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顶管穿越技术研究与应用
顶管穿越技术研究与应用
摘要:油气田地面建设顶管穿越过程中,鉴于以往施工中事先不进行顶力计算,出现中途顶力不够另换千斤顶或采用边掏边顶的探挖情况发生,给日后原有道路及障碍物的安全运行带来隐患,因此真正意义上的顶管穿越起到非常重要的作用。
关键词:顶力计算 后座墙强度计算 套管强度复合 刃脚设计 纠偏 操作程序
1 施工方法选用
由于长输管道、集输管道线路长,经常遇到穿越公路、铁路、地下障碍物等,为对原有设施进行保护,避免遭到破坏及影响交通,经常采用穿越施工方法,与定向钻穿越相比由于顶管穿越需要设备简单,投资少,方便操作,效率高,可很好的完成短距离穿越施工,为保证顶管质量,一套完成的顶管穿越施工技术显得非常重要。
2 工程概况
以京沈高速穿越为例,京沈高速K412+900m处顶管长度为86m。该处高速公路路面比自然地面高3.48m,管顶至高速公路中间路面4.31m,地勘报告显示地基土层由上至下为,第一层黄褐色,以冲积土为主,层底埋深1.20~1.30m。第二层粘土含碎石,黄褐色,呈碎块状,层底埋深5.00~5.50m。穿越位于第一层与第二层中间,套管以下1m无地下水。穿越套管为DRC1500×2000 QⅡAJC/T640钢筋混凝土套管。穿越过程中道路正常通车运行,要求精度高,质量高。
3 顶管的顶力计算
3.1 顶管顶力理论计算
顶力应大于工具的迎面阻力、周围土压力对管道产生的阻力以及管道自重与土层产生阻力之和。
P≥(P1+P2)L+PF
式中:P――计算的总顶力;
P1――顶进时,管道单位长度周围土压力对管道产生的阻力;
P2――顶进时,管道单位长度的自重与其周围土层之间产生的阻力;
PF――顶进时,工具管的迎面阻力;
L――管道的顶进长度;
P1分为管顶上垂直土压力和管侧的侧土压力,考虑顶管施工作业中的安全,增加安全系数,因此上述公式替换为:
P=KfYD[2H+(2H+D)tg2(45°-Ф/2)+ω/YD]L+Af0
K――安全系数,一般取1.2;
f――顶进时,管壁与周围土层之间摩擦系数,根据土质报告及套管取0.3;
D――管道外径(m);
H――管道顶部以上覆盖土??的厚度(m);
Y――管道所处土层的重力密度(KN/m3);
Ф――管道所处土层的内摩擦角(度),根据土质报告取25度;
ω――管道单位长度的自重(KN/m);
L――顶进管段长度(m);
A――管端截面积;
f0――土壤单位阻力,有刃脚挤压取500KN/m2。
P=1.2×0.3×4.31×1.8×[2×4.31+(2×4.31+1.8)tg2(45°-25/2)+1.9/1.88×9.8]×86+0.1708×500
=3483KN。
3.2 顶管顶力的经验计算
F=nGL=2×1.9×86=326.8t
n――土质系数,根据土质情况本处取2;
G――管节单长重量;
L――顶进管段长。
理论计算顶力值348.3t大于经验计算值326.8t,但由于在顶管期间可能出现特殊情况,施工操作因素等。计算结果偏大,按照理论计算选择液压千斤顶可以保证安全操作。
3.3 管道允许顶力
[F]=(σc?A/1000S)η=(40×100×3.14×1.5×0.15
/2.5)×0.7=791.28t348.3t,强度满足要求。
σc――管体抗压强度(MPa);
A――加压面积(m2);
S――安全率,采用2.5~3.0;
η――接触系数,全园无垫层加压取0.7。
4 靠座墙强度计算
R=αB(YH2KP/2+2ChKP1/2+YHhKP)
R――总推力之反力(一般大于推力的1.2-1.6);
a――系数(取1.5-2.5之间),此处取2.0;
B――后座墙的宽度(M)此处取4m;
Y――土的容重(KN/m3)依据勘查报告1.88;
H――后座墙的高度(m),此处取2m,(发送坑基槽开挖深度为4.31-3.48+1.8+0.5=3.13m);
Kp――被动土压系数tg2(45°+Ф/2);
C――土的内聚力(kPa) 一般情况下取10;
h――地面到后座墙顶部土体的高度(m),此处取0.6米;
R=2×4×[1.88×2×9.8×2×tg2(45°+25°/2)/2+2×10×0.6×tg(45°+25°/2)+1.88×2×0.6×tg2(45°+25/2)]=921.44t=2.6F总顶力。
5 刃脚加工制作
为减小工作管的迎面阻力,使
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