大口径顶管穿越江堤施工工艺在桥林水厂工程中的应用

摘要：顶管技术近年来在我国发展迅猛，特别是在穿越江堤或不便拆除建筑物的地下排水渠施工中，优点更加明显。江苏省桥林水厂综合取水工程，通过采用泥水平衡式顶管技术，实现了不用开挖就能引水管接连桥林综合取水泵房的设想。重点介绍了大口径顶管施工工艺技术参数、泥水平衡式顶管工艺的基本原理和工艺流程。与开挖施工技术相比，采用顶管施工工艺大大降低了征借地、青苗补偿等费用，从而节省了工程投资。可为同类施工提供参考。

引言

近年来，顶管技术在我国发展迅猛，尤其是大口径顶管的非开挖施工方法，主要应用于地下管路铺设、穿越工程、管道在线更换等[1]。顶管施工技术具有适应性高、对公共财产和现有设施破坏程度低、对公众和环境干扰小和施工安全性高的独特优点[2,3,4]。顶管埋设施工技术不仅对城市建筑物的破坏较小，而且对土层的稳定和环境保护上彰显优势。在我国经济发达的沿海城市中，这种管道埋设技术广泛应用于非开挖的铺设，如给排水管道、通讯电缆和天然气管道等，得益于非开挖的铺设，征地拆迁费用减少，具有显著的经济效益和社会效益[5,6,7]。因此，在穿越江堤工程中采用大口径顶管施工工艺具有十分重要的理论价值和实际意义。

1、工程概况

桥林水厂临近长江，水厂内建设桥林综合取水泵房，桥林综合取水站是多功能输水泵站综合取水泵房。取水头部及自流管工程建设3座取水头部，通过3路DN2600引水管道接至桥林综合取水泵房，单根管道长约500 m,采用顶管施工。建筑物位于南京市浦口区桥林街道王家村，地势总体较为平坦，水厂厂区距离河堤最近约90 m,距离长江水面约400 m,取水头部深入江面内约100 m。范围内地层为淤泥质粉质黏土，该层属于软弱土层，承载力低，土体易发生蠕动变形，顶进过程中应控制顶进的速率及压力，同时由于该层土质松软，顶管易出现栽头现象，应在施工过程中采取相应措施严格控制施工标高。管线纵断面图如图1所示。

图1管线纵断面图

2、施工工艺技术参数

2.1顶进方案选择

本工程较特殊，不设置单独的工作井，沿用综合取水泵房吸水井作为工作井，综合取水泵房中隔墙作为顶力后靠背；顶管机取水采用长江滩涂水下开挖取机头方案，不单独设置接收井，具体水下取机头涉及水下专业施工。

常用顶管施工方法有土压平衡法和泥水平衡法，土压平衡是刀盘将土体切削下来进入刀盘后的贮留密封舱内，并使仓内具有适当压力与开挖面压力平衡，维持开挖面的稳定，在出土时由螺旋运输机向外排出；泥水平衡在刀盘密封舱内注入适当压力的泥水来使开挖面压力稳定，由泥浆管、泵将泥浆排出。土压平衡法管内布置简单，排出渣土占地小、费用低，但直接切削土体的阻力大、顶力大，刀具磨损大，出土效率低，不太适用于砂土和含水量大的土层，以及长距离顶管；泥水平衡法以泥水形式进行切削，顶力小、刀具磨损小，泥浆输送效率高，顶进速度快，但管内需布置进水管和出浆管，外部需布置泥浆池和分离系统，占地较大。

本工程结合水文地质条件、现场施工场地、施工质量、施工安全和经济性等因素，选择使用泥水平衡法进行顶管施工。

2.2管道设计参数

本项目顶管采用钢管，材质为Q235B镇静钢，管道规格为DN2620,壁厚为28 mm。钢管应由符合国家质量标准的钢管厂制造，工厂内所有焊缝质量按国标GB50683规定进行外观检查，质量等级为二级。钢管外防腐采用熔结环氧粉末涂层，涂层厚度不低于600μm。现场钢管接口外防腐采用无溶剂液体环氧防腐涂料，涂层厚度不低于600μm,涂层性能不低于环氧粉末涂层的标准，每天对现场第一道补口的防腐涂层进行现场附着力检验、外观和厚度检测、漏点检测。

2.3施工控制措施

施工时必须采取以下措施确保长江防汛提的安全：

(1)采用泥水平衡式工具管。

(2)严格控制进泥量。

(3)采用直线顶管，防止偏差。

(4)采用触变泥浆减阻。

(5)顶管结束时应用水泥浆全程置换触变泥浆。

(6)水泥浆置换完成后，再进行壁外注浆止水环，防止江水沿管外壁渗漏。

(7)对地面沉降引入全程监测，发现问题及时采取措施。

(8)严格全程管理与检测。

在进行顶管外壁注浆止水环施工时，需要采用高压摆喷和旋喷管外双管方式注浆，具体措施如下：

①注浆材料为水泥砂浆。

②水泥浆水灰比0.8∶1。

③注浆压力为2.5 MPa。

④注浆方式采用双管旋喷与定喷结合施工方法。

⑤注浆管孔径间距为φ800@600。

⑥止水环水泥含量不小于400 kg/m3,施工前应进行实地注浆试验，最终确定有关配合比合相关参数。

3、施工方法

3.1方法的选择

根据目前的研究，在顶管施工中气压平衡、泥水平衡和土压平衡是最为常用的三种平衡理论。其中泥水平衡理论的应用越来越广泛，主要是因为采用泥水平衡理论设计的顶管机具有双重平衡功能，即能自动平衡顶进正面土体的土压力，同时又能平衡地下水压力[7]。结合现场实际情况和工期、质量等要求，本项目顶管采用泥水平衡法施工工艺，如图2所示。

图2泥水平衡法施工工艺  

3.2地质勘查与调整措施

结合地质勘探报告，适当增加沉井及顶管沿线勘查工作，验证和补充勘探报告的地质水文资料，获取真实地下水以及地下障碍物情况，查清和排除地面及地下3 m内的障碍物类型、尺寸和埋深等情况，以便采取切实可行的措施对受影响建构筑物进行必要保护，具体的调整措施如下：

(1)明确周边建构筑物的保护要求，位移和沉降控制指标，做好相应的施工及应急方案。

(2)顶管过程中确保管道覆土厚度不小于1.5倍的管径，过河段管顶覆土不小于4 m,覆土厚度应扣除淤泥层的厚度，施工前沿管线方向测量地表或河底高程。

(3)顶管顶进过程中采取适当措施进行减阻，严禁管外超挖，控制顶进轴线，减少纠偏动作。

(4)加强顶管机泥水压力、顶进速度和排泥速度的协调控制，土层变化较大区域减慢顶进速度，加强轴线测量，做好机头防沉浮措施，顶进过程尽量做到连续作业，避免地面隆起或沉陷，减少对周边环境的影响。

(5)顶进过程中加强对顶力、管道应力应变、变形和沉降测量，同时做好施工监测工作。

(6)施工降排水需要根据地质勘探报告，判别顶管井施工场地地下水类型。

(7)对顶管套管洞口加固。

3.3顶管施工设备安装

顶管施工设备包括工作井设备和接收井设备，工作井设备又分为井内设备和地面设备。接收井设备主要有爬梯、洞门密封装置、接收架，工作井内设备主要有洞门密封、导轨及支架、主顶油缸和支架、顶管机、顶铁、管道焊接防腐设备、出泥系统、注浆管路、测量仪器、照明、通风、供电、通讯设备等，工作井地面设备主要包括控制室、主顶液压泵站、注浆泵站、泥浆搅拌和存储装置、起重设备、供电设备、供风设备等。

3.4顶进施工措施

(1)顶进准备

顶管的工作原理是以工作井作为起始点，水平推力由井内安装的千斤顶提供，顶管机头从前墙预留的出洞口破封门推入土中，再由机头导向，将钢管一节一节地随机头推向前顶进。根据本项目施工现场情况，顶管施工采用泥水平衡法，相比于土压平衡顶管，泥水法顶进速度快，对地下不同土质和地下水适应性强，对周边建筑沉降影响小等特点。

进出洞口作为顶管施工重要环节之一，其施工质量直接影响着顶管整体施工质量，施工中应充分考虑进出洞施工技术的安全性和可靠性。根据本项目顶管工作井埋深，为顺利实施出洞工序并密封洞口处机头外壁与洞门间隙，防止地下水和泥沙涌入工作井，本工程采用砖封门与盘根止水相结合的方式保证顶管出洞质量，门内采用钢板和型钢支撑，确保洞门未加固前的洞口安全。

(2)中继间布置

当顶进阻力无法一次达到顶进距离要求时(即顶管掘进迎面阻力和管壁与土摩擦阻力之和超过主顶油缸的最大总顶力或工作井后背极限反推力或管节容许的极限顶压力),需要采用分段顶进，中继间接力顶进技术则可以使每段管道的顶力降低到允许顶力范围内。

本项目DN2620钢管最大允许顶力8 483 kN,通过计算可知，顶管的总推力大于管节所能承受的顶力，因而需要设置中继环进行中间接力顶进。本项目中中继环设计总推力F中=1 440 T(由24只60 T的小千斤顶组成)。周边千斤顶分布应符合以下要求：千斤顶的下半部间距小，上半部间距大，并且中继间与前后管的连接缝隙不得大于10 mm,具体由短冲程千斤顶组、钢板制作的壳体和千斤顶紧固件、止水密封圈和承压法兰片组成。

(3)针对浅覆土土层的技术针对措施

在针对浅覆土土层时需要调控顶进速度。顶进速度与泥水压力存在一定关联，为了防止过快的顶进速度扰动土体，需要预先进行试验，通过实验得到的沉降数据可以确定最佳的顶进速率。在刚出洞进入试验段时宜控制顶进速度为20 mm/min,在综合评估实际水仓压力的读数和沉降观测数据后，顶进速度随着顶剧的增加而提升(但不应超过50 mm/min)。根据观察顶管机水仓压力的读数，确保顶管机各机械、电气、液压系统都正常运行。

整个顶进试验段长为25 m,每个断面共设置4个观测点，相邻断面间隔2 m。当顶管机的大盘刀穿过加固桩后。观测点的沉降和位移则被记录，其中每推进2.5 m就详细记录一次。不断地面沉降的反复测量和监控，总结了沉降的变化规律来调整顶管泥水压力以及推进速度。

(4)测量及纠偏

①测量过程

在下管前和开始顶进后都应测量一次，此时发现偏移容易校正。顶管施工阶段，测量非常重要，要勤顶勤测、随时校正，切不可单纯为了求快而少测、漏测。正常顶进时，每顶进0.3 m则需测量一次，整体顶进1 m后再复测一次。整个测量应采用激光经纬仪，机头需要安装固定光靶。

②纠偏过程

纠偏过程需要伴随测量过程进行，增加纠偏频率并且减小纠偏幅度。在顶进第一节管道时，纠偏测量间隔不超过500 mm,以保证管道入土的位置正确。当管道进入土层后，纠偏测量间隔不宜超过1 000 mm,顶管允许偏差如表1所示。

表1顶管允许偏差

以防产生相反的结果。钢管顶进过程中加强顶管测量、管道沉降，做好测量纪录，并建立书面、电子版测量记录台账，并及时上传监管部门平台。

(5)压力控制

顶进中平衡泥水压力的设定是泥水平衡顶管的关键。土压平衡的排泥量与掘进机推进速度也处于一种平衡状态。对于本工程的黏性土和粉土，泥水密度应控制在1.03 kN/m3-1.05 kN/m3为最佳，能够较好地在开挖面形成一层泥膜，减少泥水向土体中渗透，同时保持开挖面的稳定，泥水压力计算公式见式(1)-(6)。

式中，P1是顶管机上部的地下水压力，γw是水的相对密度，h2是顶管机上部至地下水位的高度，P2是顶管机上部的泥水压力，△h是顶进压力水头，取10 kPa-20 kPa,P3是顶管机底部的地下水压力，h1是顶管机底部至地下水位的高度，P4是顶管机底部的需求水压力，P5是顶管机底部的泥水压力，γm是泥水的相对密度，h3是顶管机直径，Pm是顶管机设定泥水压力。

4、施工过程中的安全监测

针对预应力进行检测，施工过程中，作业人员应周期性对液压油顶压力输出系统进行监测，其液压油顶出力不得大于3 500 kN,以避免对后靠背的过大受力影响，每班每1小时进行监测并填写记录。

针对膨润土泥浆注入监测，严格按照方案要求进行膨润土泥浆配比，胶质80～90泥浆，灰水比应为1∶6.14,每班过程中严格监视管壁膨润土投加点的压力表，不得小于0.1 MPa,并填写注浆记录。

此外定期对洞口、大体进行沉降观测，每天观测两次。

5、结论

本文以桥林水厂综合取水站工程为例，对大口径顶管施工工艺及施工要点进行了归纳总结，得到以下结论：

(1)穿越江堤工程中采用大口径顶管施工工艺，总结了确保长江防汛堤安全的施工措施，起到了较好的防渗效果。

(2)大口径顶管采用泥水平衡顶管的方法，可以延长单段的顶进距离，减少工作井数量，将部分工作井变为接收井，从而降低工程成本。

(3)通过分析泥水平衡法顶管技术原理和泥浆压力，使管道在顶进过程中的施工安全和质量均处于可控状态，说明该技术方法应用于取水工程施工中使用顶管技术可以提高施工效率和施工质量，促进工程建设的发展。

参考文献:

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[2]王长明,方文献,杨国富等.大口径钢筋混凝土管的泥水平衡顶管法施工技术[J.建筑技术开发,2022,49(16):67-68.

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[4]杨胜利.大口径顶管施工技术难点及解决措施[J].建筑技术开发,2021,48(15):36-37.