一种海底浅覆盖地层中顶管、设计方法及其安装方法与流程

1.本发明属于非开挖地下管道施工技术领域，尤其涉及一种海底浅覆盖地层中顶管、设计方法及其安装方法。


背景技术：

2.目前，随着顶管技术的日益成熟，顶管在城市管廊、给水、排水、石油、天然气、电力等能源输送以及污染治理等方面的应用越来越多，在顶管施工时不免会碰到要穿越江、河、湖、海等复杂情形；海底浅覆盖地层中顶管施工难度巨大，以前实施这样的顶管，成本耗费也比较高，后期维护成本也比较大，对施工技术要求也较高；顶管穿越海底浅覆土施工具有穿越路径较长、覆土较浅、水位受涨落潮影响较大的特点，其施工过程中所面临的抗浮技术问题一直困扰着地下非开挖顶管施工界，特别是以前所参照的地下顶管技术规范，严格要求顶管施工时，管顶覆盖层厚度不得小于1.5d，实际操作更加困难。有很多项目不得已在顶管轴线进行堆填筑岛进行压载，严重影响工程进度，无限地扩大了施工成本投入。究其原因，主要是一些施工单位的对技术规范的使用呆板，对水下浅覆盖层管道受力分析不清，不能根据实际情况进行具体分析计算和采取合理措施导致的后果。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术没有针对海底浅覆盖地层中顶管进行设计的方案；现有的顶管施工方法施工成本高，施工周期长，安全性不高；且现有规范缺少相应工法支持，具体操作中缺少了具体的指导作用。
4.解决以上问题及缺陷的难度为：涉水浅覆盖地层顶管的稳定条件模糊，不能事先知道水下浅覆盖地层中顶管是否安全和稳定；遇到浅覆盖地层顶管施工项目时，不知道采用何种算法确定顶管作业是否安全。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海底浅覆盖地层中顶管、设计方法及其安装方法。
6.本发明是这样实现的，一种海底浅覆盖地层中顶管设计方法，包括：
7.利用构建的计算模型基于获取的各种材质在水下浅覆盖层顶管施工中的稳定性和安全性计算确定在不能满足安全性要求时所需采取的配重压载措施及单位长度内所需配载重量级分布，得到水下浅覆盖地层中顶管设计结果。
8.进一步，所述海底浅覆盖地层中顶管设计方法包括以下步骤：
9.步骤一，获取顶管施工轴线水域的水文地质条件、海底地形地貌状况、风浪条件、周围暗礁排布情况、与保护构筑物或海堤之间的距离以及其他数据；
10.步骤二，基于获取的数据分析得到管道顶进所需受力、运动趋势以及其他参数，并绘制顶管轴线地质剖面图；基于水下管道顶进过程中所受外力分析结果，结合含水泥沙对物体的粘滞吸附状态构建计算模型；
11.步骤三，利用构建的计算模型基于分析得到的相关参数进行管道稳定性计算分
析，得到稳定性计算分析结果；基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定海底浅覆盖地层中顶管的设计方案。
12.进一步，所述利用构建的计算模型基于分析得到的相关参数进行管道稳定性计算分析包括：
13.利用所述计算模型确定相应参数条件下管道稳定所需的配重量，结合管道、机头的自身重量情况、水下的浮力情况。
14.进一步，所述基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定海底浅覆盖地层中顶管的设计方案包括：
15.基于顶管稳定性计算分析结果，确定顶管的整体设计方案；基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定顶管设计方案的具体参数。
16.进一步，所述基于顶管稳定性计算分析结果，确定顶管的整体设计方案包括：
17.若顶管到达浅覆盖层部位时，管道出现失稳的可能性较高时，则对进入对应区段的管道进行配重压载；
18.若穿越所述地层的管道稳定性较好时，则进行顶进速度的控制。
19.进一步，所述基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定顶管设计方案的具体参数包括：
20.基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，计算分析浅覆盖层位置管道所处水下土层所能提供的作用力，确定相关管节采取的配重措施的参数。
21.进一步，所述配重措施的参数包括：配重材料的规格、运送方式、摆布位置和安装时间。
22.本发明的另一目的在于提供一种基于所述海底浅覆盖地层中顶管设计方法确定的海底浅覆盖地层中顶管设计方案。
23.本发明的另一目的在于提供一种基于所述海底浅覆盖地层中顶管设计方案的海底浅覆盖地层中顶管安装方法，所述海底浅覆盖地层中顶管安装方法包括：
24.结合测量数据和顶管长度及相互间位置状况，在顶管机头即将到达浅覆盖层位置前，通过管道运输车，将配重物运抵预定位置，基于所述顶管设计方案进行配重物的布置。
25.进一步，所述海底浅覆盖地层中顶管安装方法包括以下步骤：
26.(1)根据施工水域情况，海底地层情况进行设备、人力部署，进行顶管机头、顶管操作方法、配重安装方法的准备和确定；
27.(2)进行顶管管材和液压推进装置的检查，以及管节和液压千斤顶的动力推进情况的检查，确定浅覆盖地层顶管时的顶进速度控制和与配重安装协调的方法；
28.(3)以不影响配重安装为原则进行顶进管道内的线缆、泥水管路布置规划；通过将预制管配合液压推进装置将顶管推入海底地层中；并进行配重物的安装；
29.(4)实时记录顶管期间的顶力、测控光靶上的偏差变化数据，并对所述数据进行异常分析，并调整、解决所述异常。
30.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
31.本发明融入了新的概念和解决问题的理念，将一些常规情况下所不可能进行的顶管作业，变成可以实现简单、可操作的顶管施工；本发明既解决了施工难题，又可以节约大量的成本，使很多涉及到堤防保护、构筑物保护的管道敷设项目，更加简单可行的项目；本
发明提供的方法能够快速、安全将预制管节通过液压顶推装置顶入海底浅覆盖地层中，极大地节省了其他措施所投入的成本；该方法施工用于各种复杂水域的顶管施工作业，更加方便快捷，减小了施工投入成本。
32.本发明降低了各种措施投入和工期损失，该工法用于各种复杂水域的顶管施工，可以实现安全、方便快捷的宗旨，具有减小施工成本投入的功效；本方法对涉水地下顶管施工技术的更新有着重大推动意义，也有很广泛的推广价值。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的海底浅覆盖地层中顶管设计方法流程图。
34.图2是本发明实施例提供的海底浅覆盖地层中顶管安装方法流程图。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海底浅覆盖地层中顶管设计方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
37.本发明实施例提供的海底浅覆盖地层中顶管设计方法包括：
38.利用构建的计算模型基于获取的各种材质在水下浅覆盖层顶管施工中的稳定性和安全性计算确定在不能满足安全性要求时所需采取的配重压载措施及单位长度内所需配载重量级分布，得到水下浅覆盖地层中顶管设计结果。
39.如图1所示，本发明实施例提供的海底浅覆盖地层中顶管设计方法包括以下步骤：
40.s101，获取顶管施工轴线水域的水文地质条件、海底地形地貌状况、风浪条件、周围暗礁排布情况、与保护构筑物或海堤之间的距离以及其他数据；
41.s102，基于获取的数据分析得到管道顶进所需受力、运动趋势以及其他参数，并绘制顶管轴线地质剖面图；基于水下管道顶进过程中所受外力分析结果，结合含水泥沙对物体的粘滞吸附状态构建计算模型；
42.s103，利用构建的计算模型基于分析得到的相关参数进行管道稳定性计算分析，得到稳定性计算分析结果；基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定海底浅覆盖地层中顶管的设计方案。
43.本发明实施例提供的利用构建的计算模型基于分析得到的相关参数进行管道稳定性计算分析包括：
44.利用所述计算模型确定相应参数条件下管道稳定所需的配重量，结合管道、机头的自身重量情况、水下的浮力情况。
45.本发明实施例提供的基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定海底浅覆盖地层中顶管的设计方案包括：
46.基于顶管稳定性计算分析结果，确定顶管的整体设计方案；基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定顶管设计方案的具体参数。
47.本发明实施例提供的基于顶管稳定性计算分析结果，确定顶管的整体设计方案包
括：
48.若顶管到达浅覆盖层部位时，管道出现失稳的可能性较高时，则对进入对应区段的管道进行配重压载；
49.若穿越所述地层的管道稳定性较好时，则进行顶进速度的控制。
50.本发明实施例提供的基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，确定顶管设计方案的具体参数包括：
51.基于顶管稳定性计算结合海底地层土质吸附性能力，计算分析浅覆盖层位置管道所处水下土层所能提供的作用力，确定相关管节采取的配重措施的参数。
52.本发明实施例提供的配重措施的参数包括：配重材料的规格、运送方式、摆布位置和安装时间。
53.本发明实施例提供的海底浅覆盖地层中顶管安装方法包括：
54.结合测量数据和顶管长度及相互间位置状况，在顶管机头即将到达浅覆盖层位置前，通过管道运输车，将配重物运抵预定位置，基于所述顶管设计方案进行配重物的布置。
55.如图2所示，本发明实施例提供的海底浅覆盖地层中顶管安装方法包括以下步骤：
56.s201，根据施工水域情况，海底地层情况进行设备、人力部署，进行顶管机头、顶管操作方法、配重安装方法的准备和确定；
57.s202，进行顶管管材和液压推进装置的检查，以及管节和液压千斤顶的动力推进情况的检查，确定浅覆盖地层顶管时的顶进速度控制和与配重安装协调的方法；
58.s203，以不影响配重安装为原则进行顶进管道内的线缆、泥水管路布置规划；通过将预制管配合液压推进装置将顶管推入海底地层中；并进行配重物的安装；
59.s204，实时记录顶管期间的顶力、测控光靶上的偏差变化数据，并对所述数据进行异常分析，并调整、解决所述异常。
60.下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
61.实施例1：
62.海底浅覆盖地层中顶管设计方法为：
63.实地勘测，记录顶管施工轴线水域水文地质条件、海底地形地貌状况、风浪条件、周围暗礁排布情况、与保护构筑物或海堤之间的距离等；分析和绘制顶管轴线地质剖面图，针对顶管穿越地质状况和各种力学性能，分析出管道顶进所需受力及运动趋势，包括可能出现的抬头、漂浮等现象；
64.建立计算模型，通过本发明所提供的算法，将相关参数输入计算模型中，得出管道的稳定性分析结果；根据计算和分析的结果，若发现顶管到达浅覆盖层部位时，管道出现失稳的可能性较高时，则必须对进入该区段的管道进行配重压载；若能够保证穿越该地层管道的稳定时，则可以通过控制顶进速度来保证顶管作业的安全；
65.通过顶管稳定性计算，结合海底地层土质吸附性能力，计算分析浅覆盖层位置管道所处水下土层所能提供的作用力情况；
66.进一步计算相关管节所需采取的配重措施的具体分配，便于顶管施工时的具体安排，包括配重材料的规格、运送方式、摆布位置和安装时间等。
67.海底浅覆盖地层中顶管设计方法可以通过计算模型和计算小软件，事先获得各种材质在水下浅覆盖层顶管施工中的稳定性和安全性，通过计算确定在不能满足安全性要求
时，所需采取配重压载措施及单位长度内所需配载重量级分布，只要有一定顶管施工经验和设计经验的技术人员，都可以通过运营本发明，掌握水下浅覆盖地层中顶管控制的操作方法。
68.海底浅覆盖地层中顶管安装方法为：
69.顶管前准备工作，根据施工水域情况，海底地层情况进行设备、人力部署；根据施工安全需要，进行顶管机头、顶管操作方法、配重安装方法的准备和制定，确保顶管作业的绝对安全；
70.顶管管材和液压推进装置检查，进一步检查管节和液压千斤顶的动力推进情况，制定浅覆盖地层顶管时的顶进速度控制和与配重安装协调的方法；
71.做好配重材料、规格、数量的确定及运输工具的准备等工作，对施工操作人员进行全面的技术交底或培训，在全部准备工作完成后方可进行顶进施工；为了便于后期的配重安装作业顺利，在进行顶进管道内的线缆、泥水管路布置时，要依照不影响配重安装为原则进行规划；
72.通过将预制管配合液压推进装置将顶管推入海底地层中，即利用泥浆悬浮液对顶管机头刀盘切削的泥沙进行抽排，为机头前端创造管道推进的通道，当机头进入浅覆盖地层后，即可安排配重的转运和安装；
73.配重物安装时，注意对顶管作业所使用的管路和线缆的保护，且每个安装点的配重物必须要能够满足管道抗浮的要求；顶管负责人要对安装过程即使进行检查，同时，对顶管期间的顶力、测控光靶上的偏差变化要定时记录，发现异常要及时查找原因，并报告工程师制定相对应的解决措施，直至顶管完成；
74.单段顶管结束后，要让管道至少有一段不少于24h的静置时间，使管道与周围泥沙有足够的接触，并给管道提供足够的粘滞力，保证管道在水下的稳定和安全。
75.海底浅覆盖地层中顶管安装方法结合测量数据和顶管长度及相互间位置状况，在顶管机头即将到达浅覆盖层位置前，通过管道运输车，将配重钢筋运抵预定位置，对照前期计算验算结果，在规定的位置放置不少于计算结果的钢筋或其他配重，以防止顶管机头或管道上台或浮起。
76.实施例2：
77.通过对施工水域的地形、地貌和水文地质的调查，以及被保护的建、构筑物等对象保护等级、要求的了解，确定顶管设计的路由和埋深，由于有可能取排水管线很长，不可能全线采用顶管施工，为避免在进行顶管机头开挖拆除时，不会对被保护对象的破坏，很多的顶管作业无法满足管顶覆盖层不小于3m或大于1.5d的要求，因此，为了确保水下顶管作业期间的人员、设备安全，本发明根据水下管道顶进过程中所受外力的分析，结合自然界中的一些含水泥沙对物体的粘滞吸附现象，建立了一种新的计算模型和分析方法，通过模拟实验，确定了一种配重压载的方法，通过对局部关节进行压载，可以实现水下浅覆盖地层下安全顶管。上述方法，先后在2008年和2019年的境外项目中反复使用和验证，完全可以摆脱现有规范的束缚，采用较小的管内压载技术，即可实现水下浅覆盖地层中安全顶管的施工作业，可以为类似工程节约大量的投资成本和措施成本，让一些因担心这样的地层中顶管安全无法保证的观点彻底改变，使地下顶管这一成熟技术在这样的地层中得到更多的应用。
78.通过新的计算模型和方法，来准确分析和判定在水下浅覆盖地层中顶管的稳定性
和管道的受力状态及风险因子，对不满足安全条件的顶管施工，采取管内压载的方法，彻底解决管道上浮的困扰。具体操作方法是：通过计算，确定上述地质条件下管道稳定所需的配重量，结合管道、机头的自身重量情况、水下的浮力情况，来合理分配压载配重的位置，降低管道上浮的风险。管内压载配重可以选择体积小、重量大、便于搬移和吊装的钢材等，通过特制的管内运输小车，将配重物分别运送到指定的安装位置，给需要压载的管段提供足够的重量来抵抗其上升浮力，保证顶管施工期间内顶管操作人员及设备的安全。
79.实施例3：
80.本发明首次运用是在2008年的马来西亚民嘟鲁209e电厂取水管道顶管(2根dn1700钢管)施工中，采用本发明的计算方法进行配重布置，计算过程中，考虑了管道穿越地层的质地、吸附力，在仍不能满足的情况下，需要在外侧覆土厚度小于1.0m、长度300m范围进行压载配重方可保证管道顶进过程的稳定和安全。在实际顶管施工过程中，前面根据计算得出的压载数值，从顶管机头后5m位置开始压载，保证了两根管道的顶进长度均达到了预先设定的425m位置(原设计顶管长度130m)，且在顶进过程中未出现管道上浮、失控等现象，安全和质量全部满足质量控制要求，为水下管道的顺利投入运行创造了良好的条件。
81.第二次运用该发明是在2018年的马来西亚凯德隆电厂1、2期循环水系统取水泵房3根dn2400(外径2880)rccp顶管施工中，原设计图纸设计的顶管长度为110m，管道前端在海堤坡脚附近沙滩位置，覆土厚度6m左右。如果按照该设计进行顶管施工时，与海上取水管道连接点位置处在潮差带附近，取机头的开挖施工和与埋管段连接施工时，受到海潮影响根本无法实施，除非另外增加围堰挡潮挡浪，对整个项目的节点工期影响较大(墨菲公司类似的管道接头处理时间大约14个月)。在进行论证的时候本发明首先提出的延长顶管长度，但设计以及很多国内顶管施工队伍的一些专家都以不能满足顶管设计规范、计算无法保证管道稳定等为理由拒绝接受，在此情况下，本发明再次拿出计算模型和计算数据，结合2008年的海底浅覆盖层顶管施工经验，说服相关单位和部门，初步确定顶管长度由原来的110m更改为320m(此处覆盖层厚度最小值0.4m)，在顶管施工过程中，通过配合控制顶管期间的顶进速度和对机头管适当的配重压载，3根取水管道的进水管顶管全部安全顺利地顶进到位。
82.后续利用本发明对dn3600排水管道(od4220mmrccp管道)的浅覆盖层顶管安全及稳定性进行演算，在顶进长度从110m调整到330m时，管顶最小覆土厚度为0.2m的情况下，经过对外端100m范围管节进行压载配重后，也顺利顶进到位。为整个项目争取了约10个月的施工工期，节约成本约数千万元。
83.本发明经过多次的实际施工运用，安全性、可靠性、合理性都得到了较好的验证，既能事先通过模型计算，了解水下浅覆盖层顶管管道的稳定性、安全性，又能克服和解决近岸潮差带风浪对施工的影响，同时，通过数据说话，让平时认为无法实现事先控制变为切实可行，对加快施工项目的建设速度、节约施工投入创造了先决条件。
84.海底顶管施工难度和安全风险和隐患较大，现有的施工规范要求的覆土层厚较大(h≥1.5d)，很难满足现实的江河湖堤外侧护堤安全防护要求(大堤外侧禁止大深度开挖)，很多项目都是在顶管轴线范围进行堆载压重进行满足规范的覆土层要求，这和顶管的设计计算方法及参数的选择有很大关系，本发明是通过使用新的计算方法和理念，在顶管过程中使用少量的抗浮配重，即可保证顶管作业过程的安全及顺利，本发明运用在了覆盖层只有0.2-1.0m厚的水下(2根dn1700钢管顶进、3根dn2400(2880)砼管顶进、1根dn3600(4240)
砼管顶进)顶管施工项目中(覆盖层只有0.1d不到的厚度)，未出现任何一起安全事故及隐患苗头，管道的实际稳定性与计算结果完全相符，降低了以前的各种措施投入和工期损失的投入，本发明用于各种复杂水域的顶管施工，可以实现安全、方便快捷的宗旨，具有减小施工成本投入的功效。对涉水地下顶管施工技术的更新有着重大推动意义，也有很广泛的推广价值。
85.本发明在经过马来西亚民嘟噜电厂209e扩建循环水泵房、凯德隆电厂1、2期的循环水泵房引水管道(dn1700、dn2400)及排水管道(dn3600)海堤段、墨菲公司天然气管道保护段的顶进施工中等到了反复验证和使用，均实现了安全、高效的目标，以很小的配重压载投入，即保证了前后5根直径不同的钢管、rccp管道的顶进施工的安全。本发明是经过多次验证后进行申报，具有积极推广的价值。
86.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
87.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。