制的合理，在砂层中的减阻效果同样能达到在粘土层中的减阻效果，提高注浆减阻效果的因素有浆液配比、静置时间、加浆压力、保证在全部顶进管路上任何时间都有浆液压入。 泥浆配比泥浆配制主要材料是高分子吸水材料，在制作过程中，搅拌要充分均匀，泥浆配比如下表：润滑泥浆配表配液量（L）水（L）本润

2、滑材料2001955袋（5kg） 润滑泥浆储浆罐每天按顶进16m计算需加浆液体积为：V= 式中：D-顶管机外径，取1900mmd-管外径，取1844mm得V=2.6m3渗入量按2倍加浆量计，为5.2m3每天需加润滑泥浆量Q=5.2 m3+2.6 m3=7.8 m3储浆要保证24小时的静置时间，做2个9m3储泥罐，轮流使用。罐做成圆形，2.5m，高2.5m。 加浆压力注浆压力大于地下水压力，泥浆会以溶胶状渗入土层，静止后会以凝胶状封住土层孔隙，注浆压力大于主动土压力，润滑泥浆会托住土层，注浆压力大于被动土压力，土层会破坏。润滑泥浆压力设定在主动土压力加水压与被动土压力加水压之间。基准线按管底。管

3、底标高：78.1m，取平均值22.30，地面标高（高）102.85m，t取平均值20kN/m2，水位标高101.50m。 管底的地下水压P水=(101.50m78.1m)/=234KPa 主动土压力因土层大部为无粘性土，按无粘性土计算，又因土压大对土层稳定有好处，取最大土层。Pa=H tg2(450/2)H=102.8578.1=24.75mPa=20kN/m224.75m0.45=222.75kPa 被动土压力因达到被动土压力土层可能破坏，计算的目的是为限制最高压浆压力，故按最不利点即地面最低点，从图查现状96.70m。最小覆土深H=96.778.1=18.6mPP=H tg2(450+/2

4、)= 20kN/m218.6m2.223=827kPa 主动土压力+地下水压力Paw=P水+PaPaw =234kPa +222.75kPa=456.75kPa 被动土压力+地下水压力Pw=P水+PpPw=234kPa+827kPa=1061kPa 注浆压力P456.75kPaP1061kPa 注浆设备最大供泥量按顶进时同步量的两倍计，最大顶进速度按70mm/min计。Qmax= 0.07m/min2=0.034m3/min=23L/min采用50钢管输送，50钢管断面积W=0.00196m2流速V=Q/W=0.20m/s浆液已是胶体性质，计算误差比较大，故按经验值。我集团公司以往经验50镀锌

5、管，流速在0.5m/s，每公里损失150kPa，因流速小压力损失也小，设1250m时水压损失150KPa。因管路损失远远小于被动土压力与主动土压力的差值，泥浆压力在主动土压力与被动土压力之间即可，故管线内不设补压泵，减小电路压力。压力恒压罐内压力设定：下限：P下=456.75kPa（10378.1）触+150kPa触取10.5kN/m3P下=456.75261.45+150=345.3kPa上限：Pt=1061KPa（10378.1）触P上=805kPa，取P上为800kPa 润滑泥浆系统工作泥浆罐由压力恒定罐压力表控制，向泥浆罐大压力泥浆，压力恒定罐压力表上下压力可人工设定，设定后低于设定下

6、限泵自动工作，高于设定上限泵自动停止工作，压力恒定罐内有气，能在泥浆泵停止工作时向管道输送压力泥浆，输送管道在工作井下设闸门，顶管内每个中继间后设一闸门，下管时关闭工作井内闸门和管内第一个闸，拆除胶管，润滑泥浆管就不影响下管，顶管内不够长时接钢管，钢管采用管螺纹联接，在中继间处设21三通，装单向阀，闸阀并用胶管与中继间补浆管联接，润滑泥浆50钢管在中继间附近装高压软管补偿因中继间伸缩影起的管道伸缩。注浆工作时注意事项。最主要的是有专人开关闸门，把闸门手轮全去掉防止误操作。顶进开始时，操作手观察润滑泥浆流量，无流量时马上停顶，检查管路，管路正常才能顶进。确保注浆减摩效果的几个关键因素：1顶进时在

7、顶管机后部设置注浆筒，每个注浆筒上设置12个注浆孔，及时进行跟踪注浆，保证在顶管机后部形成完整有效的泥浆套；2在中继间上设置4个注浆孔，在顶进时也同步进行注浆；3注浆孔的设置：在顶管机后部三节钢管均设置4个注浆孔，再往后每隔一节管子进行开孔处理，顶进时及时进行补压浆；4歇班后再开顶前全线压浆一遍；5作为注浆的预备方案，在顶进400m后设置中继压浆泵站增压，由储浆箱和注浆泵组合；6压浆总管采用2寸镀锌管，除顶管机及随后的三节钢管外，总管上每隔16m装一只球阀，再用压浆软管接至压浆孔处。7注浆设备采用中德合资生产的螺杆泵，其输送压力比较稳定。1.1.2 泥水及排泥系统 泥水压力设定本工程位于黄河弧

8、柏嘴至官庄峪沟段的主河槽内，顶管段现状地形较为平坦，地面标高介于100.76m102.85m之间，5#工作井顶管段部分和到地面标高略低，地下水埋深0.3m4.00m，稳定水位标高98.82m101.50m，5#工作井顶管段部分有地面水，地下水属潜水型，主要为河水补水。泥水平衡顶管原理PPW+P 式中：P-泥水仓管道基准面泥浆压力；PW-相对于管道基准面地下水压力；P-泥水仓建立高于地下水压力，一般设20kPa。泥水仓内大于地下水压力，泥水仓泥水向地层空隙渗透，在泥水仓、泥水与土层之间形成泥膜，且泥水仓压力托住土层，使切削面稳定不坍塌，数学表示如上式。管底基准面标高：79.000.9578.05

9、地下水位标高水位：101.5m计地下水位相对管底基准面水头：Hw=101.578.0523.45地下水位相对管底压力：PW= Hw/水0.235MPa235KPa泥水仓压力：PPW+P=235KPa+20Kpa=255KPa泥水仓压设定暂按P255KPa，施工时要随时测地下水位，当地下水位提高时，要按上述计算公式及时调整泥仓泥水压力。泥仓压力控制：本次采购的顶管机，在泥仓设有压力传感器。 泥浆浓度泥浆浓度设定主要取决于土层的渗透系数，土层的渗透系数大，说明土层孔隙大，在土层孔隙大的情况下，如泥水不能在挖掘面形成泥层，挖掘面就会失稳坍塌。泥浆液如太浓，输送管路压力损失大，施工费用会提高，要权衡以

10、上两个因素，取比较合理的泥浆浓度。管道断面所在地层土质绝大部分在，其渗透系数报告给定1.3710-3。根据投标时的地质勘探报告，在5#工作井附近约有300m左右全断面土质为，地质表列该层为砾砂，砂砾为石英长石质，砾粒主要为砂岩、灰岩碎屑组成，颗粒级配好，密实状态，渗透系数未给定，通过沉井下沉及地质补探发现，5号井附近顶管穿越的地层应为卵石层，含30cm以上的卵石。根据地质报告给定的K值，除5#工作井其它段泥浆浓度按K=1.3710-3选定泥浆浓度，K=1.3710-3在顶管土层分类属渗透系数较小,泥浆膜能在较短时间形成，泥水压力能有效的控制挖掘面失稳，根据以往施工经验泥浆容重为1.15左右。泥

11、水由粘土（200300Kg/m3）、膨润土（50100Kg/m3）、CMC（11.5Kg/m3）现场根据货源优化配置。5#工作井卵石层段在开始顶500m，加大泥浆浓度时,可适当减小排泥泵间距，待顶过卵石层段后在调整过来，对泥水泵、排泥泵总量无影响。 管路损失及设备选择泥水及排泥系统按工程最不利段（5#工作井顶进）1250m设计： 基本参数顶管机外径：D=1900mm顶进最大距离：L=1250m覆土：H=22.1m顶管工作井至泥水分离装置距离：l1=20m工作井内胶管：l2=12m泥水分离设备设备高度：h=6m掘进速度：S=50mm/min泥水仓压力：P=25.4m水头切削土体比重：2；切削土体

12、含水率：W=13.7%泥水容重：泥=1.15t/m3；泥水含固体比重：=2.5输泥管：4内径d1=105.3mm排泥管：4内径d2=105.5mm 管内临界沉积流速=2.12m/secVL：临界沉积流速FL：由固体粒径与浓度决定系数，砂FL=1.33-1.35本工程取FL=1.35g：重力加速度：颗粒比重本工程取2.51：泥水容重（本工程取1.15） 泥水流量及排泥量验算切削断面积A=/4D2=2.835m2土体固体系数=74.48%每分钟掘进土体积V=AS=0.142m3/min实际土量Z=ASK=0.106m3min输泥管断面，排泥量断面面积a1=a2=/4d22=0.0087m3排泥流量

13、Q2Q2=a2VL60=1.11 m3/min送泥流量Q1Q1=Q2-V=1.11-0.142=0.968 m3/min 送泥流速V1=Q1/（a160）=1.85m/sec 输泥浓度：C1送泥浓度，C2排泥浓度， 排泥比重2 ，0水的比重=10%排泥浓度=18.6%排泥比重2=1.279 每米长压力损失验算输泥水管通程水头损失每米输泥量水头损失hf1=10.666*C-1.85*D1-4.87*(Q1/60)1.85* 1=0.0389m/m排泥管每米延程损失hf2= 10.666*C-1.85*D2-4.87*(Q2/60)1.85* 2=0.052m/m 管线特征曲线计算及泥浆泵选择L1

14、送泥量局部损失按相当加长30m管；L2排泥量局部损失按相当加长30m管；L3工作井至砂水分离设备局部损失按相当加长30m管。输泥管总长：L1=L+H+D+l1+L1=1250+23.9+20+30=1323.9m排泥管总长：L2=L+H+D+h+l2+L1=1329.9m工作井下至砂水分离设备总长L3：L3= H+D+l3+h+l2=91.9m输泥管总扬程计算：输泥管管路水头损失 Hf1=hf1L1= 1323.90.0389=51.5m输泥管需总扬程 HZ1=Hf1-（H+D）+10Pmax/1=51.5-23.9+102.34/1.15=47.9m排泥管：排泥管管路水头损失： Hf2=hf

15、2L2=1329.90.052=69.2m排泥管需总扬程：HZ2=Hf2+（H+D）+h-10Pmin/2=69.2+23.9+6-102/1.279=83.5m其中，工作井下至砂水分离设备总扬程管道压力损失： Hfv=hf2Lv=0.05291.9=4.8m工作井下至砂水分离设备总扬程：HV=H+h+hfv=23.9+6+4.8=34.7m泵的清水换算：输送泥浆时浆液泵的扬程与流量依浆液浓度有变化，故进行扬程流量换算。输泥泵清水换算：H1=HZ1/Y1=47.9/0.96=50（Y1是泵的扬程折减系数：0.96）Q1=Q1/X1=1.0 /0.91=1.10m3/min（X1是泵的流量折减系

16、数0.91）排泥泵性能清水换算：H2=HZ2/Y2=83.5/0.92=90.8m（Y2是排泥泵的扬程折减系数：0.92）Q2=Q2/X2=1.11/0.81=1.37m3/min（X2是排泥泵的流量折减系数0.81）其中，工作井下至砂水分离设备扬程、流量换算HV=HV/Y2=34.7/0.92=37.7m Q2=Q2/X2=1.37m3/min要求泵的流量扬程：项目输泥管排泥管工作井下至砂水分离设备扬程5090.8m37.7流量1.10m3/min1.37 m3/min1.37m3/min一台放置工作井平台上，做变频调速，一台放置地面，其余4台布置在管内。 管线（输泥管、排泥管）、泵的布置管

17、线布置：工作井至钢管内12m采用100胶管连接，其余全部使用4吋钢管，管间法兰接口。在过中继间位置做高压软管过渡。泵的布置：输泥泵：输泥泵设在工作井地面上，一方面便于管理，另一方面管压小于管子许用压力。输泥管最大压力：P=Hf1+Pmax=48.2m=0.48MPa小于管子允许压力1 MPa。排泥管：排泥管需扬程90.8m水头，其中工作井至砂水分离设备需扬程37.6m，几乎占总扬程的一半。泵的布置考虑因素一个管道内不要出现负压，防止出现气蚀现象。二是泵离工作井近为好，可减少供电压力。三是能布置坑内则不要布置在管内，能布置地面则不要布置在工作井内。管内第一泵距离机头最大距离：L泵1=泥仓压力水头

18、PY2/hf2=626m，设在距离机头200m 处。管内泵间距：L泵2=泵的扬程Y2/hf2=657m，间距选用500m。工作井坑内设一台泵，地面设一台泵。 泥水及排泥量系统泵位置放置 输泥泵设在工作井地面上，一方面便于管理，另一方面管线压力不大管路最大压力：p=Hf1+pmax=48.2m，小于管子允许压力。 输泥、排泥系统图正常顶进时，管路上泵全部开启，V1、V2、V4、V5电动阀开启，V3、V6电动阀关闭。泥仓压力机C1通过PLC系统控制电动调节阀V1的开量，调节泥水仓压力达到设定值。电磁流量计通过PLC系统控制工作井下面变频调速泵转速，达到恒定设定流量。初试顶进和冲洗管道时，压力计C2

19、通过PLC系统控制变频调速泵转速，使机头后管压力达到设定值。1.1.3 管内通风本工程管内散热因是钢管，可向地下散热，地下温度长期在16左右，机头动力不大只有63.7kw左右，用电量大的设备在管内比较分散，根据经验，预计管内温度不会超过30，故不再做热工计算，管内通风不考虑散热，主要解决换气问题，防止人在管内缺氧，其次解决工作井焊接时防止烟气进入管道。通风管选用150塑料软管，风量按1250m时，6小时换风一次。需要风量：Q=1/4D21250/(660)=8.83m3/min=0.15m3/s133管断面积：W=0.014m2管流速V=Q/W=0.15/0.014=10.5m/s，为经济流量

20、。管路压力损失100mm/100m水头压力损失：h=100mm/100m1250m=1.25m选鼓风机：扬程20kPa，流量8.83m3/min一般情况换气采用由管机头通过管向外排风方式比较好，但由于本工程钢管焊接烟气较大，故采用由外向机头送风方式。除下管时，需断管外，焊接、顶进是全部送风。1.2 顶管机现场吊运、组装及调试1.2.1 顶管机吊运顶管机机头吊运属于大型设备运输，在吊运前制定详细的吊运方案，并进行以下工作： 运输路线选择与考察，主要有所经路途的架空线缆情况、运输路线桥梁限高及限重； 运输时间安排； 向路线所经地区交通管理部门提出申请备案，如必要请其进行协助维持交通； 吊装起止地点

21、支放吊车处的地基承载力验算及加固； 运输时跟车设有经验的吊装起重工一名。顶管机吊运时所采用的设备根据我公司以往吊运顶管机的经验，顶管机吊装初步选用50t吊车一次整体吊运，拖式炮车运输。1.2.2 顶管机及泥水分离设备调试 砂水分离设备本工程除5#工作井附近300m左右，在顶进断面以粘土为主之外，其余断面均在层和中，绝大部分段为中砂，夹粘性土薄层及粉砂，这种土质对砂水分离是比较容易的。处理泥量按照顶进50mm/min时的排泥量考虑，排泥量1.37m3/min，其中分离固体0.28m3/min。旋流器：管道在旋流器口收缩断面，泥砂浆液以8.5m/s的速度沿圆锥形旋流器周壁射出，粒径大的中、粉砂沿旋

22、流器周壁旋转下沉，泥浆由旋流器中心排入沉淀池，沉淀下的砂经两层振动筛,筛分大于0.2mm的砂，排出（已接近干砂）外运，筛下的泥砂，流入沉淀池，沉淀池设8个，砖砌，长宽深=3m4m1.5m，8个沉淀池轮流使用，上清液排除，表层泥用泵抽入泥浆搅拌机测比重，重配泥水，下层挖掘机挖出，晒干后外运。 顶管准备工作 轨道及顶进后靠背安装安装导轨，测量中心、高程误差在3mm之内。安装后靠背，并检查后靠背端面与导轨垂直度小于3%，检查顶铁接触面接触有无缝隙，有缝隙调正到无缝隙为止。 机头组装机头就位前：机头在工厂验收合格后运至现场可进行安装，在导轨上先放机头滑动支架。用50t吊车把机头整体调到滑动支架上，用千

23、斤顶、垫铁调正机头，使机头中心误差在2mm。在机头后装第一节管，第一节管长8m，安装标准同机头。接通自控系统，检测倾斜角、姿态仪、纠偏千斤顶、实际数值与计算机显示数值是否相符，如不符调正计算机显示数值。 各系统安装调试润滑泥浆系统。按照泥浆配比配制，搅拌机搅拌、2罐储浆罐润滑泥浆。用润滑泥浆泵向恒压罐泵送流浆，调试压力继电器，使罐压小于345kPa，泥浆泵启动，罐压大于800kPa，泥浆泵停泵。调好压力后放压两次检查，启动压力和停止压力无误准备就绪，有误差重复以上程序。泥浆压力、流量在计算机中显示准确，数据不对，计算机调正数据。 泥水及砂水分离系统调试安装好泥水搅拌机及砂水分离设备；安装好地面

24、泥水泵和排泥泵（5号井），安装好工作井内排泥泵及管线；按货源做好的配比，用泥水搅拌机拌和一储泥罐112m3泥水浆液；关闭1、2电动调节阀，打开3电动调节阀，开动输泥泵和变频调速排泥泵，检查泥路循环是否正常。按照上述操作投入自控，检查电磁流量计Q通过PLC系统对变频调速排泥泵流量控制情况，并作调正。按照上述操作投入自控，检查压力计C2通过PLC系统对变频调速排泥泵流量控制情况，并作调正。 工作井顶进系统调试工作井油路、泵、千斤顶安装完，装好油；在第一节管上安装好顶进环；检查千斤顶动作；工作井顶进系统接入自控系统，检查顶进速度控制情况，并调正顶进速度。 工作井洞口降水地下水对初始顶进影响有以下几点

25、：. 洞口水封环第一道与第二道有一交替过程，对水封比较薄弱；. 地下水压力对机头作用力，当顶距比较小时，管摩擦力不够换顶铁时有把机头推回可能；故在顶进前先降低地下水位，以降低510m为宜。 供电系统发电机、配电柜、电缆，分别作绝缘、耐压试验，发电机最好做负荷试验。 工作井内高程、中心桩校核 培训在顶管机到现场前15天，按照厂商提供的培训大纲，组织全体操作人员培训，培训时间一周，并出题测试，测试不合格者重新培训。顶管机到现场后，机手在日方指导下用操作盘模拟操作。初始顶进后100m段为培训段，在此段施工以培训为主、顶进为辅，要求在100m段内机手掌握顶管机的性能，并能熟练操作。1.3 初始顶进顶进

26、准备工作完成后，开始初始顶进。初始顶进在顶管工作中起着很重要的作用，一要穿过工作井洞口，低标号微膨胀混凝土，在这过程中保证洞口结构不被破坏，洞口橡胶瓦套及钢丝刷不被破坏，同时水和流砂不进入顶坑。二要保证高程、中心偏差最小，为正常顶进打下良好的基础。初始顶进长度、机头和第一节管8m。1.3.1 初始顶进速度控制顶进用工作井顶进设备进行速度控制，分为两个部分，机头入洞阶段速度控制在35mm/min，影响速度因素：一是刀盘切削膨胀砼厚度，当刀盘转速2.2转/min时，顶进速度35mm/min，膨胀砼切下厚度1.42.3mm，在这样厚度下砼成粗粉末状，便于泥浆带出；二是机头没入土时，机头克服刀盘旋转产

27、生的扭矩，靠的是机头重量产生的与轨道摩擦力，吃刀太深扭矩大，机头会旋转。第一节管进洞阶段，机头顶进速度控制在1020mm/min，此阶段重点是找正管子中心、高程，偏差控制在5mm之内，所以速度不要太快。1.3.2 工作井洞口密封安装洞口密封装置的安装一定要遵循快速、准确就位的原则。1号井在出洞旋喷完成后及降水井降至设计深度后开启穿墙管闷板，快速连接上洞口密封钢丝刷装置及橡胶瓦套，将机头缓缓推过橡胶瓦套及钢丝刷，刀盘切入微膨胀砼缓慢进行顶进。推进前需要注意将周边主切削刀用木板进行覆盖，以防止在出洞时破坏橡胶瓦套。3号井和5号井在出洞旋喷完成后及降水井降至设计深度后开启穿墙管闷板，安装过渡穿墙管（

28、30cm长）、洞口密封钢丝刷装置及橡胶瓦套，将机头缓缓推过橡胶瓦套及钢丝刷，刀盘切入微膨胀砼缓慢进行顶进。1.3.3 初始顶进泥水控制机头刀盘切入填充物前500mm，顶进时泥水流量控制在1.41.5m3/min，作用润滑刀，切削填充物杂物泥水带出，由机头出泥管排入砂水分离装置。初始顶进时，泥水流量控制在1.01.2m3/min，泥水容重： =1.2，泥浆由顶管机出泥管排入砂水分离设备。顶管机泥水仓压力控制在248KPa。1.3.4 测量初始顶进后500mm，顶进测量开始，测量仪器使用日本TOPCON GTS-800A型全站仪，每顶进300mm做一次中心、高程记录，并及时向技术负责人汇报，以便采

29、取措施。1.3.5 纠偏顶管机头没有全部进入洞时，在机头中心、高程偏差不大于20mm，不考虑纠偏，因此时轨道在控制前进方向，另外因机头没有全进管，此时纠偏如不采取措施，纠偏没效果反而使第一节管偏离轨道。如中心、高程偏差大于20mm，要停止顶进，由项目技术负责人主持研究是否纠偏及纠偏方案，此时纠偏高程时，轨道上管要加配重，纠偏中心时，轨道管要加两侧支撑。机头全部入土后，高程、中心偏差大于10mm要纠偏，此时纠偏用机头纠偏设备，但应用人工操作、全站仪测量。初始顶进终点，中心控制在5mm以内，高程控制在10mm以内，为以后掘进打下好基础。1.3.6 注浆减阻当注浆筒通过钢丝刷后，开始由注浆筒向钢管外

30、壁注润滑泥浆，润滑泥浆压力初始顶进时控制在457KPa，流量控制在0.1m3/min。1.4 顶管机正常顶进本工程顶管技术难点：.地下水位高，管在砂层中，泥水仓工作面塌方；.长距离顶进保证轴线偏差在左右50mm范围内，高程控制在50mm，而且管线为钢管，纠偏曲率半径比较大；.地下水位高，纠偏难，中继间、顶管后封闭漏水问题；.工期紧，如何在保证质量的前提下保证工期；.供电功率大，距离长，如何保证正常安全供电。钢管道顶进施工采用3台日本RASA工业公司生产的UNICON泥水平衡顶管推进机。1.4.1 顶进主要参数泥浆在整个顶管过程中起着关键作用，泥浆的压力、浓度影响挖掘面的稳定性。泥浆浓度、流量影响到切削下土体能否正常送到地面。泥浆配比要在优选货源的前提下优化配比，并能根据土质变化及时变化。泥水仓泥浆压力取决于地下水压力，施工过程沿顶进方向100m挖一地下水观测井，及时测得观测数据，确