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拉顶管施工技术在排水管网工程中的应用

  • 2022-03-21

  • 运营部


随着我国排水管网项目的快速发展,管道铺设技术水平日益提升。传统顶管及定向钻牵引施工虽然实现了非开挖施工,但仍存在对周围环境影响大、作业面不足等难题。唐兴装备深耕非开挖设备设计制造十余载,接下来将依托具体工程实例,探讨了非开挖式拉顶管施工技术在排水管网工程中的应用。

1概述

随着我国城镇基础设施建设改造步伐不断加快,城镇污水管网的改造与管理,关系到污水收集的效率和居民生活工作环境的质量。大力发展城镇污水管网改造工程项目和不断提高市政污水管网管理水平,对改善城镇居住环境、提高城镇居民幸福感具有重要意义,是未来国家基础设施建设投资的主要方向之一。

在城区复杂环境下进行市政管线铺设时,作业范围通常紧临建筑设施,从而导致施工难度增大。针对市政管网施工,当下常规采用顶管施工及定向钻牵引施工,传统工法虽然实现了不间断交通,但仍面临对周围环境及设施破坏大的问题,同时还存在所需施工空间大,标高控制不准等短板。

而非开挖式拉顶管施工工艺的出现,从根本上解决了在房屋建筑密集的街巷以及作业空间狭小的城中村铺设雨污管网的这一困扰市政管道工程行业多年的难题。该工艺结合了传统的先导式拉管和顶管施工的优点,实现了工程与周边社会环境的和谐,提高了效率和质量,具有无可比拟的优势及推广价值。

2工程概况

肇庆市端州城区污水管网改造工程,项目包括完善排水管工程、改造排水管工程、城中村污水管工程、完善污水管及堤岸加固工程。项目实施排水管网总长约120.76km,其中拉顶管施工工程量为35.03km,占比为29%。施工范围位于肇庆市端州城区,西江中下游北岸,属于珠江三角洲经济区范围。

市政城区管线穿越地层主要为第四系人工填土层和第四系冲淤积层,且大部分钻孔下卧层存在深厚的淤泥质土。如使用顶管工艺进行施工,则易出现管道滑移及顶管机头难控制,最终将导致管道线型及标高偏差较大无法顺利出洞,施工质量较难控制。如果使用定向钻牵引施工,由于作业区域周边商铺密集,交通量较大,人员协调难,不具备施工条件。因此,针对现场的实际工况,采用非开挖式拉顶管施工工艺进行施工。

3拉顶管施工工艺分析

3.1工艺原理

非开挖式拉顶管施工工艺原理是首先采用水平定向钻导向技术确定管道标高和轨迹,再利用水平定向钻设备的回拖拉力和管道尾部顶管设备顶力的共同作用,将管道拉顶至设计高程,使管道在两个或多个井内连通。

先导顶拉管是一种采用水平定向钻导向技术进行导向,同时采用定向钻机提供扭矩及拉力而通过动力外置式微型隧道掘进机对土体进行破除,并可实现管道同步铺设的非开挖铺管技术。其主要施工步骤为导向孔的施工及管道顶拉铺设,工程设计主要包括场地勘察、管材选择、轨迹设计、工作井设计、泥浆方案、扩孔设计、机械选型等部分,本文将对具体设计方法及关键施工技术进行具体阐述。

水平定向钻导向采用井内导向方式,定向钻机直接在工作井内将钻杆送入指定标高平面。当钻杆钻至接收井后,在接收井内卸下导向钻头,并安装牵引机头进行反向扩孔掘进。同时,在机头后面安装柔性密封自锁承插接口实壁短管,对管道进行反向承拉锚固。

拉顶掘进时,水平定向钻机通过特制短钻杆给牵引机头传递回拉力,用以克服牵引机头的迎面阻力,余力则通过传力钻杆传递至管尾连接的后顶板及锚环,同时,工作井中的液压千斤顶实施顶推工作,在拉力与顶力的结合下实现反向拉顶管道贯入土层及安装,非开挖式拉顶管施工原理如图1所示。


3.2技术要点

非开挖式拉顶管施工工艺是一项结合了传统拉管和顶管施工优势的管道铺设新工艺,适用口径小于DN800的管道。在拉顶管施工过程中,在管轴方向和垂直管轴方向上受到各种荷载作用,荷载主要有地表荷载、管道自重、土压力、管壁摩阻力、迎面阻力、拉力,以及顶推力等。管道的受力非常复杂,处于三向应力状态,拉顶管施工过程中管道受力分析如图2所示。迎面阻力大小由土层和管径参数所确定,而管壁与土体之间的摩阻力则主要由管土摩擦系数以及管道上方土压力影响,管道在拉顶过程中所受到的总摩阻力会随管道铺设长度的增加而增大。因此,通过采用膨润土泥浆来降低管土接触表面的摩擦系数值,从而将降低管壁摩阻力。


3.3工程优势

管材优势:非开挖式拉顶管施工工艺实现了管内出土连续性和机械化,解决了部分地区地下水位高,施工难度大等问题。采用柔性密封自锁承插接口实壁管,管道接口自锁,抗震抗剪,不易脱节,实现了无需热熔对接设备焊接,避免了接口内翻边及接头渗漏问题。管道采用PE材料,消除了管壁内部应力,不易变形,可抗拉裂,适应不均匀沉降。

井位优势:拉顶管施工工艺适用于既不允许开挖路面且工作面较小的狭窄区域,其工作井规格一般为2.5m,可与普通检查井尺寸相媲美,而接收井则最小可做到1.5m。相较于同管径顶管工作井的8m和接收井5m尺寸,极大的节省了作业空间。同时,由于顶管工作井规格大,且需制作靠背,其造价较为昂贵,约需300万元/个~600万元/个,而拉顶管工作井则仅需18万元/个。此外,顶管工作井施工工期也更长,约需30d/个,而拉顶管工作井则只需7d/个,有效地节约了工程造价和工期。

环境优势:相较定向钻牵引施工工艺的造斜段施工,非开挖式拉顶管为井内施工,工作面较小。采用拉顶方式结合,管道拉顶速度较易控制,不会改变管道周边土体的性质,能较好地保持原土的稳定性,对地层扰动较小,极大的减小了对周边建构筑物的影响。管道拉顶作业时,仅在拉力或顶进阻力过大时才采取注浆方式进行减阻,且该注浆方式所产生的出土量仅为传统顶管的2/3,能较好的实现工程与周边社会环境的和谐。

4拉顶管施工工艺流程

4.1井位施工

非开挖式拉顶管施工采取先做井后导向钻进,再扩孔掘进,最后管道拉顶的工序。在井位施工前,需根据附近受保护对象的重要性及其与井位距离的大小,在井位四周施工防止土体渗漏的高压旋喷桩及止水帷幕,可避免井体周边土体流失,进而降低井位沉降对周围环境的影响。

导向钻进前,需要在井壁上的管道穿越部位提前预留洞眼,以利于钻杆及管道的顺利穿越。同时,为防止周围岩土或泥浆沿管道流向井内,应在洞眼周边安装橡胶止水圈,用以封堵管道与洞眼间的缝隙。

4.2导向钻进

井位制作完成后,开始导向钻进工作。为确保管道的流水标高控制精准,需在入钻方向井位安装定位轮或者开中心为小洞。首根钻杆入土时需严格控制钻进速度,采用轻压慢转的钻进方式。同时,为了实现精准钻进,需要采用专用的信号探测仪-导向仪进行钻孔轨迹监测。将探棒放至钻具中,通过电磁波发射给地面跟踪仪,可测出钻头埋深,从而实时监测钻头位置,便于设备操作人员根据实况及时调整钻进轨迹及速度。

4.3扩孔掘进

当导向钻钻至接收井后,在接收井内卸下原导向钻头,根据土层的承载力来决定是否预扩孔,扩孔阶段可在扩孔钻头上增加导流槽或在拉管帽开孔,用以减小迎面面积,使泥浆进入管道内部,既减小了迎面阻力又减小了摩擦阻力。根据所施工管线的规格以及钻孔机的能力进行多次扩孔,循环操作直至预扩孔和清孔工序完成。

4.4管道拉顶

扩孔施工完成后,在接收井内卸下扩孔钻头,并安装牵引机头,并在机头后安装柔性密封自锁承插接口实壁短管节,通过特制的连接短钻杆、后锚顶板及锚环,对管道进行反向拉顶锚固。由于管节是塑料材质,在传力杆锁紧的情况下会产生预应力,故管道在拉顶施工过程中刚性会明显增强。钻进并回拖拉顶管道施工时应配备真空泥浆车配合,泥浆直接进管,平衡地下压力,减轻顶管阻力。

拉顶掘进时,掘进头通过特制短钻杆给牵引机头传递回拉力,用以克服牵引机头的迎面阻力,余力则通过传力杆传递至管尾连接的后顶板及锚环,同时,工作井中的液压千斤顶实施顶推工作,在拉力与顶力的结合下实现反向拉顶管道贯入土层及安装。施工时,待一节段完全顶入土层后,再在管道尾端接入下一节段,依次完成本步骤,直至贯通另一侧接收井,管道成型,管道完成后宜结合CCTV检测采用内渗法进行密闭性检查。施工工艺流程如图3所示。


5结语

通过肇庆市端州城区污水管网改造工程对非开挖式拉顶管施工工法的应用,有效的解决了端州城区市政地段施工难题。工程中采用柔性密封自锁承插接口实壁短管,可分节段在井内依次拉顶施工,降低了施工面的需求。井位尺寸优化幅度大,在节约工程造价和工期中取得了良好的效益。工艺采用拉顶方式结合,对地层扰动小,极大的减小了对周边建构筑物的影响,在安全和质量控制上亦取得良好效果,可为以后同类工程施工决策、方案调整提供科学依据,具有无可比拟的优势及推广价值。

 

本文由唐兴装备整理自《山西建筑》中的《拉顶管施工技术在排水管网工程中的应用》欧雪峰,屈星,王磊,胡军然,转载请注明出处,如有侵权请联系删除。

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