氣動夯管法施工水平凍結(jié)孔技術(shù)

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摘要: 氣動夯管法以其地層適應(yīng)性強(qiáng)、對地表 影響 小、操作方便、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)在水平凍結(jié)孔施工中得到了推廣 應(yīng)用 。介紹了氣動夯管法施工水平凍結(jié)孔的工藝原理及施工工藝。簡介了近年來用該技術(shù)施工的主要工程概況, 并與鉆進(jìn)法進(jìn)行技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 比較。經(jīng)過對比 分析 , 在松軟、含水量大的地層中, 采用氣動夯管法施工水平凍結(jié)孔比鉆進(jìn)法更具有一定的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞: 管線施工技術(shù); 氣動夯管法; 夯管錘; 水平凍結(jié)孔

       氣動夯管技術(shù)是 現(xiàn)代 非開挖鋪設(shè)管線技術(shù)的一個分支，適用于排水、自來水、電力、通信、油氣等管道穿越公路、鐵路、建筑物和小型河流的非開挖鋪設(shè)。它是一種特別適合當(dāng)前我國非開挖地下管線施工領(lǐng)域的簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的施工技術(shù)。特別是當(dāng)水平凍結(jié)孔所處地層為砂性土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土等松軟、含水量大且承壓大的土層時（ 如上海地區(qū)），利用夯管法施工技術(shù)在保證施工凍結(jié)孔少出泥、控制施工對地層的擾動以及施工安全等方面有明顯的優(yōu)越性。2002 年以來，采用氣動夯管技術(shù)，替代傳統(tǒng)的鉆進(jìn)法，進(jìn)行水平凍結(jié)孔施工，先后完成了上海地鐵明珠二期楊樹浦路—浦東大道區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道及泵站（ 黃浦江底）、上體館站穿越段、上體館站—宜山路站區(qū)間泵站、成山路—高清路區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及泵站、天津土城及下瓦房聯(lián)絡(luò)通道及泵站等工程，取得了良好的效果。1 工藝原理    氣動夯管法施工水平凍結(jié)孔, 即利用空壓機(jī)驅(qū)動氣動夯管錘沿導(dǎo)軌（ 設(shè)計路線）將凍結(jié)管直接夯進(jìn)土層中。在凍結(jié)管夯進(jìn)的過程中，一邊擠壓土體，一邊克服地層與管體的摩擦力，使凍結(jié)管不斷進(jìn)入土層，直至設(shè)計深度。該 方法 所使用的主要設(shè)備是夯管錘。它是一臺低頻、大沖擊功的氣動沖擊器，借由壓縮空氣驅(qū)動,將要鋪設(shè)的鋼管沿設(shè)計路線夯入地層。在凍結(jié)管夯進(jìn)時，其受力分析如圖 1 所示。圖 1 中， P 為凍結(jié)管受到的沖擊力； F 為凍結(jié)管管端阻力； f為凍結(jié)管與土層接觸面之間的摩擦力； N為土體對凍結(jié)管反作用力； G 為夯入凍結(jié)管的自重。凍結(jié)管前進(jìn)的條件：P  F +f。上兩式中：μ 為土層與凍結(jié)管間摩擦因數(shù)；d 為凍結(jié)管外徑，m ； γ 為土的重度，kN/m 3； h 為管頂以上覆蓋土厚度，m ； l為夯入凍結(jié)管長度； φ 為土的內(nèi)摩擦角，（°）； c為土的黏聚力，kPa。由式（ 1）、式（ 2）分析可以看出，凍結(jié)管夯進(jìn)過程中的阻力與夯入長度、管徑、土重度、埋深等直接有關(guān)。   2 施工工藝   2.1 夯管前的準(zhǔn)備工作    1)認(rèn)真做好現(xiàn)場調(diào)查。盡可能詳細(xì)了解聯(lián)絡(luò)通道所處地層的地質(zhì)資料及地面建筑物和地下管線情況。    2)詳細(xì)了解水平凍結(jié)孔的設(shè)計位置及角度, 掌握水平凍結(jié)孔夯管施工的技術(shù)要求及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。    3)配套設(shè)施要完好適用。其中, 空壓機(jī)排量要求不小于 6 m 3/m in，工作壓力不大于 0.8 M Pa；貯氣罐的容積不小于 0.6 m 3，保證夯管錘工作壓力穩(wěn)定。高壓膠管為 2 根，長 20 m 、直徑 50.8 m m（ 也可用無縫鋼管代替）；3 根，長 20 m 、直徑 38.1 m m ，耐壓都要求不小于 1.0 M Pa。擊帽可根據(jù)水平凍結(jié)孔的管徑配套使用。    4) 安裝孔口止水裝置。水平凍結(jié)孔夯管施工前,需要采用二次開孔工藝，在隧道管片上安裝孔口止水裝置（ 如圖 2 中詳圖 A 所示），以防夯管過程中凍結(jié)管與管片之間大量出泥、出水。施工時采用金剛石取芯鉆在管片上開孔。一次開孔深度 250 m m 左右，不鉆透管片，下入孔口管，在孔口管的魚鱗扣上纏麻絲，均勻砸入 250 m m ，再用膨脹螺栓把孔口管與管片固定，安裝閥門后再進(jìn)行二次開孔，直至開透管片。開透管片后退出開孔鉆頭，關(guān)閉閥門。2.2 施工步驟    水平凍結(jié)孔夯管施工按以下步驟進(jìn)行。    1)搭建夯管錘支架, 安裝導(dǎo)軌, 將要夯的鋼管插入孔口管。    2)按凍結(jié)孔設(shè)計方位要求調(diào)整導(dǎo)軌的方向和水平度, 將導(dǎo)軌與支架固定牢固。夯管機(jī)導(dǎo)軌安裝在專用升降架上，如圖 2 所示。    3)安裝張緊器, 用張緊器將夯管錘與凍結(jié)管拉緊使之成為一個整體。在孔口管中插入前端密封的第一節(jié)管材并用緊繩器與夯管錘連接（ 見圖 3），壓緊孔口密封裝置，打開孔口閥門，準(zhǔn)備夯進(jìn)。4)氣動夯管錘注油器中加滿潤滑機(jī)油。    5)夯進(jìn)第一根鋼管。啟動空壓機(jī), 打開夯管錘主進(jìn)氣閥，慢速啟動夯管錘，在鋼管進(jìn)入地層 2 m 時調(diào)整鋼管的水平、垂直位置，然后完全開啟夯管錘進(jìn)氣閥，全速夯進(jìn)鋼管。為了保證夯管（ 或鉆進(jìn)）精度，開孔段是關(guān)鍵。夯進(jìn)前 2 m 時，反復(fù)校核凍結(jié)管方向，調(diào)整夯管機(jī)位置，用精密羅盤或吊線檢測偏斜情況，如垂直與水平角度偏差不超過 0.5°，則可繼續(xù)夯進(jìn)。夯管機(jī)應(yīng)離孔口遠(yuǎn)一些為宜。凍結(jié)管下入孔內(nèi)前根據(jù)鉆孔深度選擇配管，根據(jù)施工場地大小，每節(jié)管材長度為 1.0～2.5 m 。夯進(jìn)過程中，如阻力大，可以打開閘門，讓少許泥從閘門中擠出。    6)第二根鋼管焊接和補(bǔ)口補(bǔ)傷。第一根鋼管夯到預(yù)定位置后，釋放夯管錘內(nèi)余氣，撤去張緊器，觀察夯入鋼管的偏斜情況，退出夯管錘，卸掉擊帽。在第一根鋼管尾部砸入內(nèi)襯管箍，在導(dǎo)軌里放入第二根鋼管，將其在襯管處與第一根鋼管進(jìn)行組對焊接和補(bǔ)口補(bǔ)傷。焊之前，接頭處均打磨成 45°坡口，用直角靠尺檢查并保證凍結(jié)管的同心度。操作均應(yīng)按設(shè)計要求和施工規(guī)范進(jìn)行。焊完后，用羅盤和吊線檢查凍結(jié)管垂直及水平偏斜情況，要求保證對口的質(zhì)量。7) 夯進(jìn)鋼管至設(shè)計要求的長度。補(bǔ)口補(bǔ)傷完成后, 按照上述步驟 1) ～5) 夯進(jìn)第二根鋼管。如此重復(fù)操作到夯進(jìn)至設(shè)計要求的長度。夯管過程，要求連續(xù)進(jìn)行，不宜中途停止，盡量減少作業(yè)間歇時間。因為間歇時間過長，會造成土層和管外壁粘在一起，從而使夯進(jìn)阻力增大。更重要的是地層的不穩(wěn)定，存在著一定的施工風(fēng)險。    8)封孔注漿。夯管結(jié)束后, 通過孔口管上的旁通閥進(jìn)行補(bǔ)漿。 方法 是先注 1∶1 的單液水泥漿，然后再用配比為 1∶0.5 的水泥—水玻璃雙液注漿封孔。    9)測斜及打壓。夯好凍結(jié)管后, 用經(jīng)緯儀進(jìn)行燈光測斜，同時復(fù)測凍結(jié)孔深度，并進(jìn)行打壓試漏。凍結(jié)孔試漏壓力控制在 0.7～1.0 M Pa 之間，穩(wěn)定30 m in 壓力無變化者為試壓合格。   3 夯管法機(jī)具設(shè)備及勞動力配備    主要機(jī)具設(shè)備有: 1 臺空壓機(jī), 規(guī)格 6 m3/h; 1臺夯管錘，型號 H 190/H 300；1 臺經(jīng)緯儀；2 臺電焊機(jī)，型號 BS-400；1 臺試壓泵；1 臺套絲機(jī)。    勞動力配備: 鉆工 15 人, 電工 1 人, 焊工 2 人,機(jī)修工 1 人，測量員 1 人。   4 夯管施工效率和質(zhì)量    上海地鐵明珠二期楊樹浦路—浦東大道區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道位于黃浦江底，通道部位主要為⑦1-1 砂質(zhì)粉土。該土富含飽和承壓水，水壓大、滲透性好，容易引起水、砂突出，而一旦出砂出泥，就存在著很大的安全隱患。在該工程水平凍結(jié)孔施工時，前期（ 上部及兩側(cè)）二十多個凍結(jié)孔采用的是鉆進(jìn)法，后因出泥砂多而被迫停止施工。    經(jīng)過安全、技術(shù)和 經(jīng)濟(jì) 的比較, 首次將氣動夯管法引入水平凍結(jié)孔施工，代替了傳統(tǒng)的鉆進(jìn)法，較好地解決了凍結(jié)孔施工出砂出泥的 問題 ，并且通過隧道變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，與鉆進(jìn)法相比，收斂位移要小，對地面沉降變形起到有效控制作用。經(jīng)過幾年來的技術(shù)攻關(guān)及創(chuàng)新，氣動夯管法施工水平凍結(jié)孔技術(shù)日益成熟，并且在工程中得到了廣泛的 應(yīng)用 。    通過近年來的夯管法施工水平凍結(jié)孔的實(shí)踐, 在相同的條件下，夯管速度一般可達(dá) 4 個孔 /d，甚至可達(dá)到 6～9 個孔 /d；而用鉆進(jìn)法施工一般不超過 4個孔 /d。近年來利用氣動夯管法施工水平凍結(jié)孔主要工程的概況如表 1 所示。表 1 中，一次成孔合格率主要是檢查凍結(jié)孔的偏斜、終孔間距以及打壓試漏。    由表 1 可以看出, 夯管法施工水平凍結(jié)孔的施工效率和質(zhì)量還是比較高的。對于一次夯管偏斜不合格的凍結(jié)孔，可以通過打補(bǔ)孔加以彌補(bǔ)。5 夯管法與鉆進(jìn)法的比較    與鉆進(jìn)法相比, 氣動夯管法施工水平凍結(jié)孔的最大優(yōu)點(diǎn)是對地層擾動小，能有效控制地面沉降。以成山路—高清路聯(lián)絡(luò)通道為例，在夯管期間聯(lián)絡(luò)通道部位的地面累計沉降最大值 3.5 m m ，而楊—中聯(lián)絡(luò)通道使用鉆進(jìn)法施工水平凍結(jié)孔時，地面累計沉降最大值為 12 m m 。與鉆進(jìn)法相比，采用夯管法施工水平凍結(jié)孔在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面有明顯的優(yōu)越性（ 見表 2）。從表 2 可知, 施工水平凍結(jié)孔存在的主要問題是凍結(jié)孔較深時（ 大于 20 m ）偏斜精度不易控制。6 結(jié)語    用夯管法施工水平凍結(jié)孔的關(guān)鍵問題是控制其偏斜度，控制終孔間距，以保證凍結(jié)帷幕的形成及強(qiáng)度，特別是當(dāng)凍結(jié)孔較長時尤其重要。根據(jù)近幾年的工程施工實(shí)踐，提高夯管精度的措施如下。    1)保證開孔精度。開孔后復(fù)測開孔孔位和偏斜。    2)在保證凍結(jié)管連接精度的前提下, 必須保證第一節(jié)管的夯進(jìn)精度。夯進(jìn)第一節(jié)凍結(jié)管時，凍結(jié)管和夯管錘要成一條直線，且夯進(jìn)速度要慢一些，并隨時校核其偏斜度。    3)施工長凍結(jié)孔時 (20 m 以上), 夯管角度適當(dāng)略上抬，以消除由于凍結(jié)管自身重力作用而引起的垂直偏差。    4)改進(jìn)凍結(jié)管焊接工藝, 提高凍結(jié)管焊接的同心度和垂直度。    5)加大凍結(jié)管剛度, 適當(dāng)加大每節(jié)凍結(jié)管長度。    6)一個凍結(jié)孔要連續(xù)完成施工。若凍結(jié)管在地層中停留時間太長，再次夯管會增大偏斜量。        參考  文獻(xiàn)    1 董向宇.氣動夯管法的應(yīng)用 研究 [J].探礦工程.2004(8).   2 石永泉.夯管法 理論 問題的探討[J].探礦工程.2000(1).