輸水管線地下穿越施工方案選擇論述

種江鋒

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)第十五工程局有限公司 陜西 西安 710065）

1 工程概況

1.1 概況

遼西引水工程主要為遼寧省西北地區(qū)供水，全線依據(jù)地形主要由隧洞、管道、箱涵等組成。本標(biāo)段為其中的一段，樁號(hào)C113+529～C132+714， 線 路 全 長(zhǎng) 為19.185km，其中 PCCP管段線路長(zhǎng)18.445km，鋼管段線路長(zhǎng)0.730km，管線在樁號(hào)C116+380處穿越高速公路。穿越輸水管線為4×DN3200的鋼筋混凝土套管，管道壓力1.6MPa。穿越方式為頂管穿越,套管中心間距15m，套管外徑4m，單根管節(jié)長(zhǎng)度3m，管道與公路夾角為70°，單管頂距111m～114m，四線并行，頂管總長(zhǎng)450m。

穿越處頂管上游樁號(hào)C116+314，下游樁號(hào)C116+431，在高速路東側(cè)，高速路與萬米排干和村道形成一個(gè)狹小的三角形。村道從高速路下穿過，通向縣城環(huán)城路，是穿越施工的主要交通道路。

1.2 地質(zhì)情況

第①層素填土：雜色，厚度5.5m左右，主要由碎石、粘性土等組成，可作為公路的路基。

第②層：粉質(zhì)粘土，黃色，可塑狀態(tài)，中等壓縮性，最大揭露厚度2.7m，層底埋深2.6m～2.8m。

第③層：粉土，黃色，中密狀態(tài)，最大揭露厚度8.5m，層底埋深10.2m～11.2m。

基巖：變粒巖，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，最大揭露厚度9.0m。

1.3 地水下情況

穿越工程的區(qū)域地下水位埋深為0.5m～0.8m，地下水類型為第四孔系孔隙潛水，主要接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，并以地下水徑流的方式排泄出去，主要含水層為粉質(zhì)粘土層，弱等透水性。工作井、接收井位于地下水位線以下采取明排方式排水。

1.4 工作順序及內(nèi)容

四條管線實(shí)施頂管的先后順序是：2線→4線→1線→3線，使每條管線在頂管后外壁土體穩(wěn)定固結(jié)時(shí)間盡可能長(zhǎng)，再實(shí)施相鄰的管線，避免發(fā)生大變形或沉降破壞。工作內(nèi)容包括：頂管工作井、頂管接收井8座，鋼筋混凝土套管管材（包括接口橡膠圈）的驗(yàn)收、運(yùn)輸及卸管，鋼筋混凝土套管頂進(jìn)450m，鋼管組裝、焊接和穿越，鋼管與套管間填充水、泥漿。

2 土壓平衡掘進(jìn)機(jī)施工方案

2.1 主要特征

土壓式平衡掘進(jìn)機(jī)施工的主要特征是在施工過程中利用土倉內(nèi)的壓力和螺旋出土器出土，以平衡頂管機(jī)前的土壓力和地下水壓力，具體為：①頂管機(jī)在頂進(jìn)過程中與它所處土層的地下水壓力和土壓力處于一種平衡狀態(tài)；②頂管機(jī)螺旋出土器的排土量與頂管機(jī)推進(jìn)所占去的土的體積也處于一種平衡狀態(tài)。土壓式平衡頂管施工主要采用螺旋出土器將土排到推土小車?yán)锩?，然后再運(yùn)到工作井將其吊起。

2.2 工作井和接收井的施工方法及主要事項(xiàng)

為保證施工期間土體的穩(wěn)定，工作井、接收井的結(jié)構(gòu)確定采用沉井方法。沉井施工對(duì)周邊環(huán)境影響有限，整體性較好，不需要長(zhǎng)時(shí)間降水。頂管設(shè)工作井、接收井各4座。工作井為矩形沉井（9m×7m），井壁的厚度為700mm。接收井為圓形沉井（內(nèi)徑7.0m），井壁厚度為600mm。沉井結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋砼。

沉井制作完畢，井壁砼強(qiáng)度達(dá)到70%以后方可下沉。沉井采用機(jī)械結(jié)合人工挖土下沉，根據(jù)土質(zhì)情況，采用鍋底形挖土自重破土方式。從中間開始挖向四周，均衡對(duì)稱地進(jìn)行，使其能均勻豎直下沉，每層挖土厚度為0.5m左右。在沉井開始下沉和將沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，周邊開挖深度應(yīng)小于30cm，避免發(fā)生傾斜；在開始下沉5m以內(nèi)時(shí)，平面位置與垂直度要特別注意，否則繼續(xù)下沉后將不易調(diào)整；在距離設(shè)計(jì)標(biāo)高20cm左右時(shí)應(yīng)停止取土，靠自重下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。當(dāng)沉井下沉緩慢時(shí)，宜采用膨潤(rùn)土制作觸變泥漿助沉，以減少摩阻力；當(dāng)沉井下沉太快時(shí)，采用少挖刃腳，增加鍋底深度的方法。工作人員和機(jī)械分三班作業(yè)，下沉過程中不停頓以防增加下沉阻力。

沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，采用排水封底。封底前應(yīng)將井底整平，并將沉積于表面的浮泥清除，在井內(nèi)設(shè)置集水井，若水量較大時(shí)，應(yīng)利用井外降水井同步降水。底層鋪筑部分卵石、毛石后澆筑素混凝土，素砼達(dá)到強(qiáng)度后清除表面浮泥，綁扎鋼筋澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)期間一直利用集水井抽水。

2.3 設(shè)備配置

主頂進(jìn)系統(tǒng)共有4只2500kN單沖程等推力油缸，行程1500mm，總推力10000kN（實(shí)際控制頂力為8000kN）。4只主頂油缸組裝在油缸架內(nèi)，安裝后的4只油缸中心位置必須與設(shè)計(jì)圖一致，以使頂進(jìn)受力點(diǎn)和后座受力都保持良好狀態(tài)，安裝后的油缸中心誤差應(yīng)小于5mm。

2.4 減摩觸變泥漿的作用

觸變泥漿減摩是頂管施工中減少頂力的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，在頂進(jìn)過程中，通過頂管機(jī)尾部的同步注漿孔與管道上的預(yù)留孔向管節(jié)外壁壓注一定數(shù)量的減摩泥漿，采用多點(diǎn)對(duì)稱壓注使泥漿均勻地填充在管節(jié)外壁和周圍土體間的空隙來減小管節(jié)外壁和土體間摩阻力，起到降低頂進(jìn)阻力的效果。在管節(jié)外壁能否形成完整的泥漿套，將直接影響到泥漿的減摩效果。減摩泥漿采用觸變泥漿，該漿液性能穩(wěn)定，且有良好的觸變性，又有一定的稠度。施工過程中，泥漿應(yīng)保證不失水、不沉淀、不結(jié)團(tuán)，泥漿的配比應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況作相應(yīng)的調(diào)整，使泥漿適應(yīng)不同土層的特性，起到預(yù)期減摩效果。

3 手掘式頂管施工

3.1 主要特征

手掘式頂管操作在工作坑內(nèi)進(jìn)行，工作坑位于檢查井位置，管節(jié)下沉到坑內(nèi)，用液壓千斤頂頂入土壤，管節(jié)前端有“土機(jī)頭”導(dǎo)進(jìn)，千斤頂后有后座支撐。

手掘式頂管施工是目前較為普通的頂管方法，管前用人工挖土，所用設(shè)備簡(jiǎn)單，適用于黏性、砂性或硬質(zhì)泥巖土層，且無地下水影響，管徑在1m～3m之間的頂管工程。

3.2 工作井和接收井的施工方法

工作井、接收井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基坑采用螺旋樁圍護(hù)及放坡開挖施工方法。工作井在頂管受力的后背位置，接收井在頂管工具管進(jìn)接收井頭部位置，都準(zhǔn)備采用螺旋樁做圍護(hù)，目的是不擾動(dòng)后背的原狀土，分別保證后背的頂力和吊車?？康醭龉ぞ吖埽渌鏈?zhǔn)備采用放坡開挖。工作井的平面尺寸約為30m×10m，接收井的平面尺寸約為30m×8m，結(jié)構(gòu)墻的厚度0.6m左右。

后背墻是頂力的支撐結(jié)構(gòu)，通常采用原土做后背墻，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，頂管覆土2m～4m時(shí)，原土后背墻的長(zhǎng)度需要4m～7m。如無法使用原土做后背墻時(shí)，可筑人工后背墻，也可利用已施工完的管道做后背墻。后背的作用是減少對(duì)后座墻的單位面積的壓力。

3.3 頂管施工及注意事項(xiàng)

頂進(jìn)施工順序：安裝頂鐵→開動(dòng)油泵→頂鎬活塞伸出一個(gè)行程→關(guān)油泵→頂鎬停止運(yùn)行→活塞收縮→在空隙處加上頂鐵→再開動(dòng)油泵。

主千斤頂頂推時(shí)，以工具管開路，推著管段穿過工作井的穿墻洞把管道壓入土中。與此同時(shí)，讓泥土進(jìn)入工具管內(nèi)，當(dāng)千斤頂達(dá)到最大行程后，全部縮回，放入頂鐵，千斤頂繼續(xù)頂進(jìn)，如此反復(fù)，管段不斷向土中延伸。當(dāng)工具管和第一節(jié)開型管段幾乎全部頂入土中后，吊去全部頂鐵，再將第二節(jié)管段吊入，裝上橡膠止水、鋼套環(huán)等，頂接在第一節(jié)管段的后面，繼續(xù)頂進(jìn)，然后使用行吊進(jìn)行出土，如此循環(huán)施工，直至全部頂完。

地下水位降至管底以下0.5m處時(shí)開始挖土，同時(shí)防止其他水源進(jìn)入頂管管道。管前挖土一次進(jìn)尺長(zhǎng)度，以千斤頂?shù)囊粋€(gè)行程長(zhǎng)度為宜。土質(zhì)好可超前500mm以內(nèi)，不宜超前開挖過長(zhǎng)，以免引起管位偏差大和管端上方土坍塌。應(yīng)嚴(yán)格控制管周圍土的超挖，管端上部可超挖15mm，以減少阻力，管端下部135°包角范圍內(nèi)不得超挖；在不允許頂管上部土層下沉地段頂進(jìn)時(shí)，管周圍不得超挖。在松軟性土層中頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)采取土體加固措施或其它有效措施，管前挖出的土應(yīng)及時(shí)外運(yùn)。

3.4 施工設(shè)備

主要施工設(shè)備有：8個(gè)320T千斤頂、高壓油泵、自制土機(jī)頭等。

4 方案選擇

4.1 土壓平衡掘進(jìn)機(jī)

特點(diǎn)：適用范圍廣，比如軟粘土層、砂層等都可適用；采用了先進(jìn)的土壓平衡原理，施工時(shí)對(duì)地面及地下建筑物、構(gòu)造物、埋設(shè)物的影響較小，施工后地面沉降小，棄土處理簡(jiǎn)單；可在復(fù)土層僅為管外徑0.8倍的淺土層中施工，具有良好的土體改良功能，可以安全地穿越公路、鐵路、河川、房屋以及各種地下公用管線。

通過實(shí)例證明，用土壓平衡掘進(jìn)機(jī)施工不僅安全、可靠，而且施工進(jìn)度快、效率高。

4.2 手掘式頂管施工

優(yōu)點(diǎn)：工作坑占用場(chǎng)地小，施工機(jī)具簡(jiǎn)單、造價(jià)低、技術(shù)難度低，使用廣泛。

缺點(diǎn)：對(duì)不同地質(zhì)條件有很大的局限性，不適用于小管徑，適用土質(zhì)范圍較窄，頂進(jìn)面土壓不能平衡，容易塌方，安全隱患比機(jī)械頂管要大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工進(jìn)度慢。

手掘式頂管施工需要采取有效的預(yù)防措施，否則就會(huì)發(fā)生不安全事故，因此必須高度重視并做好手掘式頂管施工的安全控制。

通過以上對(duì)比和本工程的實(shí)際情況，經(jīng)過專家多次論證后，最終采用了土壓平衡掘進(jìn)機(jī)頂管施工方案。

5 結(jié)語

土壓平衡掘進(jìn)機(jī)頂管施工方案順利完成了本工程四條管線的施工，對(duì)高速公路正常運(yùn)營(yíng)無任何影響，同時(shí)也節(jié)省了成本，為以后類似項(xiàng)目在技術(shù)上積累經(jīng)驗(yàn)。因此，土壓平衡掘進(jìn)機(jī)頂管施工從技術(shù)方面講是可行的，從社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益方面講貢獻(xiàn)是巨大的。陜西水利