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對頂管施工法的簡要探討論文
摘要:頂管施工就是非開挖施工方法,是一種不開挖或者少開挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)。非開挖工程技術(shù)徹底解決了管道埋設(shè)施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題,在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護方面凸顯其優(yōu)勢。這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的城市是非常重要的,它將為城市創(chuàng)造一個潔凈、舒適和美好的環(huán)境。
關(guān)鍵詞:頂管施工;泥漿技術(shù)
非開挖技術(shù)是近幾年才開始頻繁使用的一個術(shù)語,它涉及的是利用少開挖,即工作井與接收井要開挖,以及不開挖,即管道不開挖技術(shù)來進行地下管線的鋪設(shè)或更換,頂管直徑DN800—4500。通過工作井把要埋設(shè)的管子頂入土內(nèi),一個工作井內(nèi)的管子可在地下穿行1500米以上,并且還能曲線穿行,以繞開一些地下管線或障礙物。
對于管外壁摩阻力,在很大程度上可以通過各種手段來施加影響。首先要注意管子表面的光潔平滑,以保持很低的摩擦系數(shù)。此外極為重要的是,管子要盡可能避免圓度誤差,并保持直徑的一致。在這方面,如果管子是用許多管模制造的,問題可能就出現(xiàn)在制管廠中,因為管模本來就有尺寸公差,而且磨損程度也不相同。此外,如果管子澆注之后脫模過早,或者由于蒸養(yǎng)而發(fā)生收縮,也會引起這類的偏差。管子尺寸的不準(zhǔn)確在推頂時會導(dǎo)致產(chǎn)生夾緊力,這種力有時可能達到很高的數(shù)值。
一、采用頂管施工法鋪設(shè)管道具有如下得天獨厚的優(yōu)勢
1、頂管施工是頂管鋪管技術(shù)的一種,其在國外已廣泛使用,在國內(nèi)也已逐漸普及。于不開挖地面,所以能穿越公路、鐵路、河流,其至能在建筑物底下穿過,是一種能安全有效地進行環(huán)境保護的施工方法,堪稱為環(huán)境保護施工時的環(huán)境保護。
2、頂管施工不開挖地面,故而被鋪設(shè)管道的上部土層未經(jīng)擾動,管道的管節(jié)端不易產(chǎn)生段差變形,其管壽命亦大于開挖法埋管。
3、采用房下頂管施工法能節(jié)約一大筆征地拆遷費用,減少動遷用房,縮短管線長度,有很大的經(jīng)濟效益。
4、頂管工藝不僅僅用于管線鋪設(shè),它還具有靈活的排管施工方式。更為重要的是頂管施工作為一種工藝,它不僅僅鋪設(shè)管線,它在管棚施工方面也具有優(yōu)勢。
5、頂管施工范圍的擴大,頂管機械的性能越來越適應(yīng)各種土質(zhì)。頂管特別適用中小型管徑管道的非開挖鋪設(shè)。
若使刃腳比它相應(yīng)于管子外徑應(yīng)有的尺寸稍大一點,就有可能降低管外壁摩阻力。這樣能使上層不直接壓在管體上。只要土層足夠堅硬,這種方法就會取到預(yù)期的效果。而如果向管子和土層之間形成的空隙內(nèi)壓人支承介質(zhì),這種方法的效力更可以大大提高,并能維持一定的時間,從而足以頂進一段相當(dāng)長的管路,再則,支承介質(zhì)在起支承作用的同時,也可以作為潤滑劑起到減少摩阻力的作用。
二、對支承一潤滑介質(zhì)的要求
對支承一潤滑介質(zhì)的要求,可以根據(jù)摩擦定律推算出來。從摩擦定律得出的結(jié)論。
按照摩擦定律來考慮,對于頂管施工可以得出完全明確的結(jié)論如下:
1、為了保持較小的推頂力,干摩擦須以盡可能小的摩擦系數(shù)μ為前提。管子表面的光滑,能使摩擦系數(shù)降低。管子表面的機械加工和涂抹減摩劑,同樣都能起到減小μ值的作用。
2、在干摩擦的情況下,管子表面在推頂過程中會被周圍上層磨毛,因而使摩擦系數(shù)增大。所以在項管距離較大時,一般多采取液體摩擦的方式。
3、液體摩擦須以管子和土層之間存在潤滑介質(zhì)為前提,也就是說,須將潤滑介質(zhì)壓人其間。
4、管子和土層之間充滿潤滑介質(zhì)的空隙,在整個推頂過程中必須保持不變。要作到這一點,潤滑介質(zhì)必須能夠阻止土層落到管壁上,亦即潤滑介質(zhì)必須承受著各種具體條件下起作用的上壓力來托住土層。因此,在潤滑介質(zhì)中必須經(jīng)常保持相當(dāng)于土應(yīng)力的液壓。這樣,潤滑介質(zhì)同時也起著支承介質(zhì)的作用。交承壓力的反作用力則由頂進管來承受。
三、作為支撐-潤滑介質(zhì)的膨潤土
蒙脫土是一種層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氫化硅酸鋁。硅酸鹽多層體是一種三層結(jié)構(gòu),其中包括一層SiO4四面體、一層氫氧化鋁八面體和一層SiO4四面體。蒙脫土晶體即由許多這樣的硅酸鹽疊層組成。蒙脫土晶體遇水膨脹,與此同時水分子便滲入各個疊層之間。于是兩個蒙脫土疊層之間的距離就加大了一倍。晶體內(nèi)部膨脹現(xiàn)象的原因,則在于疊層內(nèi)部電荷分布的不均勻。
我們可以設(shè)想,在靜止下來的膨潤上懸浮液中,薄片狀的蒙脫上微粒形成一種紙牌房子式的結(jié)構(gòu),其中這些微粒以它們的角隅和棱緣彼此接觸或互相支撐。一旦靜止?fàn)顟B(tài)被擾亂,例如由于攪拌、振動或泵送等等,于是大多數(shù)的“紙牌房子”坍塌下來,因而在靜止?fàn)顟B(tài)下凝結(jié)起來的懸浮液就會變成溶膠。當(dāng)這種溶膠再次靜止下來,薄片狀的蒙脫上微粒又會彼此搭在一起形成紙牌房子式的結(jié)構(gòu),于是溶膠重新凝固。懸浮液每當(dāng)靜止便結(jié)成凝膠,一旦運動起來又變成溶膠,這種從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)以及從運動狀態(tài)又回到靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)交替,可以永無止境地重復(fù)下去,這樣的特性便叫作觸變性。
作為頂管施工中的支撐-潤滑介質(zhì),膨潤土的重要特點即在于它的膨脹性能。這一點須取決于薄片狀蒙脫俄土微粒的大小和數(shù)量。
在膨潤土含量相同情況下,鈉膨潤土懸浮液中所含極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量,約為鈣膨潤上懸浮液中所含數(shù)量的15到20倍。由于這種極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量大得多,便有利于蒙脫土微粒形成紙牌房子式的結(jié)構(gòu),因而亦有利于提高懸浮液的膨脹性能,這樣既可改善懸浮液在溶膠狀態(tài)下的流動性,也能改善懸浮液在凝膠狀態(tài)下的固結(jié)性。所以鈉膨潤土比鈣膨潤土更適用于頂管施工。
因此得出的結(jié)論是,膨潤土含量增加一倍,可使膨潤上懸浮液的支承作用提高到7至10倍。但是這也意味著,若膨潤土含量減少1/2,支承作用就可能降低到 1/10。所以,確定懸浮液中的膨潤上含量,便有著如此重大的意義。
四、膨潤土懸浮液在疏松土層中的應(yīng)用
在無粘性的疏松土層中以及在粘性很小的土壤中,例如在砂礫土中,若不采取其它輔助措施,土層由于本身極不穩(wěn)定,以致在刃腳推進之后立刻就會坍落在管壁上。所以對這類土壤來說,膨潤土懸浮液的支承作用尤其具有重要意義。為了起到這種支承作用,先決條件是要盡可能準(zhǔn)確地掌握膨潤土懸浮液在砂礫上中的特性。膨潤上懸浮液將滲入土層的孔隙內(nèi),充滿孔隙,并繼續(xù)在其中流動。流速取決于孔隙的橫斷面與懸浮液的流變特性,同時也取決于壓漿壓力。因此為了在同樣的壓漿壓力下達到相同的滲入深度,在孔隙橫斷面很小的細粒土層中便需要低流限的懸浮液,面孔隙橫斷面較大的粒粒土層則需要高流限的懸浮液。在克服流動阻力的過程中,壓漿壓力隨著滲人深度的增加而成比例地衰減,所以相應(yīng)每一種壓漿壓力,都有一個完全確定的滲人深度。
盡管就某種場合來說,隨著管子的推進同時在管子整個圓周上和管路全部長度上均勻地壓漿證明是相宜的,而在另一些場合下,正確的方法則又可能是分段壓漿。例如現(xiàn)已得知,在管子下半部,膨潤土在頂進過程中比靜止?fàn)顟B(tài)下更容易流出,而上半部的壓漿則是在管路靜止的情況下更容易進行。因此最好是將管子下半部的注漿孔和上半部的注漿孔分別組合起來。這種半側(cè)壓出的原因在于,靜止?fàn)顟B(tài)的管道以其全部很大的重量沉落于底部。這樣便在管道的頂部形成了小空隙,或者至少是形成了一個壓力較低的區(qū)域。因而在這種狀態(tài)下,膨潤土在管頂處比在管底部更容易流出。反之,在頂壓力和浮力同時作用下,管道有向上拱起的傾向。這時管道離地升起,于是管底下方便形成了一個低壓區(qū),致使膨潤土更加容易滲入其中并均勻地散開。
五、頂進管在膨潤土懸浮液中受到的浮力
只要頂進管在整個圓周上被膨潤土懸浮液所包圍,浮力定律便對它有效,即使懸浮液層的厚度很小也同樣如此。在鋼筋混凝土管情況下,浮力均為管子自重的1.4倍。在石棉水泥管情況下,浮力甚至高達管子自重的2.9倍。
這樣,只要通過正確地壓人膨潤土懸浮液,從而在土層中圍繞頂進管形成一個支承環(huán)帶,并保持懸浮液壓力等于土壓力,于是管子就會在膨潤土懸浮液中漂浮起來。為此必需的前提在于懸浮液應(yīng)是液體狀態(tài)的,亦即呈現(xiàn)為表觀流限相應(yīng)較低的溶膠狀態(tài)。在懸浮液的膨潤土含量低到接近運動狀態(tài)下的穩(wěn)定極限時,這個條件便能得到滿足。浮力可使管外壁摩阻力減小,因為管底部由于自重產(chǎn)生的法向力減少了。這一效果首先會對大直徑管子的長距離推頂產(chǎn)生有利的影響。
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