「省级工法」360度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法

作者:地基基础工程 时间:2024-02-23 阅读:3105

360度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法

1.前言

顶管施工就是非开挖施工方法,是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术,是近年来发展较快的一种管道施工技术,其理论和工艺水平不断趋于完善。市政工程中采用顶管施工可以将作业面移入地下,从而避免了对地面交通的影响,显示出顶管施工的优越性。顶管施工方法有多种,如手掘式顶管,机械式顶管、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式、多刀盘土压平衡式等。手掘式顶管即平常所说的人工顶管,因设备简单,操作方便,施工成本低,施工进度快,施工过程易于控制等特点,在施工中采用较为普遍。

随着城市建设的发展,市政管道建设中,常因道路狭窄、地处闹市区、现场条件复杂等原因而必须使用顶管施工。对于短距离的顶管工程,一般使用人工顶管进行施工,即手掘式顶管。手掘式顶管适用于黏性、砂性或土质较好的土层,且无地下水影响,管径2000~3000之间的排水工程。但也会遇到地质条件较复杂的土层,如风化岩层。公司通过工程的施工实践,在处理遇风化岩的顶管中,积累了丰富的经验,通过施工中不断对该工艺进行改进和完善,经过总结,形成了本工法。在公司承建的钦州大榄坪污水管网工程项目中,运用本工法,施工效果好,安全可靠、实用。

2.工法特点

2.1 采用水钻机代替人工挖除风化岩,降低了施工的难度和工作强度,经济实用。

2.2 该工法弥补了水钻机钻孔精度差、水钻机自重大操作困难的弊端,水钻机安装在可旋转的支架上,提高了施工效率。

2.3 施工机具简单,施工工艺可操作性强,施工快捷,施工质量容易得到保证,降低了施工成本,缩短了工期。

2.4 操作支架可根据管径大小进行调节,并能调整水钻机钻进的角度。

2.5 避免使用风炮产生的巨大声响以及风炮破除时产生的石屑飞溅。

3.适用范围

本工法适用于人工顶管中遇到较坚硬石层的地质情况,以及人工挖掘困难的坚硬土层的顶管施工。

4.工艺原理

人工顶管手掘式开挖中,遇到坚硬岩层人工挖除困难,且无法使用爆破和风炮机破碎时,采用水钻代替人工挖掘。采用公司研制的可旋转操作支架,水钻机安装在支架上;在待挖除面上沿管径内侧钻若干个孔,孔孔相连,钻孔后取芯,待所有水钻钻孔连成一个环后,管芯就和管壁分离了,形成了管芯的临空面,之后在管芯岩面上采用冲击钻打孔,在孔内打入钢楔,锤击钢楔,使岩石受到剪切力和水平拉力作用,利用岩石抗剪能力差的特点,当岩石受到的力大于其抗拉强度时,岩块受拉破坏,岩石碎块全部运出后,进行下一轮钻孔、取芯、破碎、外运。循环施工直至最后将岩层全部贯通。

5.施工工艺流程和操作要点

5.1 工艺流程

「省级工法」360度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法

5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

1、技术准备

顶管施工前,技术负责人须组织相关施工人员进行安全技术交底,掌握顶管及水钻施工的技术知识和相关要求,了解施工场地工程地质情况,了解危险因素和安全防护的方法。

通过沿线调查研究,结合现场地形及交通运输、水源、电源、排水条件,已制定出相应的技术措施。

2、工具准备

施工人员的防护用品

施工机具:水钻机

顶管施工所需的机具:活塞式液压千斤顶、注浆机、鼓风机、空气压缩机、水泥搅拌机、测量仪(全站仪、水准仪)

5.2.2 测量放线及校准

(1)使用全站仪、水准仪等设备,测量现状地面高程及管道轴线,将控制线从工地周边的水准点坐标引入。

(2)测量的精度必须达到要求,其测量结果和精度将直接影响管道的顶进方向和的顶管的质量。管道测量平台由地面坐标延引下去,后视点精度要求控制在1mm范围内。

(3)在顶进过程中认真记录好管道内的每次测量结果,在初始顶进时应每30cm测量一次,正常顶进时每50cm测量一次,及时准确掌握管道的走向,以便及时采取纠偏措施,将管道顶进控制在允许范围内。

(4)在管道内,每次进行水钻钻孔取芯之前,须使用全站仪进行测量定位,放出管芯位置,并根据图纸和管径大小,,放出管的圆周线,考虑到施工过程的误差以及钻孔取芯后与岩壁之间的残余岩石,一般开挖管径要比设计管径稍大一点。

5.2.3 搭设操作支架

(1)在工作面搭设水钻机操作支撑架体,水钻机支架必须安全,稳固。为满足水钻机的钻孔取芯要求,设计简易的操作支架。如下图所示:

「省级工法」360度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法

(2)测量放线,在开挖的岩面上定出管道的中心轴线点,用冲击钻在岩面上打出一个小孔,用于操作支架中心轴A端的固定。

(3)支架中心轴B端,利用管道,采用水平和垂直两个方向可调节的顶托进行顶撑固定。

(4)初步固定好后,再用测量仪器确定好B端是否处于管道的轴线上,即中心轴是否与管道轴线重合,如不重合,则调整顶托,使支架中心轴与管道轴重合。

(5)卧式水钻机固定在绕支架中心轴转动的横向轴上,这样水钻机就能到达任意指定的钻孔位置。A端处的钢圆环直径根据管道的直径和水钻机的尺寸进行确定; B端钢圆环直径要比A端稍小点,这样水钻机就形成一个向外的角度,为机具预留出一定的尺寸。

5.2.4 水钻钻进取芯

(1)水钻取芯前再次进行测量,确保管道顶进准确无误。采用钻筒直径为150mm的水钻机在岩面上钻孔。钻芯圆要孔孔相连,圆与圆之间的距离控制在10~13cm。

「省级工法」360度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法

(2)当钻至深度约60cm时,调节水钻机的手动调位器慢慢将钻筒退出,岩芯套入一根钢丝圈,在钻缝处打入钢楔,将岩芯折断,拉扯钢丝,取出岩芯。转动支架,将水钻机转至下一位置,进行下一循环的钻孔取芯。

(3)水钻操作过程中必须保证钻头处于冷却水中,同时冷却水流保有一定压力对钻头直接进行冲洗,使之不淤钻、卡钻,能够保持钻头在清洁状态下正常稳定地工作。

5.2.5 岩芯破除清运

(1)全部钻孔及取芯工作完成后,对管芯部分的岩体进行打孔破碎。

(2)岩芯破碎首先使用冲击钻打小孔,大约30cm一排,孔径20~25mm,孔间距约300mm;钻孔完成后将钢楔打入孔中,用铁锤击打钢楔使岩体在巨大的冲击力,岩体受挤压,在拉力的作用下开始分裂,依次击打钢楔进行岩体分裂,直至该层岩芯全部破裂成小块。

(3)碎石块清理外运。破碎的石块由人工及时清理,使用斗车运送至顶管工作井,由工作井上方的活动式龙门吊吊出工作井运至指定堆场,石块清理干净后即可开始下一轮的钻孔取芯。

5.2.6 开挖面修整

(1)由于大圆和小圆之间存在间隙,因此水钻取芯后其与孔壁成锯齿状,如下图所示:

「省级工法」360度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法

(2)为保证由足够的管道顶进空间,轴向定位与设计标高一致,为避免顶进时破快管道外壁,需要用冲击钻凿平侵占空间的锯齿状岩石,使顶管能顺利进行。

5.2.7 管道顶进

(1)顶管施工前的各准备工作就绪,如台背、千斤顶、导轨等的安装,将机头由工作井顶入土体,用龙门吊将管节吊放入工作井内,接于机头后部,测量管道中心线及前端后端底高程,确认合格后将第一节钢筋混凝土管顶入。

(2)验收合格的管材用起重设备吊到工作井的轨道上就位,顶管前应在管材两端安装3mm的木层垫板,可以有效缓冲管材相互之间的压力,这样可以保护管材在挤压的情况下不变形、不破口、不破裂。

(3)人工掘土或水钻施工一定距离后,撤出操作支架,回缩千斤顶,吊入第二节管道,校直对中,接于前一节管后,安装回顶铁和分压环,将管节慢慢顶进。如此循环,直至完成顶管工作。

(4)顶管后须及时进行压注水泥浆,通过管壁上的预留空洞注满管道外壁与岩石之间的空隙,起到固定管道,防止渗漏的作用。

6.材料与设备

6.1 机具设备

抽水机,鼓风机,顶管施工的设备,水钻机

6.2 工具设备

全站仪、水准仪

灯具,钢楔,铁锤,冲击钻、铁铲,水管,操作支架(钢管、滑轮、顶托、电焊机)

6.3 运输设备

斗车,龙门吊

6.4 防护用品

防护眼镜、口罩、胶鞋、绝缘手套

7.质量控制

7.1 测量放线质量控制

(1)测量定位所用的全站仪、水准仪等测量仪器及工艺控制质量检测设备必须经过鉴定合格,在使用周期内的计量器具按二级计量标准进行计量检测控制。

(2)测量基准点要严格保护,避免撞击、毁坏。在施工期间,要定期复核基准点是否发生位移。

(3)总标高控制点的引测,必须采用闭合测量方法,确保引测精度。

(4)所有测量观察点的埋设必须可靠牢固,以免影响测量结果精度。

7.2 水钻施工质量控制

(1)操作支架必须安装牢固,且要有足够的刚度,中心轴要与管道中心线重合,否则顶进方向会产生偏差。

(2)水钻机安装必须稳定,钻进深度尽量控制一致,使开挖面与管道垂直,易于下循环钻进工作的进行。

(3)环与环之间的距离控制好,圆心之间的距离不易过大,且不应大于钻筒直径,以免增大后期修整的工作量。

7.3 顶管施工质量控制

(1)顶管机在顶进前严格检查机头的中线及高程,确保起初始掘进时的中线及高程达到设计要求。

(2)顶进过程中控制好机头掘进时的偏移量,如有偏差及时纠偏。

(3)接口必须密实、顺直、不脱落。

(4)顶管接口应对正管缝,管节不错口,填料密实、均匀,管底坡度不得有倒落水。

(5)顶管完毕,目测直顺、无反坡、清洁、不积水、管节无裂缝,段间无渗漏。

(6)在顶进过程中由于施工因素较多,在进洞时可能产生偏差,应在顶管施工中加强测量纠偏,使管线的中线控制在允许范围内。

管道顶进的允许偏差

检查项目

允许偏差(mm)

检查频次

检查方法

钢筋砼套管

范围

点数

1

直线顶管水平轴线

顶进长度<300m

50

1点

用经纬仪,或挂中线用尺量测

300m≤顶进长度<1000m

100

顶进长度≥1000m

L/10

2

直线顶管内底高程

顶进长度<300m

D1≥1500

+30,-40

用经纬仪或水平仪测量

300m≤顶进长度<1000m

+60,-80

用水平仪测量

顶进长度≥1000m

+80,-100

3

相邻管间错口

钢筋砼套管

15%壁厚,且≤20

用尺测量

8.安全措施

(1)在施工过程中,坚决执行《建筑安装工程安全技术操作工程》,并严格遵守现场规章制度,服从现场总包单位的安全管理,加强内部安全管理.

(2)非电工不得擅自接电,接电时必须请电工操作。

(3)电源电器由专人负责,严密注意电箱机械是否漏电。

(4)施工过程中,打钻工人在施工作业时必须严格做到水、电分离,应配备绝缘防护用品,如胶鞋、绝缘手套等防护用品。

(5)水钻安装固定必须牢固,更换水钻钻头及换位时必须切断电源。

(6)手持电动工具应装设漏电保护器,操作时带绝缘手套。

(7)临时配电线路必须按规范架设,架空线必须采用绝缘导线,不得采用塑胶软线,不得成束架空敷设,也不得沿地明敷暗设。

(8)施工中抽水、照明、通风等所配电气设备应一机、一箱、一闸、一漏保,供电线路要用四芯电缆,严禁碘钨灯使用两芯线,并经常检查电线和漏电保护器是否完好、灵敏。

(9)施工现场所有设备和机具必须做好保护接零,在采用接地和接零保护方式的同时,必须设两级漏电保护装置,实行分级保护,形成完整的保护系统。漏电保护装置的选择应符合规定。

(10)施工人员进入现场必须经过三级安全教育,新工人须经安全教育并经考核合格后方可上岗。进场作业须戴好安全帽,穿好工作服、防滑鞋等防护用品。

(11)对现场的工作井,在边沿处设置两道护身栏杆,悬挂安全警示牌,并应于夜间设红色标志灯。

(12)吊运材料时堆放应分散,不得集中堆放。

9.环保措施

(1)在施工现场设置施工标志牌,现场平面布图和安全生产、消防保卫、环境保护、文明施工制度牌。

(2)施工范围要严格控制,不在范围以外,搭设、临设、停放机具、材料等。

(3)设出口洗车平台,所有外运土方汽车在离开现场前必须通过洗车槽,冲洗污水统一集中处理后再排放。

(4)车辆出门时,做最后检查,并加盖布,防止车辆挡土板松脱,避免掉落造成污染。

(5)场内外道路清洁工作由专人负责,及时清理卡车掉落的土石方等杂物。施工现场道路实施撒水防尘措施,以确保道路不扬尘。当天工作结束,立即对工地现场及周围道路进行清扫,不污染环境。

(6)施工物资进场必须按施工现场平面布置图布置,分规格、分品种,做好标识,堆放整齐.散料必须进行围拦;

(7)在施工现场外堆放材料应得到有关方面的批准;

(8)施工垃圾及时堆放在指定的地点,余料及时清理回收;

(9)现场注意材料的节约,并做到工完场清.

(10)采取有效措施控制粉尘、噪声的排放,减少对周边居民的干扰。

(11)严格禁污水乱排放,防止污染施工环境和附近居民、单位的环境。

10.效益分析

本工法工艺简单,操作方便,对于人工顶管中出现的风化岩等的处理非常有效,施工速度明显提高,效果明显。水钻处理的开挖面较均匀,易于管道的顶进。该工法的材料、工具要求简单,处理成本低,具有很强的使用性和推广意义。相比人工挖掘的施工方法,水钻施工具以下优越性:

10.1 经济效益

(1)从本法应用的实际效果来看,在风化岩地质条件下采用该方法进行短距离的人工顶管,施工进度显著提高,施工操作方便,且可安排两台水钻同时进行施工,节省工期;

(2)保证顶管管道的尺寸,减少后期注浆量,从而节约了材料成本;

(3)风化岩硬度较大,水钻施工大大降低了人工挖出的工作强度,有明显的经济效益。

10.2 社会效益

(1)安全性高,水钻施工不使用爆破施工,不会扰动岩层,很大程度上保证了施工人员的安全。

(2)对周围环境影响较小,施工工序简单,质量容易控制,工期较短,现场清洁,有明显的社会效益。

(3)采用水钻施工,不会产生粉尘,符合建筑环保的要求。

11.应用实例

本工法成功地应用于钦州市大榄坪北片区污水管网工程1标段和防城港市企沙工业区工业南路项目,工程质量满足设计和规范要求。

11.1 钦州市大榄坪北片区污水管网工程1标段

本工程位于钦州市大榄坪北片区。工程起点位于丹寮大街与金鼓大道交叉口,终点至大榄坪污水处理厂。污水主干管道线长约为7.050km,管道管材选用钢筋砼管,顶管段采用顶管专用钢筋混凝土管。因穿越箱涵和多条道路,且管道埋深较大,需采用顶管施工,顶管部分总长合计约120米。

在穿越道路的顶管施工中,有两处顶管,总长约60米,地质条件为微风化岩,人工挖除难度较大,经过公司技术部门、设计单位技术部门讨论后,决定采用本工法进行处理,在保证质量的同时节约成本15%,缩短工期30%。施工全过程处于安全、优质、快速的可控状态,提高了施工功效,缩短了施工工期,大大降低了施工成本,赢得了各方的好评。

11.2 企沙工业区工业南路

本工程位于防城港市企沙工业区,道路总长5.407公里,污水主干管道直径2.8米,管道管材选用钢筋砼管,顶管段采用顶管专用钢筋混凝土管。因穿越多条道路,且管道埋深较大,在穿越的道路采用人工顶管施工,顶管部分总长合计约200米。其中穿越道路的顶管中,有多处地质条件为微风化岩地质,人工挖除难度较大,经过公司技术部门、设计单位技术部门讨论后,决定采用本工法进行处理,在保证质量的同时节约成本25%,缩短工期40%。

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