大型頂管施工工藝在通榆河北延送水工程中的應(yīng)用

張政田，劉延軍，狄大鵬

（江蘇省通榆河北延送水工程建設(shè)管理局，224600，響水）

一、頂管施工工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀

頂管施工工藝是繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：無須地面開挖，不影響地面交通，不會產(chǎn)生過大的噪聲和振動，對周圍環(huán)境影響小等。頂管施工技術(shù)發(fā)展較快，從開挖方式上，由人工手掘式頂管開始，發(fā)展了機(jī)械式頂管、小口徑遙控土壓式機(jī)械頂管、擠壓式頂管、土壓平衡頂管、氣壓平衡頂管、泥水平衡頂管等；從管材上，由鑄鐵管發(fā)展到鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管等，管徑也已發(fā)展到最大內(nèi)徑3000 mm鋼管和最大內(nèi)徑3500 mm鋼筋混凝土管；另外在曲線頂管方面能完成三維復(fù)合急曲線頂管。目前，頂管施工工藝已廣泛應(yīng)用于城市給排水、煤氣管道、電力隧道、通信電纜等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及公路、鐵路、隧道等交通運(yùn)輸工程的施工中。

近年，隨著國內(nèi)頂管施工的開挖方式、頂進(jìn)距離的突破，管節(jié)的制作、接口精度和密封性能的提高，頂管注漿工藝不斷完善和地面沉降控制精度提高，為頂管施工工藝應(yīng)用到大型水利工程中創(chuàng)造了有利條件。

二、通榆河北延送水工程灌河地涵工程頂管施工實(shí)踐

1.工程概況

通榆河北延送水工程是江蘇省委、省政府為振興蘇北、加快沿海開發(fā)、促進(jìn)蘇北崛起而開辟的又一條“江水北調(diào)”戰(zhàn)略性水資源工程。工程利用已經(jīng)建成的通榆河中段工程，結(jié)合實(shí)施連云港疏港航道，增加一條向連云港市輸送水源的新通道。通榆河北延送水工程灌河地涵為穿灌河的建筑物，地涵上洞首位于響水縣城西郊黃響河入灌河的河口處，下洞首位于灌河北岸的灌南縣長茂村五組。地涵設(shè)計(jì)流量50m3/s，4孔，總長約550 m。主涵管采用4根內(nèi)徑?3.5 m鋼筋混凝土預(yù)制頂管，長450 m，頂管中心距為9 m，管中心高程為-15.55 m。工程概算總投資11040萬元，工程于2008年7月正式開工，2009年10月灌河地涵4根頂管全線貫通，現(xiàn)已完成全部合同工程。

2.工程地質(zhì)及水文條件

（1）工程地質(zhì)

頂管施工涉及的土層有⑥1、⑥2、⑦2、⑧，該四層土土力學(xué)強(qiáng)度均較高，管底主要位于⑧層上，局部位于⑦2層上，該兩層可作天然地基，基面下有良好的下臥層。⑥1、⑦2層為粉質(zhì)黏土，可塑狀態(tài)，極微透水；⑥2、⑧層為粉砂、砂壤土，中密—密實(shí)狀態(tài)，中等透水。另外，四層土中均含有砂礓，一般含量5%～20%，局部含量高達(dá)40%，對施工形成不利情況。

（2）工程水文

灌河水位受潮汐的影響變化較大，勘探期間測得灌河潮水位在-0.2～3.2 m之間。場地內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙水，大氣降水入滲為淺層地下水的主要補(bǔ)給來源，其次為地表水的入滲補(bǔ)給，深層地下水以接受淺層地下水的滲入補(bǔ)給為主。本場地內(nèi)有3個(gè)承壓水層：⑤3層砂壤土滲透系數(shù)為K=1.4×10-4cm/s,具中等透水性，為第一承壓含水層；⑥2層粉砂具中等透水性，為第二承壓含水層；⑧層砂壤土滲透系數(shù)為K=1.7×10-4cm/s，具中等透水性，為第三承壓含水層。承壓水水位分別為 1.82 m、1.75 m、1.74 m，高承壓水對頂管施工相當(dāng)不利，且⑤3層局部在灌河底與⑥2層是相通的，加大了施工難度。

3.工程特點(diǎn)及施工方案和工法選擇

（1）工程特點(diǎn)及施工方案的選擇

本工程主要任務(wù)是將通榆河的淡水從鹽城響水縣穿越灌河送到連云港灌南縣境內(nèi)，而灌河是潮汐河道，直接與大海相通，又是國家三級航道，河面寬，通航徑高大，且不便斷航，所以采用平面交叉或渡槽、拱管的上立交方案，既不經(jīng)濟(jì)，又影響通航且不便于施工。對于采用非開挖方式的地下立交，目前主要是盾構(gòu)和頂管方案，設(shè)計(jì)單位經(jīng)多方考察和比選，并進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)論證，最終決定通榆河北延送水工程灌河地涵采用多管、平行、大口徑的鋼管混凝土頂管工藝，這項(xiàng)工藝也開了江蘇水利及國內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑、長距離、多管、平行施工的先河，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

（2）施工工法的選擇

頂管施工工法目前主要是土壓平衡、泥水平衡和氣壓平衡頂管施工工法，泥水平衡頂管法具有適用土質(zhì)廣、挖掘面穩(wěn)定、地面沉降小，且在含沙土層中頂進(jìn)時(shí)無須采用添加劑改良土體等特點(diǎn)?？紤]本工程位于潮汐河道，潮位差較大，頂管需穿越灌河大堤和河底的淺覆土層，且土層中存在承壓水及大量的砂礓，局部存在較大砂礓盤等水文和地質(zhì)特點(diǎn)，故選用了泥水平衡頂管法施工。

4.工程難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)及采取的措施與對策

（1）進(jìn)出洞口處有承壓含水層

本工程主要承壓含水層為⑤3、⑥2、⑧層，頂管進(jìn)出洞口處有⑥2、⑧兩層深埋的承壓水層，頂管進(jìn)出洞時(shí)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。主要采取以下措施加以控制：

①加固洞口土體。本工程頂管工作井和接收井洞口處采用高壓旋噴樁進(jìn)行土體加固。工作井加固范圍為預(yù)留洞頂以上6 m至預(yù)留洞底以下 3 m，寬度 37 m，加固厚度 3 m；接收井加固范圍為預(yù)留洞頂以上2 m至預(yù)留洞底以下2 m，寬度37 m，厚度2 m。施工須確保加固土體的強(qiáng)度和均勻性，使其具備擋水和擋土作用。

②降低承壓水水頭。為確保頂管進(jìn)出洞安全，必須對場地內(nèi)的承壓水層進(jìn)行深井降水。頂管進(jìn)出洞承壓水降水首先考慮利用頂管軸線兩側(cè)沉井施工時(shí)原部分降水深井，另外在土體加固完成后，沿頂管頂進(jìn)軸線方向在管間中心位置，離開加固區(qū)4 m處布置7口深井。頂管出洞前7天進(jìn)行預(yù)降水及抽水試驗(yàn)，觀測抽水流量和水位變化，調(diào)整優(yōu)化原降水方案，確保在拆除洞門前承壓水水頭降至洞口底以下0.5 m。

（2）頂管開挖面存在大量砂礓，局部可能有較大砂礓盤

砂礓和砂礓盤的存在對頂管的掘進(jìn)作業(yè)可能帶來三方面的問題：一是可能發(fā)生泥水艙進(jìn)泥口堵管；二是在刀盤的前端會聚積較多的砂礓，造成刀盤的進(jìn)泥口進(jìn)泥不暢，迎面阻力增加和刀盤的驅(qū)動扭矩增大；三是砂礓含量大，容易造成泥水管路的堵塞。采取的具體措施如下：

①對大刀盤進(jìn)行改進(jìn)。將刀盤的進(jìn)泥口改小，同時(shí)刀頭的寬度適當(dāng)改小，增加刀頭的數(shù)量，并沿刀盤半徑分散布置超前撕裂刀頭，以便將大砂礓盤撕裂解小，確保進(jìn)入泥水艙的砂礓不會出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，同時(shí)在泥水艙上部增加兩個(gè)預(yù)留排泥口，作為堵管時(shí)的應(yīng)急排泥口。

②加大刀盤的驅(qū)動功率。將6臺驅(qū)動電機(jī)功率分別由37 kW增加到45 kW，防止刀盤碰到較大直徑的砂礓盤或聚積較多的砂礓，造成刀盤驅(qū)動扭矩不足的情況發(fā)生。

③加大砂礫泵和排泥管道直徑?？紤]到砂礓的顆粒較大、比重較大、容易沉淀等，采用無堵塞的砂礫泵，將砂礫泵和排泥管道直徑由原來常用的10 cm改為15 cm。另外在排泥管路中間增加接力泵，避免砂礓在管道內(nèi)沉淀而堵塞管道。必要時(shí)在進(jìn)泥管路中添加黏土和膨潤土泥漿，以提高管道的攜砂能力，防止發(fā)生堵管現(xiàn)象。

（3）頂管施工需穿越灌河河床80m的淺覆土層

在灌河深槽（距工作井134～214m）80 m范圍內(nèi)頂管頂部距灌河底的覆土厚度不足5 m，上覆土大部分又是粉砂層，而黏土層較薄，頂管存在冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。工程實(shí)施時(shí)主要采取以下措施：

①室內(nèi)模型試驗(yàn)。與科研單位合作，在室內(nèi)使用砂土模擬現(xiàn)場施工，并通過改變漿液的配合比、上覆土層厚度等條件進(jìn)行單管和多管施工的試驗(yàn)，找出土體變形的敏感點(diǎn)，為現(xiàn)場布置監(jiān)測點(diǎn)提供依據(jù)。

②通過現(xiàn)場監(jiān)測，預(yù)測淺覆土層的沉降變形。淺覆土層位于灌河河底，水深10 m左右，受環(huán)境和潮水影響，很難對河底淺覆土層進(jìn)行有效加固。為預(yù)測淺覆土層變形，確保頂管施工時(shí)河底沉降在可控制范圍內(nèi)，在工作井至灌河岸邊布置了分層沉降點(diǎn)，通過對該段土體沉降變形的監(jiān)測，預(yù)測淺覆土層可能的沉降變形量。

③調(diào)整施工參數(shù)。在頂管穿越淺覆土層中施工時(shí)，如果泥水艙壓力設(shè)置過大，容易造成淺覆土層頂穿；若過小，則掘進(jìn)機(jī)前方土體容易坍塌，造成大量地層損失，引起過大沉降。通過分析計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場操作的實(shí)際狀況，最終確定泥水艙壓力控制在0.12～0.15 MPa。另外，控制穿過淺覆土層時(shí)的頂管頂進(jìn)速度不超過3 cm/min，并保持均勻、慢速、連續(xù)頂進(jìn)。如需短時(shí)間停推，由專人監(jiān)測，并向泥水艙內(nèi)注入足量的膨潤土泥漿，以平衡開挖面的泥水壓力。

④調(diào)整注漿方式。膨潤土泥漿套一方面是起減摩降阻作用，使長距離頂進(jìn)成為可能，另一方面可以補(bǔ)償一部分頂管開挖造成的地層損失，減小由此引起的土體的變形。本工程頂管施工中在掘進(jìn)機(jī)尾部和管道沿線每隔三或四節(jié)管布置四個(gè)注漿孔。正常頂進(jìn)時(shí)需控制一定的注漿壓力，但在淺覆土層時(shí)，壓力過大會穿透淺覆土層，為防止這種情況發(fā)生，頂管穿越淺覆土層時(shí)關(guān)閉掘進(jìn)機(jī)尾部和管道沿線上面的兩個(gè)注漿孔，膨潤土泥漿通過下面的兩個(gè)注漿孔，在一定的壓力下也可以形成完整的泥漿套，保證施工正常進(jìn)行。

（4）本工程頂管具有大直徑、長距離、多線平行、近間距等特點(diǎn)，目前在國內(nèi)尚無實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

主涵管為4根平行的長約450 m、內(nèi)徑3.5 m、外徑4.16 m的鋼筋混凝土頂管，管間凈間距為4.84 m。本工程實(shí)施中采用兩套頂進(jìn)設(shè)備，為防止相鄰頂管同時(shí)頂進(jìn)對土體擾動較大，采取先一、三號線頂進(jìn)，后二、四號線頂進(jìn)順序，同時(shí)頂進(jìn)的兩條線頂管前后錯(cuò)開約60 m。施工過程中，通過嚴(yán)密監(jiān)測并控制頂力和土體變形，及時(shí)調(diào)整觸變泥漿的注漿量和配合比等措施，頂管頂進(jìn)十分順利。

5.工程效果

灌河地涵頂管工程在建設(shè)、設(shè)計(jì)、科研、監(jiān)理、施工等各方的高度重視和緊密的配合下，通過施工前期和過程中大量的科研指導(dǎo)和技術(shù)改進(jìn)，順利并提前完成，取得了滿意的效果。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①加快了施工進(jìn)度。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在歇人不歇機(jī)和比較順利條件下，日均可頂進(jìn)10～12 m，而本工程在復(fù)雜地質(zhì)條件下，通過采取各項(xiàng)改進(jìn)措施，每日工作時(shí)間不到20 h，日均頂進(jìn)達(dá)15 m。

②頂力得到有效控制。理論計(jì)算本工程最大頂力達(dá)到2000 t，而實(shí)際施工中通過采用優(yōu)化的潤滑泥漿配合比和合理的注漿量，頂力一般控制在600～1000 t之間，不足理論值的1/2，且頂力不是隨頂程增加而增加，說明管道基本是懸浮在泥漿潤滑套中。

③機(jī)頭姿態(tài)控制較好。施工中通過勤測勤糾、及時(shí)調(diào)整泥水艙壓力等措施，保證頂管機(jī)頭平順出洞，平穩(wěn)頂進(jìn)，且最大平面偏差、高程偏差、管節(jié)轉(zhuǎn)角偏差均為驗(yàn)收要求值的2/3左右。

三、頂管技術(shù)在大型水利工程中的應(yīng)用前景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步、新材料和新工藝大量應(yīng)用，頂管施工技術(shù)必將日漸成熟，成本也必將逐步降低，特別是大口徑、長距離、多管平行頂管施工技術(shù)在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，為頂管技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用開辟了廣闊的空間。在江蘇等沿海省份和地區(qū)，公路、鐵路、水網(wǎng)密布，實(shí)施長距離調(diào)水工程和水環(huán)境治理的清污分流工程，需采用水路立交和水水立交的工程相當(dāng)多，而隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市和農(nóng)村土地價(jià)格將越來越高，征遷成本越來越大，斷流、斷航、斷交通施工的壓力也越來越大，以往傳統(tǒng)意義上的大面積征地、大開挖施工的模式必將要改變，頂管施工技術(shù)在大型水利工程中的應(yīng)用前景將越來越廣闊。