浅谈大口径钢管顶管施工及其质量控制

浅谈大口径钢管顶管施工及其质量控制来源：非开挖技术 作者：陈洪新 日期：2009年08月24日 访问次数： 2851 工程概况广州市自来水公司南部供水工程105国道段DN2400原水顶管工程A1标段，是广州市南部供水的枢纽工程。管线由2根DN2400钢管组成，即a管、b管。管顶覆土大约3.5m，两管中心间距为5m。工程位于105国道南侧，沿线为人行道、绿化带等，为减少对105国道和周边建筑物的影响，工程采用顶管法进行施工，顶管设计管材为外径2420钢管、壁厚24mm，每节钢管长6m。2 地质情况根据现场的勘察情况，工程的地质条件如下：（1）杂填土浅黄褐色，稍湿，松散，主要由粉质粘土及素砼等组成。深度23m。(2)淤泥质粉质粘土灰黑色，饱和，流塑，局部含砂。深度34.5m。(3)粉质粘土浅红间灰白色，可塑，土质较均匀，深度4.58.5m。(4)粉质粘土红褐色、硬塑，为细砂岩风化而成。深8.516m顶管穿越的土层主要为粉质粘土。 地下水位较高，稳定地下水水面在地表以下1.5m左右。3 钢管顶管施工的主要技术措施由于工程工期紧张，必须保证在9月份给广州大学城正常开学提供用水，同时由于顶管穿越的土质较好，工程采用手掘式的顶管施工工艺，多台设备进行平行作业施工。3.1顶管施工顺序顶进设备安装调试吊装管材到轨道上（钢管焊接、超声波探伤、X光拍片）连接好工具管装顶铁开启油泵顶进出泥管道贯通拆工具管管道试压、冲洗。3.2工作井内的设备安装3.2.1导轨安装导轨安装要严格控制导轨的中心位置和高程，确保顶入管节中心及高程能符合设计要求。 A、工作井底板设置了单层双向钢筋网，封底、底板砼承载力均满足要求，地基稳定，导轨直接放置在工作井的底板上。 B、严格控制导轨顶面的高程，其纵坡与管道纵坡一致。 C、导轨采用16槽钢制作，并浇注砼予以固定，导轨长度为7m。 D、导轨必须直顺。严格控制导轨的高程和中心。3.2.2工作平台的安装工作坑上设活动式工作平台，平台用20#槽钢架设，在工作平台上设摇摆起重架，上装电动卷扬机。3.2.3千斤顶和顶铁的安装千斤顶是掘进顶管的主要设备。A、千斤顶的高程及平面位置：千斤顶的工作坑内的布置采用并列式，顶力合力作用点与管壁反作用力作用点在同一轴线，防止产生顶时力偶，造成顶进偏差。根据施工经验，千斤顶的着力点作用在管子垂直直径的1/41/5处为宜。B、安装顶铁应无歪斜、扭曲现象，必须安装直顺。C、顶进中，顶铁上面和侧面不能站人，随时观察有无扭曲现象，防止顶铁崩离。3.3顶进施工工作坑内设备安装完毕，经检查各部分处于良好状态，即可进行试顶。首先将工具头下到导轨上，就位以后，装好顶铁，连接好各系统并检查正常后，校测工具水平及垂直标高是否符合设计要求，合格后即可顶进工具头，然后安放钢管，再次测量标高，核定无误后进行试顶，待调整各项参数后即可正常顶进施工。在施工过程中，做到勤挖勤顶勤测，加强监控。顶进时，主要利用铁铲、锄头在前取土，千斤顶在保证后靠背稳定的情况下将钢管向前顶进，其操作过程如下：A、安装好顶铁，机头前端破土一定长度后，启动油泵，千斤顶进油，活塞伸出一个工作行程，将管子推向一定距离。B、停止油泵，打开控制阀，千斤顶回油，活塞回缩。C、添加顶铁，重复上述操作，直至需要安装下一节管子为止。D、卸下顶铁，下管，进行钢管焊接，钢管焊接必须满足设计要求，以保证接口缝隙和受力均匀，保证管与管之间的连接安全。3.4 管道焊接本工程顶管钢管母材为Q235A型钢材，管道接口之间采用焊接连接，管道外径为2420mm，管材壁厚为24mm。焊条采用E4303。焊接工艺流程图如图1所示。3.4.1 烘干焊条手工电弧焊采用E4303焊条，属于酸性焊条，酸性焊条对烘干的要求不太高，但是由于施工现场潮湿，施工时为多雨季节，因此，焊条使用前要烘干才能使用。3.4.2 选管当前一条管顶进到位之后，根据前一条管的管外周长来选择下一条管，两条管之间的管外周长应该尽量保持一致。组对焊口前，先对坡口及其2040mm范围的内外表面的油漆、铁锈进行清理。3.4.3 打磨本工程管道由业主提供，管道的坡口形式有“K型坡口”和“X型坡口”，管口在加工坡口前先检查端面是否与管道轴线垂直，管口圆度是否符合要求。管道坡口加工采用角向砂轮打磨机，除去坡口表面的氧化皮、熔渣及影响接头质量的表面层，并将凹凸不平处打磨平整。3.4.4 焊口对位根据工业金属管道施工及验收规范（GB50235-97的规定，管道内壁错边量不宜超过壁厚的10，且不大于2mm。管道对口时应在距接口200mm处测量平直度，尽量将管道错边量控制在2mm以内。下管时候可将管道稍微转动一下，尽量保持管道能够均匀错位，并保证间隙如图2所示。3.4.5 调圆和点焊固定由于管道理论上是圆的，但实际上是一个椭圆，因此需要采用千斤顶和打契子的方式进行调圆，之后要用点焊固定，每个接口至少点焊35处，每处点固焊的长度一般为510mm，高度为24mm且不超过管壁厚度的2/3，点固焊的焊肉如发现裂纹、气孔等缺陷，需及时处理。管道的对口和点焊使用接口器或卡具进行。3.4.6 焊接及清根焊接时候先焊剂内圆再焊外圆。由于两条钢管之间的间隙预留23mm，而我们采用E4303的焊条，E4303型号的焊条不能伸到间隙内打底焊，因此焊接时要先采用小型焊条进行打底。打底完成以后，必须用小锤子敲掉焊缝表面的焊渣，清根工作原则上要求采用碳刨机进行施工。由于钢管焊接时局部容易发生变形，因此无论是内壁还是外壁，焊接作业要求对称进行。4钢管顶管施工的质量控制钢管顶管施工难度大于一般的水泥混凝土管顶管施工，要做好钢管顶管施工的质量控制，就必须重视以下几个方面的工作。4.1 后靠背的施工工作井后靠背必须按设计的最大顶力进行强度和稳定性的验算，保证后靠背具有一定的刚度和足够的强度，施工时应保持后靠背的垂直，并使后靠背面与管道中心轴线相垂直，防止后靠背与千斤顶的接触面不平引起应力集中破坏后靠背及前导墙，或会产生顶时力偶使管道标高产生严重偏差。如6-2向6-3顶进和6-4向6-3顶进施工，这两个井的后靠背就因为施工质量不好，出现了后靠背破裂和整体向后移动，需要重新浇注后靠背。6-1向6顶进施工，后靠背因为与千斤顶的接触面不平引起了顶时力偶，管道出现较大偏差，顶力增大，需要重新增加工作井。后来施工的后靠背吸取了以上的教训，后靠背加设了3cm厚的整块钢板，增大了受力面积，施工过程中控制好后靠背的平整度，防止了应力集中的发生，顶管时管道的标高和顶力得到了很好的控制。4.2 导轨的施工导轨是顶进中的导向设备，其安装质量对管道顶进质量影响较大，导轨安装要求反复校测，使导轨中线、高程、轨距、坡度符合设计要求，两导轨应直顺、平行、等高，其纵坡应与管道的设计坡度一致，其偏差应在允许的范围之内，导轨面应平滑，安装的导轨应牢固，并应经常检查复核。下管后管节与轨面接触应成直线。6-6a线的导轨由于工作井的底板发生了沉降，对顶进的质量影响较大。由于每条钢管长6m，重9t多，钢管顶进过程要与导轨发生摩擦，由于导轨是采用16的非标槽钢制作的，6-1、5-1和6-6等多个工作井的钢管顶到40m左右时，导轨都变形了，变形的导轨对钢管的焊接和顶进质量都影响较大。所以，钢管顶管的导轨最好能采用国标的高标号的槽钢或工字钢制作，同时，导轨采用砼浇注固定时，应采用高标号的砼，防止导轨发生沉降和移动。4.3 测量测量是控制顶管施工质量最重要的一环，一定要重视和做好管道的测量工作。由于钢管不同于水泥管，其管与管之间焊接后接口具有一定的刚度和强度，不容易进行纠偏，因此，测量就显得更加重要。前三节钢管的顶进标高和轴线控制好坏是关系到整段钢管能否成功顶进的关键。5-2向5-1顶进102m，管道贯穿后顶力才600t左右，不能不说测量工作立下了汗马功劳。在顶管施工前，应在工作井内设置两个临时水准点，以便闭合之用，经常校核水准点，提高精度。在顶第一节管时及校正顶进偏差过程中，应每顶进50cm，即对中心和高程测量一次；在正常顶进中，应每顶进100cm左右时，测量一次。由于多段顶管平行作业顶进施工，测量工作比较繁重，我们采用了精测和粗测的测量方式。精测是由施工管理人员采用激光经纬仪进行测量，粗测是由作业工人在每一条管下管前，根据工作井内测设的中心桩、挂中心线采用“三点一线”拉线的方法进行测量。4.4 纠偏由于钢管之间焊接后，接口具有一定的刚度和强度，所以纠偏角度不能大，大角度纠偏不仅对钢管接口不利，而且会使顶力增加过快，发生“顶死管”。管道的纠偏应该边顶边纠，在顶进中完成纠偏工作，纠偏应该坚持“勤纠微纠”的原则，勤纠就是说管道发生小偏差时就要开始纠偏，微纠就是说每次纠偏的角度要尽量小，纠偏不能操之过急。在管道顶进发生偏差要进行纠偏工作时，我们通常采用以下的方法进行纠偏：在第一节工具管上靠近工具头位置延管周平均分布8块100X100X10（mm）支顶钢板，焊接在管上，钢板正面与管轴线垂直，当顶管发生偏差时，用30t的小型千斤顶顶在工具管与第一节管头同向的支顶钢板上，支顶牢固后，即可施加顶力，同时配合超挖，边顶边纠，直至使偏差回归。当才有320t的千斤顶施加顶力时，由于顶力较大，由于力的相互作用，30t的小型千斤顶可能会被顶爆，可以采用多块小钢板代替千斤顶进行纠偏，偏差回归后，取出小钢板。4.5 防止工具头前方土体塌方及管前挖土要求由于DN2400钢管管径大，焊接时间较长，每道口的焊接时间一般需要10个小时左右，由于工具头是敞开式的，钢管焊接时，工具头前方的土体如果是淤泥质粉质粘土时容易发生蠕变，土流向管内，容易发生路面沉陷或形成空洞，因此，必须采取措施防止工具头前方土体塌方。在工程初期顶进时，6-2向6-3及6-4向6-3顶进时，由于没有采取任何措施，工具头前方土体多次发生塌方现象，后来在钢管焊接前，我们先清空工具头部分的土体，然后用木板挡住前方的土体，木板后放置方木或钢管，方木卡在工具头的位置，开动千斤顶往前顶进一下，使方木和木板铁住土体，有效地防止了土体的塌方。在顶管上方或左右方可能会遇到煤气、供水等压力管道，或遇到雨污水管道，或电缆、军用电缆、通信等管线时，要严格控制管前挖土的方式，防止工具头前方土体塌方危及管顶以上的安全。如5-1向6顶进到30m左右时，雨污水管的检查井发生塌方，广场地面的绿化、小树下沉了；6-4向7顶进到40m左右时，由于塌方，管顶上面的供水管断裂、电灯杆下沉倾斜。在一般顶管地段，在土质良好时，可超挖管端300500mm，土质较差地段，不允许超挖，要严格执行边顶边挖或先顶后挖的挖土方式。4.6 管道的焊接的质量控制A、焊接前应调整好对焊机的电流与电压，并按照管材采用相应型号的焊条，试焊满意后才能开始焊接施工，以免对管材造成焊伤。B、管节焊接前应先清理管道，然后修口，清除管口边缘和焊口两侧1015mm范围内的表面锈迹至露出金属光泽。C、对口时应使内壁齐平，当采用长300mm的直尺在接口内壁周围顺序贴靠，错口的允许偏差不得大于2mm。D、对口调节好后即可进行对口、焊接，这时应将两端管段临时支承固定，避免钢管重量集中在焊缝位置。E、焊缝除锈、以及外圆的清根工作完成之后，必须经由项目经理部检查合格后方才可以继续施焊。F、焊缝应平滑，宽窄一致，根部焊透，无明显的凹凸缺陷及咬边现象，焊缝加强面应高出管面约2mm，焊出坡口边缘23mm。G、顶管段顶进的首第一及第二道焊缝必须进行X光拍片，并通知有关单位进行质量确认；以后管段的焊缝，一般情况下仅做超声波探伤，但当施工质量有疑问时，不定期进行X光拍片。5 结语本文通过对南洲水厂安装DN2400原水管工程（105国道）A1标钢管顶管施工进行总结，希望对以后的钢管顶管施工起到帮助。