一种大承载管幕施工方法与流程

[0001]
本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种大承载管幕施工方法。


背景技术：

[0002]
管幕法是世界各国大断面隧道施工的一种常用方法，管幕工法的原理是依靠专业管幕顶管机进行顶进，将较大直径的钢管在地下密排预先形成钢管帷幕，然后在此钢管帷幕的保护下进行隧道暗挖。他的优势在于能够运用小型化的设备建造复杂断面的大断面隧道。管幕可以看做横向打设的钢管桩，这些密排的钢管桩在其他措施的辅助下，形成既挡土又挡水的超前支护结构，这样就可以在软土地层中安全的建造大断面隧道了。管幕工法无需道路开挖，无需降水作业，无噪声和振动，对环境影响小，精度高，支护安全性能高。
[0003]
在城市中，大型火车站、密集的铁路及公路交通、林立的建筑物、纵横密布的各类管线等，使得城市环境越来越复杂，同时地质条件也越来越复杂。随着地下空间开发利用的规模和范围不断扩大，复杂条件下利用管幕法建造大断面隧道的项目越来越多，如大型火车站、铁路、公路和重要建筑下采用管幕法超浅埋建造地下隧道，这些复杂的条件对施工时地层扰动要求越来越高。
[0004]
在施工过程中，会存在部分隧道的出口方向为高边坡或者在岩层中，这就导致无法设置管幕接收井，不利于施工的正常进行。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种大承载管幕施工方法，采用该施工方法可以适用于复杂的地质条件。
[0006]
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大承载管幕施工方法，其特征在于，采用具有自动退回功能的顶管机施工；包括如下步骤：
[0007]
(1)场地测量：对管幕施工范围内的地质水文和周边环境进行调查和勘察，得到施工现场数据并根据数据设计管幕位置、管幕数量和顶管机的顶力；
[0008]
(2)施工准备：将施工过程中的机械移动至施工处并进行固定；
[0009]
(3)管道顶进：调整好顶管机的位置并将第一根钢管顶进；
[0010]
(4)钢管固定；待步骤(3)中的钢管顶进后，将另一钢管放置于步骤(3)中钢管的后端并固定；
[0011]
(5)再次顶进：采用顶管机将步骤(4)中的钢管再次顶进；
[0012]
(6)重复步骤(4)和步骤(5)，完成一根管幕的顶进，然后将顶管机退出；
[0013]
(7)移动顶管机至下一位置，重复步骤(3)-(6)；
[0014]
(8)重复步骤(7)，直到所有的管幕均被顶进；
[0015]
(9)注浆填充。
[0016]
采用本方案的原理和有益效果在于：本方法可以根据不同地层地质、地下障碍物等情况选择不同的顶管机型式，以便顺利顶进，多台顶管机同时作业，加快了施工进度；同
时本方法及工艺对地层扰动较小，能够满足复杂环境下的沉降要求，噪音震动轻微、对环境影响小、无需阻断交通、地面沉降值小，支护安全性强于其他方法(如：注浆、水平旋喷桩、管棚等)，综合成本合理、可控。而且本申请中采用可回退顶管机进行顶管，在顶管工作完成后可以自行回退，无需设置接收井，尤其适用于高边坡路堑路段、管幕出口位于岩层中的管幕施工。
[0017]
进一步，步骤(2)中包括如下子步骤：
[0018]
1)场地准备：在隧道洞口明挖区域进行场地硬化，设置管幕施工作业工作平台和后背墙；
[0019]
2)顶管平台准备：在顶进面及后背墙上钻孔埋置螺杆并安装牛腿，然后安装主梁和型钢平台；
[0020]
3)设备准备：准备的设备包括顶管机、反力支撑设备、吊装设备、顶进平台设备和泥浆沉淀系统。
[0021]
进一步，步骤(4)中顶进的速度包括初始阶段的顶进速度和进洞阶段的顶进速度；其中初始阶段的顶进速度为3-5mm/min；进洞阶段的顶进速度为10-20mm/min。
[0022]
进一步，步骤(2)中，工作平台为可移动式架空平台，工作平台主要由滑动式顶管导轨、高度调节垫枕、支承支架、支架滑轮和支架导轨组成，所述支承支架安装于支架滑轮上，可沿支架导轨水平滑动，顶管施工时通过固定锁锁死。
[0023]
进一步，步骤(9)中采用细石混凝土进行填充。
[0024]
进一步，工作平台底板预留有连接板，通过螺栓连接进行导轨铺设。
[0025]
进一步，在入洞口位置浇筑厚混凝土止水墙，墙外侧安装二道止水橡胶圈，各橡胶圈中间用钢板作为隔挡和固定橡胶圈用。
[0026]
进一步，步骤(5)中还包括测量和纠偏步骤。
[0027]
进一步，步骤(5)中，顶进500mm后开始顶进测量，每顶进300mm测量一次并记录。
[0028]
进一步，步骤(5)中，管幕顶进速度为10-20mm/min。
附图说明
[0029]
图1为本发明一种大承载管幕施工方法实施例一中反力架的立体图；
[0030]
图2为本发明一种大承载管幕施工方法实施例一中施工效果图；
[0031]
图3为本发明一种大承载管幕施工方法实施例二中转动盘的立体图；
[0032]
图4为本发明一种大承载管幕施工方法实施例二中转动盘的结构示意图。
具体实施方式
[0033]
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0034]
说明书附图中的附图标记包括：反力架1、管幕2、盘体本体3、支撑板4、连接架5、刀具本体6、连接板7、主动齿轮8、从动齿轮9、连接杆10、螺杆12、连接环13、螺母14。
[0035]
实施例一
[0036]
实施例基本如附图1和图2所示：一种大承载管幕施工方法，包括如下步骤：
[0037]
(1)场地测量：对管幕施工范围内的地质水文和周边环境进行调查和勘察；得到施工现场数据并根据数据设计管幕位置、管幕数量和顶管机的顶力；
[0038]
(2)施工准备：将施工过程中的机械移动至施工处并进行固定；
[0039]
(3)管道顶进：采用千斤顶将对具有自动退回功能的泥水平衡顶管机以及钢管顶进沿层或山体中，顶进的方向与待开挖的隧道方向平行；
[0040]
(4)钢管固定；待步骤(3)中的钢管顶进后，将另一钢管放置于步骤(3)中钢管的后端并固定；
[0041]
(5)再次顶进：采用顶管机将步骤(4)中的钢管再次顶进；；
[0042]
(6)重复步骤(4)和步骤(5)，完成一根管幕的顶进；
[0043]
(7)移动顶管机至下一位置，重复步骤(3)-(6)；
[0044]
(8)重复步骤(7)，直到所有的管幕2均被顶进；
[0045]
(9)注浆填充：采用细石混凝土进行填充。
[0046]
其中，步骤(1)中最大顶力f的计算公式如下：f＝f1+f2；
[0047]
f1＝п/4
×
d2
×
p；
[0048]
p＝ko
·
γ
·
ho；
[0049]
f2＝πd
·
f
·
l；
[0050]
其中f代表最大顶力，f1代表端阻力，f2代表侧壁摩阻力；d代表管外径；p代表控制土压力；ko代表静止土压力系数，一般取0.55；ho代表地面至掘进机中心的高度，取值3m；γ代表砂岩的重量；f代表管外表面综合磨擦阻力，根据地质勘察报告确定；l代表顶距。
[0051]
步骤(4)中顶进的速度包括初始阶段的顶进速度和进洞阶段的顶进速度；其中初始阶段的顶进速度为3-5mm/min；进洞阶段的顶进速度为10-20mm/min。
[0052]
步骤(2)中，还包括如下子步骤：1)场地准备：在隧道洞口明挖区域进行场地硬化，设置管幕施工作业平台和后背墙；
[0053]
2)顶管平台准备：在顶进面及后背墙上钻孔埋置螺杆并安装牛腿，然后安装主梁和型钢平台，形成反力架1；具体的，反力架1尺寸长10m，高6m，采用hn450的型钢焊接，同时用双排300h的型钢斜撑支撑，分别高度在2.2m、5m高度，斜撑埋入明挖隧道底板混凝土30cm。后座的反力应为总顶力的2.0-2.5倍；
[0054]
3)设备准备：准备的设备包括顶管机、反力支撑设备、吊装设备、顶进平台设备和泥浆沉淀系统；钢管顶进时采用电动移动平台，平台由支撑桁架，吊装设备，移动平台等组成，通过电动导链实现上下左右的移动，每个断面内设2个操作平台；
[0055]
4)洞口止水处理：在入洞口位置浇筑350mm厚混凝土止水墙，墙外侧安装二道止水橡胶圈。各橡胶圈中间用δ＝10mm钢板作为隔挡和固定橡胶圈用。
[0056]
步骤(5)中还包括测量和纠偏步骤，具体的，在顶进500mm后开始顶进测量，每顶进300mm测量一次并记录。纠偏装置采用杠杆原理，在后部外盾体上设立支点，通过后部径向纠偏油缸带动内盾体尾部动作，刀盘产生反方向动作，从而改变机头姿态达到纠偏目的。激光标靶装于机头内，由终端控制台监控空间位置，利用机头本身的液压纠偏装置进行纠偏，确保精度。
[0057]
管幕顶管机设备进行速度控制，分为两个部分，机头入洞阶段速度控制在3～5mm/min，影响速度因素：一是刀盘切削水泥砂浆砌体厚度，当刀盘转速2.2转/min时，顶进速度3～5mm/min，砌体切下厚度1.4～2.3mm，在这样厚度下破碎成粗粉末状，便于泥浆带出；二是机头没入土时，机头克服刀盘旋砖产生的扭矩，靠的是机头重量产生的与轨道摩擦力，吃刀
太深扭矩大，机头会旋转。第一节管进洞阶段，刀盘速度控制在10～20mm/min，此阶段重点是找正管子中心、高程，偏差控制在
±
5mm之内，所以速度不要太快。
[0058]
洞口封闭安装后，先不转刀盘将机头缓慢平推入洞内1：2水泥砂浆粘土砖砌体。顶进时进泥流量控制在0.4-0.6m3/min，作用润滑刀，切削砌体杂物泥水带出，此时泥水分两部分流出，一部分由机头外流入集水井，集水井设4寸泥浆泵排入砂水分离装置；另一部分由机头出泥管排入砂水分离装置。
[0059]
初始顶进时，进泥流量控制在0.6-0.8m3/min，泥水容重比为1.20，泥浆由顶管机出泥管排入砂水分离设备，顶管机泥水仓压力控制在40kpa。
[0060]
在顶进过程中减小摩擦阻力采用触变泥浆，触变泥浆通过离心泵送至坑下管道内。本实施例触变泥浆的主要成份是膨润土、掺入碱和水配制而成(触变泥浆配合比为：水：膨润土＝8：1)。为了施工使用时保持流动性，还必须掺入缓凝剂和塑化剂。顶进结束后，对顶进过程中存在土质稳定度不够或顶进存在超挖部分，采取对不利地层范围泥浆套的浆液进行置换注浆处理，置换浆液配合比为：水泥：粉煤灰：水＝1：0.7：1，注浆压力、注浆管道范围根据实际土质现场确定。
[0061]
采用本实施例的施工方法可以根据不同地层地质、地下障碍物等情况选择不同的顶管机型式，以便顺利顶进，多台顶管机同时作业，加快了施工进度；同时本方法及工艺对地层扰动较小，能够满足复杂环境下的沉降要求，噪音震动轻微、对环境影响小、无需阻断交通、地面沉降值小，支护安全性强于其他方法(如：注浆、水平旋喷桩、管棚等)，综合成本合理、可控。而且本申请中采用可回退顶管机进行顶管，在顶管工作完成后可以自行回退，无需设置接收井，尤其适用于高边坡路堑路段、管幕出口位于岩层中的管幕施工。
[0062]
实施例二
[0063]
如图3和图4所示，本实施例中采用可回退顶管装置进行顶管。可回退顶管装置包括外壳和内壳，内壳设于外壳内部且内壳内设有动力机构、传动机构和刀盘。动力机构通过传动机构驱动刀盘转动，其为现有技术，为本领域技术人员所知晓，在此不再赘述。转动盘设置于动力机构的端部。转动盘包括盘体本体3，在盘体本体3周向设有多个支撑板4，本实施例中支撑板4的数量为四个，四个支撑板4沿盘体本体3的周向均匀设置。支撑板4的一端与盘体本体3通过活页(图中未画出)铰接。在盘体本体3径向方向设有滑槽，在盘体本体3其中一个端面设有连接板7，连接板7通过滑槽与盘体本体3滑动连接，其滑动方向为盘体本体3的径向，原始状态下，支撑板4与盘体本体3共平面，连接板7远离盘体本体3圆心处端部与支撑板，使支撑板4不能绕其与盘体本体的铰接处转动。具体的，动力机构包括电机(图中未画出)，电机固定在内壳内，电机的输出轴通过平键连接有主动齿轮8，在转动盘中心处设有从动齿轮9，主动齿轮8与从动齿轮9啮合。
[0064]
在内壳内还设有油缸(图中未画出)，油缸输出轴焊接有挡块，。在盘体本体3中部连接有螺杆12，螺杆12与从动齿轮9同轴连接。螺杆12螺纹配合有螺母14，本实施例中的螺母14为六角螺母14，挡块的一端能够与六角螺母的一侧相抵。本实施例中还包括有连接环13，连接环13和螺母14同轴转动连接。本实施例中还包括连接杆10，连接杆10的一端与连接环13铰接，另一端与连接板7铰接。
[0065]
本实施中在转动盘四周还设有多个切割刀具，本实施例中切割刀具的数量为四个。四个切割刀具沿盘体本体3周向均匀设置且与支撑板4间隔。切割刀具包括刀具本体6和
连接架5，刀具与连接架5连接且连接架5与盘体本体3铰接。
[0066]
具体实施过程如下，在顶管机顶进时，内壳位于外壳内且转动盘位于内壳端口处，此时支撑板4与盘体本体3共面，支撑板4所围成的圆的直径等于外壳的直径，即刀盘与岩石、泥土等的接触面积最大，从而可以对顶管时的泥土进行支撑。在顶管时，动力机构带动转动盘转动，转动盘在转动时通过切割刀具对泥土或岩石等进行切割或破碎，主千斤顶通过钢管给顶管机一个轴向的力，使顶管机轴向移动，并达到将钢管顶进的效果。而当需要退回时，启动油缸，油缸的活塞杆伸出并推动挡块与螺母14相抵，此时螺母14与螺杆12螺纹配合，转动盘转动带动螺杆12转动，此时螺母14因为与挡块相抵而不能转动，但是此时螺母可以轴向移动。即螺母沿螺杆12的轴向移动并带动连接环13移动，连接环13带动连接板7向靠近盘体本体3圆心的方向移动，即连接杆与螺杆所形成的角度变小，支撑板4在岩土的压力下沿其与盘体本体3的铰接处转动，直到支撑板4与盘体本体3垂直；从而使整个转动盘的面积变小，转动盘即可进入到内壳内完成回退。
[0067]
采用本实施例的顶管机，在对钢管进行顶进的过程中，螺母14不移动，连接杆10与螺杆12和盘体本体3间形成稳定的三角形结构，此时连接板7的中部位于支撑板4和盘体本体3的铰接处，并对支撑板4进行支撑，避免支撑板4转动。多个支撑板4构成的圆形可以进行对顶管时的泥土进行支撑。而当需要使顶管机回退时，仅需要驱动油缸的活塞杆伸出即可使连接板7向盘体本体3中心处移动，支撑板4转动，从而使转动盘的直径变小，从而可以进入到外壳内进行回退。
[0068]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。