大直徑長距離過江頂管工程設計與施工

陳黎明, 李必正, 何遠圓

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司福州分院, 福建 福州 350001)

某城區應急備用水源工程新建管道從現狀DN500 給水管接出,沿高速高架橋向東北鋪設進入增壓泵站,經泵站加壓后接出,橫穿堤壩后,管道由江底橫穿閩江敷設至某濕地公園內,沿濕地公園向西北敷設至防洪堤,之后與DN500 出水主干管對接。 工程主要包括建設1 座中途增壓泵站,通過開挖施工鋪設0.76 km DN500 泵站進水管、3.12 km DN500 增壓管, 頂管橫穿閩江鋪設 0.93 km DN1 600 增壓管,其中頂管段采用鋼管。

1 工程概況

1.1 沿線基本情況

工程沿線周邊有國道、繞城高速、橋梁、水鎮、公園等。 橋梁工程位于過江頂管下游約2 km,橋梁主線全長約3.5 km,其中跨江主橋長約2.4 km。 城市主干道主線設計速度60 km/h,雙向六車道并設人行道和非機動車道,主橋橋梁寬度33.5 m,跨度280 m,設計洪水頻率1/300。 管道穿越處航道規劃通航等級為內河Ⅳ級,通航凈高在設計最高通航水位以上,不小于8 m,單孔雙向通航,通航孔凈寬不小于180 m。

1.2 地形地貌

本工程所在位置河道微彎順直,枯水時河寬約740 m,洪水時河寬可達880 m,主河道河底高程在0.9～-10 m 之間(羅零高程,下同),水深條件較好。工程區河段主要為殘坡積臺地邊緣的沖洪、沖海積平原,間夾有殘坡積臺地,總體地形地勢較為平緩,河道兩岸岸灘較為發育,兩岸均為公路,且有草木等植被覆蓋,兩側布設多條丁壩、順壩,部分岸段建有護岸,河道經整治后,形成了一條微彎規順的航道走向,水流較為平順。 工程位于河道微彎段凹岸,總體上河道、河床較為穩定,水流較為平順,無灘險,滿足水下管道選址要求。

1.3 水文地質資料

根據地質勘察報告,過江管道場地地層分布按地層時代、成因類型、巖性等可分為④中砂、④-1 卵石、⑤卵石。

④中砂(Q4al)：淺黃、淺灰、灰白、灰色,飽和,多呈中密-密實狀態,局部呈松散、稍密狀。 主要由石英砂組成,粗砂級含量0～76.6%,中砂級含量5.0%～74.7%,細砂級含量0.9%～64.5%,黏粉粒含量0.5%～49.1%,級配差,局部含少量泥質(含量約10%～30%)或夾5 ～10 cm 淤泥,局部含有卵石、圓礫,卵石級含量約10%～30%,圓礫級含量約10%～20%。 本層局部相變為礫砂、粗砂或粉砂。 該層層頂埋深0.00～6.80 m,標高-9.25～14.25 m,揭露厚度為5.80～28.30 m。

④-1 卵石(Q4al)：淺灰、黃褐、灰黃色,飽和,松散-稍密狀態,卵石級含量50.7%～78.4%,母巖以花崗巖等硬質火山巖為主,呈中風化狀態,巖質較硬,粒徑一般為2～15 cm,多呈亞圓形-圓形狀,圓礫級含量0.7%～32.2%,卵石礫砂間充填黏性土與砂,粉、黏粒含量0.6%～11.9%,粗砂級含量7.0%～24.9%,中砂級含量4.5%～11.9%,細砂級含量1.1%～3.1%,該層分選性一般,均勻性一般,顆粒大小分布不均。 該層層頂埋深為2.00 ～9.40 m,標高為-10.12～1.65m,揭露厚度為1.10～6.20 m。

⑤卵石(Q4al+pl)：淺灰、黃褐、灰黃色,飽和,稍密-密實狀態,卵石含量50.2%～89.6%,母巖以花崗巖等硬質火山巖為主,呈中風化狀態,巖質較硬,粒徑一般為2 ～15 cm,少量可達20 cm(為漂石)以上,多呈亞圓形-圓形狀,圓礫級含量3.2% ～33.1%,卵石礫砂間充填黏性土與砂,粉、黏粒含量0.5%～17.6%,粗砂級含量1.3%～17.1%,中砂級含量1.0%～10.8%,細砂級含量0.3%～4.8%,該層分選性一般,均勻性一般,顆粒大小分布不均,局部相變為圓礫或礫砂。 該層層頂埋深為6.30 ～30.10 m,標高為-22.40 ～12.42 m,揭露厚度為1.00 ～23.10 m。

閩江—竹岐站流域面積為 54 500 km2,河長496 km,坡率為萬分之六,河床系砂質組成,易發生沖於變化,受到人為采砂的影響,河床嚴重下切,近年來嚴禁采砂,河床保持穩定[1-2]。

本工程所在的閩江段屬感潮區段,潮型屬半日潮,平均潮差約3 m,近3～5 年近場區的閩江最高水位標高約9 m,歷史最高水位標高約12 m。 根據近場區調查資料及竹岐水文觀測站水文資料,近場區附近的閩江豐水期水位標高一般在4 ～7 m,枯水期水位標高一般在 2～5 m,頂管穿越閩江段最大沖刷深度約 3.84 m。

1.4 防洪要求

管道工程設計防洪標準采用50 年一遇,設計洪水位14.19 m。

1.5 通航要求

工程區所在的航道技術等級為內河Ⅳ級航道,根據規劃要求,同時考慮船舶應急拋錨需要,預留一定沖刷深度,以保護管道和船舶航行安全,要求管道設置深度不小于河床底標高以下2 m。 根據工程區河段水深測圖,管線沿程附近河床最低高程為-9.9 m,因此要求管道管頂高程應不高于-11.9 m。

2 穿越方案比選

輸水管道穿越閩江方案的選擇是本工程最關鍵的一步,直接影響工程的成敗,同時也關系著過江管道是否可以安全運行。 穿越點與穿越方案的選擇根據河流的水文、地質、施工條件、工程量、投資等進行調查研究和分析比較,選擇河段順直、河床相對穩定、河床斷面較規則、施工場地寬闊、施工便利的河段進行。

根據目前現有施工工藝,輸水管道穿越大型河流主要采用沉管法、水平定向鉆進法、頂管法三種工藝。 沉管法管道覆土較淺,易受到來往船只拋錨和采砂船作業影響,且閩江水上交通運輸繁忙,沉管法施工對水上交通運輸影響極大,因此沉管法不適用于本工程。 頂管法施工方案和水平定向鉆進法施工方案比選見表1。

表1 管道施工工藝比選Tab.1 Comparison and selection of pipeline construction processes

通過對兩個方案的比較,考慮到橫穿閩江長度較長,且閩江為通航航道,現場拉管無施工條件并且閩江地質條件不利于拉管施工,故本次推薦采用頂管施工方案。 考慮到本次頂管距離較長,頂管過程中需設置中繼間,為方便人員進行操作,同時為了保證頂管施工的安全性,過江管道直徑為DN1 600。

頂管法施工考慮三種方案：單管穿越、雙管穿越和套管穿越方案。 雙管穿越過江造價過高,不予考慮。 經比較,套管方案比單管方案增加了DN600 焊接鋼管總長約1.0 km,造價增加約100 萬元,但考慮到套管方案安全性高,對后期的運營維護也比較方便,考慮安全性、施工經驗、運行管理經驗等因素,推薦采用套管穿越方案。 套管穿越示意圖見圖1。

圖1 套管穿越示意Fig.1 Schematic diagram of casing crossing

根據本項目工程地質勘察報告,管道穿越標高處底層以中砂為主,局部伴有卵石層,本工程給水管道一次頂進距離長且下穿河床,后續運營維護風險較大,采用傳統承插式連接形式(鋼砼、玻璃鋼、球墨鑄鐵頂管均屬承插連接形式)不適宜作為河床下長久性頂管下穿方案,宜采用整體性較好的加厚鋼管(焊接)作為頂管管材實施方案。 傳統焊接鋼管頂管外加內部焊接鋼管管實施方案,本工程套管采用加厚鋼管(焊接)頂進,管徑DN1 600,內套DN600整體性較好的焊接鋼管。

3 穿越閩江頂管設計

3.1 頂管設計

目前,國內已建成多項大直徑長距離過江頂管工程。 福建省平潭及閩江口水資源配置工程屬于國家水利重點項目之一,工程第3 標段,詳謙農場至城門水廠段頂管采用DN2 000 鋼管,全長為1 137.7 m[3];杭州天然氣利用工程中頂管過富春江,管徑DN2 400,一次頂進646 m[4];黃浦江上游閔奉原水支線工程使用DN3 000 鋼頂管穿越黃浦江,管長共計436 m[5];汕頭南區污水廠干管穿過濠江工程采用DN2 600 鋼管一次頂進521 m 等。

本次設計采用泥水平衡、泥漿減阻、機械頂進方案。 根據頂管工藝要求,在閩江南側設置頂管工作井,在閩江北側設置頂管接收井,采用河床下頂管,一次頂進距離約0.93 km。 根據現場踏勘及相關資料,現狀閩江河床標高約-10.0 m,本次橫穿段給水管道設計管管中心標高-14.0 ～-16.0 m,河床現狀最低處覆土約4.00 m。 根據地勘報告,穿越土層主要為④中砂、⑤卵石,且在水下作業,同時應控制好泥漿壓力和泥漿稠度,加強泥漿護壁及水壓力平衡問題,防止④中砂、⑤卵石塌孔及地下水對工程的不利影響,⑤卵石層局部粒徑較大,達漂石級。 本頂管穿越段長度較長,且管側土層工程性能總體較好,側摩阻力較大,頂進過程中應控制好壓力。

3.2 管材及防腐

本工程套管采用加厚鋼管(Q235B 鎮靜鋼,焊接)頂進,管徑DN1 600,壁厚20 mm,內部敷設DN600 整體性較好的焊接鋼管。 輸水管道設計工作壓力為0.8 MPa,試驗壓力為1.3 MPa,采用螺旋縫埋弧焊制鋼管,管節長度8 m。 DN1 600 鋼管外壁防腐采用重防腐涂料,厚度1 200 μm,內防采用無溶劑環氧涂料厚度400 μm。 DN600 鋼管內防腐采用環氧涂料內防腐層,外防腐采用三層PE 加強級外防腐層。

3.3 頂管施工方案

本次頂管選用D1 620×20 鋼管,設計頂推力5 000 kN,穿越閩江段總長約0.93 km,經計算頂管總頂力47 934 kN,大于鋼管設計頂力5 000 kN 和工作井后靠墻計算頂力6 687 kN,需配套中繼間接力頂進。

泥漿減阻是長距離頂管減少摩阻力的重要措施之一,在頂管過程中,如果注入的泥漿能在管外圍形成一個比較完整的漿套,則可將摩阻力由12 ～20 kN/m2減少至2 ～5 kN/m2,因此,采用泥水平衡式頂管并輔助泥漿減阻以增大一次頂進長度。 根據頂管頂力計算結果,對應本工程地質特征和觸變泥漿減阻措施,DN1 600 鋼管一次最大頂進距離為80 ～150 m,超過這個距離需設置中繼間(設計暫定本工程過閩江段設9 個中繼間)。 按照公式(1)計算各不同管段中繼間理論計算數量;工程施工過程中可根據實際的頂進情況和頂力大小進行中繼間數量調整和布置。

式中,n為中繼間數量(取整數),個;D1為管道的外徑,m;fk為管道外壁與土體的平均摩阻力,kN/m2,可按照CECS 246—2008 規程表12.6.14 采用;L為管道設計頂進長度,m;f0為中繼間允許的頂力,kN。

3.4 頂管工作井與接收井

頂管工作井及接收井擬采用沉井施工,沉井深度分別為24.50、21.60 m,沉井經過地層主要土層為④中砂,工作井處有部分④-1 卵石層,沉井深度較深,摩阻力較大,沉井平面布置分孔(檔),沉井過程應進行下沉力分析,控制下沉系數在1.05 左右,沉井兩側土體性質總體較均勻,其對沉井施工影響不大。 場地地下水主要為④中砂、④-1 卵石中的潛水,水量較大,采用不排水沉井工藝,水下封底,下沉時井內水位要保持較外部水位略高,防止井內出現流砂。 若沉井難以下沉,可采取沉井外圍管井降水降低水壓力,必要時可在沉井周邊設置帷幕止水(可采用地下連續墻或柱列式排樁帷幕,深度宜進入風化層一定深度,若采用柱列式排樁帷幕,宜采用多排樁相互緊密排列的方式以達到止水目的),在井內設置一定數量的降水井進行超前降水,確保沉井施工順利進行。

頂管工作井與接收井根據地質條件、頂進距離等進行布置,工作井和接收井須綜合考慮支護結構、支護強度、長度、寬度和深度等。 根據頂管口徑、管節長度、頂管機尺寸、機頭尺寸等確定頂管工作井和接收井的尺寸,根據頂管的上下游角度確定工作井和接收井的形式,具體設置見表2。

表2 頂管工作井和接收井主要參數Tab.2 Main parameters of pipe jacking working well and receiving well

考慮到地下水位較高,地處中砂層,工作井、接收井施工完成后作為檢查井應與管道保持穩定性,因此,沉井施工應考慮其基礎和周邊土體加固,同時考慮洞口止水問題,原則上采取“一井一策”,結合地質特點設置位置。 本工程在沉井底部及四周布置高壓旋噴樁,沉井后背及頂管洞口加密布置高壓旋噴樁,保證施工安全和運行的結構穩定性。

4 頂管施工

DN1 600 鋼管頂管過閩江,上部以④中砂、④-1卵石層為主,根據已完成勘探孔,勘探孔位處揭露的松散地層中未發現異常埋置物,穿越土層主要為④中砂、⑤卵石。 實際頂力小于設計頂力,實際施工過程中繼間為9 個。 從地質剖面圖看出：頂管從工作井始發穿越115 m 中砂層進入全斷面卵石地層約230 m,然后約135 m 在卵石和中砂交界面穿越,后續穿越地層為467 m 的中砂直至接收井。 施工中應控制好泥漿壓力和泥漿稠度,加強泥漿護壁,防止④中砂、⑤卵石塌孔,⑤卵石層局部粒徑較大時,選擇硬巖復合頂管施工工藝,確保工程順利進行。 設計頂管工程地質剖面見圖2。

圖2 頂管工程地質剖面Fig.2 Geological profile of pipe jacking engineering

當工作井下沉至井口標高6.9 m 時挖到密集的卵石地層,挖掘極為困難,現場采用多種取土方法均無法下沉。 通過專業潛水員井底探摸發現,工作井底部由大小粒徑卵石夾中粗砂含少量黏土膠結成整體,質地堅硬,傳統挖機無法進行有效挖掘。 由于井口標高距設計標高相差1.8 m,經專家論證后,根據工期要求結合現場情況調整頂管線形,頂進工藝和中繼間布置保持不變,將工作井洞中標高比原設計抬高1.8 m,頂管頂進縱坡由2‰調整為0.2‰,閩江中心處管頂覆土由原設計的5.4 m 變成4.7 m(大于2 倍管徑),滿足規范要求,同時也滿足過江段沖刷深度要求。 頂管工程第一次調整情況見圖3。

圖3 頂管工程第一次調整Fig.3 First adjustment of pipe jacking engineering

后續施工過程中,根據接收井位置地勘報告,并結合接收井下沉情況分析很有可能最后2.7 m 遇到卵石地層,對頂進線型再次調整,見圖4。 調整后頂管起始階段延0.2‰縱坡頂進650.95 m 后向上起曲走圓弧線,曲率半徑R= 14 416 m,軌跡弧長279.05 m,圓 心 角θ= 1.109 2°。 曲 率 半 徑R＞2 400 D,弧長L＞80D,鋼管頂進能安全保證。 經過專項方案論證調整后,頂管工程經2 個月全線貫通。

5 結語

① 過江干管(DN1 600 鋼管內套DN600 給水鋼管)穿越閩江工程在綜合分析頂管、定向鉆進等管道過江方案優缺點后,確定采用頂管施工,施工過程中根據實際地質情況,及時調整頂管線型,局部采用豎向曲線頂管。 目前工程已經完工,過江管道運行良好,解決了應急供水問題。

② DN1 600 設計頂推力為5 000 kN,頂管長度0.93 km,采用9 個中繼間,順利完成了過江頂管施工。

③ 施工完成后建議將管道外邊緣兩側各50 m水域范圍劃為管道保護區,以保護河底管道和船舶航行安全,同時設置必要的水上或岸上警示標識,禁止過往船舶在敷設管道的保護區水域拋錨、拖錨航行或垂放重物,嚴禁進行采砂作業,保護河底管道安全。