鋼絞線在大口徑長距離故障頂管退管施工中的應(yīng)用

馬敬豹 蘇現(xiàn)月

(1.上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司 200135;2.中國二十冶集團(tuán)有限公司 上海201900)

頂管技術(shù)[1-3]作為一種非開挖的隧道施工技術(shù),能穿越道路、河川、地面及地下建(構(gòu))筑物等,在我國得到較大發(fā)展。但是在實(shí)際工程中,頂管在頂進(jìn)過程中碰到無法清除的障礙物或者頂進(jìn)系統(tǒng)故障時(shí),導(dǎo)致難以繼續(xù)向前頂進(jìn)的問題頻繁出現(xiàn)[4-6],使得退管施工成為棘手的難題。目前,較常見的處理措施是焊接組合鋼架回拉管道,但是該技術(shù)受組合鋼架自重大、焊接處受力不均易折斷等限制一般適用于短距離退管,無法在長距離退管中使用。本文以上海市白龍港片區(qū)污水輸送干線大口徑長距離過江管在頂進(jìn)過程中遇到地下樁基不得繼續(xù)頂進(jìn)的情況為背景,首次提出了應(yīng)用鋼絞線作為回拉鋼索的退管方法,對其退管原理、鋼封門、錨固端、鋼絞線和反推裝置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。同時(shí)研究了鋼絞線的彈性變形情況,并采用規(guī)范中考慮錨具變形和鋼絞線內(nèi)縮的預(yù)應(yīng)力損失公式計(jì)算鋼絞線在退管過程中的應(yīng)力損失,為保證退管工藝提供理論依據(jù)。

1 工程概況

上海市白龍港片區(qū)污水輸送干線工程過江頂管采取大刀盤泥水平衡頂管法施工,總長1087m,外徑3.2m,始發(fā)段埋深22.7m。從W2工作井向W1 接收井頂進(jìn),在頂進(jìn)至335m 處時(shí),頂管機(jī)正面碰到某廠區(qū)下方群樁基礎(chǔ),該樁基為450mm×450mm 混凝土預(yù)制樁,樁長25m,頂管管底埋深25.9m,樁底深度超過頂管機(jī)底部45cm,樁基中心位于頂管機(jī)刀盤面板中心左側(cè)36.65cm 位置,在頂管設(shè)計(jì)軸線范圍內(nèi)共涉及有6 根預(yù)制樁。受頂管機(jī)刀盤清障能力設(shè)計(jì)薄弱限制,考慮頂管穿越黃浦江風(fēng)險(xiǎn)極高決定采取退管、反頂工藝,同時(shí)受新軸線曲率限制,必須拔出靠近工作井95m 長度的障礙管道,廢棄頂管機(jī)和其后方240m 已頂管道。此段頂管施工平面如圖1 所示。

2 問題分析及解決方案

2.1 常規(guī)方案及分析

以往洞口短距離退管通常采取焊接制作鋼支架回拔的方式(見圖2),而本工程退管距離長、摩阻力大,需加工鋼支架的長度過大,強(qiáng)度要求高,同時(shí)當(dāng)前的加工精度無法保證其受力中心與管道一致,偏心受力將會(huì)對鋼支架造成破壞,施工安全無法保障。為此,白龍港過江管工程創(chuàng)新采用鋼絞線為退管拉索,成功拔出95m 障礙管道,為新軸線頂管留出足夠空間。

2.2 鋼絞線退管優(yōu)勢分析

應(yīng)用鋼絞線為退管拉索,具備以下特有優(yōu)勢:

(1)自重小,安裝方便,施工效率高。相比常規(guī)退管組合鋼架,避免笨重鋼架運(yùn)輸、長時(shí)間分段焊接、與管節(jié)連接等繁瑣工藝。

(2)柔性鋼索整體受力,穩(wěn)定性好。鋼絞線屬于柔性鋼索,能靈活調(diào)整受力中心,防止出現(xiàn)鋼架偏心受力而“折斷”等狀況,有效克服常規(guī)退管鋼架焊接質(zhì)量難以保證的缺陷。

2.3 應(yīng)用鋼絞線退管施工流程

應(yīng)用鋼絞線退管施工流程: 已頂管道原有設(shè)備拆除→頂管機(jī)后方240m 廢棄管道填充并封閉→靠近洞口95m 處鋼中繼間后殼體上焊接制作鋼封門→鋼絞線安裝→退管反頂設(shè)備安裝調(diào)試→鋼絞線調(diào)直并張緊→啟動(dòng)反頂油缸推動(dòng)反拉鋼梁→向鋼封門前注土→退管一節(jié)→鋼絞線卸載、切割→退出管節(jié)吊裝→鋼絞線調(diào)直并張緊→下一次循環(huán)。

在退管的同時(shí),利用土砂泵將填充土注入到鋼封門外面土體,對拔出管道空間及時(shí)填充,填充土采用添加適量的聚丙烯酰胺土體改良劑的淤泥質(zhì)粘土。應(yīng)用鋼絞線退管平、剖面如圖3 所示。

圖1 頂管施工平面Fig.1 Pipe jacking construction plan

圖2 鋼支架退管施工Fig.2 Withdrawing pipe-jacking by steel brackets

圖3 鋼絞線退管施工Fig.3 Withdrawing pipe-jacking by steel strand

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 鋼封門上錨固端設(shè)計(jì)

退管施工前,在鋼中繼間上采用Q345- B 鋼材焊接制作鋼封門,胸板、封板厚度3cm,結(jié)構(gòu)筋板厚度2.5cm,胸板上設(shè)有填充注漿孔、觀測孔、放氣孔、水泥漿注漿孔及壓力表的預(yù)留孔。鋼絞線錨固點(diǎn)設(shè)計(jì)位置為距鋼封門胸板中心111.5cm 左右兩側(cè),滿足鋼絞線布置和鋼封門強(qiáng)度要求。鋼絞線在錨固端采取擠壓套施工,作為退管施工永久固定端。鋼封門構(gòu)造詳圖見圖4 所示。

圖4 鋼封門構(gòu)造詳圖(單位： mm)Fig.4 The structure detail of steel diaphragm(unit: mm)

3.2 鋼絞線數(shù)量設(shè)計(jì)

本次退管施工設(shè)計(jì)使用7 芯單股鋼絞線(外徑15.24mm),每股鋼絞線理論最大受拉約20t(即75%張拉強(qiáng)度),鋼絞線布設(shè)在管道左右兩側(cè),單側(cè)鋼絞線組由19 股組成,共計(jì)38 根。退管啟動(dòng)時(shí)拉力最大,鋼絞線強(qiáng)度應(yīng)滿足[7]: 鋼絞線理論提供最大拉力＞管道與土壤摩阻力F1+中繼間前、后殼體脫開所需拉力F2-鋼封門外土壓力F3。

鋼封門焊接在中繼間后殼體上,鋼絞線錨固于鋼封門上,作為受力端,退管需將中繼間后殼體和靠近洞口95m 管道拉出,啟動(dòng)時(shí),首先要用鋼絞線反拉將中繼間前、后殼體分離脫開,考慮管道在泥漿套內(nèi)處于懸浮狀態(tài),中繼間前、后殼體脫開所需拉力F2按橡膠圈的擠壓變形計(jì)算,按式(1)計(jì)算[7]:

式中:μ為橡膠圈與鋼套環(huán)摩阻力系數(shù),取0.9;E為彈性模量,取3.5 ×105Pa;S為橡膠圈與鋼套環(huán)接觸面積(m2);Δl為橡膠圈擠壓變形量(m);L1為橡膠圈原始高度(m)。

3.3 反推裝置活動(dòng)端設(shè)計(jì)

工作井內(nèi)反推裝置由反推架、反推千斤頂(4根×200t)及錨固反推架上的鋼絞線組成,鋼絞線采用夾片錨(可重復(fù)使用)錨固在反推架上,作為退管活動(dòng)端,每完成一節(jié)管的拔出后,須切斷多余鋼絞線,重新錨固,是反復(fù)循環(huán)的過程。

3.4 隧道內(nèi)鋼護(hù)筒安裝

沿著鋼絞線軸線上,在隧道內(nèi)側(cè)安裝鋼護(hù)筒,目的在于托舉鋼絞線和防止退管時(shí)鋼絞線松脫而回彈,鋼護(hù)筒內(nèi)徑為鋼絞線束外徑2～3 倍為宜,每3 節(jié)管安裝一個(gè)即可,鋼護(hù)筒安裝軸線中心必須與鋼絞線一致。

3.5 及時(shí)扣除鋼絞線彈性變形

受工作井內(nèi)部尺寸限制,為保證退出的管節(jié)有足夠空間吊離,退管過程中需扣除鋼絞線受拉后的彈性變形,鋼絞線受拉后的彈性變形按照鋼絞線受拉變形公式(2)計(jì)算[7]:

其中:PP為鋼絞線的平均張拉力(N),等于管道摩阻力減去鋼封門正面土壓力;AP為鋼絞線的截面面積(mm2);L2為鋼絞線的長度(m);EP為鋼絞線的彈性模量(N/mm2)。

3.6 其他技術(shù)措施

(1)鋼絞線應(yīng)逐根調(diào)直張拉,事先對鋼絞線進(jìn)行編號,杜絕鋼絞線相互纏繞而出現(xiàn)不均勻受力,退管啟動(dòng)前,須仔細(xì)檢查。

(2)一個(gè)退管循環(huán)結(jié)束,鋼絞線卸載切斷須考慮其回縮長度和錨固段有效工作長度,同時(shí)鋼絞線用砂輪機(jī)截?cái)?防止電弧切割局部加熱或急劇冷卻,將引起馬氏組織脆性變態(tài)。

(3)退管鋼絞線張拉過程全程關(guān)注千斤頂油壓表指數(shù),若發(fā)現(xiàn)突變,立即卸載,待重新張拉錨固滑絲的鋼絞線再啟動(dòng)。

(4)退管施工前,宜充分對管道進(jìn)行充分減摩,降低管壁外摩阻力,盡量減少鋼絞線受力,增加退管鋼絞線的可靠性。

(5)加強(qiáng)對鋼絞線的防腐、防銹保養(yǎng),確保鋼絞線在潮濕環(huán)境下能正常工作。

(6)當(dāng)退管至鋼封門正面土壓力等于管道摩阻力時(shí),剩余管道不再需要鋼絞線提供拉力。

4 鋼絞線應(yīng)力傳遞損失計(jì)算

采用鋼絞線退管施工,受張拉端錨具影響,鋼絞線存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象,此時(shí)千斤頂油泵站油壓指數(shù)會(huì)出現(xiàn)有所變小的現(xiàn)象,為保證管道順利拉出,需及時(shí)補(bǔ)充千斤頂頂力。根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224-2014)規(guī)范中預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式,結(jié)合退管施工實(shí)際工況,考慮了張拉端錨具變形和鋼絞線內(nèi)縮的影響,計(jì)算退管過程中鋼絞線應(yīng)力損失,按式(3)計(jì)算[7],管道受力計(jì)算模型如圖5 所示。

式中:σL為應(yīng)力損失值(MPa);L3為退管中剩余鋼絞線的長度(m);α為錨具變形及鋼絞線內(nèi)縮值,取5mm;EP為鋼絞線的彈性模量,取1.96 ×105N/mm2。

圖5 擬退管節(jié)段受力計(jì)算模型Fig.5 Stress calculation model of pipes

根據(jù)實(shí)際工程中退管施工對千斤頂油壓觀測記錄,匯總得到鋼絞線應(yīng)力損失實(shí)測值,與理論值對比如圖6 所示。表明規(guī)范中考慮錨具變形和鋼絞線內(nèi)縮的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式,適用于應(yīng)用鋼絞線在退管施工中的應(yīng)力損失計(jì)算。

圖6 應(yīng)力損失與鋼絞線長度的實(shí)測與理論曲線Fig.6 Measured value and theoretical value ofσL-L3curve

5 結(jié)語

關(guān)于上海市白龍港片區(qū)污水輸送干線大口徑長距離過江頂管在頂進(jìn)過程中遇到地下樁基不得繼續(xù)頂進(jìn)的問題,從實(shí)際情況出發(fā),提出了應(yīng)用鋼絞線拔出障礙管道的施工方法。對其應(yīng)用過程中的鋼封門錨固端、鋼絞線數(shù)量、工作井內(nèi)千斤頂反推裝置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與總結(jié),并通過理論分析鋼絞線在退管過程中的彈性變形,以及考慮張拉端錨具變形和鋼絞線內(nèi)縮的影響計(jì)算鋼絞線應(yīng)力損失情況,為實(shí)際施工提供理論依據(jù)。在大口徑長距離頂管的退管施工中,應(yīng)用鋼絞線的退管工藝已得到成功實(shí)現(xiàn),該工藝合理,可靠性高,施工簡便,有望為其他類似障礙頂管工程提供參考。