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对顶管施工法的简要探讨论文
摘要: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。非开挖工程技术彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题,在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的,它将为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。
关键词:顶管施工;泥浆技术
非开挖技术是近几年才开始频繁使用的一个术语,它涉及的是利用少开挖,即工作井与接收井要开挖,以及不开挖,即管道不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换,顶管直径DN800—4500。通过工作井把要埋设的管子顶入土内,一个工作井内的管子可在地下穿行1500米以上,并且还能曲线穿行,以绕开一些地下管线或障碍物。
对于管外壁摩阻力,在很大程度上可以通过各种手段来施加影响。首先要注意管子表面的光洁平滑,以保持很低的摩擦系数。此外极为重要的是,管子要尽可能避免圆度误差,并保持直径的一致。在这方面,如果管子是用许多管模制造的,问题可能就出现在制管厂中,因为管模本来就有尺寸公差,而且磨损程度也不相同。此外,如果管子浇注之后脱模过早,或者由于蒸养而发生收缩,也会引起这类的偏差。管子尺寸的不准确在推顶时会导致产生夹紧力,这种力有时可能达到很高的数值。
一、采用顶管施工法铺设管道具有如下得天独厚的优势
1、顶管施工是顶管铺管技术的一种,其在国外已广泛使用,在国内也已逐渐普及。于不开挖地面,所以能穿越公路、铁路、河流,其至能在建筑物底下穿过,是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法,堪称为环境保护施工时的环境保护。
2、顶管施工不开挖地面,故而被铺设管道的上部土层未经扰动,管道的管节端不易产生段差变形,其管寿命亦大于开挖法埋管。
3、采用房下顶管施工法能节约一大笔征地拆迁费用,减少动迁用房,缩短管线长度,有很大的经济效益。
4、顶管工艺不仅仅用于管线铺设,它还具有灵活的排管施工方式。更为重要的是顶管施工作为一种工艺,它不仅仅铺设管线,它在管棚施工方面也具有优势。
5、顶管施工范围的扩大,顶管机械的性能越来越适应各种土质。顶管特别适用中小型管径管道的非开挖铺设。
若使刃脚比它相应于管子外径应有的尺寸稍大一点,就有可能降低管外壁摩阻力。这样能使上层不直接压在管体上。只要土层足够坚硬,这种方法就会取到预期的效果。而如果向管子和土层之间形成的空隙内压人支承介质,这种方法的效力更可以大大提高,并能维持一定的时间,从而足以顶进一段相当长的管路,再则,支承介质在起支承作用的同时,也可以作为润滑剂起到减少摩阻力的作用。
二、对支承一润滑介质的要求
对支承一润滑介质的要求,可以根据摩擦定律推算出来。从摩擦定律得出的结论。
按照摩擦定律来考虑,对于顶管施工可以得出完全明确的结论如下:
1、为了保持较小的推顶力,干摩擦须以尽可能小的摩擦系数μ为前提。管子表面的光滑,能使摩擦系数降低。管子表面的机械加工和涂抹减摩剂,同样都能起到减小μ值的作用。
2、在干摩擦的情况下,管子表面在推顶过程中会被周围上层磨毛,因而使摩擦系数增大。所以在项管距离较大时,一般多采取液体摩擦的方式。
3、液体摩擦须以管子和土层之间存在润滑介质为前提,也就是说,须将润滑介质压人其间。
4、管子和土层之间充满润滑介质的空隙,在整个推顶过程中必须保持不变。要作到这一点,润滑介质必须能够阻止土层落到管壁上,亦即润滑介质必须承受着各种具体条件下起作用的上压力来托住土层。因此,在润滑介质中必须经常保持相当于土应力的液压。这样,润滑介质同时也起着支承介质的作用。交承压力的反作用力则由顶进管来承受。
三、作为支撑-润滑介质的膨润土
蒙脱土是一种层状结构的结晶氢化硅酸铝。硅酸盐多层体是一种三层结构,其中包括一层SiO4四面体、一层氢氧化铝八面体和一层SiO4四面体。蒙脱土晶体即由许多这样的硅酸盐叠层组成。蒙脱土晶体遇水膨胀,与此同时水分子便渗入各个叠层之间。于是两个蒙脱土叠层之间的距离就加大了一倍。晶体内部膨胀现象的原因,则在于叠层内部电荷分布的不均匀。
我们可以设想,在静止下来的膨润上悬浮液中,薄片状的蒙脱上微粒形成一种纸牌房子式的结构,其中这些微粒以它们的角隅和棱缘彼此接触或互相支撑。一旦静止状态被扰乱,例如由于搅拌、振动或泵送等等,于是大多数的“纸牌房子”坍塌下来,因而在静止状态下凝结起来的悬浮液就会变成溶胶。当这种溶胶再次静止下来,薄片状的蒙脱上微粒又会彼此搭在一起形成纸牌房子式的结构,于是溶胶重新凝固。悬浮液每当静止便结成凝胶,一旦运动起来又变成溶胶,这种从静止状态到运动状态以及从运动状态又回到静止状态的结构交替,可以永无止境地重复下去,这样的特性便叫作触变性。
作为顶管施工中的支撑-润滑介质,膨润土的重要特点即在于它的膨胀性能。这一点须取决于薄片状蒙脱俄土微粒的大小和数量。
在膨润土含量相同情况下,钠膨润土悬浮液中所含极薄的硅酸盐叠层片的数量,约为钙膨润上悬浮液中所含数量的15到20倍。由于这种极薄的硅酸盐叠层片的数量大得多,便有利于蒙脱土微粒形成纸牌房子式的结构,因而亦有利于提高悬浮液的膨胀性能,这样既可改善悬浮液在溶胶状态下的流动性,也能改善悬浮液在凝胶状态下的固结性。所以钠膨润土比钙膨润土更适用于顶管施工。
因此得出的结论是,膨润土含量增加一倍,可使膨润上悬浮液的支承作用提高到7至10倍。但是这也意味着,若膨润土含量减少1/2,支承作用就可能降低到 1/10。所以,确定悬浮液中的膨润上含量,便有着如此重大的意义。
四、膨润土悬浮液在疏松土层中的应用
在无粘性的疏松土层中以及在粘性很小的土壤中,例如在砂砾土中,若不采取其它辅助措施,土层由于本身极不稳定,以致在刃脚推进之后立刻就会坍落在管壁上。所以对这类土壤来说,膨润土悬浮液的支承作用尤其具有重要意义。为了起到这种支承作用,先决条件是要尽可能准确地掌握膨润土悬浮液在砂砾上中的特性。膨润上悬浮液将渗入土层的孔隙内,充满孔隙,并继续在其中流动。流速取决于孔隙的横断面与悬浮液的流变特性,同时也取决于压浆压力。因此为了在同样的压浆压力下达到相同的渗入深度,在孔隙横断面很小的细粒土层中便需要低流限的悬浮液,面孔隙横断面较大的粒粒土层则需要高流限的悬浮液。在克服流动阻力的过程中,压浆压力随着渗人深度的增加而成比例地衰减,所以相应每一种压浆压力,都有一个完全确定的渗人深度。
尽管就某种场合来说,随着管子的推进同时在管子整个圆周上和管路全部长度上均匀地压浆证明是相宜的,而在另一些场合下,正确的方法则又可能是分段压浆。例如现已得知,在管子下半部,膨润土在顶进过程中比静止状态下更容易流出,而上半部的压浆则是在管路静止的情况下更容易进行。因此最好是将管子下半部的注浆孔和上半部的注浆孔分别组合起来。这种半侧压出的原因在于,静止状态的管道以其全部很大的重量沉落于底部。这样便在管道的顶部形成了小空隙,或者至少是形成了一个压力较低的区域。因而在这种状态下,膨润土在管顶处比在管底部更容易流出。反之,在顶压力和浮力同时作用下,管道有向上拱起的倾向。这时管道离地升起,于是管底下方便形成了一个低压区,致使膨润土更加容易渗入其中并均匀地散开。
五、顶进管在膨润土悬浮液中受到的浮力
只要顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包围,浮力定律便对它有效,即使悬浮液层的厚度很小也同样如此。在钢筋混凝土管情况下,浮力均为管子自重的1.4倍。在石棉水泥管情况下,浮力甚至高达管子自重的2.9倍。
这样,只要通过正确地压人膨润土悬浮液,从而在土层中围绕顶进管形成一个支承环带,并保持悬浮液压力等于土压力,于是管子就会在膨润土悬浮液中漂浮起来。为此必需的前提在于悬浮液应是液体状态的,亦即呈现为表观流限相应较低的溶胶状态。在悬浮液的膨润土含量低到接近运动状态下的稳定极限时,这个条件便能得到满足。浮力可使管外壁摩阻力减小,因为管底部由于自重产生的法向力减少了。这一效果首先会对大直径管子的长距离推顶产生有利的影响。
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