輸水管線地下穿越施工方案選擇論述

種江鋒

（中國水電建設(shè)集團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。本標段為其中的一段，樁號C113+529～C132+714， 線 路 全 長 為19.185km，其中 PCCP管段線路長18.445km，鋼管段線路長0.730km，管線在樁號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450m。

穿越處頂管上游樁號C116+314，下游樁號C116+431，在高速路東側(cè)，高速路與萬米排干和村道形成一個狹小的三角形。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，全風化～強風化狀態(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)時間盡可能長，再實施相鄰的管線，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）的驗收、運輸及卸管，鋼筋混凝土套管頂進450m，鋼管組裝、焊接和穿越，鋼管與套管間填充水、泥漿。

2 土壓平衡掘進機施工方案

2.1 主要特征

土壓式平衡掘進機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，以平衡頂管機前的土壓力和地下水壓力，具體為：①頂管機在頂進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頂管機螺旋出土器的排土量與頂管機推進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里面，然后再運到工作井將其吊起。

2.2 工作井和接收井的施工方法及主要事項

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。沉井施工對周邊環(huán)境影響有限，整體性較好，不需要長時間降水。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，井壁砼強度達到70%以后方可下沉。沉井采用機械結(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，均衡對稱地進行，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)計標高時，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，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)計標高20cm左右時應(yīng)停止取土，靠自重下沉至設(shè)計標高。當沉井下沉緩慢時，宜采用膨潤土制作觸變泥漿助沉，以減少摩阻力；當沉井下沉太快時，采用少挖刃腳，增加鍋底深度的方法。工作人員和機械分三班作業(yè)，下沉過程中不停頓以防增加下沉阻力。

沉井下沉至設(shè)計標高后，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，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，素砼達到強度后清除表面浮泥，綁扎鋼筋澆筑混凝土，養(yǎng)護期間一直利用集水井抽水。

2.3 設(shè)備配置

主頂進系統(tǒng)共有4只2500kN單沖程等推力油缸，行程1500mm，總推力10000kN（實際控制頂力為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)計圖一致，以使頂進受力點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重要技術(shù)措施，在頂進過程中，通過頂管機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，采用多點對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，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“土機頭”導(dǎo)進，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接收井頭部位置，都準備采用螺旋樁做圍護，目的是不擾動后背的原狀土，分別保證后背的頂力和吊車停靠吊出工具管，其他三面準備采用放坡開挖。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，頂管覆土2m～4m時，原土后背墻的長度需要4m～7m。如無法使用原土做后背墻時，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后座墻的單位面積的壓力。

3.3 頂管施工及注意事項

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

主千斤頂頂推時，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，讓泥土進入工具管內(nèi)，當千斤頂達到最大行程后，全部縮回，放入頂鐵，千斤頂繼續(xù)頂進，如此反復(fù)，管段不斷向土中延伸。當工具管和第一節(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，然后使用行吊進行出土，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處時開始挖土，同時防止其他水源進入頂管管道。管前挖土一次進尺長度，以千斤頂?shù)囊粋€行程長度為宜。土質(zhì)好可超前500mm以內(nèi)，不宜超前開挖過長，以免引起管位偏差大和管端上方土坍塌。應(yīng)嚴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時，管周圍不得超挖。在松軟性土層中頂進時，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)及時外運。

3.4 施工設(shè)備

主要施工設(shè)備有：8個320T千斤頂、高壓油泵、自制土機頭等。

4 方案選擇

4.1 土壓平衡掘進機

特點：適用范圍廣，比如軟粘土層、砂層等都可適用；采用了先進的土壓平衡原理，施工時對地面及地下建筑物、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。

通過實例證明，用土壓平衡掘進機施工不僅安全、可靠，而且施工進度快、效率高。

4.2 手掘式頂管施工

優(yōu)點：工作坑占用場地小，施工機具簡單、造價低、技術(shù)難度低，使用廣泛。

缺點：對不同地質(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，頂進面土壓不能平衡，容易塌方，安全隱患比機械頂管要大，勞動強度大，施工進度慢。

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。

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

5 結(jié)語

土壓平衡掘進機頂管施工方案順利完成了本工程四條管線的施工，對高速公路正常運營無任何影響，同時也節(jié)省了成本，為以后類似項目在技術(shù)上積累經(jīng)驗。因此，土壓平衡掘進機頂管施工從技術(shù)方面講是可行的，從社會效益和經(jīng)濟效益方面講貢獻是巨大的。陜西水利