大口徑頂管技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

陶瑋 TAO W ei；丁國瑩 DING Guo-ying；李長斌 LIChang-bin

（江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，揚(yáng)州225009）

0 引言

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它是借助頂推裝置，在工作井內(nèi)（地下）將管道逐節(jié)頂進(jìn)的非開挖管道施工技術(shù)，具有不需要開挖面層而能夠穿越河川、鐵道、公路、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及地下管線等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國逐步推廣應(yīng)用。隨著大直徑、長距離頂管技術(shù)逐漸成熟，其在水利工程上也正在逐步采用，但就我省水利工程而言，使用該技術(shù)起步較晚，應(yīng)用實(shí)例不多，經(jīng)驗(yàn)相對缺乏。鑒于這些情況，總結(jié)通榆河送水工程灌河地涵頂管成功的設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為頂管技術(shù)在我省水利工程中應(yīng)用起到推廣作用。

1 工程概況

灌通榆河北延送水工程利用通榆河中段工程和連云港疏港航道，增加一條向連云港市供水的新通道，提升連云港市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的水資源保障能力。灌河地涵位于江蘇省響水縣和灌南縣，設(shè)計(jì)流量為50m3/s，是通榆河北延送水工程的重要組成部分，其工程任務(wù)是將南邊來水通過地涵穿越灌河北送。

地涵位置處灌河河口寬約340m，河底高程-8.0m。其下10m深的范圍內(nèi)分布了③2重粘土、④粉質(zhì)粘土、⑤3重粉質(zhì)砂壤土、⑥1粉質(zhì)粘土、⑥2粉砂、⑦2重粉質(zhì)壤土、⑧輕粉質(zhì)砂壤土層，其中⑤3、⑥1、⑥2、⑦2、⑧土層含砂礓，粒徑一般在1～3cm，少數(shù)砂礓盤達(dá)20cm，砂礓含量10～20%左右，局部達(dá)40%。頂管所穿過的土層主要為⑥1、⑥2、⑦2層。管頂管底局部碰及⑤3、⑧層，頂管主要座落在⑦2、⑧層。⑤3、⑥2、⑧土層具有中等透水性，為承壓含水層，地下水壓力高達(dá)20m左右，且受灌河潮位影響。

2 工程設(shè)計(jì)

灌河是無控制的一條天然入海潮汐河道，全長74.5km，它既是沂南地區(qū)排水入海的重要河道，又是一條重要的航運(yùn)通道，因此灌河地涵的設(shè)計(jì)方案須以灌河不斷流而能順利實(shí)施為前提。通過對頂管、沉管以及較為常規(guī)的半幅施工方案進(jìn)行比選，最終選用了頂管設(shè)計(jì)方案。

地涵主體由上下洞首、收縮（或擴(kuò)散）段、沉井及內(nèi)部斜管段、井間主涵管這幾部分組成。地涵斷面詳見圖1。

圖1 灌河地涵縱剖面圖

其中：主涵管長450m，采用4根內(nèi)徑φ3.5m鋼筋混凝土預(yù)制頂管，其軸線采用直線布置，頂管間距9m；管中心高程-15.55m，管頂覆土厚度5.0～21.5m。頂管管節(jié)長度2.5m，壁厚0.35m，兩端分別預(yù)埋鋼套環(huán)和鋼環(huán)，預(yù)留壓漿孔和起吊孔，管節(jié)間接頭為F型承插式。

頂管施工的工作井和接收井均為鋼筋混凝土沉井，平面尺寸37×22.5m，井內(nèi)設(shè)縱隔墻1道、橫隔墻3道，共有8個(gè)井格，兩沉井的前排（臨河側(cè)）井格分別作為頂進(jìn)井格和接收井格，井格寬度為7.6m～8.0m，長度為9.15m。沉井底板面高程為-18.6m，操作空間高度為0.65m。工作井后排井格內(nèi)均設(shè)兩道傳力隔墻，以使頂推力傳至工作井后井壁。

3 頂管施工方法的特點(diǎn)和適用性分析

本工程頂管施工有兩個(gè)特點(diǎn)：一是地質(zhì)條件復(fù)雜，頂管范圍內(nèi)存在幾種不同土質(zhì)的土層，土層不厚而多有起伏，均含砂礓，各層砂礓含量不一，一般在5%～30%之間，粒徑在0.5～3cm左右，每一層的砂礓分布不均，局部含量達(dá)40%。二是存在承壓含水層，地下水壓力高，且受灌河潮位影響。因此不論何種施工方式，都必須以滿足本工程的要求為前提。

頂管施工方法就大的方面來說目前有三種：氣壓平衡式、土壓平衡式和泥水平衡式，這三種方法的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及本工程的適應(yīng)性分析見表1。

通過以上分析，結(jié)合本工程水文、地質(zhì)條件，實(shí)際施工中采取了泥水平衡式施工方法。

4 頂管機(jī)頭和選型及主要設(shè)備配置

頂管機(jī)頭選用泥水平衡頂管機(jī)，油缸組裝備頂力18000kN，選用雙作用雙沖程等推力油缸6只，每只油缸最大推力3000kN。施工時(shí)最大頂力采用裝備頂力的90%，經(jīng)計(jì)算，最大頂進(jìn)長度約為170m。

表1 頂管施工方案比較表

由于頂管長450m，屬長距離頂管，為減小頂進(jìn)力，設(shè)置中繼間，中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式結(jié)構(gòu)，長度約2m，外形幾何尺寸與管節(jié)相同。中繼間裝備頂力采用15000kN，施工時(shí)最大頂力采用裝備頂力的80%，頂進(jìn)長度約為125m。

輸土裝置采用泥漿泵和管道將泥水輸送至排泥場。

5 頂管施工常見問題解決措施

5.1 洞口止水

為了防止頂管機(jī)出洞、進(jìn)洞時(shí)井外水土涌入工作井和接收井內(nèi)，影響頂管施工，同時(shí)也為防止頂進(jìn)施工時(shí)壓入的減阻泥漿流失，保證能夠形成完整有效的泥漿套，必須在洞口設(shè)置止水裝置。本工程頂進(jìn)工作井、接收井為砼沉井，洞口為混凝土井壁預(yù)留洞，在預(yù)埋鋼環(huán)上安裝雙層橡膠止水裝置，形成良好的止水效果。

5.2 洞口封門處理方法

洞口封門用低標(biāo)號砂漿在洞口砌一堵磚封門，再于內(nèi)側(cè)通過預(yù)埋在井壁上的螺栓安裝鋼封門，頂管機(jī)頭出洞時(shí)將鋼封門拆除，用刀盤將磚封門慢慢切削掉，實(shí)現(xiàn)安全出洞。頂管機(jī)頭進(jìn)洞時(shí)同樣拆除接收井內(nèi)的鋼封門，然后用機(jī)頭將磚封門擠倒或切削掉，一直往里推進(jìn)，完成進(jìn)洞。

5.3 注漿減摩措施

為減少土體與管壁間的摩阻力，在頂管頂進(jìn)的同時(shí)，通過頂管機(jī)鉸接處及管節(jié)上預(yù)留的注漿孔，向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道四周外圍形成一個(gè)泥漿套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進(jìn)時(shí)的頂力。頂進(jìn)時(shí)，頂管機(jī)尾部的壓漿孔要及時(shí)有效地跟蹤壓漿，確保形成完整有效的泥漿套。泥漿材料可采用膨潤土。

5.4 糾偏措施

在頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進(jìn)軸線發(fā)生偏差時(shí)，通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計(jì)軸線位置。

5.5 減摩泥漿的固化及洞口接頭處理

頂進(jìn)結(jié)束后進(jìn)行減摩泥漿（觸變泥漿）的固化，使管節(jié)外壁與周圍土層的施工間隙盡快填充固結(jié)，減小地面沉降。減摩泥漿（觸變泥漿）的置換采用水泥砂漿或粉煤灰水泥砂漿置換觸變泥漿；置換時(shí)利用原有的注漿設(shè)備從管節(jié)的注漿孔壓注。頂管結(jié)束后，管節(jié)接口的內(nèi)側(cè)間隙用彈性密封膏密封處理。工作井的洞口接頭處理（井壁與混凝土管節(jié)間的空隙），采用壓力灌注C30細(xì)石混凝土，在套管上焊接止水環(huán)，再以聚硫密封膏封堵。

5.6 對付砂礓的措施

頂管所處斷面存在較多砂礓，對頂管頂進(jìn)有不利影響，一是堵塞泥水艙進(jìn)泥口，二是增大迎面阻力和刀盤驅(qū)動扭矩，三是增加輸土難度。為此采取了以下措施：將刀盤的進(jìn)泥口由小開口改為大開口，在上部增加2個(gè)排泥口；加大刀盤的驅(qū)動功率；輸土采用沙礫泵，增加中間接力泵，加大輸泥管管徑；在進(jìn)泥管路中加入膨潤土泥漿；改進(jìn)刀盤上切削刀頭布置和數(shù)量，將單層刀盤改為三層刀盤等。

6 結(jié)語

頂管技術(shù)在水利工程中具有避免大面積土體開挖、無需導(dǎo)流和導(dǎo)航、不干擾地面附著物等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型環(huán)保的施工技術(shù)，與其他施工方法比，有一定的優(yōu)勢，但也有比較多的缺點(diǎn)，比如施工進(jìn)度還不夠快，施工受地質(zhì)的影響大，投資高。隨著我國城市化的發(fā)展，機(jī)械頂管的發(fā)展，他的技術(shù)將越來越先進(jìn)、工藝將越來越完善，應(yīng)用也一定越來越廣泛。

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[2]韓選江.大型地下頂管施工技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008:163-271.

[3]李健.頂管施工法的技術(shù)特點(diǎn)分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2006，7:1-3.