淮安市南水北调截污导流工程穿越运河顶管的施工实践

2014-01-29谢亚军韦正峰陈中原

治淮 2014年4期

谢亚军韦正峰陈中原

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一、引言

南水北调东线调水线路利用京杭运河北上,京杭运河流经淮安市区，沿线排污口门较多，为实现南水北调治污目标，保证输水水质，实施淮安市南水北调截污导流工程。工程任务之一是沿大、里运河两岸铺设截污干管，收集原排入输水干线的废污水至污水处理厂进行处理，以改善输水河道的水质及水环境。在截污干管铺设中，淮安市北京南路截污干管需穿越京杭大运河将污水输送至淮安市四季青污水处理厂进行处理，经多方论证，确定采用泥水平衡顶管技术进行过运河的管道施工，取得了较好的效果。现将施工有关情况介绍如下：

二、工程概况及顶管方案的选择

1.工程概况

工程位于清浦大桥西侧，是将运河以南的城南工业区污水输送进入运河以北的四季青污水处理厂的关键性结点工程。污水经过城南工业区截污系统收集后，沿北京南路至大运河南岸，由北京南路泵站将污水提升后穿越大运河，输送至淮安市四季青污水处理厂。截污干管过大运河长315m，设计流量0.579m3/s。

2.工程特点

（1）水文地质情况较为复杂

施工区地面高程为10.78m，钻探资料表明，管道经过地段土层较复杂。地下水属潜水或微承压水，地下水位一般为8.9m，水位随着河水位升降而变化，距地面一般为0.5～2.0m。管线位于5-1层底部和5-2层上层。

5-1层：粘土（顶部砂性大或为粉质粘土，局部夹粉土薄层，Q3al）。棕红色或黄色，底部为灰色。硬塑状（上部稍软），偶含螺壳碎片。混礓结石，但其数量相对较少。

5-2层：粘土。黄色、褐黄色。硬塑状，混较多礓结石，局部集结成层。钻进明显困难。

（2）施工环境对施工安全要求极高

京杭运河是国家南水北调东线的主要输水干线，对水质要求极高；京杭运河是国家二级航道，是江苏仍至华东地区的水运大动脉，特别是北煤南运的重要通道之一；京杭运河大堤为国家Ⅱ级防洪堤防，事关淮安市及周边地区工农业生产稳定和人民生命财产安全；施工区域附近有不少重要的企事业单位，同时也有密集的居民住宅区；施工区有重要的防汛道路，且地下通信、电力等管线密布。

综上所述，施工时，对京杭运河河床、航道，对施工范围内地面及周边环境不能产生任何破坏性或其他不利影响。

3.顶管方案的选择

在方案的选择中，对定向钻、沉管、顶管等穿越方法进行了综合比选。一是如果采用大口径管道定向钻穿越时曲率半径大，穿越长度长，单价高，且施工过程中需多次进行扩孔，如控制不当，容易引起塌孔，影响大运河堤身和河床安全。二是如果采用沉管方案施工，因水下部分管体需一次性焊接下沉，长度较长，下沉定位困难；常水位以上部分管道需开挖大堤穿越，而且穿越河道堤身时，转角较多，过河水头损失大，需要配套高扬程泵站，增加泵站日常运行费用；同时在开挖水下沟槽和整体下沉施工时，需对二级航道的大运河断航，对社会经济生产，特别是北煤南运将产生较大影响，需与多部门沟通，报批手续周期长，难度大，要求高。综合考虑对运河堤防及航道的影响，确定采用适应性较强的泥水平衡顶管技术，在钢筋混凝土管内套PE管，利用其整体性和密封性好的特点，保证运河输水干线水质的安全。

三、顶管主要施工流程及技术措施

本工程采用泥水平衡顶管机进行顶管方案实施。施工方法是在顶管机前部的刀盘附近安装隔板，形成泥水压力仓，将加压的泥水送入泥水压力仓来谋求开挖面的稳定，同时将刀盘旋转切削下来的土砂以泥水形式用流体输送的方式输送到地面。适用土系的范围较广，在饱和含水土层中能自动平衡掘进面的水、土压力，能有效控制地面沉降，操作安全可靠，施工速度快。同时，考虑到大运河堤防的安全，工作井、接收井选择堤脚外安全距离处，并采用钢筋混凝土沉井结构。

1.测量工作

以工作井穿墙管与接收井孔中心为依据，在地面建立实际管道轴线控制点，与高程系统引入工作井。水平、高程的偏差均由激光经纬仪测定，仪器固定在沉井的底板上，计算机控制的激光接收靶固定在机头前端，坐标中心在掘进机中

轴线上。顶进时激光经纬仪应常开启，机头操作人员通过观察计算机显示屏幕上的激光光斑移动数据及顶进的长度，分析偏差发展趋势，确定应采取的纠偏方法。激光经纬仪必须用陀螺仪，按规定的顶进长度或测量时间进行水平方向的校正，机头高程也可使用连通器在顶进时随时校正。

2.中继间的设定

中继间，也称中继站或中继环，是一个成环形布置的由许多短行程千斤顶组成的移动式顶推站。它是长距离顶进施工的关键设置，是分段克服顶进阻力的一种施工技术。通过将管道分段向前推顶使主千斤顶的顶力分散,从而使每段管道的顶力降低到允许顶力范围内。中继间的选用型式和设置数目直接影响着顶管的质量和顶进速度,并关系着整个工程的投资。

管道顶进阻力由掘进机迎面阻力和管道外壁的摩阻力组成。经计算，本工程管道顶进阻力为5963.6kN，管道最大允许设计顶力为4493kN。由于管道顶进阻力＞管道最大允许顶力＞沉井最大允许顶力3000kN，因此，必须在顶进中设置中继间。确定中继间最大设计顶力为8000kN，经计算中继间数量为1个。按规定，在顶力达到中继间最大设计顶力的40%左右安装中继间，即将中继间安装在120m处。

顶进过程中，中继间要按时按要求启用，防止因不启动，造成后续顶管因遇较大阻力而出现难顶、偏差等问题。

3.洞口处理

为保证顶管工序的顺利进行，防止洞口处产生泥水流失，对进出洞口区域应采取一定的加固措施。在出洞口设置止水系统，洞口止水胶圈安装平整牢固，水密性良好，止水胶圈安装位置须与管道在同一轴线；开顶前，接收井顶管预留洞前需采用深井降水，避免顶管机头进洞后引起塌方进入接收井，为后道工序提供干燥施工条件。

4.触变泥浆减阻

为了减小管道外壁与土体间的摩阻力，采用在管道外围压注触变泥浆，使得润滑浆液在管道外壁四周形成一个连续的润滑泥浆套，这在长距离顶管中显得尤为重要。

压浆孔的设置：压浆孔预埋时需与钢筋混凝土管圆心成120°，否则不能形成环状泥浆套，底部不设注浆孔，管道在泥浆中都成上浮状态，故管道的洞口向顶部靠近，管道底部的泥浆由两侧注浆孔自动向下流动。

压浆设备的组成、注浆管道连接：选用螺杆泵，以使流量脉动小，注浆压力平稳。为了使触变泥浆的压力在停泵以后仍基本不变，在泥浆出口处安装自落式单向阀，此阀安装必须垂直，泥浆顺向通过时铁球上抬，停泵时，铁球下落，在泥浆套的余压下封住回浆口。

触变泥浆的生成：触变泥浆是由膨胀土和水以1∶8体积比配制，首先以定量的水放入搅拌桶，开动搅拌机徐徐投入膨润土，充分搅拌，即成泥浆。泥浆拌和后须静置24h方可使用。根据需要配备一只供浆桶，一只制浆桶，轮流使用。

泥浆的压注：触变泥浆的压注力应与注入土层的土体压力基本相当或略大，而触变泥浆的耗量应略大于或等于地层土体的损失量，在顶进过程中，还应按地面变形的观测结果适当调整，采用在顶管机压浆、中继站补浆的方法，掘进机压浆要与顶进同步，以迅速在管道外围空隙形成粘度高、稳定性好的膨润土泥浆套。中继站补浆是在已有的泥浆套基础上改善泥浆套，补充其损失量，掘进机尾部第一压浆孔后的6m处设置第一道补浆孔，此后每隔4m通过管节上的补浆孔，保证管道外围空隙充满触变泥浆。补浆始终要坚持从后向前补压和及时补浆的原则，对于各层土质，特别是夹砂土层施工时要根据渗透系数充分考虑泥浆的损失，调整注浆压力和注浆量。

泥浆置换：每段管道顶进完成后，立即用2∶1水泥浆将触变泥浆置换出来，以确保管道外围土体有足够的支撑和减少渗漏水，待浆水凝结后（一般在24h以上），拆除管路，换上闷盖，将孔口封堵，压浆结束后，所有设备必须认真清洗。

5.顶进方向控制及纠偏

顶进过程中受地质条件变化等原因，预设的顶进轴线会发生偏差，需要及时进行合理纠偏，纠偏的原则是勤测、勤调、微调。纠偏的操作要点：一是根据工具管本身已存在的斜率和轨迹，确定纠偏方案及纠偏量；二是纠偏必须在顶进中进行，严禁在停止顶管时纠偏，否则会导致纠偏困难甚至无法调整，导致顶进失败。根据上述原则，在实践中进行了如下控制。

初期方向控制：穿墙后管道轴线偏差的大小，将会给以后的工作带来很大影响，因此管道在前10m的顶进阶段需要特别小心。在工具管尚未完全进洞前，尽量不要纠偏；进洞后，当轴线偏差大于3mm、高程偏差大于3mm时即应纠偏，但不能大起大落。

纠偏要求：穿墙和纠偏要求每顶进50cm左右测量一次，正常顶进阶段为100cm左右测量一次；工具管纠偏应在顶进过程中进行；应绘制工具管测点行进轨迹曲线图来指导纠偏；正常顶进当偏差超过10mm时，需采取纠偏措施。

掘进机的纠偏通过操纵机头内的两只油缸，在上下1°、左右1.5°的范围内修正顶进方向。主要通过工作井内的经纬仪观察机头的偏差指示板，操作纠偏油缸的伸缩来完成纠偏。

6.穿越运河的安全技术措施

（1）穿越运河堤防

沿途设置沉降观测点，同时设6个断面观察点，每天两次观测地表沉降量，将数据及时反馈到施工项目部，以便根据沉降量调整顶进参数。顶进的前10m作为试验段，采集尽可能详尽的数据，掌握适宜的顶进参数，同时控制好轴线，为以后顶进创造良好的导向。顶进至运河大堤时，应严格控制正面土压力，将土压力控制在尽可能小的范围内，保证出土量与顶进量相配。顶管穿越后，会存在一

定的后期沉降，此时顶进仍在进行，必须不断进行定点补压浆，支护土体，补充失水的泥浆，直至顶进结束，补压浆的地点和压浆量均应根据沉降观测数据来确定。顶进结束后，立即用水泥浆置换膨润土泥浆以固结土体，减少地表的最终沉降量。

（2）穿越运河河床

在顶管前，对顶管沿线的运河断面进行了精确测量，顶管顶至大运河河床最低点时，相对覆土层只有3.4m。为了防止在顶进过程中管道上浮，顶进过程中，应放慢顶进速度，加强对出土状态的监测，同时在顶进至河床最低点前用编织袋装土增加管道的覆土层厚度，管道内前端放置铁块，增加管道自重，防止管道有上浮的可能。将至河底最深处时，管道顶进应有向下偏差的趋势，绝对不允许有向上偏差，管道在距离河底最深处两侧各10m左右的区间，不允须采取纠偏动作，顶进速度要慢，一切以保证不冒顶为原则。