CN106640107A - 无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装及其施工方法，在顶管工井内设置泡沫土填仓进洞区，结合预留可切削体的围护结构、并内设双环箍止水、洞口液氮环进行保障；采用逐片连接钢板封闭井接头等一系列辅助措施，可实现顶管的安全进洞。本发明完全避免了常规顶管进洞加固方式所需的管线搬迁和道路占用，同时避免了相应区域土壤生态条件的破坏，绿色环保，尤其适合地下管线密集、地面交通繁忙的城市中心城区以及具有严格生态保护要求的绿化区。
Description
技术领域
本发明涉及地下通道工程建设技术领域，特别涉及一种无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装及其施工方法。
背景技术
近年来，随着城市开发建设的快速发展，在经济发达、交通繁忙的大、中型城市，为了完善区域性的交通功能和人性化的出行需求，诸如人行过街通道、地铁换乘通道、地下车库连通道、商业体地下连廊等各类型的地下通道工程建设正如火如荼地进行中。由于此类地下通道拟建场地一般处于中心城区，若采用明挖法修建，往往需要长期占用道路，管线和绿化搬迁量大，建筑拆迁量多，施工期间将对周围环境、交通等产生负面影响，引发建设与环境、交通、社会的矛盾，因此采用顶管法施工逐渐成为主流实施手段。
根据顶管法施工的工艺要求，虽然顶管段自身无需开挖地面，但仍需要在顶管段两端设置有基坑明挖、结构现浇的顶管工作井，且为满足顶管进出洞安全，常规条件下均须采用冰冻法或水泥系加固法或两者结合的复合冷冻法进行进出洞加固。其中，冰冻法不仅代价高昂，且冻融作用下，土体会发生较大隆沉变化，容易对相邻管线造成安全隐患；水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等水泥系加固一般为地面向下施工，施工期间需要占据地面道路，并对加固区内管线进行搬迁；同时两者均对原状土壤的生态条件完全破坏，都无法应用于施工期也须维持植物生存条件的绿化保护区(如古树名木区域)，因此，应用上都存在较大的局限性。
本领域技术人员致力于开发一种可应用在由顶管法实施的地下通道中的，无需额外占用地面、不影响地下管线、不改变土层生态环境，同时又安全可靠的进洞加固施工方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装及其施工方法，实现的目的之一是完全避免了常规顶管进洞加固方式所需的管线搬迁和道路占用，同时避免了相应区域土壤生态条件的破坏，绿色环保，尤其适合地下管线密集、地面交通繁忙的城市中心城区以及具有严格生态保护要求的绿化区。
为实现上述目的，本发明提供了无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装，包括围护结构、顶管，所述围护结构内设有工井，所述工井包括顶管工井侧墙、顶管工井底板。
其中，所述工井内上方开设有顶管吊装孔，所述顶管吊装孔下面由所述顶管工井侧墙、所述顶管工井底板围成的区域为泡沫土填仓区域，所述泡沫土填仓区域填有泡沫土，所述工井侧墙设有顶管进洞，所述围护结构对应所述顶管进洞位置设有可切削体。
所述顶管与顶管机连接，所述顶管籍由所述顶管机破开所述可切削体，从所述顶管进洞进入所述工井内。
所述顶管机包括顶管机机壳，所述顶管机机壳内设有顶管机机头，所述顶管机前进的一端设有刀盘，另一端连接所述顶管。
所述顶管与所述顶管机连接的一端端部的外侧壁设有预埋钢板。
优选的，所述顶管进洞设有预埋进洞钢环，所述预埋进洞钢环内设有液氮环管路，所述液氮环管路呈环形，沿所述预埋进洞钢环的内表面环绕一周。
无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，步骤如下：
a.根据开挖深度、地质条件、周边环境建造所述工井的所述围护结构，在所述围护结构对应所述顶管进洞的位置设置所述可切削体；
b.按常规做法完成所述工井的基坑开挖及主体结构回筑，所述顶管进洞设置所述预埋进洞钢环，所述预埋进洞钢环内径空尺寸比后期从所述工井侧面顶入的所述顶管的外壁大；
c.设置液氮环管路，在所述预埋进洞钢环内靠近所述围护结构的位置，绕所述预埋进洞钢环内壁设置液氮环管路；
d.向所述泡沫土填仓区域填充所述泡沫土；
e.操作所述顶管机从所述工井外侧向内掘进，切削通过所述围护结构的所述可切削体，经所述顶管进洞，进入所述泡沫土填仓区域，并继续切削进入所述工井内；
f.当所述顶管机机头全部进入所述工井，到达预定位置后，在所述顶管与所述预埋进洞钢环和/或所述顶管与所述围护结构之间的间隙内，填注发泡聚氨酯，形成双环箍止水；
g.逐片焊接连接钢板封闭井接头，在所述工井内，所述顶管进洞侧，以人工破除方式分步破除已经硬化的所述泡沫土，籍由所述连接钢板将所述预埋进洞钢环与所述预埋钢板焊接封闭；
h.清除填仓区内剩余泡沫土并回收所述顶管机；
i.在所述顶管与所述预埋进洞钢环接口处采用钢筋混凝土现浇一圈环梁，在所述预埋进洞钢环、所述连接钢板和所述预埋钢板形成环形缝隙内注入填充混凝土，形成永久井接头，彻底封闭接缝的渗漏通道。
优选的，所述围护结构采用的是地下连续墙、钻孔灌注桩或钻孔咬合桩制成，在对应所述顶管进洞的相应位置，采用玻璃纤维筋代替常规普通钢筋。
优选的，所述围护结构采用型钢水泥土搅拌墙，在顶管进洞施工前，需要拔出H型钢。
优选的，所述预埋进洞钢环内径空尺寸比后期从井外顶入的所述顶管外壁大250mm。
优选的，在所述步骤d中，在填充所述泡沫土之前，在所述泡沫土填仓区域内，远离所述顶管进洞的位置设置一个钢制密封箱体，用于减少所述泡沫土填仓区域内的容积。
优选的，所述泡沫土干密度为600～800kg/m3、抗压强度5～10MPa。
优选的，在所述步骤f中，当所述顶管的轴线偏差过大或所在地层为承压水层时而存在止水困难的风险时，开启所述液氮环管路对所述预埋进洞钢环和所述围护结构之间的间隙迅速局部冷冻。
优选的，在步骤g中，以人工破除方式分步破除已经硬化的所述泡沫土，形成不小于1m宽的沟槽，在所述沟槽内，沿所述所述预埋进洞钢环从上向下、左右交替的方式用若干块所述连接钢板将所述预埋进洞钢环与所述预埋钢板焊接封闭。
本发明的有益效果：
本发明在顶管工井内设置泡沫土填仓进洞区，结合预留可切削体的围护结构、并内设双环箍止水、洞口液氮环进行保障；采用逐片连接钢板封闭井接头等一系列辅助措施，可实现顶管的安全进洞。
本发明完全避免了常规顶管进洞加固方式所需的管线搬迁和道路占用，同时避免了相应区域土壤生态条件的破坏，绿色环保，尤其适合地下管线密集、地面交通繁忙的城市中心城区以及具有严格生态保护要求的绿化区。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出的是本发明一实施例中工井部分的结构示意图。
图2示出的是本发明一实施例中顶管机进入工井的状态示意图。
图3示出的是本发明一实施例中顶管到达预定位置的结构示意图。
图4示出的是本发明图3中A处局部放大示意图。
图5示出的是本发明图3中B处局部放大示意图。
图6示出的是本发明一实施例中设置沟槽并焊接连接钢板的示意图。
图7示出的是本发明一实施例中顶管横截面为矩形时，其端部设置连接钢板的结构示意图。
图8示出的是本发明一实施例中顶管横截面为圆形时，其端部设置连接钢板的结构示意图。
图9示出的是本发明一实施例中顶管安装完成的结构示意图。
图10示出的是本发明图9中C处局部放大示意图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装，包括围护结构1、顶管4，围护结构1内设有工井2，工井2包括顶管工井侧墙21、顶管工井底板22。
其中，工井2内上方开设有顶管吊装孔23，顶管吊装孔23下面由顶管工井侧墙21、顶管工井底板22围成的区域为泡沫土填仓区域3，泡沫土填仓区域3填有泡沫土9，工井侧墙21设有顶管进洞24，围护结构1对应顶管进洞24位置设有可切削体11。
如图2所示，顶管4与顶管机5连接，顶管4籍由顶管机5破开可切削体11，从顶管进洞24进入工井2内。
顶管机5包括顶管机机壳51，顶管机机壳51内设有顶管机机头52，顶管机5前进的一端设有刀盘53，另一端连接顶管4。
顶管4与顶管机5连接的一端端部的外侧壁设有预埋钢板41。
如图3至图5所示，在某些实施例中，顶管进洞24设有预埋进洞钢环25，预埋进洞钢环25内设有液氮环管路26，液氮环管路26呈环形，沿预埋进洞钢环25的内表面环绕一周。
无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，步骤如下：
a.如图1所示，根据开挖深度、地质条件、周边环境建造工井2的围护结构1，在围护结构1对应顶管进洞24的位置设置可切削体11；
工井2基坑的围护结构1一般根据开挖深度、地质条件、周边环境等因素，选择地下连续墙、钻孔灌注桩、钻孔咬合桩或型钢水泥土搅拌墙TRD或SMW工法桩。但采用本施工方法时，工井2在顶管进洞24侧围护结构1必须预留好能使顶管机直接通过的条件，从而避免以人工凿除的方式破除洞门。
b.如图2所示，按常规做法完成工井2的基坑开挖及主体结构回筑，顶管进洞24设置预埋进洞钢环25，预埋进洞钢环25内径空尺寸比后期从工井2侧面顶入的顶管4的外壁大；
c.如图3至图5所示，设置液氮环管路26，在预埋进洞钢环25内靠近围护结构1的位置，绕预埋进洞钢环25内壁设置液氮环管路26；
d.如图2所示，向泡沫土填仓区域3填充泡沫土9；
在工井2中接收顶管4将要到达的空间内，以泡沫土9填筑，待泡沫土硬化形成强度后，整个空间内成为无空腔实体，如图2所示。
其中，泡沫土也称为泡沫水泥轻质土，是可进行现场浇筑或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型建筑材料，正在各类工程领域被广泛使用。
e.操作顶管机5从工井2外侧向内掘进，切削通过围护结构1的可切削体
11，经顶管进洞24，进入泡沫土填仓区域3，并继续切削进入工井2内；
顶管机5从工井2外侧向内掘进，切削通过围护结构1，进入预埋钢环25内的泡沫土填仓区域3，并继续切削进入工井2内，此时顶管机机壳51被尚未切削的泡沫土9实体所紧密包裹，顶管机5的工作状态与位于硬塑状态的土层中类似。
f.当顶管机机头52全部进入工井2，到达预定位置后，在顶管4与预埋进洞钢环25和/或顶管4与围护结构1之间的间隙内，填注发泡聚氨酯，形成双环箍止水42；
顶管机头全52部入工井2，且完全脱出端部位于预埋进洞钢环25内侧时，通过预留注浆孔分别在预埋进洞钢环25和围护结构1宽度范围内，填注发泡聚氨酯，形成双环箍止水42。
g.如图6至图8所示，逐片焊接连接钢板7封闭井接头，在工井2内，顶管进洞24侧，以人工破除方式分步破除已经硬化的泡沫土9，籍由连接钢板7将预埋进洞钢环25与预埋钢板41焊接封闭；
在工井2内，以人工破除方式分步破除制作井接头所需清理的泡沫土9，形成不小于1m宽的沟槽。
该沟槽施工过程中，每完成一个施工段，就立即对应用10mm厚的连接钢板41将预埋进洞钢环25与管节端部外包预埋钢板41之间焊接封闭。
h.清除填仓区内剩余泡沫土9并回收顶管机5；
由于所采用的泡沫土9重量小、强度低且质地疏松，破碎清理施工较为方便。待钢筋混凝土井接头达到设计强度后，对泡沫土填仓区域3内剩余泡沫土9予以人工破碎清除，重新暴露出顶管机机头52后予以无损回收。
泡沫土9完全清除后，工井2可交付使用并不影响后期建筑功能。
i.如图9和图10所示，在顶管4与预埋进洞钢环25接口处采用钢筋混凝土现浇一圈环梁8，在预埋进洞钢环25、连接钢板7和预埋钢板41形成环形缝隙内注入填充混凝土81，形成永久井接头，彻底封闭接缝的渗漏通道。
在顶管4与预埋进洞钢环25接口处采用钢筋混凝土现浇一圈环梁8，形成永久井接头，彻底封闭接缝的渗漏通道，同时满足结构耐久性要求，此时施工全部完成，
其中，环梁为8凸出工作井进洞侧端墙的结构物，宽度400mm，高度为进洞钢环内壁外放250mm至顶管内壁范围。
在某些实施例中，围护结构1采用的是地下连续墙、钻孔灌注桩或钻孔咬合桩制成，在对应顶管进洞24的相应位置，采用玻璃纤维筋代替常规普通钢筋。
在某些实施例中，围护结构1采用型钢水泥土搅拌墙，在顶管进洞24施工前，需要拔出H型钢。
在某些实施例中，预埋进洞钢环25内径空尺寸比后期从井外顶入的顶管4外壁大250mm。
在某些实施例中，在步骤d中，在填充泡沫土9之前，在泡沫土填仓区域3内，远离顶管进洞24的位置设置一个钢制密封箱体，用于减少泡沫土填仓区域3内的容积。
当空间内容积过大时，为减少填筑量，也可先定制一个钢制密封箱体放置于接收层内，则仅需填筑该钢制密封箱内空间。
在某些实施例中，泡沫土9干密度为600～800kg/m3、抗压强度5～10MPa。
在某些实施例中，在步骤f中，当顶管4的轴线偏差过大或所在地层为承压水层时而存在止水困难的风险时，开启液氮环管路26对预埋进洞钢环25和围护结构1之间的间隙迅速局部冷冻。
在某些实施例中，在步骤g中，以人工破除方式分步破除已经硬化的泡沫土9，形成不小于1m宽的沟槽10，在沟槽10内，沿预埋进洞钢环25从上向下、左右交替的方式用若干块连接钢板7将预埋进洞钢环25与预埋钢板41焊接封闭。
如图7和8所示，连接钢板7的大小应结合顶管通道的整体断面形状、施工风险、构件加工便利性等因素综合确定，一般可控制每块投影长度约1m。以内净尺寸6*3.3m的矩形顶管为例，共可分为22块，其中，上、下边各6块，左、右边各5块，详见附图7；以内径5.6m的圆形顶管为例，共可分为18块，中心对称布置，详见附图8。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装，包括围护结构(1)、顶管(4)，所述围护结构(1)内设有工井(2)，所述工井(2)包括顶管工井侧墙(21)、顶管工井底板(22)，其特征在于：所述工井(2)内上方开设有顶管吊装孔(23)，所述顶管吊装孔(23)下面由所述顶管工井侧墙(21)、所述顶管工井底板(22)围成的区域为泡沫土填仓区域(3)，所述泡沫土填仓区域(3)填有泡沫土(9)，所述工井侧墙(21)设有顶管进洞(24)，所述围护结构(1)对应所述顶管进洞(24)位置设有可切削体(11)；所述顶管(4)与顶管机(5)连接，所述顶管(4)籍由所述顶管机(5)破开所述可切削体(11)，从所述顶管进洞(24)进入所述工井(2)内；所述顶管机(5)包括顶管机机壳(51)，所述顶管机机壳(51)内设有顶管机机头(52)，所述顶管机(5)前进的一端设有刀盘(53)，另一端连接所述顶管(4)；所述顶管(4)与所述顶管机(5)连接的一端端部的外侧壁设有预埋钢板(41)。
2.根据权利要求1所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装，其特征在于，所述顶管进洞(24)设有预埋进洞钢环(25)，所述预埋进洞钢环(25)内设有液氮环管路(26)，所述液氮环管路(26)呈环形，沿所述预埋进洞钢环(25)的内表面环绕一周。
3.根据权利要求2所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，步骤如下：
a.根据开挖深度、地质条件、周边环境建造所述工井(2)的所述围护结构(1)，在所述围护结构(1)对应所述顶管进洞(24)的位置设置所述可切削体(11)；
b.按常规做法完成所述工井(2)的基坑开挖及主体结构回筑，所述顶管进洞(24)设置所述预埋进洞钢环(25)，所述预埋进洞钢环(25)内径空尺寸比后期从所述工井(2)侧面顶入的所述顶管(4)的外壁大；
c.设置液氮环管路(26)，在所述预埋进洞钢环(25)内靠近所述围护结构(1)的位置，绕所述预埋进洞钢环(25)内壁设置液氮环管路(26)；
d.向所述泡沫土填仓区域(3)填充所述泡沫土(9)；
e.操作所述顶管机(5)从所述工井(2)外侧向内掘进，切削通过所述围护结构(1)的所述可切削体(11)，经所述顶管进洞(24)，进入所述泡沫土填仓区域(3)，并继续切削进入所述工井(2)内；
f.当所述顶管机机头(52)全部进入所述工井(2)，到达预定位置后，在所述顶管(4)与所述预埋进洞钢环(25)和/或所述顶管(4)与所述围护结构(1)之间的间隙内，填注发泡聚氨酯，形成双环箍止水(42)；
g.逐片焊接连接钢板(7)封闭井接头，在所述工井(2)内，所述顶管进洞(24)侧，以人工破除方式分步破除已经硬化的所述泡沫土(9)，籍由所述连接钢板(7)将所述预埋进洞钢环(25)与所述预埋钢板(41)焊接封闭；
h.清除填仓区内剩余泡沫土(9)并回收所述顶管机(5)；
i.在所述顶管(4)与所述预埋进洞钢环(25)接口处采用钢筋混凝土现浇一圈环梁(8)，在所述预埋进洞钢环(25)、所述连接钢板(7)和所述预埋钢板(41)形成环形缝隙内注入填充混凝土(81)，形成永久井接头，彻底封闭接缝的渗漏通道。
4.根据权利要求3所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，其特征在于，所述围护结构(1)采用的是地下连续墙、钻孔灌注桩或钻孔咬合桩制成，在对应所述顶管进洞(24)的相应位置，采用玻璃纤维筋代替常规普通钢筋。
5.根据权利要求3所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，其特征在于，所述围护结构(1)采用型钢水泥土搅拌墙，在顶管进洞(24)施工前，需要拔出H型钢。
6.根据权利要求3所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，其特征在于，所述预埋进洞钢环(25)内径空尺寸比后期从井外顶入的所述顶管(4)外壁大250mm。
7.根据权利要求3所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，其特征在于，在所述步骤d中，在填充所述泡沫土(9)之前，在所述泡沫土填仓区域(3)内，远离所述顶管进洞(24)的位置设置一个钢制密封箱体，用于减少所述泡沫土填仓区域(3)内的容积。
8.根据权利要求3所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，其特征在于，所述泡沫土(9)干密度为600～800kg/m3、抗压强度5～10MPa。
9.根据权利要求3所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，其特征在于，在所述步骤f中，当所述顶管(4)的轴线偏差过大或所在地层为承压水层时而存在止水困难的风险时，开启所述液氮环管路(26)对所述预埋进洞钢环(25)和所述围护结构(1)之间的间隙迅速局部冷冻。
10.根据权利要求3所述的无需坑外地基加固的泡沫土中顶管进洞工装的施工方法，其特征在于，在步骤g中，以人工破除方式分步破除已经硬化的所述泡沫土(9)，形成不小于1m宽的沟槽(10)，在所述沟槽(10)内，沿所述所述预埋进洞钢环(25)从上向下、左右交替的方式用若干块所述连接钢板(7)将所述预埋进洞钢环(25)与所述预埋钢板(41)焊接封闭。
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