专利名称：顶管垂直取水方法
技术领域：
本发明涉及一种河道取水方法，尤其是一种长江中顶管垂直取水方法。
背景技术：
取水工程位于江苏镇江市大港开发区，位于江心镇外长江北岔口。施工范围为水上及水下作业。工程主要内容为
Φ 900钢管定位桩8根，沉管长度57m，钢管壁厚18mm ； 130 m2水上施工平台1座； DN3000钢管沉管1根，长度55. 5m,壁厚20mm ； DN1600竖管连接管一根，长度29. 45m,壁厚20mm ； 永久取水头1只。西线1#顶管设计取水头位置，该处河床标高为-25. Om,河床西高东低。从河床至岩层各主要工程地质特征地层详述如下
1.2层淤泥质粉质粘土层灰色，流塑，摇振反应无，稍有光滑，干强度及韧性中等，土质不均勻，夹薄层粉砂，含腐殖物碎片，该层场区钻孔大部分揭露。层厚1. 50 -細。2. 2层粉质粘土灰色，流塑，摇振反应无，稍有光滑，干强度及韧性中等，土质不均勻，夹薄层粉砂、粉土，该层场区钻孔大部分揭露。顶板埋深2. 55 — 32. OOm (平均 12. 87m)。3. 3层粉砂灰色，饱和，中密，分选性较好，含云母碎片，局部夹粉砂粘土、粉土薄片，该层场区主要在水域钻孔揭露。顶板埋深0. 00 - 32. 40m(平均14. 22m)，顶板标高一 49. 12——20. 88m (平均一 37. 71m)，层厚 0. 31 — 13. 40m (平均 7. 30m)。4.层强风化花岗岩灰白色夹灰绿色，花岗斑状结构，块状结构，矿物成分以石英、长石为主，斑晶径1 一 5mm，手掰破碎，含中等风化花岗岩碎块，该层场区钻孔大部分揭露，为揭穿。顶板标高一 52. 00。5.姊管目前所处区域为长江之滨，长江该段每日涨落潮各两次，涨落潮平均延时 3小时25分；根据镇江站多年潮位观测资料表明，历年最高潮位为6. 75m，一般出现在汛期 (6、月间);历年最低潮位为-0. 6m，最低潮位一般出现在枯水季的广2月间；多年平均潮位 2. 52m，多年平均潮差年内潮位变幅较大，最大涨潮潮差2. 32m，最大落潮潮差2. 2m，涨潮历时平均约3小时，落潮平均约9小时。预计施工期潮位为+2. 5nT4. 5m。6.场地地处北亚热带南部季风气候区，温和湿润，四季分明。五月至九月份雨量充沛，占全年的60%，日最大降雨量234. 5mm。主导风向东南偏南。施工现场的特点可知现场将停泊较多施工船只。分析可知
a、人员上岸及进入施工区域皆要通过长江主航道；
b、整个工程施工从时间节点及空间分布上都非常紧凑，要求在施工过程中合理安排施工工艺，确保施工质量及生产成本。
从施工成本考虑，临时取水位置已没有其他路由可走，该临时取水工程还具有重要性非常高、工期要求非常高、质量要求非常高的特点。除此以外，根据现场探查管临时取水工程将面临如下难点
1、测量定位
DN1600连接管能够顺利安装的前提就是DN3000钢套管经历30m深的长江水及24. 25m 覆土，能够准确的“骑”在DN1800顶管之上。取水头安装位置距离南岸达16^m，这对测量定位及倾斜控制来说，无法满足工艺精度要求。2、DN3000钢套管沉管
沉管经历主要土层为粉质粘土及粉砂，该层摩阻力较强，分别为40kpa及50kpa。最不利情况，最高侧壁摩阻力将达7393KN，此外④3粉砂层承载力很高，沉管较为困难。以此同时，DN3000钢套管沉管必须满足小进尺的要求，以防止其沉管过程中对顶管钢管施加过高压力引起破坏。3、超高水压
根据现场条件可知，取水头竖管连接管与顶管连接位置水头压力较大，达到了 0. 52Mpa，潜水员在高压力下进行切割作业受限非常大。该部分为最薄弱安全、质量受控环节，此环节为方案能够顺利实施的重要前提。目前，还没有一种方法能实现上述取水工程。
发明内容
本发明是要提供一种顶管垂直取水方法，该方法能防止其沉管过程中对顶管钢管施加过高压力引起破坏，能经受取水头竖管连接管与顶管连接位置水头压力，保护潜水员在钢管内水下作业的安全，提高水下割除作业的质量。为实现上述目的，本发明的技术方案是；一种顶管垂直取水方法，具体步骤是；
(1)施打定位钢管桩
在取水管工具头后部顶管钢管的两侧施打八根Φ 900定位钢管桩沉入基岩50cm，并安装支撑围檩，在桩端搭设水上平台，其标高+5. 00m，并在-5m位置安装DN3000钢套管限位导向架；
(2)施打套管桩
沿着DN3000钢套管限位导向架施打一根DN3000套管桩至管顶标高；使DN3000钢套管下部开U型口下沉骑在顶管钢管上；并用水泥高压旋喷桩通过引孔钻机引孔后对DN3000钢管内外进行加固；
(3)连通DN1600竖管
顶管钢管与DN3000钢管之间将加工好的DN1600钢管吊放入DN3000钢管，通过潜水员配合空气吸泥沉落在顶管钢管上，清空DN3000及DN1600钢管间砂土后浇筑水下混凝土 ；
(4)安装取水头
从竖向DN1600管道内，采用水下切割工艺，在顶管钢管上部开孔，并安装取水头，完成取水管取水任务。施打Φ900定位钢管桩过程中，采用测量定位在河岸选设置三个坐标控制点，及一个高程控制点，坐标控制点与岸基控制点相互通视并拉开一定距离，通过交会测量法控制沉桩桩位，使用全站仪施测。DN3000钢套管下面U型口加固环焊接20mm厚钢板，距离U型口上方^ii处再焊接一圈20mm厚钢板，使得DN3000钢套管在穿越粉质粘土及粉砂层时进一步降低侧壁摩阻力。本发明的有益效果是采用本发明的施工方法能使钢管桩平面位置偏差小于 5cm ；DN3000钢管桩倾斜度控制在0. 5%以内；Φ 900钢管定位桩倾斜度控制在1%以内；能经受取水头竖管连接管与顶管连接位置水头压力，保护潜水员在钢管内水下作业的安全， 提高水下割除作业的质量。
图1是本发明的施工工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明的顶管垂直取水方法
在取水管工具头后部钢管设备段的两侧施打沉入8根Φ 900钢管桩(沉入基岩50cm)， 并安装支撑围檩，在桩端搭设水上平台(标高+5. 00m), _5m位置安装DN3000钢套管限位导向架，从中施打1根DN3000套管桩(至管顶标高)；DN3000钢套管下部开U型口，最终下沉 “骑”在顶管钢管上；水泥高压旋喷桩通过引孔钻机引孔后对DN3000钢管内外进行加固；将加工好的DN1600钢管吊放入DN3000钢管，通过潜水员配合空气吸泥沉落在顶管钢管上；清空DN3000及DN1600钢管间砂土后浇筑水下混凝土 ；从竖向DN1600管道内，采用水下切割工艺，在顶管钢管上部开孔；最后安装取水头，完成取水管取水任务。为保证本发明的施工过程所采用的解决方法 1、测量定位
在江心镇沿河岸选取合适的地点，设置3个坐标控制点，及一个高程控制点。坐标控制点应与岸基控制点应相互通视并拉开适当距离，通过交会测量法控制沉桩桩位，使用全站仪施测。2、为保障DN3000钢套管U型口卡在顶管钢管上过程中的安全，钢套管沉管须遵从高频、低振幅的沉管要求。ICE的V360液压振动锤比较吻合本工程的施工特点。根据地质勘察报告桩基参数，永久取水头处施打DN3000钢管所受摩阻力较大，最不利情况下(极限侧摩阻力恢复)侧壁摩阻力将达到7393KN，远远超过振动锤的最大激振力 3212KN。为此必须做好如下技术准备
a、U型口加固环焊接20mm厚钢板，距离U型口上方处再焊接一圈20mm厚钢板，使得钢套管在穿越粉质粘土及粉砂层时进一步降低侧壁摩阻力。b、沉桩前做好各类准备，钢套管必须一次性连续沉管到位，若必须停止沉管，则将钢套管拔出，选择平潮为再次沉管。3、为保护潜水员在DN1600钢管内水下作业的安全，提高水下割除作业的质量，在 DN3000钢套管外围及与DN1600钢管之间施打水泥高压旋喷桩，旋喷桩水泥浆液中参入早强剂；顶管钢管以上部分在DN3000钢管与DN1600钢管之间浇筑水下混凝土，使得DN1600 钢管与顶管钢管的接缝完全保护起来，降低渗透系数，防止外围粉砂涌入管内。土体加固及
5水下砼完成并养护7天后，降低DN3000钢管内水位至标高_5m以下，从而大幅降低潜水员的潜水深
4.取水头位置选择
为提高DN3000钢套管沉管的准确度，降低沉管的摩阻力，应选择土层变化均勻，平缓的，粉砂层或粉质粘土层高度较小的地段。根据本工程《岩土勘察报告》2007. 4月版，设计永久取水头位置河床及土层变化较大，相对来说ZK3处更适合沉管施工。该处有4. 8m厚的淤泥，利于DN3000钢套管在重力下垂直进入土层，并起到一定的约束作用。永久取水头设置在顶管设备段中心，已知ZK3距离工作井穿墙孔1600m，故顶管顶进至1613m结束顶进。5.钢管定位桩、钢套管及竖管 (1)定位桩钢管桩
钢管桩采用Φ900，δ 14螺旋管桩，考虑基岩面起伏，单根桩长为57m。由于钢管定位桩桩顶要搭设水上平台，共需沉入钢管桩8根。Φ 900钢管桩由钢管加工厂加工制作。该桩较长，且在长江上施工，同时为减小沉桩对顶管钢管的影响，采用液压振动锤击法进行沉管作业。(2)钢套管
DN3000钢套管，下部开“U”型口，沉至管底标高以下25cm，参照10月份长江最高水位 +4m左右，DN3000钢套管需高出河面2m，顶管管底标高-49. 25m。则DN3000钢套管总长为 4+2+0. 25+49. 25=55. 5m。因而DN3000沉管加工长度为55. 5m,内径为3m，管壁厚δ 20mm,考虑到打桩的需要，在桩顶端增1道60cm长的环箍，在桩的底部增加1道30cm宽的δ 16mm 环箍与钢管焊接。(3) DNl6OO 竖管
DN1600竖管为临时取水口及顶管与埋管的连通管。根据设计要求，取水头标高为-15. 37m,顶管管顶标高为-47. 41m,故需加工长度为29. 45m。钢管采用壁厚14mm的 Q235B钢板制作加工。根据现场实际条件，Φ 900、DN3000及DN1600钢套管选择在现场长江边拼焊，为满足拼焊要求，在江提修筑一道宽约6m，长约60m，厚约30cm的块石道路；同时用编织袋修筑拼管平台，平台间距3m，长约3m，底部宽2m，上部宽Im，高lm。沉管拼接结束后，测量人员在管两端管口边测量布置垂直中心控制点，并用白色油漆画一条直线将管端两头控制点相互连接。现场配备1台50T履吊进行拼管对接，沉管拼焊完成后，将沉管两端管口采用δ IOmm钢闷板封堵(封于钢管内部)，现场用2台150Τ汽车吊进行双机联合作业，将管节吊至长江水域，再由拖轮、锚艇配合浮运拖至施工现场。6.沉桩施工
顶管直径为1. 8m，管中心标高为-47. 33m,江底河床标高约为_25m，管顶土层厚约 21. !左右。根据地质资料反映该区域土质为砂质粘性土和粉砂土。根据上述条件及钢套管的长度、重量，选择ICE公司的V360型振动锤及配套的十字型四爪夹桩器夹管。由于DN3000钢管为岸边一次加工成型，桩身长且桩位位于水上平台内，为满足施工起吊高度及跨度的需要，选择秦航工66号起重船，另配备拖轮和抛锚艇。秦航工66号起重船技术参数如下表
权利要求
1.一种顶管垂直取水方法，其特征在于具体步骤是；(1)施打定位钢管桩在取水管工具头后部顶管钢管的两侧施打八根Φ 900定位钢管桩沉入基岩50cm，并安装支撑围檩，在桩端搭设水上平台，其标高+5. 00m，并在-5m位置安装DN3000钢套管限位导向架；(2)施打套管桩沿着DN3000钢套管限位导向架施打一根DN3000套管桩至管顶标高；使DN3000钢套管下部开U型口下沉骑在顶管钢管上；并用水泥高压旋喷桩通过引孔钻机引孔后对DN3000钢管内外进行加固；(3)连通DN1600竖管顶管钢管与DN3000钢管之间将加工好的DN1600钢管吊放入DN3000钢管，通过潜水员配合空气吸泥沉落在顶管钢管上，清空DN3000及DN1600钢管间砂土后浇筑水下混凝土 ；(4)安装取水头从竖向DN1600管道内，采用水下切割工艺，在顶管钢管上部开孔，并安装取水头，完成取水管取水任务。
2.根据权利要求1所述的顶管垂直取水方法，其特征在于所述施打Φ900定位钢管桩过程中，采用测量定位在河岸选设置三个坐标控制点，及一个高程控制点，坐标控制点与岸基控制点相互通视并拉开一定距离，通过交会测量法控制沉桩桩位，使用全站仪施测。
3.根据权利要求1所述的顶管垂直取水方法，其特征在于所述DN3000钢套管下面U 型口加固环焊接20mm厚钢板，距离U型口上方处再焊接一圈20mm厚钢板，使得DN3000 钢套管在穿越粉质粘土及粉砂层时进一步降低侧壁摩阻力。
全文摘要
本发明涉及一种顶管垂直取水方法，在取水管的两侧施打沉入8根φ900钢管桩，并安装支撑围檩，在桩端搭设水上平台，安装DN3000钢套管限位导向架，从中施打1根DN3000套管桩；水泥高压旋喷桩通过引孔钻机引孔后对DN3000钢管内外进行加固；将加工好的DN1600钢管吊放入DN3000钢管，通过潜水员配合空气吸泥沉落在顶管钢管上；清空DN3000及DN1600钢管间砂土后浇筑水下混凝土；从竖向DN1600管道内，采用水下切割工艺，在顶管钢管上部开孔；最后安装取水头，完成取水管取水任务。该方法能使钢管桩平面位置偏差小于5cm；DN3000钢管桩倾斜度控制在0.5%以内；φ900钢管定位桩倾斜度控制在1%以内。
文档编号E03B3/04GK102561454SQ20101061518
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者严国仙, 刘松华, 奚士俊, 张海锋, 徐玉夏, 施雨, 李耀良, 陈永飞 申请人:上海市基础工程有限公司