近海岸復(fù)雜地質(zhì)下RCCP頂管工藝研究

尚恒

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，長(zhǎng)沙410004）

1 工程概況

馬來(lái)西亞凱德隆火電項(xiàng)目，位于馬來(lái)西亞砂撈越州民都魯市。本項(xiàng)目采用海水直冷方式，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)共設(shè)置3根引水管和1根排水管。由于引水管和排水管需要穿越天然氣管道及岸堤段的管道，所以引水管和排水管的部分管道采用頂管方式進(jìn)行施工。

引水管和排水管頂管材料均為鋼筋加強(qiáng)鋼筒混凝土管（RCCP管）。引水管頂管直徑DN 2 400 mm（外徑2 880 mm），單根管道長(zhǎng)度4 m，頂管位置設(shè)計(jì)進(jìn)洞軸線高程為-6.0 m，最外端覆土厚度為1.3 m，頂管末端至取水頭的高密度聚乙烯（HDPE）管道采用埋管法施工。排水管頂管直徑DN 3 600 mm(外徑4 320 mm)，單根管道長(zhǎng)度3 m，頂管設(shè)計(jì)進(jìn)洞軸線高程為-4.65 m，末端覆土厚度為1.35 m，管軸線呈i=0.1的下行坡度，末端與玻璃鋼（GRP）排放口段連接。引水管和排水管頂管均不設(shè)置接收井，待頂管施工結(jié)束后，采用開(kāi)挖方式將機(jī)頭挖出后再進(jìn)行切割拆除。

2 頂管施工工藝和RCCP管

2.1 頂管施工工藝介紹

在頂管施工中最為流行的有3種平衡理論：氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡[1]。頂管施工的管材主要有鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼管等，管道直徑為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，且一般小于3 m。頂管穿越區(qū)域一般為土質(zhì)地基，管道埋深較深，地下水較深，管頂覆土厚，頂管施工難度和危險(xiǎn)性較小。

本項(xiàng)目采用泥水平衡頂管施工技術(shù)，是利用泥水壓力來(lái)平衡土壓力和地下水壓力的一種頂管施工方法。其基本原理是頂進(jìn)機(jī)頭前端刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)全斷面切削土體，尾端受控頂進(jìn)，先前掘進(jìn)，在此過(guò)程中利用頂管機(jī)泥水倉(cāng)內(nèi)的泥水壓力來(lái)平衡頂管機(jī)所處土層中的土壓力和地下水壓力，同時(shí)利用排出的泥水來(lái)輸送棄土的一種頂管施工工藝。

頂管機(jī)頭泥水倉(cāng)內(nèi)的壓力平衡是工藝控制的關(guān)鍵。泥水平衡頂管機(jī)在頂進(jìn)中，須實(shí)時(shí)關(guān)注泥水倉(cāng)中的壓力，將泥水壓力控制在主動(dòng)和被動(dòng)土壓力之間。通常采用控制頂進(jìn)速度與排泥速率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)泥倉(cāng)中泥水壓力的控制，從而把對(duì)土體擾動(dòng)的影響減小到最低程度。頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置在泥倉(cāng)中的土壓傳感器實(shí)時(shí)采集泥水倉(cāng)中的壓力數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中，經(jīng)控制計(jì)算機(jī)處理后，輸出各個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)作參數(shù)，進(jìn)行頂管作業(yè)，自動(dòng)化程度較高。其控制原理主要是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)漿管流量、排泥管流量和頂進(jìn)速度等來(lái)調(diào)節(jié)泥水倉(cāng)壓力，從而達(dá)到泥水壓力平衡的效果。

2.2 RCCP管介紹

RCCP是類似于鋼筋混凝土管（RCP）的一種，主要的區(qū)別就是用鋼筒替代了一層鋼筋籠。RCCP是按照美標(biāo)AWWAC300《Reinforced Concrete Pressure Pipe，Steel-cylinder Type》（預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筒管）進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，單根尺寸最長(zhǎng)為60.96 cm(24 in)，直徑最大為304.8 cm（120 in）。與鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼管相比，RCCP管的特點(diǎn)如下：

1）強(qiáng)度比鋼筋混凝土管、玻璃鋼管高，比鋼管耐腐蝕；

2）可以預(yù)制成型，采用承插式連接方式，連接處采用橡膠密封墊和止水O形圈；

3）工廠預(yù)制，可以嚴(yán)格控制各項(xiàng)尺寸偏差、保證成品的產(chǎn)品質(zhì)量；

4）管道內(nèi)外承壓能力強(qiáng)；

5）內(nèi)壁鋼套管厚度較鋼筋混凝土管管道厚（＞10 mm）,可以直接用于頂管施工。

3 本工程工藝難點(diǎn)

與常規(guī)頂管相比，本項(xiàng)目頂管具有以下難點(diǎn)：（1）管材為RCCP管，且尺寸為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸管道；（2）頂管所處區(qū)域地質(zhì)為中密實(shí)砂層，極易出現(xiàn)坍塌情況；（3）頂管頂進(jìn)過(guò)程中需下穿地面上部現(xiàn)有的煉油廠的主天然氣管道；（4）頂管從岸上向海里進(jìn)行頂管。

4 解決方案

4.1 RCCP管道非標(biāo)尺寸問(wèn)題

本次頂管專門(mén)定制4臺(tái)泥水切削氣壓平衡工具管作為頂管工具管，其中3臺(tái)用于DN2 400 mm引水管頂管施工，1臺(tái)用于DN3 600 mm排水管頂管施工。泥水切削氣壓平衡工具管分開(kāi)挖艙和操作艙2部分。中間有鋼板密封隔離，開(kāi)挖艙設(shè)有擋土擱柵、泥土攪拌器、防爆照明燈、高壓水槍、加氣孔，底部為吸泥口。操作艙內(nèi)有4組糾偏系統(tǒng)、加壓裝置、出泥控制閥，尾部是1道氣閘門(mén)，門(mén)中央為測(cè)量覘標(biāo)。

為增加頂管工具管刀盤(pán)的耐磨性，防止刀盤(pán)磨損過(guò)快，需要對(duì)頂管工具管刀盤(pán)進(jìn)行合金堆焊。同時(shí)為減小土體進(jìn)入泥水倉(cāng)的速度，防止頂管工具管頂部坍塌，對(duì)工具管泥水進(jìn)口進(jìn)行了適應(yīng)性改造并取得了實(shí)用新型專利。經(jīng)過(guò)專門(mén)定制和改造的頂管工具管具有以下特點(diǎn)：

1）在工具頭部正面遇障礙物時(shí)，可以啟動(dòng)刀盤(pán)進(jìn)行切削，遇到難以切削的障礙物時(shí)，可以在對(duì)氣壓艙加壓的情況下，實(shí)行人員進(jìn)倉(cāng)的方法完成障礙物的清理或處理。其處理能力為可處理直徑400～500 mm或更大的硬物。

2）結(jié)構(gòu)實(shí)用，適用性及可操作性強(qiáng)，施工速度快。在砂地層頂進(jìn)時(shí)，利用泥水注漿系統(tǒng)能有效形成封閉的泥漿環(huán)，有效地防止塌陷、流沙現(xiàn)象產(chǎn)生，并可用局部氣壓來(lái)疏干沙土中的含水量。

3）開(kāi)挖面與操作倉(cāng)相互隔離，作業(yè)安全有保障，施工人員不易受地下沼氣等可燃?xì)怏w的影響。

4）開(kāi)挖面土體形式及土質(zhì)變化情況可通過(guò)觀察窗直接觀察，便于施工參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

4.2 中密實(shí)砂層地質(zhì)出現(xiàn)坍塌問(wèn)題

在施工前采用地質(zhì)鉆孔與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)相結(jié)合來(lái)確定前方土體情況，對(duì)不良地質(zhì)采取加固措施，注意控制施工質(zhì)量,提高管道糾偏效果。在施工過(guò)程中，分別在地表及臨近建筑物與頂進(jìn)管線上布點(diǎn)，以形成具有一定數(shù)量測(cè)點(diǎn)覆蓋率的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)施工期間的變形。在頂管掘進(jìn)過(guò)程中，以適當(dāng)?shù)膲毫?、合適的注漿量和合理配比的壓漿工藝，在管道周圍的環(huán)形空隙中進(jìn)行同步注漿和補(bǔ)漿，既能減小摩擦阻力，又起到控制或減小地面沉降的作用。

如果在頂進(jìn)過(guò)程中局部出現(xiàn)坍塌或地面變化情況，可以通過(guò)調(diào)控頂管掘進(jìn)時(shí)的取土量及增加注漿保護(hù)，對(duì)出現(xiàn)的塌陷或地面變化區(qū)域，及時(shí)進(jìn)行回填加固處理。頂管結(jié)束后，為確保所有頂管穩(wěn)定、安全，在頂管管線上布置一定數(shù)量的鉆探孔，用于初步檢查頂管頂部土層是否存在空洞，如發(fā)現(xiàn)空洞，則需要進(jìn)一步采用多頻道表面波分析法（MASW）對(duì)頂管管線的頂部土層進(jìn)行空洞探測(cè)。根據(jù)勘測(cè)情況，如果頂管管線上方存在空洞，則所有空洞都需要進(jìn)行灌漿處理。灌漿孔直徑應(yīng)≥50 mm，灌漿材料采用水灰比為0.5∶1的水泥凈漿。

4.3 頂管管線上部的天然氣管道問(wèn)題

管線上部的天然氣管道由于正在運(yùn)行中，為防止天然氣管道基礎(chǔ)出現(xiàn)沉降，確保天然氣管道支撐牢固和運(yùn)行安全，采用型鋼在穿越天然氣管道軸線的兩側(cè)進(jìn)行水平加固支撐。支撐結(jié)構(gòu)為預(yù)制混凝土塊和工字鋼。

在頂管穿越天然氣管道時(shí)，重中之重是一定要控制好差異沉降，差異沉降較大時(shí)，必須有針對(duì)性地進(jìn)行加固處理。在頂管穿越天然氣管道過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)沉降接近警戒值時(shí)，要增加監(jiān)測(cè)頻率，以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)頂管作業(yè)的操控，如果出現(xiàn)沉降超標(biāo)現(xiàn)象時(shí)，要及時(shí)會(huì)同其運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)做好預(yù)防措施，同時(shí)，要配備足夠的機(jī)動(dòng)設(shè)備，一旦發(fā)生意外情況，在第一時(shí)間投入工作。頂管穿越天然氣管線后，必須對(duì)天然氣管道繼續(xù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，直至其變形趨于穩(wěn)定。同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從管道內(nèi)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行管道外注漿，如若發(fā)現(xiàn)后期沉降、通過(guò)管道內(nèi)注漿不能得到很好控制時(shí)，可以考慮采取地面加固措施，如分層注漿等。

4.4 頂管從岸上向海里進(jìn)行頂管的問(wèn)題

由于沒(méi)有接收井，頂管管道前端有可能直接脫落入海，因?yàn)殚_(kāi)挖頂管工具管時(shí)會(huì)對(duì)前端管道造成一定擾動(dòng)，向外拉出頂管工具管時(shí)也會(huì)對(duì)前端管道產(chǎn)生向外的拖拽。所以，在頂管前端60 m的每節(jié)管道之間采用拉桿連接為一體，工具管和第1節(jié)頂管之間也采用拉桿連接。此外，前端60 m的管節(jié)之間需要進(jìn)行焊接處理，焊接完成后才能拆除拉桿。由于向海里頂管，頂管機(jī)頭必須在水下進(jìn)行切割，頂管接頭切割打撈出水后，由于機(jī)頭的去除，管道外端呈開(kāi)放性狀態(tài)處在開(kāi)挖好的基坑中，風(fēng)浪季節(jié)的涌浪很可能會(huì)將管口的泥沙推進(jìn)管內(nèi)。

為了避免這種情況發(fā)生，在機(jī)頭切割后，管口需要采用特制的半合臨時(shí)堵頭進(jìn)行封堵，這樣，即使管口在風(fēng)浪季節(jié)被埋入泥沙下，管內(nèi)也不會(huì)有泥沙進(jìn)入。此外，在頂管內(nèi)未注滿水的情況下，進(jìn)行頂管工具管拆除，海水將會(huì)突然灌入頂管內(nèi)，在頂管端口產(chǎn)生巨大吸附力和漩渦，存在非常大的安全隱患和危害。所以，在拆除頂管工具管前，需要提前將頂管管道內(nèi)注滿水。通過(guò)頂管末端封板上帶閘閥的注水管進(jìn)行注水，封堵板的頂部設(shè)置φ100 mm的排氣管，在注水時(shí)排氣。

4.5 外端淺覆蓋層的問(wèn)題

頂管覆蓋層厚度不足，一旦控制不好，很容易造成管道上浮。為消除這種上浮力，避免頂管段出現(xiàn)上浮、翹曲等現(xiàn)象，保證頂管段管道的穩(wěn)定，采取以下措施進(jìn)行頂管淺覆蓋層抗浮處理：（1）適當(dāng)降低頂管頂進(jìn)速度；（2）在管道內(nèi)增加配重，提高管道的整體重量，以抵消浮力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，考慮到搬運(yùn)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)制作簡(jiǎn)易運(yùn)輸小車，用于配重材料的裝運(yùn)。配重材料采用螺紋鋼，螺紋鋼單根長(zhǎng)度≤3 m，直徑≤32 mm。

根據(jù)相關(guān)計(jì)算，在現(xiàn)有海底覆蓋層厚度情況下，管內(nèi)壓載的配重只需達(dá)到0.71 t/m即可滿足抗浮要求。如果出現(xiàn)極限地質(zhì)，即頂管上部覆蓋層極其薄弱，則需加大管內(nèi)配重，使得管道一直保持滿足抗浮要求的狀態(tài)，完成最終頂管。

5 其他問(wèn)題

本項(xiàng)目在頂管過(guò)程中還遇到了以下一些未預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題。

5.1 頂管布置角度問(wèn)題

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，排水管頂管從跌水井往海中方向呈坡比為10%的下坡布置狀態(tài)。該情況下，頂管前端內(nèi)容易積水，造成頂管內(nèi)施工環(huán)境惡化，增加頂管施工難度。另外，由于頂管下坡布置，需要斜向下進(jìn)行頂管施工。由于頂管工具管和頂管管節(jié)重量重，在斜向下頂管的情況下，頂管工具管和頂管管節(jié)產(chǎn)生平行于頂管軸線斜向下的重力分力，使頂管工具管和頂管管節(jié)處于斜向下外脫和下墜的狀態(tài)，不容易對(duì)頂管工具管和頂管管節(jié)進(jìn)行控制，造成頂管軸線控制難度加大，也使得頂管糾偏工作變得復(fù)雜和困難。建議：在后續(xù)類似工程中，盡量將頂管設(shè)計(jì)為水平或斜向上布置。

5.2 頂管吊點(diǎn)問(wèn)題

頂管管節(jié)為圓筒狀光面結(jié)構(gòu)，管節(jié)上未設(shè)置吊點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)主要采用單根吊帶穿過(guò)頂管管節(jié)或2根吊帶箍住頂管管節(jié)的方法進(jìn)行頂管吊裝。這種方法在吊裝過(guò)程中不容易對(duì)頂管進(jìn)行控制，存在安全隱患。建議：在后續(xù)類似工程中，配備管節(jié)的專用吊具，提高安全保障與保證施工質(zhì)量，或者在頂管關(guān)節(jié)外部預(yù)留2個(gè)吊點(diǎn)。吊點(diǎn)部位應(yīng)設(shè)計(jì)為凹槽型式，避免吊點(diǎn)外凸而影響頂管頂進(jìn)施工。待頂管吊裝完畢后，采用砂漿（其強(qiáng)度不低于頂管混凝土強(qiáng)度）或填縫材料將吊點(diǎn)處的凹槽填抹平整。

5.3 頂管工作井吊裝空間問(wèn)題

頂管工作井區(qū)域空間較小，凈寬度5.45 m。單根頂管包括承插段長(zhǎng)度4.14 m，頂管工具管長(zhǎng)度4.5 m，吊裝空間富余量較小，造成吊裝作業(yè)難度較大。建議：在后續(xù)類似工程中，對(duì)頂管工作井的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合頂管和工具管的尺寸，適當(dāng)加大頂管工作井操作空間的尺寸，以減小頂管管節(jié)和頂管工具管吊裝作業(yè)難度。

5.4 排水管頂進(jìn)到前端遇到枯木問(wèn)題

在排水管頂管頂進(jìn)施工過(guò)程中，頂進(jìn)至前端靠近海邊區(qū)域，地層中發(fā)現(xiàn)大量枯木。由于頂管工具管刀盤(pán)不具備削碎大塊狀有韌性硬物的功能，所以，頂管施工受到很大影響，無(wú)法繼續(xù)向前頂進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)只能暫停頂管施工，采用挖機(jī)將枯木挖出后，方能繼續(xù)向前頂管。建議：在后續(xù)類似工程中，加強(qiáng)對(duì)近岸處的地質(zhì)調(diào)查，在正式頂管前對(duì)障礙物進(jìn)行清理，避免影響施工工期。

5.5 末節(jié)管道問(wèn)題

由于最后一節(jié)管道頂入后，要進(jìn)行孔板封堵，為避免封閉孔板和末節(jié)管道受灌水壓力發(fā)生脫離情況，建議：對(duì)頂管末節(jié)設(shè)置永久性固定裝置。同時(shí)，在封閉孔板上預(yù)留φ100 mm的排氣閥，以保證在頂管管道注水時(shí)能夠?qū)㈨敼芄艿乐屑Y(jié)的空氣排出，進(jìn)而減小因灌水對(duì)封閉孔板造成的壓力。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)馬來(lái)西亞凱德隆火電項(xiàng)目RCCP頂管工藝研究，分析本項(xiàng)目頂管工作的特點(diǎn)及難點(diǎn)，并給出各個(gè)難點(diǎn)的解決方案。同時(shí)，也分析了在整個(gè)頂管過(guò)程中所遇到的其他一些問(wèn)題，并提出了相關(guān)建議。通對(duì)該項(xiàng)目RCCP頂管工藝的分析，對(duì)今后其他類似工程具有一定的借鑒意義，特別是面向遠(yuǎn)海進(jìn)行頂管且不設(shè)置接收井的頂管工藝有很重要的參考價(jià)值。通過(guò)對(duì)頂管工藝的分析，有助于頂管工藝的完善，可進(jìn)一步開(kāi)拓此類項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。