頂管施工技術在南水北調淮安市截污導流清安河穿運洞移建工程施工中的應用

陳中原 劉兵兵 施 偉

頂管施工技術在南水北調淮安市截污導流清安河穿運洞移建工程施工中的應用

陳中原 劉兵兵 施 偉

一、工程概況及施工工藝流程

1.工程概況

該工程為清安河穿運洞移建工程施工，工程任務是將污水處理廠尾水經清安河通過本涵洞排入淮河入海水道南偏泓，以改善南水北調東線輸水干線大運河及里運河淮安城區段的水質和水環境。設計流量29.06m3/s。

該工程洞身采用2孔C50鋼筋混凝土頂管管涵結構，單孔洞身長165m。洞首采用鋼筋混凝土沉井結構，上游（西側）設工作井、下游設接受井。

2.施工工藝流程

施工準備→測量放樣→基坑開挖→降水施工→沉井施工→墻后土體改良→頂管頂進→沉降觀測→上下游連接段→上部結構。

二、頂管頂進技術方案

南水北調淮安市截污導流清安河穿運洞移建工程頂管施工方案采用泥水平衡方案。

1.重點難點分析

頂管土層穿越地層含有砂礓石甚至砂巖，局部還有較大面積砂礓盤石，對頂管掘進和出土增加難度，增大刀盤驅動扭矩抗力，同時容易發生堵塞。為該工程施工難點，施工時需慎重對待，盡量避免頂管不連續，在河底停滯發生事故。

（1）施工中將螺旋出口器創新式增設了帶破碎功能的旋轉刀頭，具有二次破碎土體和其中的大塊砂礓石功能，可一定程度上減小取出砂礓石的粒徑，降低被堵的風險。另外，將刀盤處螺旋出口器的開口加大至51cm，便于較大礓結石的輸送。

（2）改進了刀盤上的切削刀頭的布置和切削刀頭的數量，延長刀頭的使用壽命，確保刀頭能夠滿足長距離在土層中的切削能力和耐磨能力，以便順利破碎和切削砂礓盤。

（3）加大了刀盤的驅動功率，采用6臺22kW的驅動電機，扭矩為2.0。這種大扭矩的頂管掘進機能有效地防止碰到大面積堅硬雜物，而造成刀盤轉不動的情況發生。

2.施工工藝及方法

（1）頂管機選型

為保證工程施工安全、質量及進度要求，頂管工藝采用泥水平衡頂管工藝，并根據地質情況，對改頂管機進行了針對性改造。

改造后的頂管機具有如下特點：

①掘進倉是全封閉式，隔艙、刀盤主軸密封以及糾偏段密封能夠在0.2MPa水壓力和土壓力下正常工作。本設備的主軸密封圈和筒體密封圈均為日本RASA工業株式會社提供的進口產品。

②掘進主軸功率大、旋轉扭矩大、動力強勁（本掘進機安裝了4臺30kW電機），根據掘進時的阻力，并具有動態控制掘進面泥水力平衡的功能，以避免頂進中出現超挖和欠挖導致頂進意外偏向。本掘進機在挖掘面和泥水倉分別裝有壓力表，隨時可以觀測挖掘面和泥水艙壓力狀況。

（2）設備現場安裝

井下設備安裝包括導軌安裝、千斤頂安裝、后背墻安裝及頂管機井下就位等。

①導軌安裝。導軌用型鋼制作，型鋼用螺栓緊固于鋼橫梁上，以便裝拆。鋼橫梁置于工作井底板上，并與底板上的預埋鐵板焊接，使整個導軌系統成為在使用中不會產生位移的、牢固的整體。

②千斤頂安裝。主頂站千斤頂選用6 臺200t，固定在型鋼制作的千斤頂支架上，支架焊在井底的橫梁上，千斤頂著力點應在頂管圓周上，即與管道中心的垂線對稱，其合力的作用點在管道圓心上，每個千斤頂的縱線坡度應與管道設計坡度一致。

③后背墻安裝。后背墻采用鋼板定位后縫隙灌漿，為頂管的反力提供一個垂直的受力面，承受千斤頂傳來的頂進反力。后背墻安裝后再一次復核頂管軸線，保證井壁受力均勻。

④頂管機下井。井下設備安裝完后，用70t汽車吊和50t履帶吊將經保養、檢查、調試好的頂管機分兩節吊下工作井，置于井底導軌上。

3.泥漿套措施

膨潤土泥漿具有良好的觸變性與潤滑性，將其壓到管外壁，包裹混凝土管，可大大減小管外壁與土壤間的摩阻力。當壓漿控制得當，壓漿管分布合理，膨潤土充分膨化，注入后摩阻力可大為降低。

每段頂完后，用水泥砂漿置換觸變泥漿，置換后管道上的注漿孔封閉嚴密，并將全部設備清洗干凈。水泥砂漿置換觸變泥漿空間，形成水泥砂漿包裹鋼筋混凝土管道，以保證管節牢固，防止漏水、漏泥，并填充頂管擾動。

4.中繼間選擇、使用

中繼站由若干個小千斤頂、鋼環等組成，安裝于兩管節間，其作用是將長距離頂管分解成若干個短距離頂管，采用分段接力頂進的方式實現長距離頂管，每個中繼站只負責該站至前站間的管節頂進。

該工程每段設置一個中繼間，由24個500kN千斤頂組成，中繼間總推力12000kN，實際使用按80%考慮即9600kN。

機頭迎面阻力：

F1=rkH×A=18kg/m3×0.7×11.7m×（π×1.8m2）=1500kN

式中：r為土容重，k為靜止土壓力系數，H為地面至管中心高度，A為迎土面積。

機頭外壁摩擦力：

F2=π×d=L0×f0=π×3.7×3.5m ×15=610.0kN

式中d為機頭直徑，L0為機頭長度，f0為摩擦系數。

L1=（F控-F）0.5/（πdf1）=（2000-

150-61）×0.5/（π×3.7×0.7）=109m

L2=F控×0.7/πdf2=2000×0.7/（π ×3.7×0.25）=481.8m

中繼間安放在距機頭30m左右的位置，中繼間液壓系統考慮直接從總站提供。

5.頂管初始頂進

（1）準備工作

洞門止水設施安裝完畢，軌道、基座安裝完畢，主頂、后背設施的定位及調試驗收合格，頂管機吊裝就位、調試驗收合格。

（2）頂管機出洞

①工作井洞口止水裝置應確保良好的止水效果。根據設計預留的法蘭，再在洞口內壁安裝出口器，出口器由內徑略小于管節外徑的橡膠密封圈和內徑略大于管節外徑的鋼法蘭組成，組成工作井洞口止水裝置。該裝置與導軌上的管道保持同心。

②頂管出洞應采取措施防降低地下水位，減小地下水壓力及相應影響。

③頂管機頭在井內管床就位，調試完畢，作好出洞的一切準備后，去除洞口內的磚封門，將機頭穿進橡膠密封圈頂入土中，同時在機頭與洞口的縫隙中注滿膨潤土泥漿，以潤滑管道，支護土體。

④在頂管初出洞段頂進施工過程中，密切注意頂進方向的偏差，對頂管機姿態要勤測勤糾，力爭將出洞段頂管軸線控制到最好，為后階段頂管施工形成一個良好的導向。使用激光經緯儀隨時測量監控，保證頂頭和第一節管子位置正確。

6.頂管進洞

頂管進洞是指一段管道頂完，頂管機破進洞口封門進入接收井，并作好頂管機后一節管與進洞口的密封聯接的過程。頂管機進洞前對洞口外土體進行防滲注漿，并留有足夠的固化時間。頂管機進入加固土體并到達洞口外側時，拆除磚封門，將頂管機頂入接收井。

7.頂管控制

（1）頂進姿態監測

采用經緯儀、水準儀等測量儀器測量頂管機的軸線偏差，監測頂管機的姿態。

（2）頂管機姿態調整

①滾動糾偏。由于刀盤正反向均可以出土，因此通過反轉頂管機刀盤，就可以糾正滾動偏差。允許滾動偏差小于等于1.50時頂管機自動控制系統會報警，提示操作者切換刀盤旋轉方向，進行反轉糾偏。

②豎直方向糾偏?？刂祈斶M方向的主要方法時改變單側糾偏油缸行程。但它與頂管機姿態變化量間的關系沒有固定規律，需要靠人的經驗靈活掌握。

當頂管機出現下俯時，可加大下側糾偏油缸行程，當頂管機出現上仰時，可加大上側糾偏油缸行程，來進行糾偏。

③水平方向糾偏。與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時加大左側糾偏油缸行程，右偏時則加大右側糾偏油缸行程。

8.頂進過程監控測量

右線頂進過程中，頂管頂進最大頂力為867T，小于設計頂力1200T，頂進過程中未啟動中繼站。

左線最大軸線偏差26mm，滿足規范要求的50mm最大偏差；左線高程最大偏差為-29mm，也完全滿足規范要求的（+40，-50）mm允許范圍。

右線頂進過程中，頂管頂進最大頂力為914T，小于設計頂力1200T，頂進過程中未啟動中繼站。

右線最大軸線偏差25mm，滿足規范要求的50mm最大偏差；右線高程最大偏差為-29mm，也完全滿足規范要求的（+40，-50）mm允許范圍。

三、結論

該工程沉井位置臨近里運河及清安河，頂管穿越里運河堤及里運河，地層地質復雜，含大量礓結石及巖石，穿河段覆土厚度富余量較小，頂管管徑較大，較多不利因素為該工程的施工帶來很大難度，施工過程中，通過對各種情況的分析，并積極采取了應對措施，較好地控制了質量，對管道中心線、管道底標高的控制滿足設計要求，對導軌安裝的精密控制、后背墻體的加固也為本次頂管施工的順利完成打下了基礎，施工過程中未出現地面沉降及隆起情況，為類似工程地質及諸多不利環境下的頂管施工積累了經驗

（作者單位：江蘇省淮安市水利局223005 淮安市水利勘測設計研究院有限公司 223001 江蘇中禹水利建設有限公司 223100）

（專欄編輯：周 權）