某原水輸水管道工程施工方案的優(yōu)化

曹德意

（上海水務(wù)建設(shè)工程有限公司，上海 201203）

1 工程概況

X市某原水輸水管道工程全長20km，為DN1600鋼管，沿線多段敷設(shè)在老城區(qū)的主干道下，地下管線復(fù)雜。同時(shí)局部需跨越海灣灘涂、河道、水閘等障礙，沿線工程地質(zhì)情況多樣。沿線管道的敷設(shè)涉及到頂管、開挖埋管、管橋等各種施工方式。

2 管道施工方案

2.1 開挖埋管方案

2.1.1 管道基礎(chǔ)

管道基礎(chǔ)是根據(jù)管道材質(zhì)、管道形式、管道所埋處的土層性質(zhì)及地下水位的情況等來綜合確定。本工程的管徑較大，管道埋設(shè)較深，根據(jù)沿線參考地勘，管道主要埋設(shè)于素雜填土或填砂層，施工時(shí)地基土極易受擾動(dòng)。經(jīng)綜合分析比較，當(dāng)采用鋼管時(shí)，由于鋼管為整體焊接管道，能夠適應(yīng)一定的不均勻沉降，采用砂質(zhì)管基作為管道基礎(chǔ)。

2.1.2 管道地基的處理

管道敷設(shè)時(shí)，當(dāng)管道基礎(chǔ)落于松土、回填土、可液化土層等不良土層上時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地基處理。本工程線路的局部范圍存在較厚雜填土、回填土層，由于管徑較大，基坑開挖的深度較深，暴露時(shí)間比一般埋管基坑長，為保證施工及運(yùn)營安全，應(yīng)對管道地基進(jìn)行處理。對于鋼管，因其具備一定適應(yīng)沉降變形的能力，采砂墊層分層壓實(shí)換填的處理方式。

2.1.3 管道回填土

管道施工完畢并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，應(yīng)及時(shí)回填溝槽?；靥畈牧蠎?yīng)符合下列規(guī)定：回填土?xí)r，槽底至管頂以上50cm范圍內(nèi)，不得含有機(jī)物、凍土以及大于50mm的磚、石等硬塊，回填土的含水量，控制在最佳含水量附近。管槽回填土分區(qū)域采用不同的壓實(shí)度，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)規(guī)范的要求。管基和管側(cè)的回填材料采用中粗砂，確保大口徑鋼管的受力更加均勻，同時(shí)控制管道在施工時(shí)的變形。

2.1.4 管槽開挖的深度和寬度

管槽開挖的深度：根據(jù)管道形式、管徑大小、管道覆土厚度、管道所處環(huán)境、施工條件等因素綜合確定。一般可按下式計(jì)算：H=D1+h1+h2。式中H—管道溝槽底部的開挖深度（mm）；D1—管道結(jié)構(gòu)的外緣寬度（mm）；h1—管頂覆土厚度；h2—管道基礎(chǔ)厚度。

管槽開挖的寬度：根據(jù)管道形式、管徑大小及支護(hù)形式綜合確定。單管管槽底部寬度，按下式計(jì)算：B＝D1＋2（b1＋b2）。式中B—管道溝槽底部的開挖寬度（mm）；D1—管道結(jié)構(gòu)的外緣寬度（mm）；b1—管道一側(cè)的工作面寬度（mm），對于大口徑鋼管的工作面寬度不小于700mm。b2—管道一側(cè)的支撐厚度（mm）。

擬建場地環(huán)境變化較多而復(fù)雜，涉及面很廣，對管槽的影響很大。管槽的形式應(yīng)因地制宜，盡量減少對周邊環(huán)境的影響且施工安全，工程質(zhì)量可靠。

2.1.5 管槽開挖和支護(hù)形式

管槽開挖和支護(hù)形式有：放坡開挖、橫列板支護(hù)、鋼板樁支護(hù)、SMW工法及混凝土板樁支護(hù)等。對于開挖深度較淺、周圍環(huán)境保護(hù)要求不高的管槽，一般可采用大放坡開挖、橫列板支護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)埋深較深、地下水位較高、周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的地段，可采用鋼板樁支護(hù)或SMW工法。

對于本工程，基坑開挖深度3．5m，在周邊環(huán)境空曠段，可采用放坡開挖。該形式具有施工快速、技術(shù)操作相對簡單的特點(diǎn)。在市政道路下敷管，為避免開挖對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，可采用鋼板樁支護(hù)，該形式具有周邊環(huán)境影響小、占地面積小的特點(diǎn)。

管槽開挖、井點(diǎn)降水對鄰近建（構(gòu)）筑物、地下管線等設(shè)施將產(chǎn)生一定的不利影響。施工前必須查清管線鄰近的建（構(gòu)）筑物、地下設(shè)施和管線等的類型、結(jié)構(gòu)形式及分布狀況，以便采取合適的設(shè)計(jì)、施工方案和防治措施。施工期間必須由有資質(zhì)的單位進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測資料及時(shí)調(diào)整施工方法和施工工藝。

2.2 頂管方案

2.2.1 頂管施工方式的介紹

頂管工法是在地面下采用非開挖技術(shù)敷設(shè)管道的一種施工方法，它不需要明挖土層，能夠穿越江河、公路、鐵路、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線?，F(xiàn)代城市建筑、公用管線設(shè)施和各種交通日益復(fù)雜，在市區(qū)采用明挖敷設(shè)管道，對城市生活的干擾嚴(yán)重，另外，在穿越大型水域、沼澤地帶、公路和鐵路等障礙物時(shí)，用明挖法敷設(shè)管道很難實(shí)現(xiàn)或相當(dāng)不經(jīng)濟(jì)，在這種情況下，采用頂管法進(jìn)行城市給排水、電力通訊、市政公用設(shè)施等各種管道建設(shè)具有明顯的優(yōu)越性。

頂管施工的原理，是用頂管機(jī)本體前方刀盤邊切削土體，邊由后部頂進(jìn)裝置（主頂油缸及管道中繼間）將頂管機(jī)連同頂進(jìn)用管一起沿著設(shè)計(jì)軸線向前推進(jìn)。被切削的殘土，由水力或土砂壓送裝置送至地面運(yùn)走，前者稱為泥水式頂管，后者稱為土壓式頂管。當(dāng)頂管頂進(jìn)距離增加，頂力增大受到條件限制時(shí)，采用潤滑劑減阻和中繼接力技術(shù)。

完整的頂管施工系統(tǒng)大體包括以下幾大部分：（1）工作井和接收井：工作井是安放所有頂進(jìn)設(shè)備的場所，也是頂管機(jī)的始發(fā)場所，它還是承受頂進(jìn)推力的構(gòu)筑物。接收井是接收頂管機(jī)的場所。（2）頂管機(jī)：頂管機(jī)是頂管掘進(jìn)用的機(jī)器，它安放在所頂管道的最前端。（3）頂進(jìn)系統(tǒng)：由頂進(jìn)油缸、油泵、操縱臺、頂鐵和導(dǎo)軌等組成，頂進(jìn)油缸是管道頂進(jìn)的動(dòng)力。（4）推進(jìn)用管：常用的推進(jìn)用管有鋼管、鋼筋混凝土管等。（5）輸土裝置：是將頂管機(jī)開挖的土輸送出去的裝置，輸土裝置會(huì)因推進(jìn)方式不同而不同。（6）測量裝置：常用的測量裝置有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀和激光經(jīng)緯儀，在復(fù)雜的頂管中，也用自動(dòng)測量裝置進(jìn)行測量。（7）注漿裝置：通過注漿裝置在管道的外周注入潤滑漿，可大大減小管道頂進(jìn)的摩阻力。（8）中繼間（中繼環(huán)）：長距離頂管的輔助頂進(jìn)裝置。（9）供電及照明、通風(fēng)系統(tǒng)。見圖1。

圖1 系統(tǒng)示意圖

頂管技術(shù)是極為重要的一種都市鋪設(shè)管道的施工手段。采用頂管施工法鋪設(shè)管道具有如下得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：（1）頂管施工不開挖地面，能穿越公路、鐵路、河流，甚至能在建筑物底下穿過，是一種能安全有效地進(jìn)行環(huán)境保護(hù)的施工方法。（2）頂管施工的適用范圍較大，頂管機(jī)械的性能適應(yīng)各種土質(zhì)。（3）頂管機(jī)具設(shè)備較簡單，后方配套設(shè)備均可在國內(nèi)解決，價(jià)格較便宜。（4）頂管施工，尤其是鋼管施工，對管材制作的精度要求不高。（5）長距離頂進(jìn)，在國內(nèi)外均已普及，采用“中繼間”頂進(jìn)方法，基本可達(dá)到不用“中繼間”同樣的速度，施工速度較快。（6）頂管設(shè)備，由于其設(shè)備小巧和組合性強(qiáng)，既可用于硬地層和超長距離施工，也可用于其他地層和短距離施工，必要時(shí)根據(jù)土質(zhì)條件可擴(kuò)徑使用，故設(shè)備使用率高。

表1 各圍護(hù)形式優(yōu)缺點(diǎn)及適用性

2.2.2 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)處理

（1）頂管溫度應(yīng)力控制

本工程頂管的埋置深度不深，溫度對它直接影響較大，輸送的水溫變化同樣會(huì)產(chǎn)生伸縮。常規(guī)解決溫差影響的辦法有2種：①設(shè)置伸縮裝置，使管道在溫度變化下能自由變形來抵消溫差的影響。②以鋼管自身的強(qiáng)度來抵抗溫差，在鋼管計(jì)算時(shí)考慮這部分溫度應(yīng)力。采用伸縮裝置允許變形在某越江工程頂管中使用過，但效果并不理想，部分伸縮裝置出現(xiàn)滲漏，最后采用對伸縮裝置焊接封閉來解決。本工程經(jīng)過計(jì)算論證，決定采用第2方案，即由鋼管自身強(qiáng)度與土體摩阻力來抵抗管道溫度應(yīng)力。同時(shí)再采取相應(yīng)的可靠措施：①減小管道的安裝溫度與極端溫度之間的差值。②穿越井壁處采用螺栓法蘭連接。③鋼管采用支敦與工作井連成整體。

（2）頂管巖層頂進(jìn)技術(shù)控制

本工程在局部路段頂進(jìn)過程中可能會(huì)遇到風(fēng)化花崗巖層及孤石，采用常規(guī)頂管設(shè)備將無法切削，導(dǎo)致管道卡死。為避免出現(xiàn)這一情況，該區(qū)間考慮采用特殊措施：①勘察布孔加密，盡量還原區(qū)間地下土層的實(shí)際分布情況。②頂管機(jī)選擇合適的刀盤，方便施工質(zhì)量及進(jìn)度控制。采用特殊減阻泥漿形成泥漿套，減少頂管頂進(jìn)的阻力，保證頂進(jìn)速度。③機(jī)頭設(shè)置氣壓艙，遇堅(jiān)硬障礙物，可采用人工出艙清障的方式，保證連續(xù)施工。

（3）頂管區(qū)間布置

本工程管道主要位于市政道路、綠化帶下，其上沒有建筑物及其他設(shè)施，管頂覆土厚度一般取3倍管徑；當(dāng)需要穿越重要公路、雨污水管線時(shí)，則需視其情況適當(dāng)加大埋設(shè)深度。隨著頂管施工技術(shù)和工藝的提高，頂管的一次頂進(jìn)長度越來越長，目前國內(nèi)已建成的長距離鋼管頂管DN1600鋼管一次頂進(jìn)的最長距離為1400m。在長距離頂管工程中，施工供電系統(tǒng)、泥漿減阻系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)的要求相應(yīng)提高，施工中不可預(yù)見的因素將增多，施工時(shí)間也更長。本工程中一次頂進(jìn)長度主要根據(jù)管道沿線的障礙物情況、施工能力和工程進(jìn)度要求來綜合確定。在平直段一次頂進(jìn)的長度宜控制在1000m以內(nèi)。

（4）頂管工作井和接收井的技術(shù)方案

頂管用工作井和接收井一般采用沉井、SMW工法、灌注樁+止水帷幕、地下連續(xù)墻等形式。沉井法：施工工藝成熟，應(yīng)用廣泛，適用于開挖深度較深的基坑，頂管施工時(shí)沉井鋼筋砼已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，對于需要敞開時(shí)間較長的基坑，頂管施工過程中安全系數(shù)較高，且造價(jià)相對低廉。但沉井下沉?xí)r，對周邊環(huán)境有影響，需通過施工多排保護(hù)樁進(jìn)行隔水及加固，以減小其影響。SMW工法：內(nèi)插型鋼的三軸水泥土攪拌墻+內(nèi)支撐形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)及止水帷幕，施工時(shí)對周邊環(huán)境的影響較小，結(jié)合有足夠剛度的內(nèi)支撐體系，可滿足基坑變形要求，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較小，基坑開挖時(shí)變形較大，且型鋼拔出時(shí)會(huì)對周邊環(huán)境造成影響，不適用于周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑。鉆孔灌注樁+止水帷幕：施工工藝成熟，鋼筋砼鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁形成止水帷幕，施工時(shí)對周邊環(huán)境的影響較小，鋼筋砼鉆孔灌注樁剛度較型鋼水泥土攪拌墻大，因此，開挖時(shí)的基坑變形較型鋼水泥土攪拌墻小，但是造價(jià)較高。地下連續(xù)墻：施工工藝成熟，結(jié)構(gòu)剛度大，基坑開挖對周邊環(huán)境的影響小，但施工機(jī)具的場地要求較大、造價(jià)高，見表1。

基坑止水帷幕常規(guī)有三軸水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁，本工程頂管井井位均在鬧市及新建景觀場地，施工空間受限，三軸水泥土攪拌樁機(jī)具占地較大，進(jìn)出場較為困難，故選擇高壓旋噴樁（三重管）作為止水帷幕，為保證止水效果，采用雙排形式。由于頂管頂力較大，且工作井部分處于土質(zhì)較軟弱的層土中，為保證井體穩(wěn)定，工作井后背土體需進(jìn)行加固。出洞口處，為保證頂管出洞安全及初始頂進(jìn)時(shí)頂管機(jī)頭及管道穩(wěn)定，也需對土體進(jìn)行加固。土體加固方法采用質(zhì)量較易控制的高壓旋噴樁。接收井的進(jìn)洞口處，為保證工具管進(jìn)洞時(shí)的穩(wěn)定，需對土體進(jìn)行加固，土體加固方法上，同樣采用高壓旋噴樁的措施。

2.3 管橋施工方案

管道跨越水閘及地下通道端段采用管橋方式跨越。樁基承臺間距小于20m時(shí)，采用自承式管道跨越；樁基承臺間距大于20m時(shí)，采用桁架管橋跨越，見圖2，管道敷設(shè)于桁架上。管橋的鋼管與支架、支墩的支座連接采用鞍式支座。管橋支架、支墩采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，管橋支架基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖2 桁架管橋橫實(shí)例

3 管道施工對周邊環(huán)境的保護(hù)

3.1 開挖施工對環(huán)境的保護(hù)

通過現(xiàn)場踏勘，局部地段道路下其它市政管線距離本工程管道最近處只有2～3m距離，如果開挖時(shí)不對建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)，則基坑開挖勢必對基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，易造成墻體開裂等工程事故，因此現(xiàn)狀管線的保護(hù)是管道安全鋪設(shè)的先決條件。根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)及現(xiàn)狀管線的材質(zhì)和埋深，開挖埋管基坑應(yīng)采用剛度較強(qiáng)、止水性能較好的拉森鋼板樁，樁長為9m，對于本次開挖深度約為3．5m的基坑能有效地保護(hù)周邊的建筑物及地下管線?；娱_挖時(shí)，應(yīng)充分利用其時(shí)空效應(yīng)，加強(qiáng)對周邊建筑物的監(jiān)測。施工前做好應(yīng)急預(yù)案，施工時(shí)精心施工，盡可能去減少對周邊環(huán)境的影響。

3.2 頂管施工對環(huán)境的保護(hù)

本工程的頂管施工需穿越高等級道路等敏感性的障礙物，將不可避免地造成地面的沉降和地下土體的移動(dòng)。為了預(yù)估頂管對保護(hù)對象的影響范圍和影響量，需事先通過理論計(jì)算和數(shù)值分析，有針對性的采取保護(hù)措施和施工控制措施?？刹捎玫拇胧┯校撼白{加固、MJS加固等。施工時(shí)應(yīng)控制出土速度、加強(qiáng)地面及相關(guān)建筑物的監(jiān)測，做到信息化施工?？刂崎_挖面的土壓力和出土量。對頂管機(jī)提供的壓力進(jìn)行監(jiān)控，測定地表沉降、土層變形移動(dòng)和土壓力等，通過參數(shù)優(yōu)化，按測試結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整，修正施工參數(shù)，以保持開挖面的穩(wěn)定。要控制出土量，防止超挖及欠挖，出土控制在理論量的98%左右?？刂谱{壓力和注漿量。在頂管掘進(jìn)的過程中，以適當(dāng)?shù)膲毫?、必要的注漿量和合理配比的壓漿工藝，在管道周圍的環(huán)形空隙中同步注漿和補(bǔ)漿，控制和減小地面沉降的作用。頂管軸線控制。保證頂管頂進(jìn)中的軸線定位走向與設(shè)計(jì)軸線盡可能一致，減小糾偏量，有效控制因糾偏對周圍土層的剪切擠壓擾動(dòng)，利于控制地層損失。頂進(jìn)施工參數(shù)控制。頂進(jìn)速度不宜過快，一般初始控制在10mm/min以內(nèi)，正?？刂圃?0mm/min左右，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

3.3 頂管井施工對環(huán)境的保護(hù)

當(dāng)頂管井基坑開挖施工時(shí)，不可避免對周邊環(huán)境造成影響。本工程部分區(qū)間的頂管用于過防潮堤，頂管井布置于堤岸兩側(cè)。因此，頂管井基坑施工時(shí)，需對防潮堤進(jìn)行計(jì)算分析和相應(yīng)保護(hù)。根據(jù)土力學(xué)理論及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，頂管井施工周邊的土體破壞范圍為，其中L為破壞范圍，H為開挖深度，為土體內(nèi)摩擦角。因此，可初步確定頂管井與防潮堤的相對距離。在上述初步確定井位距離的基礎(chǔ)上，采用巖土工程有限元軟件作進(jìn)一步的影響分析，見圖3。土體本構(gòu)模型采用能反映土體變形的非線性彈塑性模型—硬化土體模型（Hardening soil model），以下僅選取一例分析模型進(jìn)行說明。圖4中，工作井的深度為15m，海岸由防潮堤構(gòu)成。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行堤岸預(yù)加固后，頂管井的設(shè)置距離超過一倍井深時(shí)，即使井周邊土體沉降較大，仍可確保防汛墻的安全，其位移不超過1cm。

圖3 頂管井基坑開挖施工周邊土體位移云圖

圖4 頂管井周地表土體沉降曲線

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