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    手掘顶管沙土中顶进事故分析对策

    点击数:28122014-11-02 19:23:43 来源: 上海诚义顶管工程有限公司

    事故分析:


       1、手掘式顶管有很大的局限性,由于手掘式没有引入土压平衡理论,因此对于顶进面土压很难控制。无论是何种形式的顶管,在施工过程中要保证地面无沉降和隆起,关键所在是要保证顶进面土压力与掘进机头保持动平衡。它有两方面的基本内容:第一,顶管掘进机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态;第二,它的排土量与掘进机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。只有同时满足以上两个条件,才能算是真正的土压平衡。


       从理论上讲,掘进机在顶进过程中,其顶进面的压力p如果小于掘进机所处土层的主动土压力时,地面就会产生沉降。反之,如果在掘进机顶进过程中,其顶进面的压力大于掘进机所处土层的被动土压力时,地面就会产生隆起。并且,上述施工过程的沉降是一个逐渐演变过程,尤其是在粘性土中,要达到最终的沉降所经历的时间会比较长。然而,隆起却是一个立即会反映出来的迅速变化的过程。隆起的最高点是沿土体的滑裂面上升,最终反映到距掘进机前方一定距离的地面上。裂缝自最高点呈放射状延伸。如果我们把土压力控制在主动土压力<p<被动土压力这样-个范围内、就能达到土压平衡。


    采用手掘式顶管工法是对于顶进面土质有较高的要求,首先,要求顶进面土体的自立性要很好,其次,要求顶进面的地下水压力要很小。但本次事故发生段的土质恰恰是自立性很差的中粗砂,而且地下水压力很大,因此对于正面土压力的控制就变的很困难了,从而导致正面土体局部塌方,方向也就很难控制了。




    1、本次顶管失败的另一个主要原因是采用的企口管,企口管的最大缺陷在于承压面积只有管断面的一半左右,而且在发生轴线偏差时角度每增加1度管材所能承受的顶力随即降低一半,因此,采用该管材对于顶管轴线偏差要求很高。


    2、手掘式顶管的纠偏通常采用顶进面局部超挖的方式,如果顶进面发生流沙现象就无法局部超挖,因此也就很难纠偏了。




    针对本工程地质情况,建议采用泥水平衡式顶管工法。所谓泥水平衡理论就是以含有一定量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱,并对它施加一定的压力,以平衡地下水压力和土压力的一种种顶管施工理论。按照该理论,泥浆水在挖掘面上能形成泥膜,以防止地下水水的惨透,然后再加上一定的压力就可平衡地下水压力,同时,也可以平衡土压力。


       泥水式顶管施工有以下优点:


    1. 适用的土质范围比较广,如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下,它也能适用。


    2.可有效地保持挖掘面的稳定、对所顶管子周围的土体扰动比较小。因此,采用泥水式顶管,特别是采用泥水平衡式顶管施工引起的地面沉降也比较小。


    3.与其他类型顶管比较,泥水顶管施工时的总推力比较小,尤其是在粘土层这表现得更为突出。所以,它适宜于长距离顶管。


    4.工作坑内的作业环境比较好,作业也比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土,不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。它可以在大气常压下作业,也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。


    5.由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的,所以它作业时的进度比较快。在粘土层中,由于其渗透系数极小,无论采用的是泥水还是清水,在较短的时间内,都不会产生不良状况,这时在顶进中应考虑以土压力作为基础。在较硬的粘土层中,土层相当稳定,这时,即使采用清水而不用泥水,也不会造成挖掘面失稳现象。然而,在较软的粘土层中,泥水压力大于其主动土压力,从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。但实际上,即使在静止土压力的范围内,顶进停止时间过长时,也会使挖掘面失稳,从而导致地面下陷。这时,我们应把泥水压力适当提高些。


       在渗透系数较小,如k≤1×10-3cm/s的砂土中,泥浆相对密度应适当增加。这样,在挖掘面上使泥膜在较短的时间内就能形成,从而泥水压力就能有效地控制住挖掘面的失稳状态。


       在渗透系数适中,如1×10-3cm/s ≤k<1×10-2cm/s的砂性土中,挖掘面容易失稳。这就需要我们注意,必须保持泥水的稳定。即进入掘进机泥水仓的泥水中必须含有一定比例的粘土和保持足够的相对密度。为此,在泥水中除了加入一定的粘土以外,再须加一定比例的膨润土及CMC作为增粘剂。以保持泥水性质的稳定,从而达到保持挖掘面稳定的目的。


       在砂砾层中施工,泥水管理尤为重要,稍有不慎,就可能使挖掘面失稳。由于这种土层中一般自身的粘土成分含量极少,所以在泥水的反复循环利用中就会不断地损失-些粘土。这就需要我们不断地向循环用泥水中加入一些粘土,才能保持住泥水的较高粘度和较大的相对密度。也唯有这样,才可使挖掘面不会产生失稳现象。


    MEP机型介绍:


        这种形式的泥水平衡顶管掘进机是日本伊势机开发工机独创的一种顶管机。它分为大小口径两种:小口径机人无法进去,就采用远距离控制,称之谓TM型;大口径机人可以进入,人直接在管内操作则称之谓MEP型。除此以外,两者的工作原理完全相同。


       该机分为两大部分,机头是独立的一部分,电气和液压操纵台则分成两个,分别安装在第一节后续管的左右两侧,操作人员在管内操作。


       掘进机的本体由壳体、隔仓壁、承压环、刀盘、驱动装置、刀盘加压装置及进排泥阀开闭装置等构成。


       壳体是由钢板焊接而成,它需承受来自机后的推力及纠偏油缸工作的推力,承受土层中土压力以及机器工作中的各种反力。它必须坚固、结实。


       隔仓壁是把掘进机分成泥水仓及工作仓的隔板。泥水仓和工作仓中只有进排泥管沟通,这样才能在泥水仓内可建立起一定的压力。隔仓壁除了承受泥水压力以外、其后部部在工作仓内部分还安装有刀盘驱功装置。隔仓壁实际上是-个漏斗形的,并非一字形的隔墙。


       承压环实际上是后壳体,它与掘进机前壳体之间是铰接的,纠偏油缸就安装在前后壳体之间。为了防止纠偏油缸动作时产生的渗涡,在前后壳体之间安装有橡胶密封圈。


       刀盘是一个直径比掘进机前完体略小的具有一定刚度的圆盘。圆团盘中还嵌有切削刀和刀架。刀盘和切削刀架之间可以同步伸缩,也可以单独伸缩。而且,不论刀盘停在哪一个位置上,切削刀架都可以把刀盘的进泥口关闭。刀架上的切土刀呈八字形,无论是刀盘正转还是反转,它都可以切土。刀盘的中心有一三角形的中心刀。刀盘的边缘有两把对称安装的边缘切削刀,该刀可在土中挖掘成-个直径与掘进机外径相等或者比掘进机外径大一些的隧洞,便于推进。刀盘上还有一些螺旋形布置的先行刀,它的主要功能是进行辅助切削。


       刀盘驱动装置是由电动机、行星减速器、齿轮箱、主轴等部件构成。电动机与行星减速器联接成一体.行星减速器的输出轴上安装有-只小齿轮。行星减速器安装在齿轮箱上,小齿轮伸入齿轮箱内并与大齿轮啮合。行星减速器及电机可有2一5个。采用几个,则需视掘进机外径的大小而定,小口径一般只用2个,安装在齿轮箱的左右;大一点的可用3个;再大的可用4个或5个。


       刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸,刀架伸缩油缸则安装在刀盘加压装置的上方。为了防止在推进速度过快、土压力过大时刀盘后缩到极限位置而使掘进机损坏,在刀盘到达极限之前,设有-保险装置。在刀触及保险装置时能使主顶油缸停止推进,并发出报警声,直到刀盘离开该位置为止。


       进排泥阀分别安装在进排泥管中,这两个阀同时由一只油缸控制。两阀只能同时打开、同时关闭.所以也称双连阀。两阀关闭以后,泥水仓内与外界就隔离;两阀打开,泥水仓就与进排泥管接通。


       如果是小口径机,人无法在里面操作,就通过控制电缆把要操作的开关全部引到机外的操作台上。为了观察机内各部分运转情况及各仪表的数值,就把它们集中在机内的仪表板上,再在仪表板的后方装有一台摄像机,通过75欧姆同轴电缆,把仪表板上所反映的各种情况显示在机外操作台的电视屏幕上。




       TM或MEP型掘进饥的工作原理原如下:刀盘前土压力过小时,它就往前伸;刀盘前土压力过大时,它就往后退。刀盘前伸时,应加快推进速度;刀盘后退时,应减慢推进速度。这样,就可以使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。如果刀盘前压力小于土层的主动土压力PA时,地面就下陷;反之,如果刀盘前压力大于土层的被动土压力PP时,地面就隆起。


       整个刀盘是由和刀盘主轴为一体的一台油缸支承着,调定油缸的压力就可以设定土压力。当刀盘受到大于设定的土压力时就后退,反之则前伸。只要推进速度得当,刀盘就可以保持浮动状态。土压力的设置方法就是调定好刀盘油缸的最高工作压力,当油缸超过此压力P 时,油通过溢流阀溢流。由于刀盘油缸在工作时,一直有一台油泵为之供油,所以,当油缸后腔的压力低于设定值时,油缸就会自动往前伸;反之,则会往后退。


       由于有以上刀盘可伸缩的浮动特性以及刀架可开闭的进泥口调节特性,这种掘进机就可以实现用机械来平衡土压力的功能。假定我们把刀盘前的土压力设定在80kPa,如果在以一定速度的推进过程中,当刀盘前的压力低于80kPa时,刀盘就会往前伸。与此同时,减小或关闭了进泥口,这样由于进泥少了,如果推进的速度仍保持不变,刀盘前的压力就会上升。反之,如果刀盘前方的土压力大于80kPa时,刀盘就往后退,进泥口就会增大,从而增加了进泥量。如果推进速度不变,刀盘前的压力就会下降。以上就是机械平衡土压力的全过程。另外,TM或MEP的泥水压力也是可调节的,刀架的开闭状态这就使其具有用泥水压力来平衡地下水压力的功能。不过、这种顶管掘进机比较适用于软土和土层变化比较大的土层,用它施工后的地面沉降很小,一般在5mm以内。

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