基于环境保护的火电厂循环水系统引进顶管施工技术

第1期广东水利水电No, 12013年1月GUANCDONG WATER RESOURCES AND HYDROPOWERJan. 2013基于环境保护的火电厂循环水系统引进顶管施工技术刘少跃'，潘健”， 丁孝勇2(1.广东省源天工程有限公司，广东广州511340; 2. 华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640)摘要:以陈家港电厂为例，基于环境保护的原则，介绍顶管技术在火电厂循环水系统中的机械选择、施工设计以及安全措施。施工结果表明顶管施工对环境的影响较小、速度快。关键词:环境;项管;施工工艺;安全措施中图分类号: T991.1文献标识码: B文章编号: 1008 -0112(2013)01 -0047 -05环境问题是当今世界所面临的重大准题。采用工0. 55MPa,平均侧壁摩阻力为16. 9kPa，平均层厚约为程施工技术最大限度地减少工程施I过程对环境的破3. 0m。该层土水域部分逐渐尖灭缺失。坏是工程界的一一个新课题，结合在江苏国华陈家港电②2粉士:黄灰色，湿，松散、局部稍密。该层厂循环水系统T程施工过程的实例，介绍顶管技术在土平均标贯击数为10.4 击，静探平均锥尖阻力为火电厂循环水系统的应用。4. 8MPa,平均侧壁摩阻力为51. 6kPa,平均层厚约为1工程概况3. 4m。该层土自厂区到灌河逐渐变薄，至河岸附近尖江苏国华电厂陈家港电厂位于苏北平原东北部灌，灭缺失。河南岸的沿海涂滩上，地势平坦，地面高程起伏不大，②3淤泥质粘土:浅灰、灰色，流塑，具有水平属黄河冲击的滨海平原。循环水系统由水泵房、引水层理，偶含有机质,夹薄层粉土或粉砂,干强度韧性管和取水头3部分组成，引水管长度为28.6m，需穿中等，局部含腐殖质，底层见贝壳。该层土平均标贯过灌河大堤和河边滩涂对虾养殖场，为保护周围的生击数为2.4击,静探平均锥尖阻力为0. 8MPa，平均侧态环境，设计采用顶管和沉管相结合的施工技术，穿.壁摩阻力为13. 7kPa，平均层厚约为12m。勘察范围过灌河大堤和河边滩涂对虾养殖场段，用顶管施工,内分布稳定。长度均为173.6m，管径为3 240mm， 壁厚分别为③粉质粘土加粉土:灰绿~黄褐色，可塑~硬塑，36mm、34mm,长度分别为66. 5m、107m, 沉管段长以可塑为主。该层土平均标贯击数为12.5击,静探平为55m。顶管位于循环水泵房进水间边墙处，中心标.均锥尖阻力为2.84MPa,平均側壁摩阻力为57.5kPa,高为-7. 50m，与沉管相接处的标高为一10.0m,其沉平均层厚约为9.2m。该层土自厂区至灌河逐渐变厚,管段中心线坡降为1. 44%。粉土含量逐渐增加。整个厂址厂区附近无基岩出露，覆盖层厚约.④粉砂:黄灰色，饱和，密实，局部夹灰色薄层200m，下伏基岩为奥陶系石灰岩。地基土主要划分为粉质粘土和粉土，具有水平微层理，局部地段层顶发7个地层，自上而下分别为:现块状泥质胶结。该层土平均标贯击数为32.4击,静①填土:黄灰色，软塑~可塑，以粉质粘土为主，探平均锥尖阻力为14. 14MPa，平均侧璧摩阻力为表层为场地四通一平清淤回填土。该层土平均标贯击165. 7kPa,平均层厚约为6.2m。该层土路域分布稳数为2.5击，静探平均锥尖阻力为1. 06MPa,平均侧定，至河床部分逐渐尖灭缺失。壁摩阻力为52. 2kPa。该层土特性变化较大,滩涂河2顶管主要施工工艺塘等:表层主要为未清干净的淤泥质土，水域部分该层2.1工具头选用土缺失，该层土平均层厚约1. 6m。本I程项管要穿过灌河大堤，顶进断面大都在②3②1淤泥质粉质粘土:灰黄,浅灰色，软塑。该淤泥质粉质粘土层中，顶管上覆盖土层②2粉土土体层土标贯击数为2.4击，静探平均锥尖阻力为不够稳定，除平甩机械平衡揩施外还采用气压平 衡中国煤化工收稿日期: 2012-07-04YHCNMH G作者简介:刘少跃(1958-), 男，高级.T程师，主要从事水利水电工程施T.和地基基础处理等T.作。.47●.2013年1月第1期刘少跃，等:基于环境保护的火电厂循环水系统引进顶管施工技术No.1 Jan. 2013机头平衡前方水土压力，根据本工程地质条件结合以小，后座及轨道布置时按水平顶进要求进行布置。后往类似工程的施工经验，决定选用网格式局部气压平座布置时，充分考虑到墙体结构的允许受力，减少顶衡水力机械顶管机。该顶管机具有以下特点:力对墙体结构的影响。利用设置在工具头上的纠偏油1)在管道顶进过程中，利用T具管前舱的局部气缸，通过纠偏油缸不同角度的伸缩，实现坡度的调整。压能有效平衡稳定工具管前端土体的水压、土压，防2.3顶进系统止土体的塌方、涌水、涌泥，以减少对管道周围土体1)顶力计算的扰动，防止对地基或大堤沉降的影响。本工程顶管外径为D=3.24m，单根管顶长度L=2)顶进过程中，如遇有地下障碍物(例如桩或块173. 5m，管道在②3淤泥质粘土中顶进，采用触变泥石等)可在气压下人工排除。浆减阻。顶力计算公式如下“3)局部气压平衡工具管由前、后两段组成，前段①T具管正面阻力F计算公式如公式(1)所示:与后段之间设置有4组纠偏油缸(每组各为80t)成对F=1 rD'ayHK,(1)角线布置，通过纠偏油缸的伸缩，实现纠偏。工具管分2个舱室:前舱为冲泥舱，后舱为操作室(兼变压式中K。为被动土压力系数; D为管外径; a为网络截舱)冲泥舱的前端设有泥土的挤压刃脚和格栅，再加面系数; γ为土体重度; H为地面至管顶中心的厚度。，有局部气压，可有效防止开挖面的塌方。工具管后端对于本工程，D=3 240mm，γ=l8kN/m', H=12m, a设有泥浆槽，向工具管外壁压注泥浆，可大大减小顶=0.8，K,=1.47， 则: F, =2 097kN。管阻力，后舱操作室安有纠偏油泵车，以控制4组油②管道摩阻力F:计算公式如公式(2)所示:缸的伸缩，此外，还装有水力机械，将前舱高压水枪F2=f2L .(2)冲成的泥浆吸出排放到管外，使其工具管不断地向前式中f2为单位长度摩阻力f2 =πDf,其中J为管壁与土顶进的平均摩擦力。由于采用触变泥浆减阻,f取5kN/m22.2轨道及后座布置计算，则fz =51kN/m,可得F2 =8848. 5kN。本工程设计允许的顶力不允许超过12 000kN。顶③顶管总顶力:管后背墙按照16 000kN设计并施工完成。在井下顶进F=F +F2 = 10 946kN <12 000kN,总顶力小于沉轴线的后方，布置4台主千斤顶，分2列布置,主顶井设计允许的顶力，故设计可行。千斤顶为单冲程千斤顶，总行程为1.10m，主顶千斤2)顶进系统选择顶每只最大顶力为4 000kN;主顶支架上装有活动底主顶机械装置采用4只双作用油缸，该油缸行程架，顶进用的导轨上也装有活动底架，便于调整轴线。为1100mm，顶力为4000kN，油压为31.5MPa。主顶将顶进管段安放在主千斤顶前面的导向轨道架上，管千斤顶合计顶力最大可达16 000kN,实际顶进不允许道的最前面是工具管。导轨全长为6. 5m，顶管导轨两超过12000kN,4只油缸有其独立的油路控制系统,旁搭设平台，可放置顶铁、中转泥浆箱和灰渣泵以及可根据施工需要通过主顶装置来辅肋纠偏。配电箱、电焊机、主油泵车等。顶管后座墙前放1块2.4出土系统70mm厚的后座钢板, 4只千斤顶紧靠在后座钢板上,出土系统采用水力机械出泥方式，泥浆管道为无安装要求与轨道坡度-致，并与工作井后墙密贴，如缝钢管，直径为150mm,泥浆通过管道排人沉井南侧有缝隙要用砂浆或混凝土填塞密实，其允许垂直偏差泥浆池中。为土3mm，4只千斤顶安装在支架上，支架与底板预2.5通风系统埋件焊牢，千斤顶与顶管轴线的偏差以及前后水平差本工程管道较短，通过地层无地下有害气体，为均应控制在土3mm以内，千斤项与顶管轴线的不平行保证管内操作人员具有良好的作业环境，管内采用度应控制在士3mm以内，2只千斤顶之间设有测量平φ48镀锌钢管输送经过空气净化系统过滤冷却的压缩台，平台上安放有全站仪和水准仪，用以检测顶管前空气通风，压缩空气经冷却器干燥除去部分水分，经进的偏差。空气滤清装置将空气净化，工地配置6m’/min的空压顶进设备安装之前，先进行顶进轴线的精确放样，机2 台，通过2只6m’的储气罐供气。轴线放好后,安装项进后座，之后安装主顶装置和导2.6泥浆减中国煤化工轨，再之后搭设井内的工作平台，安装其他设备，最本工程CNMHGp②3淤泥质粘土,后进行顶进设备的调试工作。渗透系数较工中，运用触本工程顶管按1. 44%坡度进行，考虑到坡度较变泥浆可以有效减小顶进阻力。顶进时通过管道上的. 48..2013年1月第1期广东水利水电.No.1 Jan. 2013压浆孔，向管道外壁压人触变泥浆，在管道外形成1表1触变泥 浆性质指标个泥浆环套，以减小管外壁与土体间的摩擦力，从而项次项目性能指标.检验方法减小顶推力。压浆孔每道4个、呈90°角布置。顶管比重/(g . crm-3 )1.1~1.15 .泥浆比重计前端40m范围内，每道压浆孔的间距为6m;在40 ~粘度/18-25500ml漏斗法100m范围内，每道压浆孔的间距为12m; 100m 以后，pH值pH试纸每道压浆孔的间距为20m。失水率/[cm'●(30min)"'] <25失水仪压浆原则是:先压后顶，随顶随压。工具管尾部稳定性/(g.cm°)≤0.02，稳定性筒压浆量控制在0.2 ~0.4m',补压浆的次数及压浆量控.制在0.1~0.2m’。在穿越灌河大堤下的管节预先加工洞口注浆，由于沉井下沉过程中，造成沉井周边土质扰动，土质不稳定，在开启闷板后，前方土体可8只压浆孔供环向加固大堤补浆之用。触变泥浆由膨润土、水和CMC按-.定比例混合而能坍塌，为保证工具管顺利出洞，必须在洞口以外8m成，也可使用配置好的复合泥浆材料。本工程要求泥范围内对土体采取注浆加固措施，注浆加固范围为管浆比重在穿越灌河大堤时适当加大。触变泥浆的拌制道上下左右四周各3m范围，注浆材料为水泥和膨润要严格按照操作规程进行，泥浆拌好后应放置24h方土浆。3.2 工具管穿墙可使用，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结,既要有一-定的粘度，也要有良好的流动性。压浆是通工具管穿墙前需做好下列检查工作:过储浆池外的压浆泵将泥浆压送至管道内，经由压浆1)工具管纠偏灵活，液压系统无渗漏;孔压至管壁外侧。施工中在压浆泵、工具管尾部等处2)各设备运转正常;装有压力表，便于观察、控制和调整乐浆的压力。3)工具管调零正确;触变泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小4)工具管调正好穿墙位置(管端允许稍稍向上,及周围:土质的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作不能向下)， 主千斤顶顶住顶铁。用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多。实际压浆打开穿墙洞闷板，立刻将工具管顶进，从此开始,量一般可达理论值的4~5倍，但在施工中还要根据土管道应连续顶进，直到穿墙止水安装完毕。质的情况、顶进状况、地面沉降的要求等做适当调整。当工具管尾部将要出洞时，暂停顶进，安装穿墙泥浆暂定配合比为:膨润士:水: Na2C0;: CMC=1:(5止水，其中挡环、轧兰在工厂加工制作。其安装顺序~6): (20 ~30): (20 ~30)。触变泥浆指标如表1是:首先安装挡环，接着绕5道盘根，再安装挡环和所示。轧兰，最后焊卡马板。完成上述工作后，管道继续顶合理的泥浆搅拌方法是保证泥浆质:量的重要环节，进，借助顶进的力量，通过卡马板将盘根压紧，最后该工程采用RM-2000型2m'泥浆搅拌机进行搅拌。固定轧兰。其搅拌程序为:水(1. 4m') +Na2COz +膨润土(搅拌33.3顶进测量min) + CMC(增粘剂) +水(0.6m’，搅伴5 min) =2m'2根顶管长度均为173.5m，引水管穿墙管起始处新浆，投料是要严格按照以上顺序进行。泥浆配置时，中心标高为-7.5m，设计的顶管结束处标高为先配置4m’，然后进行取样检验，在确定泥浆性能参-10. 0m,其落差为2.5m, 整根顶管坡度为1. 44%，数合乎要求后，方可进行批量生产在这样坡度不大的情况下顶管，难度较小。所以本工在触变泥浆使用材料中，均采用优质材料，以达程的测量方法如下:到减阻效果明显。现场采用砖砌筑泥浆池，泥浆池分在沉井内，测放顶管轨道时，其管道的坡度与顶为原浆和废浆池，容积为4~6m’。通过注浆泵、注浆管的轴线坡度一致，在顶管过程中使管道的前进方向管连接关闭注浆口。与平顶相吻合。轨道按水平方向布置。3主要技术安全措 施①千斤顶的顶力方向与设计轴线完全吻合。3.1洞口加固②井上测放轴线及由上面向井内传递顶进方向。顶管施工前出洞口采用石灰土分层夯实封堵，随③在顶管过程中，采用全站仪进行全过程测量。沉井下沉时应封堵完成，内侧用闷板封堵。当顶管开1)先在主顶力加内测放1个测量平台。始要项进时，拆除预留洞的密封闷板，工具管头应与2)测MH中国煤化工全站仪的目镜的视门洞尽量靠近，一旦将闷板抽出，顶管工具头应以最准轴与顶管CNM H G由对准工具头光粑快的速度出洞项进。中心，然后将仪器固定，不再变更全站仪视准轴方向。,49..2013年1月第1期刘少跃，等:基于环境保护的火电厂循环水系统引进顶管施工技术No.1 Jan. 2013进行全过程监测工具头行进路线。为了防止在顶进过程中或焊接管节时开挖面有大3)顶管每段为6m及5.4m，顶进过程中每60cm量的水土涌人泥水仓内，特地在工具管后面布置了1 .左右，测量员进行观测1次，通过光斑便宜计算偏差台6m’的空压机，向泥水仓提供压缩空气，建立局部角度，角度偏差不大于0.5°，开始纠偏。每项进-气压，稳定开挖面处的土体视情况而定，其压力应控段，对所测的轴线、标高进行进-步的复测。制在0.5~1.0kg/cm2的范围内。4)施工期间，在顶管经过的灌河大堤上设置3组在穿越灌河大堤时，应严格控制施工参数，控制位移、沉降观测点，每组4个测点，组织测量人员对大堤的沉降值不大于50mm。位移沉降观测点进行观测记录，多测量、勤记录,3.5通风与通讯旦发现数据异常，应立即停止项进，并采取有效应急.本工程的压缩空气用途:供局部气压施工和管内措施。通风。从空压机房生产的压缩空气，首先输人1只5)管内定向测量6m'的储气包，然后输向工作井，再进入管道，供工按穿墙孔与接收孔的实际坐标进行测量放线，定具管前舱局部气压使用。在接通工具管的输送管路上,出控制轴线，然后将控制轴线投影到工作井测量平台分出1条支管，压缩空气经油水分离器后供管内通风及沉井壁后方2个平台。测量平台的标高应按管道设使用。计标高及工具头测量点的位置来确定。为了解决管道内、地面和测站之间的联系，在工本工程顶管测量采用全站仪，可以随时进行计算具管、测量观测点、泥浆房等处各安装1部程控电话,指导纠偏，在顶进过程中随时可掌握偏差情况。共4部，各处的电话由安装在操作平台上的1台自动3.4 顶进程控交换机控制，各地可通过电话自由联络。本工程采用- -只网格式局部气压平衡顶管机，逐3.6中继环设置根顶进施工。顶管实行24h不间断顶进(除焊接、补规范!2]中对顶管做了比较详细的说明。根据设计漆外)。顶进速度控制为60cm/h,除去组对、焊接、图纸及上述规范要求，在施工中主要考虑施工最大顶油漆时间(约9h)外，每日顶进长度约在15m左右。力 是否超过允许顶力。若施工最大顶力不超过允许顶工具管穿墙出洞后，就可进行正常的顶进施工，一节力，说明作业方案可靠。管顶进结束后，缩回主顶千斤顶，拆除洞口处的管线,施工经验数据统计表明，顶管最大顶力往往发生吊放下-节管节，焊接连接，再继续顶进。顶力值通在工具头出墙洞口时在单根顶管200m的距离内,采过油缸压力表进行读数和控制，顶进过程中做好顶力取触变泥浆减阻措施后，顶力-般在 600 ~ 800t之间。记录。为防止超意外顶力值发生，考虑采取如下应急方案:由于顶进施工的顶进断面均为淤泥质粘土,因此1)做好中继环的加工准备。当顶力即将超过允许顶进中网格必须全部切入土体后,才能用高压水枪冲值前，安装中继环。散挤人的土体，高压水枪在其冲刷区域内要有一定的2)增大注浆量，使摩阻力进一步减小。压力和射程，水枪的冲射区域应能辐射到整个网格的3)可以考虑适当加长沉管长度，减小顶管长度。断面。工具管的泥水仓必需满足防渗要求，防止顶进3.7顶进纠偏的泥水渗人管道内。管道在顶进过程中，测量员要随时观测工具管的供应进人水的高压泵(多级泵)布置在地面，进水偏差情况，及时提供数据以指导纠偏，测量员应至少管采用φ108无缝钢管法兰连接，管道要保证顺直，每 项进1块顶铁的距离(约60cm)便测量1次工具管的连接可靠，不渗漏，进水压力为24kg/cm'。排水管采偏差情况，偏差较大时应增加测量次数,并做好记录。用φ108无缝钢管法兰连接，排出的泥水比例一般为测 量时用全站仪测量工具管的水平偏移,用水准仪测1:8的泥浆浓度，泥水由吸泥设备，通过排水管道送量工具管的竖向偏移。至地面的沉淀池内处理。工具头在顶进过程中由于受不均匀外力的作用,顶进施工时必须进行同步压浆，重点注意调节进头部会产生偏离轴线现象，因此在顶进过程中需经常土量和排泥量，使之相互平衡。顶进过程中应跟踪测对工具管加以纠偏。纠偏应贯彻“勤测勤纠，小角度量轴线偏差，及时调整水枪作业范围。按纠偏要求确纠偏"的原则中国煤化工可偏移超过0.5°定冲刷部位，开启相应的水枪编组进行作业;停止顶时，即应采取fHCN M H C度及方向时应进时应先关闭主顶装置，然后再关闭高压水泵和排认真分析顶进物线、工项用优以及纠偏压力表，紧锁泥泵。压力表的变化情况，尤其应注意项进轨迹变化的速率. 50..2013年1月第1期广东水利水电No.1 Jan. 2013情况。6)顶穿越大堤时不宜纠偏、严禁大角度纠偏。严禁在主千斤顶停顶的情况下进行纠偏、严禁大7)事先在大堤部分管段适当加密注浆孔，一旦沉角度纠偏、并严格按照操作规程进行操作，纠偏前后降大，即可多注泥浆来控制沉降。应按规定及时准确地做好各项原始记录，纠偏时要防3.9工具管制除止L具管发生扭转，-旦出现类似情况可采用偏心压顶管顶进到设计位置后，将管道内所有机械设备重法纠扭。拆除并迅速撒出，工具管暂时保留管前。按照设计要3.8穿越大堤的沉降 控制措施求安装阴极保护装置、进行接头防腐处理，经过监埋灌河大堤为重要构筑物，因此，在项管穿越灌河工程师验收合格后，安装闷板(闷板上设置进水阀及大堤时，必须采取措施确保大堤安全。排气阀)，随后通过闷板上的进水阀向管内注水，同1)引水顶管在穿越大堤时，应设置一-定 数量的沉时由潜水员水下冲泥后进行工具管水下割除，并吊运降、位移观测点，及时对大堤沉降及位移进行观测记至岸上。录，并建立大堤安全报警系统。4实施结果2)顶管过大堤前，应开始收集数据、摸索规律,该过程从施工到完成共计75d,施工的结果表明包括顶进速度与沉降的关系、顶管出土与沉降的关开挖对灌河大堤和河边滩涂对虾养殖场的生态环境影系等。响较小，且施工速度快而又经济，实事说明顶管技术3)当位移、沉降大于50mm时，应立即停止作在火电厂循环水系统的应用是成功的。业，发出警报，待有关施工技术人员检查分析原因并参考文献:采取相应措施后，才能继续顶进作业。1] 安关峰，殷坤龙，唐辉明.顶管顶力公式辨析[J]. 岩士力学, 2002, 23(3): 358 -367.4)在顶管顶进过程中，应及时观察搅拌室内的土[2] GB50268 - 2008给水排水管道工程施工及验收规范[S]体压力，按照方案设计的压力控制操作。(本文责任编辑 马克俊)5)项管穿越灌河大堤时，严格控制顶进速度，严禁超挖。(上接第33页)4结论根据研究海域全沙输沙率的数值计算结果,人工[1] 严恺编. 海岸工程[M].北京:海洋出版社，2002: 12岛南端至河口范围内的波浪作用较弱，径流和潮流对- 130.泥沙输移的作用占主导，区域的全沙输沙率均大幅减[2] R. H. Charliert, C. P. De Meyer. Arifieial islands: envi-ronmental aspects off Beigium [ J]. International Joumal of小，局部24h泥沙淤积厚度达0.4m;人工岛南端及两Environmental Studies，1988， 32(2-3): 111 -122.侧径流作用较弱，波浪和潮流的掀沙、输沙作用占主[3]陈可锋， 陆培东，王艳红，等、江苏如东人工岛建设对导，输沙率总体较大，局部冲刷较严重，故建议1号周边水动力及泥沙冲淤的影响[J].中国港湾建设，人工岛南端和2号人工岛东侧加强消浪防冲措施，人2008, (1): 8-12.工岛的北端则要注意清淤，控制河口浅滩的发育，避[4]孙秀峰.人1.岛(群)对河口海岸水沙环境的影响研究免人工岛演变成连岛沙堤。[D]. 青岛:中国海洋大学，2011: 23 -27.. (本文责任编辑 王瑞兰)中国煤化工MHCNMH G●51●.