西江引水工程盾构隧道内衬大口径钢管的施工技术

西江引水工程在穿越小塘立交(大型立交)时采用了盾构法施工,盾构隧道结构采用厚度为300mm的预制钢筋混凝土管片,隧道内径为5400mm。为了确保供水安全,盾构隧道内衬DN4800的大口径钢管。重点介绍了盾构内衬大口径钢管施工的工艺流程和技术要点,在工程实践中成功攻克了大口径钢管在隧道内的运输、对接、焊接和自密实混凝土浇筑等技术难题,可为其他同类工程提供参考。

1工程概况

近年来,盾构法施工技术在长距离输水管线中得到了快速发展,埃及穿越苏伊士运河输水隧洞工程、南水北调、上海青草沙原水工程等都采用了盾构技术。

国内外的工程实践表明,盾构隧道作为输水管道的一种基本形式是切实可行的。广州市西江引水工程小塘立交段需要穿越广茂铁路、G321国道、广三高速公路和西二环高速公路等重要障碍物,在如此复杂的施工环境中采用明挖敷设的施工技术是非常困难的。经技术、经济和供水安全性等因素综合分析,确定采用盾构工法建成单线的盾构隧道,线路长约2355m

盾构隧道结构采用预制钢筋混凝土管片,外径为6000mm,内径为5400mm,管片厚度为300mm。为了确保供水安全,盾构工程采用双层衬砌方案,即在管片隧道内衬砌DN4800的钢管,壁厚为20mm,材质为Q235C,每延米质量为238t。为使通水后内衬钢管承受内水压与管片承受外水压相互分开,在隧道上部240°范围内铺设聚乙烯泡沫板及沿隧道方向均布5根与隧道同长的DN50排水花管。内衬钢管与管片之间回填C20自密实混凝土,回填采用钢管开孔灌注的方法进行。

2盾构隧道内衬钢管施工流程

为了确保按时完工,该盾构工程自广三高速公路南侧的盾构始发井分别向接收井1和接收井2掘进,形成西线隧道和东线隧道,东线、西线的内衬钢管作业分别同时进行。管道运输方向为始发井至两个接收井,钢管内衬的安装方向则从两个盾构接收井退向始发井,最后在盾构始发井完成钢管的合龙。

为减少隧道内焊接工作量,在盾构始发井设置焊接转台,采用埋弧自动焊将两节6m钢管焊接成一根12m长的钢管段。采用自行研制的运输台车在隧道内实施钢管的运输和对接,在隧道内完成钢管内环缝焊接后,对已固定的钢管每隔24m安装快易收口网预制构件进行分仓,对每一分仓进行自密实混凝土分层浇筑,然后进行钢管内防腐修复,东、西线隧道内衬钢管在始发井合龙后进行管道试压。

3内衬钢管施工技术要点

3.1钢管运输与对接技术

①钢管排版设计与制作

由于受地面建()筑物的限制,盾构隧道线路由圆曲线与直线段交替的线形组成,共有5段圆曲线,曲线长度占隧道总长度的比例超过50%,其中最小半径为300m。在盾构隧道分部工程完成后,进行隧道贯通测量和断面测量,根据测量数据进行内衬钢管排版设计,将每节钢管设计成一端直口和一端为斜口的形式,沿着圆弧的割线布设,并编号标识。其中,在始发井焊接转台以“直口对直口”的形式对接,在隧道内以“斜口对斜口”的形式对接。此外,在每节钢管两端管口缩进250mm处设置“内法兰+伞形槽钢”形式的内支撑,以有效控制变形量。钢管制作、编号和内支撑安装均在钢管制造厂内完成。

②施工难点

在盾构始发井焊接转台将两节DN4800钢管焊接成一根12m钢管,质量约2856t。在隧道中心轴线与钢管中心轴线完全重合的理想情况下,钢管与管片的间隙仅为280mm,在盾构曲线段的间隙还要小。在如此狭小的空间内完成大型钢管运输和安装的难度极大,在国内外的工程实践中并无先例可供借鉴。

③解决方案

为解决隧道内钢管运输和对接技术难题,采用“电瓶车+轨道+台车”运输方案。

隧道内轨道选用22kg轻轨,采用斜三角块的轨枕在管片上施作膨胀螺栓并焊接固定,轨道中心距为950mm,轨枕按1500mm间距铺设,每间隔6000mm采用8#槽钢进行水平固定,在轨道底浇筑混凝土平面,控制混凝土面与管片内壁最低点距离为120mm。台车在钢管内的行走轨道为11m长的整体式“活动轨道”,由轻轨、槽钢和枕木预制而成。自行设计研制的运输台车见图3,采用踏步式的方法跨入或跨出钢管。台车动力采用盾构施工时同型号的电瓶车,电瓶车通过连杆与台车固定连接,推动台车驮运钢管前行。参照火车轮内侧车轮毂的形式定制加工台车车轮组,保证在轨道上滑行方便,方向可控不脱轨。台车共有3组支撑臂,每一个支撑臂都配有一套独立的液压装置,用以调整各自高度,灵活地实现爬管踏步动作。在台车中部安装带液压油缸和转台轮组装置的龙门支撑架,一方面可顶升、支承钢管,并通过调整两组液压油缸的高度实现钢管安装时装配间隙的调节,另一方面可对钢管进行旋转微调,调整对接点位置和焊缝位置。台车两端焊接有槽钢架,用于悬挂手拉葫芦和活动轨道。

④运输和对接流程

a.通过龙门吊将始发井内12m长的钢管放置在隧道口轨道上,让台车前端接近钢管,利用手拉葫芦将“活动轨道”放置于钢管内。

b.提升臂一,使其慢慢爬入钢管内的“活动轨道”并落稳。提升臂二并前行,使其爬入“活动轨道”内,完成向上跨步动作。

c.提升臂一,电瓶车推动台车,臂二在钢管内活动轨道上往前移动。当臂一离开钢管前端而臂二尚未跨出钢管时,臂一先降至轨道上,臂二抬起,台车往前移动,完成向下踏步动作。

d.当钢管处于台车中间位置时,台车停止前行。提升台车上的龙门支撑架承托起整条内衬钢管,通过轮组装置对管身进行微调,尽可能使钢管与隧道的上、下间隙均等,台车和钢管在电瓶车推动下沿轨道前行,实现在隧道内的运输。

e.运输到达目的地后进行钢管对接。利用手拉葫芦将整体式活动轨道移入前一段已安装固定的钢管内,完成臂一和臂二的跨步动作后,先将待固定钢管节底部的轨道进行回收,然后通过龙门支撑架的转台轮组装置调节好在各个方向上的装配间隙,并用钢质楔块将钢管焊接固定,完成钢管的对接。

f.放下龙门支撑架,收起“活动轨道”,采用后踏步动作退出钢管,由电瓶车牵引回始发井进行下一段钢管的运输。

3.2管道焊接

①焊接施工

钢管焊接施工主要分为始发井转台上焊接和隧道内焊接。为减少隧道内焊接工作量,在始发井转台将两节钢管以“直口对直口”形式焊接,将内衬钢管焊缝总量的50%改为在隧洞外完成。观察注浆孔位置并转动钢管完成对接,然后采用埋弧自动焊,双面焊接成型,焊接作业主要为平焊,既改善了工作环境,又提高了焊接质量和速度。

隧道内钢管焊接施工采用焊条打底+CO2填充焊,由于空间受限,为单面焊接双面成型,多数为立焊和仰焊作业,施工质量控制难度大。

②质量控制

在焊接施工过程中,从以下6个方面采取措施确保焊接质量。a.正式焊接作业前开展生产性焊接试验,进行焊接工艺评定,确定内衬钢管焊接工艺和技术参数,并实行施焊许可制度。b.在始发井焊接转台上方搭建活动雨篷,防止上方露水或雨水滴落影响焊接质量。c.焊接过程中不得随意引弧或电弧擦伤。d.预热及后热温度应有明显的标识以便监理工程师检查,预热宽度焊缝两侧各大于3倍的板厚,且不小于100mm,贴角焊缝要预热。e.在焊接区设置上风口挡板以保证空气流速满足CO2保护焊的要求。f.始发井转台的焊缝采用X射线(RT)检测,隧道内环向焊缝采用100%超声波(UT)检测。根据原焊接方法及焊接工艺对不合格的焊缝实施返修处理,返修后的焊缝应修磨光顺,按照原检验要求进行复验,且返修次数不得超过2次。

3.3自密实混凝土浇筑

①自密实混凝土配合比的优化

自密实混凝土有高流动性、不离析、均匀性和稳定性等特点,浇筑时依靠其自重流动,无需振捣而达到密实。该工程内衬钢管与管片间的间隙小,采用C20低强度自密实混凝土进行浇筑,免除了常规混凝土浇筑的振捣。

针对自密实混凝土的特点,工程从以下5个方面优化其配合比,提高质量。a.降低水胶比,有利于混凝土的泵送施工。b.增加胶合材料的比例,提高混凝土的质量密度。c.调整石料级配,选用尺寸规格较低的片状瓜米石,以提高混凝土的和易性,确保其流动性、保水性和粘聚性。d.加大粉煤灰掺量,增强流动性。e.充分运用聚羧酸外加剂进行保坍。

②注浆孔和补充注浆孔的设置

内衬钢管注浆孔和补充注浆孔布置见图4。每24m钢管,在时钟3点和9(腰部)位置共布置4DN136注浆孔(25断面),在时钟12(顶部)位置布置3DN136注浆孔(235断面)3DN48的补充注浆孔(146断面)。补充注浆孔用于检查泵送混凝土密实度,同时兼作排气和补充注浆。

③采用快易收口网预制构件实行分仓

隧道内每安装固定24m钢管,在离管口200mm处的钢管外壁焊接快易收口网预制构件进行隔离分仓,主要作用包括3个方面:一是确保钢管安装、混凝土泵送两个工作面互不影响,提高施工效率。二是利用快易收口网的特殊结构免除了施工缝凿毛,有助于泵送混凝土施工的排气。三是分仓避免钢管管身各部位受浮力不均造成钢管失稳,提高了隧道的安全性能。

④分层浇筑

利用DN136注浆孔进行自密实混凝土浇筑,由于自密实混凝土浇筑产生的浮力较大,对每个仓分3层进行浇筑,分层注浆高度根据浮力和自重平衡计算确定。前一层初凝后(610h)再进行下一层注浆,相邻仓位的第一层注浆可与上一个分仓的第二层注浆同步进行。泵送混凝土过程中充分利用补充注浆孔,必要时及时进行二次注浆。

⑤控制措施

在自密度混凝土浇筑过程中,从5个方面采取措施保障施工质量。a.浇筑混凝土前,在补强板上抹油,防止补强板与混凝土粘结。b.在混凝土泵送前,用高强度等级砂浆进行试泵,以湿润和密封管壁,减少管壁对混凝土拌合物的阻力。c.泵送过程中,严格控制泵送压力,并加强钢管变位和抬动观测,防止管壁失稳和变形。d.分层泵送混凝土前,采用稍高于泵送压力的水(其压力不高于钢管抗外压的安全压力)挤开补强板与混凝土间的缝隙。e.为保证混凝土的泵送不影响钢管的安装,泵送混凝土的管节与对接、焊接的管节至少间隔错开两仓即48m以上为宜。

4结语

广州市西江引水工程中小塘立交段采用盾构法,盾构隧道结构采用厚度为300mm的预制钢筋混凝土管片,在盾构内径为5400mm的隧道二次衬砌DN4800的钢管,钢管承受内部水压,盾构管片承受外压,提高了管道的安全可靠性。该工法施工技术难度极大,在国内外可查阅资料中尚无先例可循,在工程实践中,成功攻克了大口径钢管在隧道内的运输、对接、焊接和自密实混凝土浇筑等技术难题,为今后其他同类工程积累了宝贵经验。

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