引水工程超長距離鋼頂管施工問題探討

尚澤峰

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

某城市引水工程第4合同段10～11號輸水管線，按雙線鋼管設計，并采用2臺公稱直徑2.0 m、標準節段長12.0 m的泥水平衡頂管同時推進施工，單次推進長度2 560 m。本合同段頂管主要位于湖域下方，頂管穿越微承壓水粉砂土層，設計覆土深度為5.0～10.8 m。10號和11號頂管段相距5.0 m，雙管交替推進。

頂管施工技術對地面擾動小，施工速度快，綜合成本較低?？紤]到合同段頂管工程，具有頂進距離較長，穿越土層含砂率較高，雙管交替頂進等技術難點，決定采用超長距離頂管施工。與常規頂管施工技術相比，超長距離頂管施工的關鍵是頂力控制（泥漿減摩效果的控制[1）]，并保證刀盤、軸承等不易更換部件的可靠性；此外，還應加強通風控制、長距離測量等。

2 施工難點及初設

超長距離鋼頂管施工質量的影響和制約因素較多。根據工程地勘資料，頂進施工主要面臨穿越粗砂層、塊石大堤等難題，為此，必須加強施工方案設計、工具及頂進的控制。

2.1 施工設備選擇

由于鋼頂管穿越土層的滲透系數大，且存在微承壓水，考慮到超長距離頂進的施工效率，決定采用泥水平衡式頂管機。頂管機構造具體見圖1。

圖1 泥水平衡式頂管機

頂管主要穿越粉土、粉砂土層，面板開口率不大，僅依靠刀盤就能避免挖掘面發生坍塌，故將刀盤開口率控制在8%。為增強超長距離頂進施工過程中刀盤的耐磨性，應將耐磨保護焊條設置在刀盤上，并適當增加高性能抗磨刀具的使用數量。具體包括8把6 mm雙刃邊刀、35把60 mm雙刃切削刀，8把130 mm先行貝殼刀，12把120 mm先行撕裂刀和1把570 mm中心刀。

根據施工圖紙設計，10～11號輸水管線間，應按450 m的間距設置5個中繼間；為保證頂力儲備，必須在設計的基礎上適當加密中繼間設置，在頂管機后方設置8個中繼間。在各中繼間均勻設置50 t油缸共22臺，推力總計1.2×104k N。實踐表明，在該工程超長距離鋼頂管的頂進施工中，頂力控制良好，且均未超過鋼頂管設計允許頂力值，施工全過程中并未使用中繼間。

2.2 管材選擇

鋼管的抗壓強度比混凝土管和玻璃纖維加強管高，而且相同口徑的鋼管也比混凝土管質輕，與土層摩擦小，所以本引水工程超長距離頂管選用壁厚22 mm的D N 2 000 mm鋼管。超長頂管穿越巖層段，必須進行周邊巖層超挖，在此過程中頂管周圍遭遇不均勻阻力影響，進而引發頂管偏差的可能性較大，因工具管四周超挖而不能在糾偏過程中提供足夠反力，可能會導致糾偏失敗[2]。為此，特意在工具管四周增設4個泄壓糾偏閥門，用于泄壓或處理外側土體，并在泄壓糾偏閥門處預留出注漿孔，從單側對外注漿。

2.3 工作井后地基加固

鋼頂管施工中，頂管有承受頂力的最大值，頂進后背也有承受頂力的最大值，如果總推力過大，必將導致后背破壞，為增強鋼頂管后座頂力，必須進行工作井地基加固。

頂管工作井后地基，原按壓密注漿加固處理設計，考慮到土體設計反力最大可達8 000 k N；在頂進停止到重新開始階段，鋼頂管運動形態從靜摩擦轉變為滑動摩擦，實際頂力可能比設計頂力超出1 000 kN。為此，采用旋噴樁對工作井后背土體進行加固處理，加固范圍為工作井后背125°范圍內，豎向加固深度為-26.65 m～-18.65 m，共設置旋噴樁245根，并通過雙重管施工，設計樁徑800 mm，樁間距600 mm，注漿漿液主要使用強度等級32.5的普通硅酸鹽水泥制備。

3 超長距離鋼頂管施工技術優化

超長距離鋼頂管施工，既要針對頂管及施工設備進行系列創新，又要對頂管內部的注漿系統、供水供電系統等進行系列優化。

3.1 壓漿系統

壓漿減摩是長距離鋼頂管施工的重要環節，也是本引水工程施工成敗的關鍵。結合工程施工特點，按照圖2所示方位進行頂管管節開孔處理。

圖2 注漿孔設置示意圖

在頂管長度500 m內，按照1組/節的頻次設置壓漿孔；頂管長度500～1 500 m內，以相鄰方式布置壓漿孔；頂管1 500 m以后，則間隔2節設置1組壓漿孔；中繼間前后管節注漿孔均勻布置。壓漿孔設置完畢后，按照先壓后頂、隨頂隨壓、加強補漿的要求壓漿，且壓漿泵與輸出壓力不得超出初始泥漿壓力值的1.5倍。因本工程采用超長距離鋼頂管，出洞口壓漿的同時還應在頂進50 m和750 m處增設存漿箱，并設置前中后三處壓漿點，以實現鋼頂管全線壓漿。

3.2 通風供氣系統

超長頂管內部空間斷面小，為保證頂管內部空氣供應，加速機頭設備散熱，經計算得頂管機頭所需要風量為40～43 m3/m in，決定采用定制風機，配合使用長距離通風專用的低漏風率風管方案[3]，隧道內風速至少為1.0 m/s，工作面氧氣含量至少為18.5%。管道內主送風機為1臺S D F A-N O5.6軸流風機，接力風機為1臺局部風機，設置在2 000 m處，并選用膠質D N 400通風筒，將新鮮空氣輸送至頂管機頭處，同時進行管道內氧氣含量的定期測定。具體見圖3。

圖3 通風系統工作流程

設置在2 000 m處的接力風機通風處，實測末端風速為2.5 m/s，實測氧氣含量19.6%，根據實測結果，風管實際漏風率比計算值低，且100 m以內的漏風率在1%以下，通風性能符合設計要求。

3.3 施工供電

鋼頂管施工供電會產生電壓下降現象，進而對用電設備性能造成不利影響。本工程施工現場僅有一臺630 kV A變壓器，無法滿足鋼頂管施工用電所需。應當配置高壓電輸送線路，以分段降壓方式供電，在施工時配備一個800 kV A的變壓器，施工開始后向管內輸送3 300 V的高壓電，并在頂管內增設D T S3-100X型號的3 300 V/380 V干式箱變降變壓器，確保鋼頂管施工電壓正常輸出。

3.4 供水排泥

為保證供水需要，配備28 k g/c m2和33 k g/c m2的高壓水泵各1臺，分別用于1 km以內和以上的情形。結合類似工程施工經驗，頂管應增長1 km，供水水壓降低10 k g/c m2，并待高壓水輸送至工具管尾部后分成兩路：一路繼續輸送至頂管工具頭尾部的水力機械設備，另一路輸送至工具頭部高壓水槍內?？紤]到頂進距離超長，出泥效率會持續降低，必須將管道接力泵增設于出泥管路，以提升出泥壓力和效率。

3.5 工程測量

若將測量站設置在鋼頂管內，測站會隨頂管頂進施工而發生移動，增大測量難度，本工程分別采用頂管內導線高程控制測量、頂進軸線測量、工作井沉降位移測量。

頂管內導線高程控制測量：采用管徑15 mm的水平連通管，并按照500 m間隔設置排氣孔，以避免因管線過長而出現氣泡，考慮到測點處通過的管路眾多，觀測面僅預留出25～30 cm的間隙，頂進至設計距離后，管道曲線走向會阻擋測量儀器視線，所以，還應根據工程實際增設中轉站。

頂進軸線測量：為增強工作井穩定性，保證頂進施工進度，在基準線預設7個檢測點，并將標尺上相鄰導測短基線方向差，控制在1 mm以內，保證測量的準確性和貫通精度。

工作井沉降位移測量：在工作井頂部設置4個沉降觀測點，2個設置在頂進軸線方向，2個則設置在頂進軸線垂直向，并以施工控制點為起點，采用水準儀和全站儀進行工作井沉降位移監測。

4 結論

施工設備選擇、工作井后地基加固、管材選擇等是超長距離鋼頂管施工的主要難點，在此基礎上，通過壓漿系統、通風供氣系統、供水排泥、施工供電系統的改進優化，使超長距離鋼頂管頂進施工過程中所存在的技術及施工難題得以克服，初步形成一套較為成型的施工工藝。