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流沙土质路基的顶管施工方案

流沙地质顶管穿越措施

石油、天然气管道进行穿越施工时一般的施工方法为大开挖,但如果遇到穿越高速公路、铁路等交通频繁或无法阻断交通的地方,大开挖施工方法将会显得束手无策。顶管穿越施工是解决上述问题的首选方案,但遇到穿越地质条件为流沙情况,按传统的顶管措施进行施工,将会造成后背墙倒塌、路基下陷、前帽檐变形、套管顶裂等缺陷,最终以顶管失败告终。
下面以输气管道工程陕西省榆林市线路A工程(AA001-AA095)红石峡-小纪汉公路顶管穿越失败和210国道顶管穿越成功为例,分别介绍在流沙地质路基下顶管穿越需采取的措施,达到在流沙类软地基顶管作业时一次成功的目的。
本标段管道所经区域地貌大致以金鸡梁为界西属毛乌苏沙漠东南缘风沙草滩区,东为黄土高原区和淤泥地段。红石峡-小纪汉公路和210国道的地理位置均属风沙草滩区,区内地貌地形起伏较小,地基承受载荷耐力差,管沟范围内地层主要为细砂、粉土,表层多为第四系风积细砂覆盖。

一、 穿越工程概况:

工程概况表
工程概况


二、红石峡-小纪汉顶管穿越:

1、采取措施:按传统的顶管措施进行。

a.操作坑:长5m,宽5m,深度为套管埋深+0.5m,边坡比为1∶1,并在坑壁三面用草袋装土堆砌,坑底
用黄土打300厚基础,用砂子找平,并用钢板制作成操作平台,以保证顶进千斤及滑轨的平稳性。
b.后背墙:一面在顶管作业中,难以承受千斤的后向顶力,从而影响顶进套管的左右水平、上下垂直精度,所以再作业前作如下处理:后背墙依次增设2排枕木、20厚钢板、Ⅰ型50轻轨。
c. 帽檐:Q235 δ=8mm钢板,长度500。
d. 套管:采用设计套管RC1500×2000×150-Ⅱ-GB11836。
e. 200T千斤:数量2个。
f. 千斤顶点位置:套管2侧水平轴线1/4处。

2、施工布置图:

施工布置图
施工布置图2
施工布置图3

3、顶管过程中产生的缺陷:

a.在套管顶进4米时,产生后背墙失稳现象,造成重新修复后背墙。
b.重新修复后背墙后,套管顶进8米时,出现连续2根套管顶裂现象,顶裂位置均在套管的一侧,造成停工更换套管,
c.更换套管后, 套管顶进10米时,出现路基下陷0.8米,顶管失败。


后背墙失稳


套管顶裂


路基下陷

三、组织攻关:

针对上述问题我项目部于2004年7月22日专门成立了由项目经理牵头,项目总工为组长的关于流沙路基顶管穿越科技攻关小组。理论结合实际,在分析失败的原因的基础上作出合理的施工方案。首先在红石峡-小纪汉顶管穿越现场做各种实验,收集各种数据,包括套管强度弹球试验、顶进设备同步试验、流沙自然边坡比测定、灰土、水坠沙土的强度等,制作了多种必须的机加工工装,购买土建力学、顶管穿越、泥浆知识等多种相关参考书籍,甚至到多家套管生产现场考察生产工艺。另外结合顶管穿越的成功理论作出环刀削土方案、水冲泵抽方案、泥浆润滑方案、加强后背墙方案甚至变更钢套管方案等多种顶管方案,经过多次现场、理论论证,集多种方案的优点于一体于2004年09月19日确定最终方案,历经58天。

四、红石峡-小纪汉顶管穿越失败原因分析:

1.后背墙失稳:

a.没有科学的计算后背墙所应承受的最小力,能否满足顶管时最大顶力。
b.在保证后背墙有足够的承受力情况下,没有科学的计算后背墙后部的流沙地质能否承受相同的顶力,造成在顶管过程中,随着顶力不断的增大,后部流沙跟着不断的后移,最终造成整个后背墙失稳。

2.套管顶裂

a.设计原因:套管采用设计套管RC1500×2000×150, 按GB11836《混凝土和钢筋混凝土排水管》进行预制,其中的环向筋和纵向筋均为∮6@200的圆钢,混泥土强度为C15,设计强度不能满足在流沙地质条件下顶管的需要。
b.套管原因:套管在制作过程中,由于预制工艺限制,混泥土套管端部均不能压实成型,最终由人工二次涂抹成型,造成端部强度不够,成为薄弱环节。
c.设备原因:由于本顶管穿越用2台200T千斤同时操作,而2台千斤共用1个控制阀和1个压力表在运行过程中,一旦2台千斤不同步,难以发现,只能通过观察千斤顶进长度存在差异发觉,但由于所用千斤设备是液压系统,不能立刻停止纠正,造成行程大的一侧顶力超大,从而将此侧套管顶裂。
d.地质原因:此顶管穿越不同在黄土类路基下施工,套管前外壁已挖空,管壁与土的接触面小了,顶力减少。此穿越路基地质为流沙,顶管施工时,套管前挖多少,流多少,最终造成整个路基下陷,为避免此情况发生,只能挖套管内的沙子,套管前的阻力并未减少,造成顶力加大。

3、路基下陷

a.此穿越路基地质为流沙,顶管施工时,套管前沙子挖多少,流多少,最终造成整个路基下陷。

五、210国道顶管穿越:

总结红石峡-小纪汉顶管穿越失败的经验,210国道顶管穿越施工前,进行了周密的理论和经验计算,分别在混泥土套管、后背墙、前斤设备、套管帽檐等方面作了修整,具体如下:

1、千斤设备选择

理论顶力计算
管道顶进时千斤顶的顶力,必须克服管壁与土之间的摩擦阻力和管端切土或挤压阻力。
其值可按下式计算:N=f[2(PV+PH)D1L+P0]+RA(吨)
式中:N= 千斤顶顶力
f=管壁与土之间的摩擦系数;
PV=管顶以上的垂直上压力(吨/米2)
PH=管侧的水平压力(吨/米2)
D1=套管外径(米)
L=套管总长度(米)
P0=套管总重量(吨)
R=管端切土阻由上式得210国道的千斤顶顶力:
N=f[2(PV+PH)D1L+P0]+RA
f: 湿粉砂为0.45~0.60,为安全起见选最大值0.6
PV = gh
g=1.5
h=a/ fkp
a=(D1/2)*[1+ tg(45°-f/2)]
D1套管外径为1.8米
f内摩擦角:湿粉砂为25°
a=(1.8/2) *[1+ tg(45°-25°/2)]
a=1.473
fkp=土层的坚硬系数, 选0.6
h=1.473/0.6=2.455
由于H=3.2 m,2h=4.9m
H≤2h、 fkp=0.6时,
所以,不考虑卸力拱作用,此时按下公式:
Pv= gH
PH =g( H+ D1/2)tg(45°-f/2)
Pv= 1.5*3.2=4.8
PH =1.5( 3.2+1.8/2)tg(45°-25°/2) =3.92
N=0.6* [2(4.8+3.92)*1.8*30+67.5]+38.8575=644.4(吨)

经验顶力计算

用理论公式算得的顶力值,一般比实际大。主要原因有:
1.式中考虑的条件是静态,而在正常顶进过程中是动态,随着管道不断的向前顶进,管道表面与土的单位阻力相对有所降低;
2.挖土时管外壁上半部已挖空,管壁与土的接触面小了,顶力也减少约50%。
在实际顶进中,顶力变化大,除土质管径管长等因素外,还与地下水位变化顶进中断附近震动影响及顶进质量等多方面因素有关。
根据多年来施工实践,对钢筋混凝土管和钢管,其顶力也可分别按以下经验公式估算。
钢筋混凝土管顶力经验公式:
N=LGK()
式中:L=顶管长度(米);
G=每米管重(吨/米)
K=顶力系数,在管顶挖成月牙形空隙的情况下,对粘土亚粘土天然含水砂土为1.5~2.0;对含水量低的砂土砂砾、回填土等为3.0。
N=LGK
L=30
G=2.25
K选择最大3.0
N=30*2.25*3=202.5(吨)
结论:2个200吨千斤顶可以满足顶力要求。

2、后背处理

受力分析示意图:


P:取1.5倍的安全系数,顶力为300吨;α按3考虑;P1= P sinα=15.7吨;P2=Pcosα=299.5吨。
A:垂直分力作用下,靠背钢板的稳定条件:
G+T≥K P1
G=bHL g
式中:G=土的重量,KN;
T=摩擦力,KN;T=fP2 ,P2= Pcosα。f为钢板与灰土的摩擦系数;
K=安全系数,取K≥2;
P1=垂直分力,P1= P sinα;
L=连接钢板宽度,m;
g=灰土单位体积重量,KN/m3;
H=灰土层深度,m;
b =灰土基坑尺寸,m。
G= bH L g
bL=连接板面积S1
H=3米
g=按9800 KN/m3
T=安全起见,摩擦力考虑按0.05计算。
K=2
P1= P sinα=15.7吨,P2= Pcosα=299.5吨。
S1*3*9800+0.05*299.5*9800≥2*15.7*9800 得:S1≥ 6.375m2
所以,连接板暂选用2m *3.5m钢板大小。
B、水平分力作用下,锚锭的稳定条件:
[σ]η≥ P2/(S2)
式中:[σ]=灰土的许用承载力,KN/m2;
η=减折系数(因灰土压力不均匀造成),取η=0.25;
S2 =靠背钢板和灰土接触的面积,m2。
P2= Pcosα;
[σ]= 灰土选400KPa
η=0.25
P2=Pcosα=299.5吨
[σ]η=400*0.25=100 KPa
100≥299.5*9.8/S2
得:S2≥29.4m2
所以,S2 =靠背钢板和灰土接触的面积选30m2。
C、砂土受力分析:
[σ]η≥ P2/(S3)
式中:[σ]=砂的许用承载力,KN/m2;
S3 =灰土和砂接触的面积,m2。
[σ] =砂的许用承载力,150 KPa;
P2=Pcosα=299.5吨
150*0.25≥299.5*9.8/(S3)
得:S3≥78.3m2
所以,S3 =沙和灰土接触的面积选80m2。
D.最终结论:连接板尺寸选择长2m,宽4m;靠背钢板大小选择高选8m,宽选4m; 灰土尺寸选择:前端:宽4m,深8m。后端: 宽10m,深8m,长2m.
体积:2*(4+10)/2*8=112m3; 白灰:112*270=30.240吨,黄土:112*1.15=128.8 m3,水: 112*0.35=39.2 m3,压实系数≥0.95。
E、基础、后背墙处理示意图见下图:



后背墙处理

3、套管强度计算:

σ= N /s
σ=套管强度(MPa)
N=千斤顶力,取300T
S=千斤顶端与套管接触面积(mm)
σ= 300*10000/(3.14*902)=118MPa,为加强套管强度:在设计套管RC1500×2000×150的基础上作如下变更:
a.加强、加密、加粗、变更钢筋;
b.在套管两端面增加Q235δ=8钢板护套加强套管


4、为保证2个200T千斤同步,在2个千斤上加工1三通,分别加压力表,使压力随时可以监测,发现问题及时解决。

调整千斤顶同步

5、为保证路基不下陷,采取加长套管前端帽檐的办法,即保证在挖空套管前端的沙子,减少阻力的同时,又要保证帽檐上部的沙子不下流。由于流沙自然边坡比为1:0.8-1,所用套管外径为1800mm,所以帽檐伸出套管最小长度为1800mm,加上与套管固定长度200mm,总长度为1800+200=2000mm,帽檐沿周向加筋板增加刚度,防止变形



6、顶点位置:将2个千斤的顶点位置合二为一。为保证顶力沿套管整个圆周均匀传递,又避免由于千斤不同步造成套管顶裂或穿越套管水平度产生偏差等缺陷。



7、穿越结果:一次成功。


穿越完成后路面完好如初

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