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大口径顶管的制造工艺及质量控制措施
时间：2014-12-16|阅读：次
顶管施工是一种非开挖铺设地下管道的施工方法，借助于主顶油缸及管道中缝间的推力，把钢筋混凝土排水管（简称顶管）一节一节地顶入需要的地方。特别是在不能开槽施工的环境下，地管线须穿越运行的铁路、公路、城市主干道等，顶管施工成为一种重要的施工手段。顶管作为一种比较特殊的管材，必须能承受几千KN至上万KN预定的纵向推力，混凝土的抗压强度也必须达到C50以上，才能满足顶管施工的需要。因此混凝土顶管质量的优劣，直接关系顶管的施工质量。
国家重点工程西气东输气源地克拉2气田至轮南首站输气管道工程，沿线穿越沙漠公路、314国道、218省道、南疆铁路等20多处交通干道，设计采用顶管施工，铺设直径1080mm的输气钢管。设计要求顶管为内径1800mm、壁厚180mm、每段长度1500mm的钢筋混凝土管，总长454.5m。其产品质量必须达到《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009中）Ⅱ级的力学性能，外观质量达到优等品的要求。新疆水利水电建设工程局接受此项任务后，根据以前生产内径为1500mm钢筋混凝土管的经验，对一些关键工序的工艺做了一定的调整，成功地生产出了内径为1800mm的大口径顶管，并且质量达到技术要求。
1 顶管制造工艺及质量控制措施
大口径顶管制造工艺关键工序控制点为：强制式搅拌、钢筋强度处理、焊接骨架成型、悬辊成型、蒸气养护。
1.1 钢筋加工制作工艺的改进
由于悬辊机成型工艺的特殊性，干硬混凝土靠外力作用辊压成型。在悬辊成型过程中，钢筋骨架由于受到来自辊轴方向混凝土径向和切向辊压力的作用，受损隐患大，钢筋在成型时易松动和位移变形，保护层的厚度不易控制。根据以上容易出现的问题，采取了如下措施：
(1)对钢筋进行强化处理，提高钢筋的屈服强度。对φ12的Ⅰ级环向钢筋，冷拉总延伸率控制在8%～10%之间，屈服强度可从原来250MPa提高到420MPa；对纵向φ12的Ⅱ级螺纹钢，冷拉总延伸率控制在4%～6%之间，屈服强度从原来的415MPa提高到470MPa。这样保证了在成型时，骨架变形小。顶管成品力学性能试验表明裂缝荷载和破坏荷载得到了提高。
(2)在改变原来钢筋骨架成型时普通绑扎法，采取在纵向钢筋与环筋相交点进行点焊成型。要保证钢筋骨架的整体性，焊点的抗拉和抗剪能力必须大于成型过程中受到的作用力。在钢筋骨架两端密绕两圈环向筋，以增加两端的强度，然后将内、外层钢筋骨架用120根短筋焊接成整体，不但保证了内外双层钢筋骨架的间距，又防止了钢筋在悬辊成型时产生位移，提高了骨架整体刚度。再在外层纵向钢筋上套16个混凝土保护层控制圈，以确保钢筋骨架不偏移，使保护层的厚度始终控制在误差范围内。钢筋骨架成型的质量控制参数详见表1。
1.2 混凝土的配制
水泥使用阿克苏青松建化水泥有限责任公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥。为了改善混凝土内部结构，提高混凝土抗腐能力和耐久性，增加混凝土后期强度，掺入了30%由新疆八钢联强公司微粉矿渣厂生产的粒化高炉矿渣微粉。砂子的细度模数控制在2.5～3.0之间，含泥量小于1%，石子粒径为5～20mm、20～40mm的两种骨料各一半。混凝土为干硬性混凝土，工作稠度(维勃稠度)为5～10之间。C50混凝土配合比见表2，其配制强度为58.6MPa。
1.3 悬辊成型
采用GP150型悬辊式水泥制管机，顶管喂料量每次控制在1.7m3，使其压实后混凝土比挡圈超厚3～4mm。避免了因喂料不足，管身混凝土欠密实，产生蜂窝和麻面；喂料过多，影响管壁厚度的现象。悬辊成型加料先从挡圈开始，然后从挡圈一端向另一端加料，悬辊机喂料转速控制在500～700r/min，时间为5～10min。喂料完毕后，净辊时间为4～8min，悬辊机速度控制在1000～1100r/min，成型后用抹子在内壁进行抹面，以保证顶管内壁的光洁程度。
1.4 蒸养和自然养护措施
(1)顶管在成型后，蒸汽养护前应有一个静停的过程，静停时间取决于水泥类型、升温速度和最高温度等，一般为1～5h。早强水泥由于初凝时间短，静停时间可以短一些，一般为1～2h；温度上升的速度与静停时间相互关联，如果静停时间长，则可用较高的升温速度，一般为20℃/h，最高可达33℃/ h，若静停过程只有1h，升温速度不应超过11℃/h。混凝土静停时间短，若温度骤变，混凝土内外产生较大的温差，引起较大的温度应力，使混凝土产生开裂；混凝土静停时间长，若升温速度过慢，混凝土表面水分蒸发过快以及混凝土水化热高等因素，会引起混凝土产生塑性收缩龟裂的现象。蒸气养护的恒温温度主要取决于水泥种类，硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥不高于80℃，矿渣硅酸盐水泥不高于95℃。如果高于以上温度，虽然混凝土在很短的时间就可以达到脱模强度，但后期强度损失过大，甚至可能影响混凝土的耐久性。恒温温度过低，为了达到混凝土脱模强度，就必须延长恒温时间，水泥制管模具周转次数相应减少。因此根据多年经验和所使用的普通硅酸盐水泥，最终确定蒸气养护温度和时间见表3。
(2)顶管脱模后，达到自然温度再进行自然养护。在顶管上盖上草帘，以保证顶管的湿度，每天养护不得少于16h，自然养护不少于15d方可出厂。
2 检验验证
该产品出厂前经过新疆阿克苏地区质量与计量检测所的检验，完全达到GB/T11836-2009标准优等品的要求，外压荷载、裂缝荷载国标要求为≥120kN/m，检验结果为168kN/m，破坏荷载国标要求为≥180kN/m，检验结果为288kN/m，设计要求达到Ⅱ级管力学性能，实际达到了国标Ⅲ级管的力学性能。混凝土28d平均强度为55.6MPa，高于设计要求的11%。
中石油管道总公司一分公司、二分公司、大庆油田建设公司、新疆石油建设公司在顶管施工中，未发现质量缺陷。此产品生产获得成功，填补了南疆生产大口径顶管的空缺。
国家重点工程西气东输气源地克拉2气田至轮南首站输气管道工程，沿线穿越沙漠公路、314国道、218省道、南疆铁路等20多处交通干道，设计采用顶管施工，铺设直径1080mm的输气钢管。设计要求顶管为内径1800mm、壁厚180mm、每段长度1500mm的钢筋混凝土管，总长454.5m。其产品质量必须达到《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009中）Ⅱ级的力学性能，外观质量达到优等品的要求。新疆水利水电建设工程局接受此项任务后，根据以前生产内径为1500mm钢筋混凝土管的经验，对一些关键工序的工艺做了一定的调整，成功地生产出了内径为1800mm的大口径顶管，并且质量达到技术要求。
1 顶管制造工艺及质量控制措施
大口径顶管制造工艺关键工序控制点为：强制式搅拌、钢筋强度处理、焊接骨架成型、悬辊成型、蒸气养护。
1.1 钢筋加工制作工艺的改进
由于悬辊机成型工艺的特殊性，干硬混凝土靠外力作用辊压成型。在悬辊成型过程中，钢筋骨架由于受到来自辊轴方向混凝土径向和切向辊压力的作用，受损隐患大，钢筋在成型时易松动和位移变形，保护层的厚度不易控制。根据以上容易出现的问题，采取了如下措施：
(1)对钢筋进行强化处理，提高钢筋的屈服强度。对φ12的Ⅰ级环向钢筋，冷拉总延伸率控制在8%～10%之间，屈服强度可从原来250MPa提高到420MPa；对纵向φ12的Ⅱ级螺纹钢，冷拉总延伸率控制在4%～6%之间，屈服强度从原来的415MPa提高到470MPa。这样保证了在成型时，骨架变形小。顶管成品力学性能试验表明裂缝荷载和破坏荷载得到了提高。
(2)在改变原来钢筋骨架成型时普通绑扎法，采取在纵向钢筋与环筋相交点进行点焊成型。要保证钢筋骨架的整体性，焊点的抗拉和抗剪能力必须大于成型过程中受到的作用力。在钢筋骨架两端密绕两圈环向筋，以增加两端的强度，然后将内、外层钢筋骨架用120根短筋焊接成整体，不但保证了内外双层钢筋骨架的间距，又防止了钢筋在悬辊成型时产生位移，提高了骨架整体刚度。再在外层纵向钢筋上套16个混凝土保护层控制圈，以确保钢筋骨架不偏移，使保护层的厚度始终控制在误差范围内。钢筋骨架成型的质量控制参数详见表1。
表1 钢筋骨架成型允许误差表
| 项目 | 允许误差 |
| 纵向筋间距 | ≤±10mm |
| 横向筋间距 | ≤±10mm |
| 骨架直径 | ≤±10mm |
| 保护层 | ≤±4mm |
1.2 混凝土的配制
水泥使用阿克苏青松建化水泥有限责任公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥。为了改善混凝土内部结构，提高混凝土抗腐能力和耐久性，增加混凝土后期强度，掺入了30%由新疆八钢联强公司微粉矿渣厂生产的粒化高炉矿渣微粉。砂子的细度模数控制在2.5～3.0之间，含泥量小于1%，石子粒径为5～20mm、20～40mm的两种骨料各一半。混凝土为干硬性混凝土，工作稠度(维勃稠度)为5～10之间。C50混凝土配合比见表2，其配制强度为58.6MPa。
表2 C50混凝土配合比
| 材料名称 | 水泥42.5R | 微粉矿渣 | 小石5～20mm | 中石20～40mm | 中砂 | 水 |
| 用量（kg/m3） | 350 | 105 | 633 | 633 | 574 | 168 |
| 配合比 | 1 | 0.30 | 1.8 | 1.8 | 1.64 | 0.37 |
1.3 悬辊成型
采用GP150型悬辊式水泥制管机，顶管喂料量每次控制在1.7m3，使其压实后混凝土比挡圈超厚3～4mm。避免了因喂料不足，管身混凝土欠密实，产生蜂窝和麻面；喂料过多，影响管壁厚度的现象。悬辊成型加料先从挡圈开始，然后从挡圈一端向另一端加料，悬辊机喂料转速控制在500～700r/min，时间为5～10min。喂料完毕后，净辊时间为4～8min，悬辊机速度控制在1000～1100r/min，成型后用抹子在内壁进行抹面，以保证顶管内壁的光洁程度。
1.4 蒸养和自然养护措施
(1)顶管在成型后，蒸汽养护前应有一个静停的过程，静停时间取决于水泥类型、升温速度和最高温度等，一般为1～5h。早强水泥由于初凝时间短，静停时间可以短一些，一般为1～2h；温度上升的速度与静停时间相互关联，如果静停时间长，则可用较高的升温速度，一般为20℃/h，最高可达33℃/ h，若静停过程只有1h，升温速度不应超过11℃/h。混凝土静停时间短，若温度骤变，混凝土内外产生较大的温差，引起较大的温度应力，使混凝土产生开裂；混凝土静停时间长，若升温速度过慢，混凝土表面水分蒸发过快以及混凝土水化热高等因素，会引起混凝土产生塑性收缩龟裂的现象。蒸气养护的恒温温度主要取决于水泥种类，硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥不高于80℃，矿渣硅酸盐水泥不高于95℃。如果高于以上温度，虽然混凝土在很短的时间就可以达到脱模强度，但后期强度损失过大，甚至可能影响混凝土的耐久性。恒温温度过低，为了达到混凝土脱模强度，就必须延长恒温时间，水泥制管模具周转次数相应减少。因此根据多年经验和所使用的普通硅酸盐水泥，最终确定蒸气养护温度和时间见表3。
表3 蒸汽养护温度控制表
| 静停 | 升温温度（℃） | 恒温温度（℃） | 降温（h） | 合计用时（h） | ||
| 时间 | ||||||
| (h) | 第1h | 第2h | 第3h | 3h | ||
| 2 | 20～40 | 40～60 | 60～75 | 75±5 | 2 | 10 |
(2)顶管脱模后，达到自然温度再进行自然养护。在顶管上盖上草帘，以保证顶管的湿度，每天养护不得少于16h，自然养护不少于15d方可出厂。
2 检验验证
该产品出厂前经过新疆阿克苏地区质量与计量检测所的检验，完全达到GB/T11836-2009标准优等品的要求，外压荷载、裂缝荷载国标要求为≥120kN/m，检验结果为168kN/m，破坏荷载国标要求为≥180kN/m，检验结果为288kN/m，设计要求达到Ⅱ级管力学性能，实际达到了国标Ⅲ级管的力学性能。混凝土28d平均强度为55.6MPa，高于设计要求的11%。
中石油管道总公司一分公司、二分公司、大庆油田建设公司、新疆石油建设公司在顶管施工中，未发现质量缺陷。此产品生产获得成功，填补了南疆生产大口径顶管的空缺。
