复杂环境下钢顶管中继间上浮处理方案
1 工程概况
该工程位于厦门市集杏海堤杏林湾侧,集杏海堤打开缺口,对于进一步改善杏林湾内水质、加强排涝能力是十分必要的。为配合海堤开口施工,需对集杏海堤上的原水管渠进行迁改、维持原有渠道、管道的输水能力。
现有渠道迁改后的管道输水规模按10 m3/s设计(2根DN2 600钢管)。江东特供管迁改后管径仍为DN2 000,对应设计规模为6.0 m3/s。
2根DN2 600钢管从海堤开口西侧的2#工作井开始向东顶管至北引大池的2座接收井,本段顶管距离长约815 m。1根DN2 000钢管从海堤开口西侧的1#工作井开始向西顶管至北引大池的1#接收井,本段顶管距离长775～815 m。工程方案详如图1、图2所示。
图1 顶管方案平面示意
Fig.1 Steel pipe-jacking schematic plan view
该工程从进场至中继间出现上浮的各关键节点及时间详见表1。
至10月3日累计顶进至479 m,顶进过程中,监测发现2号中继间(距顶管工具管100 m位置)出现不断上浮的现象,累计上浮超过1 m,2号中继间前后管节轴线上浮详见图3。所处位置及中继间构造详见图4、图5。继续顶进将产生严重的安全隐患,因此暂停顶管顶进施工,研究解决方案。
图2 顶管方案纵断面示意
Fig.2 Steel pipe-jacking profile
表1 关键节点与时间
Tab.1 The key node and time
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序号 |
时间 | 进度 |
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1 |
2010年3月1日 | 进场施工 |
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2 |
2010年6月1日 | 顶管始发 |
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3 |
2010年7月1日 | 刀盘磨损严重,修复 |
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4 |
2010年9月25日 | 修复完成,继续顶进 |
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5 |
2010年10月3日 | 2#中继间上浮严重 |
图3 2号中继间附近管道轴线位移示意
Fig.3 2nd relay room pipe axis profile
图4 顶管暂停时中继间所处位置示意
Fig.4 Relay room location schematic view
图5 钢管顶管中继间构造示意
Fig.5 Steel pipe-jacking relay room structural schematic view
1 压浆管路 2 后方管道 3 固定螺栓 4 修理密封圈 5 工作密封圈 6 千斤顶 7 前方管段
2 上浮原因分析
经分析研究,发现2号中继间引起上浮的原因主要有以下几点:
(1)前期维修顶管、工具管等工作耗时较长,大部分管段在长达4个多月的时间停留在淤泥质软弱土层中,2号中继间又正好位于海堤开口围堰内抽水坑地段,上部覆盖层极薄,承受着较大的浮力,中继间是承插模式,整段管道的浮力集中到中继间最薄弱处释放。
(2)管道在等待维修工具管等工作期间,为防止管道抱死,需开动中继间前后滑动。在滑动过程中,2号中继间原有的受力平衡状态被破坏,产生上浮的趋势。
(3)管道前端为处理后的砂浆层,顶进时需要施加一定的压力使刀盘切削砂浆层,因此顶力较大,产生向上的分力加大2号中继间上浮的现象。
3 采取的应急措施
发现2号中继间上浮后,现场将2号中继间上部环板焊接锁死,防止发生中继间接口脱开事故。由于上浮趋势已经形成,继续施加顶力将会进一步加剧其上浮现象。因此暂停管道的顶进施工。
4 上浮处理方案
4.1 加强监测
在2号中继间设置监测点,通过观测其相对标高的变化,掌握其位移动态。监测频率为2次/d。监测数据及时反馈,尤其在每施加一项措施后的变化情况,根据其位移情况判断其位移趋势,作为确定后续处理措施的依据,指导施工。
4.2 增加覆盖层
根据现场实际条件,现状管顶为4～5 m厚流塑态淤泥,容重较小,无法为管道提供足够的上部荷载。推荐向管道上部覆盖层较浅的地段填砂,增加覆盖层厚度,抑制管道继续上浮的趋势,为下一步处理提供必要条件。
4.3 管内配重
向管道内布置配重,克服管道浮力和因现存夹角导致前后顶力引起的2号中继间向上的分力,帮助2号中继间向下沉降,尝试恢复至正常标高。
管内配重计算:
(1)克服推进时产生的向上分力(按1 000 t顶力计算):1 000×sin2°=35(t)。
(2)克服管道的浮力,管道自重(包括砂浆和管路)为1.8 t/m。为确保顶管减阻泥浆套的效果,配重需克服管道在泥浆套中产生的浮力,即管道体积乘以泥浆比重:5.39 m3×1.2 t/m3=6.47 t。则需要克服的浮力为6.47-1.8=4.67(t/m)。
(3)配重的调整,考虑到1号中继间处应尽量减少配重以免顶进时产生向下的分力,因此对合计263.5 t的配重进行调整,从第一个10 m起依次为80 t、70 t、50 t、40 t、24 t,合计264 t。
(4)2号至3号中继间段配重,2号至3号中继间段配重参照2号至1号中继间段设置,同样布置264 t。这样,两侧的加载配重为528 t。
(5)为使2号中继间下沉施加的额外配重,为使2号中继间下沉的可能性加大,还需增加配重荷载,以破坏管道目前的受力平衡状态。该部分配重按100 t实施。因此,使用的总配重为628 t。
配重材料采用钢筋,用人工送入管道内,均匀排布在管道底部及两侧铁架上,以破坏管道目前的受力平衡状态。
4.4 管道活动
在完成顶部覆土压载和管内配重后,通过中继间启动,活动管道,使其与周边土层产生滑动,减小土层对管道的包裹力,可帮助管道在配重的重力下向下沉降。
按照管道停滞期间拉动的程序,利用1号、3号中继间前后活动管道,实现1号至3号中继间之间的管道就向前、向后推动管道约30 cm。
同时,由于2号中继间上部设置了卡码限位,限制其开口间隙扩大,允许其开口间隙缩小。通过前述1号和3号中继间的往复运动,使管道来回活动,使2号中继间上部开口逐步缩小。每缩小一段间隙,立即用铁垫块将卡码间隙塞住,防止其回弹。这样使2号中继间逐步恢复至正常状态,则管道可逐步恢复至平直。
4.5 管底开口
管道内压配重、活动管道后效果仍不理想,进一步在管道底部开设若干小洞口,分别布置注水管和出泥管,抽除管底的部分土体,减少管道下部土体承载力,帮助管道向下沉降。
5 结语
通过该项目复杂环境条件下顶管中继间上浮案例的处理,取得了良好的效果。2010年10月30日,2号中继间及相邻管道恢复至正常标高-11.20 m,11月1日,顶管重新启动,后续施工较为顺利,圆满完成项目目标。随着顶管施工技术的日趋成熟,只要结合项目具体环境条件,做好相应的应急预案,把控好施工过程中的各种突发状态,仍然能确保顶进施工在保质保量、安全可控的条件下顺利完成。