鋼套筒結(jié)合搓管技術(shù)在頂管井工程中的應(yīng)用

史紅福 李濤

1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 510060

2.佛山市佛利建設(shè)工程有限公司 528000

引言

2011 年3 月簽訂的《粵澳合作框架協(xié)議》，研究對(duì)澳供水管道從橫琴方向直接進(jìn)入澳門路氹城區(qū)的可行性，完善珠澳供水設(shè)施，提高珠澳供水系統(tǒng)調(diào)蓄能力和保障能力，保障對(duì)澳供水安全，共同推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)。珠海對(duì)澳門現(xiàn)狀供應(yīng)原水，包含三條輸水管道，分別為兩條DN1000 管道和一條DN1800 供水管，均從竹仙洞水庫連接至澳門青洲水廠。第四條對(duì)澳供水管道DN1800 規(guī)劃由橫琴蓮花大橋附近接入路氹城區(qū)，如圖1 所示。

在沿海地區(qū)，地質(zhì)、水文條件復(fù)雜且有深厚軟土層，傳統(tǒng)的不排水下沉沉井法采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式，整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，有較大的承載面積，能承受較大的垂直荷載和水平荷載，沉井本身即是基礎(chǔ)，又是施工時(shí)的擋土結(jié)構(gòu)，但沉井法施工工期較長，施工技術(shù)要求高，下沉過程中容易下沉過快造成沉井傾斜或者下沉困難等，要及時(shí)糾偏和采取相應(yīng)的助沉措施。對(duì)于沿海地區(qū)，地質(zhì)差，埋深大，采取不排水下沉法施工，更是增加了施工難度，且對(duì)周邊環(huán)境影響大。本文介紹了一種新型工藝，采用與設(shè)計(jì)同口徑供水鋼管，利用外套鋼套筒的方式，形成密閉空間，滿足施工條件，解決施工過程中的難題。

1 工程概況

工程位于澳門西堤馬路，東南側(cè)為澳門蓮花海濱大馬路，西側(cè)為十字門水道堤岸，北側(cè)為百老匯用地。根據(jù)澳門政府和內(nèi)地政府簽訂的第四條對(duì)澳供水管協(xié)議，從珠海橫琴頂進(jìn)DN1800 管跨海過澳門，由于在澳門段埋深深達(dá)約30m，出于對(duì)澳門段周邊燃?xì)饧半娏艿赖仍O(shè)施的保護(hù)，采用一種新型的鋼套筒裝備，通過搓管技術(shù)先引孔沉入DN3000 鋼套筒至頂管以上500mm，后在鋼套管下部開U型口再沉至頂管底以下300mm，然后在鋼套筒內(nèi)沉入DN1700 供水管鋼管，沉入的DN1700 鋼管與特殊段頂管進(jìn)行焊接，并在靠近地面段與澳門段供水管相連接，施工過程如圖2 所示。此種方法在垂直提升的基礎(chǔ)上更加節(jié)省空間，鋼套筒施工在地面上焊接能更好地保證質(zhì)量，施工簡便可靠，并且鋼套管可對(duì)內(nèi)套給排水鋼管起到支撐、保護(hù)的作用，延長管道的使用壽命。

圖2 鋼套筒及供水管的施工Fig.2 Steel sleeve and water supply pipe of construction

2 地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本工程頂管沉井穿過的土層分別為：①2素填土（厚度12.0m）；③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（厚度6.0m）；③1粉質(zhì)黏土（層厚度6.0mm）和③7粉質(zhì)黏土。頂管鋼套筒落入粉質(zhì)黏土層中，軟基無需另外處理，具體土質(zhì)工程參數(shù)見表1。

表1 土質(zhì)工程參數(shù)Tab.1 Geological parameters

3 鋼套筒設(shè)計(jì)

3.1 方案介紹

鋼套筒［2］采用帶U型槽口鋼板，選用Q345鋼，鋼套筒與頂管特殊管段連接，鋼套筒內(nèi)套供水豎管，鋼管下切口曲率與頂管段特殊管段鋼管曲率相吻合，貼合面采用橡膠圈止水，供水豎管在頂部與澳門段供水管道焊接，如圖3所示。

圖3 鋼套筒剖面（單位： mm）Fig.3 Section of steel sleeve（unit：mm）

3.2 “有限元法”鋼套筒數(shù)值模擬計(jì)算

為了更準(zhǔn)確直觀地呈現(xiàn)鋼套筒的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、經(jīng)濟(jì)，本文采用Midas GTS NX軟件，按照工程實(shí)際受力情況對(duì)鋼套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。

改變鋼套筒第一段特殊管節(jié)（帶U 型槽口）厚度，保持其他管節(jié)厚度不變，所得應(yīng)力及豎向位移曲線如圖4 所示。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在其他管節(jié)厚度不變的情況下，改變第一段帶U型槽口特殊管節(jié)的厚度，應(yīng)力影響較大，位移幾乎無影響，考慮到開槽對(duì)管段強(qiáng)度的削弱，同時(shí)為了避免施工過程中發(fā)生卷邊等問題，第一特殊管節(jié)厚度采用50mm 厚，其他管節(jié)壁厚采用34mm，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖4 應(yīng)力及豎向位移與第一段管節(jié)壁厚的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between stress and vertical displacement and wall thickness of the first section of pipe

圖5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.5 Computed results of numerical simulation

4 鋼套筒系統(tǒng)施工

首先通過鉆孔設(shè)備鉆孔3000mm，利用搓管技術(shù)沉入DN3000 鋼套管至頂管以上500mm，后在鋼套管下部開U 型口再沉至頂管底以下300mm，鋼套管與頂管垂直相交，然后清空DN3000 鋼管內(nèi)泥土，在DN3000 鋼套管內(nèi)沉入DN1700鋼管與頂管垂直相交，DN1700 鋼管下管口曲率與DN1800 鋼管曲率相吻合，其次在DN1700管道管口套止水橡膠圈，同時(shí)對(duì)DN1700鋼管與DN3000鋼套管間隙內(nèi)清孔后澆注C20水下混凝土，抽干孔內(nèi)積水，從豎向DN1700 管道內(nèi)，在頂管鋼管上開孔，孔徑不小于DN1700，最后在鋼套管內(nèi)進(jìn)行豎管與水平頂管焊接和埋管連接。

鋼套筒［2］鋼板選用Q345 鋼，鋼板厚分別為50mm（特殊管段）和34mm，整個(gè)結(jié)構(gòu)由鋼套筒、排水豎管、頂管特殊管段和止水及封底混凝土系統(tǒng)等部分組成。

4.1 鋼套筒系統(tǒng)

鋼套筒選用帶U 型槽口，直徑DN3000mm，上段板厚34mm，下段（特殊管段）板厚選50mm，如圖6 所示。鋼套筒沉管施工質(zhì)量控制如下：

圖6 鋼套筒系統(tǒng)（單位：mm）Fig.6 System of steel sleeve（unit：mm）

（1）鋼套管的U型槽口與頂管特殊管道曲率一致，保證與頂管特殊管道貼合，下套管時(shí)，套管槽口中心線與頂管軸線重合，下放時(shí)避免套管扭轉(zhuǎn)。

（2）鋼套筒管道引孔的位置準(zhǔn)確，保證引孔的垂直度、孔徑大小，在起重吊放前，要對(duì)孔位進(jìn)行復(fù)核，鋼套管的中心要與孔位中心重合。

（3）起吊時(shí)緩慢沉入鋼套管，單節(jié)鋼套管下沉至預(yù)定深度后與地面平臺(tái)臨時(shí)固定，平臺(tái)的強(qiáng)度應(yīng)能承受管道的重量，在地面澆筑鋼筋混凝土梁，預(yù)埋鋼板與套管臨時(shí)連接，固定應(yīng)牢固，避免管道松動(dòng)掉落、傾斜，然后進(jìn)行管道接高，鋼套筒焊縫采用等強(qiáng)對(duì)接焊縫，焊縫等級(jí)不應(yīng)低于2 級(jí)。

（4）鋼套管在下放的過程中應(yīng)定期測(cè)量垂直度，發(fā)現(xiàn)管道傾斜時(shí)，應(yīng)及時(shí)將管道拔出，重新下放，起吊時(shí)應(yīng)緩慢，不能超過吊車以及鋼絲繩的起重量。

4.2 供水豎管

供水豎管采用DN1700 鋼管，厚20mm，為永久性供水管道，鋼管下切口曲率與頂管段特殊管段鋼管曲率相吻合，貼合面采用橡膠圈止水，鋼管頂部與澳門段供水管道焊接如圖7 所示。供水豎管吊放施工如下：

圖7 排水豎管（單位： mm）Fig.7 Standpipe（unit：mm）

（1）管道分兩次進(jìn)行吊放，首先在場地內(nèi)拼裝好，在鋼管上端和下段焊接限位鋼板，第一節(jié)吊放到位臨時(shí)固定，然后進(jìn)行第二節(jié)拼接吊放，吊放到位后再進(jìn)行固定。

（2）放前對(duì)頂管軸線位置及管道中心準(zhǔn)確定位，供水鋼管與頂管特殊管段連接面為弧形，管道加工要精確，并在弧面坡口處貼止水橡膠圈，與頂管特殊管段曲率一致。

（3）對(duì)套管內(nèi)進(jìn)行清孔。

4.3 沖排泥施工

在DN3000 鋼套筒及DN1700 供水鋼管下放到位后進(jìn)行水下沖泥，清理DN3000 套管與頂管鋼管間的泥土，操作方法為：高壓水泵、管路、起吊設(shè)備等組成一套綜合自動(dòng)沖泥系統(tǒng)，清理套管內(nèi)泥土。水下沖泥時(shí)，將水下沖泥設(shè)備放在需要沖泥的位置，用高壓水槍沖掃泥面，泥漿由水平頂管特殊管段預(yù)留的排泥閥排出。沖排泥時(shí)，保持孔內(nèi)水位高度，保證內(nèi)外水位平衡。待套管內(nèi)頂管周邊土體清理完成后，在兩套管及頂管鋼管之間及時(shí)澆筑水下混凝土。

4.4 止水及封底混凝土系統(tǒng)

止水系統(tǒng)主要是沉入的供水鋼管與頂管段鋼管連接處的止水，兩邊連接處均設(shè)止水橡膠圈。封底系統(tǒng)用于鋼套筒和供水管之間進(jìn)行水下封底混凝土，同時(shí)內(nèi)預(yù)埋注漿管，作為封底混凝土漏水情況下的應(yīng)急措施，如圖8 所示。

圖8 止水及封底混凝土系統(tǒng)（單位： mm）Fig.8 System of water stop and bottom sealing concrete（unit：mm）

4.5 頂管特殊管段

特殊管段系統(tǒng)屬于頂管施工過程中給排水鋼管的首段部分，施工本段頂管的第一管節(jié)，內(nèi)設(shè)多道環(huán)向支撐、一個(gè)排泥閥和一塊帶肋封板，鋼管端頭則用鋼板進(jìn)行封堵，封板與鋼管接頭之間用水泥漿液進(jìn)行填充密實(shí)，如圖9 所示，頂管到位后頂管工具頭廢棄。

圖9 頂管特殊管道（單位： mm）Fig.9 Special pipe jacking（unit：mm）

5 結(jié)語

鋼套筒結(jié)合搓管工藝在頂管工程中是一種適合在城市施工的環(huán)保安全性施工技術(shù)，成功解決了常規(guī)工藝施工對(duì)居民區(qū)的干擾以及避免了在沿海地區(qū)軟弱地層中鉆進(jìn)成孔過程中出現(xiàn)塌孔的情況，有效地解決了傳統(tǒng)的不排水下沉沉井法施工工期較長、施工技術(shù)要求高、下沉過程中容易下沉過快造成沉井傾斜或者下沉困難等技術(shù)問題，最大限度地保證施工質(zhì)量，為施工方節(jié)省了大量的人力及物力，顯著減少因操作不當(dāng)造成的機(jī)械和人身事故，避免普通工法對(duì)臨近建筑物基礎(chǔ)和地層的撓動(dòng)和破壞，其社會(huì)效益是非常顯著的，對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。