输水管线地下穿越施工方案选择论述

2014-08-15种江锋

陕西水利 2014年5期

种江锋

（中国水电建设集团第十五工程局有限公司陕西西安 710065）

1 工程概况

1.1 概况

辽西引水工程主要为辽宁省西北地区供水，全线依据地形主要由隧洞、管道、箱涵等组成。本标段为其中的一段，桩号C113+529～C132+714，线路全长为19.185km，其中 PCCP管段线路长18.445km，钢管段线路长0.730km，管线在桩号C116+380处穿越高速公路。穿越输水管线为4×DN3200的钢筋混凝土套管，管道压力1.6MPa。穿越方式为顶管穿越,套管中心间距15m，套管外径4m，单根管节长度3m，管道与公路夹角为70°，单管顶距111m～114m，四线并行，顶管总长450m。

穿越处顶管上游桩号C116+314，下游桩号C116+431，在高速路东侧，高速路与万米排干和村道形成一个狭小的三角形。村道从高速路下穿过，通向县城环城路，是穿越施工的主要交通道路。

1.2 地质情况

第①层素填土：杂色，厚度5.5m左右，主要由碎石、粘性土等组成，可作为公路的路基。

第②层：粉质粘土，黄色，可塑状态，中等压缩性，最大揭露厚度2.7m，层底埋深2.6m～2.8m。

第③层：粉土，黄色，中密状态，最大揭露厚度8.5m，层底埋深10.2m～11.2m。

基岩：变粒岩，全风化～强风化状态，最大揭露厚度9.0m。

1.3 地水下情况

穿越工程的区域地下水位埋深为0.5m～0.8m，地下水类型为第四孔系孔隙潜水，主要接受大气降水及地表水补给，并以地下水径流的方式排泄出去，主要含水层为粉质粘土层，弱等透水性。工作井、接收井位于地下水位线以下采取明排方式排水。

1.4 工作顺序及内容

四条管线实施顶管的先后顺序是：2线→4线→1线→3线，使每条管线在顶管后外壁土体稳定固结时间尽可能长，再实施相邻的管线，避免发生大变形或沉降破坏。工作内容包括：顶管工作井、顶管接收井8座，钢筋混凝土套管管材（包括接口橡胶圈）的验收、运输及卸管，钢筋混凝土套管顶进450m，钢管组装、焊接和穿越，钢管与套管间填充水、泥浆。

2 土压平衡掘进机施工方案

2.1 主要特征

土压式平衡掘进机施工的主要特征是在施工过程中利用土仓内的压力和螺旋出土器出土，以平衡顶管机前的土压力和地下水压力，具体为：①顶管机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；②顶管机螺旋出土器的排土量与顶管机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。土压式平衡顶管施工主要采用螺旋出土器将土排到推土小车里面，然后再运到工作井将其吊起。

2.2 工作井和接收井的施工方法及主要事项

为保证施工期间土体的稳定，工作井、接收井的结构确定采用沉井方法。沉井施工对周边环境影响有限，整体性较好，不需要长时间降水。顶管设工作井、接收井各4座。工作井为矩形沉井（9m×7m），井壁的厚度为700mm。接收井为圆形沉井（内径7.0m），井壁厚度为600mm。沉井结构为现浇钢筋砼。

沉井制作完毕，井壁砼强度达到70%以后方可下沉。沉井采用机械结合人工挖土下沉，根据土质情况，采用锅底形挖土自重破土方式。从中间开始挖向四周，均衡对称地进行，使其能均匀竖直下沉，每层挖土厚度为0.5m左右。在沉井开始下沉和将沉至设计标高时，周边开挖深度应小于30cm，避免发生倾斜；在开始下沉5m以内时，平面位置与垂直度要特别注意，否则继续下沉后将不易调整；在距离设计标高20cm左右时应停止取土，靠自重下沉至设计标高。当沉井下沉缓慢时，宜采用膨润土制作触变泥浆助沉，以减少摩阻力；当沉井下沉太快时，采用少挖刃脚，增加锅底深度的方法。工作人员和机械分三班作业，下沉过程中不停顿以防增加下沉阻力。

沉井下沉至设计标高后，采用排水封底。封底前应将井底整平，并将沉积于表面的浮泥清除，在井内设置集水井，若水量较大时，应利用井外降水井同步降水。底层铺筑部分卵石、毛石后浇筑素混凝土，素砼达到强度后清除表面浮泥，绑扎钢筋浇筑混凝土，养护期间一直利用集水井抽水。

2.3 设备配置

主顶进系统共有4只2500kN单冲程等推力油缸，行程1500mm，总推力10000kN（实际控制顶力为8000kN）。4只主顶油缸组装在油缸架内，安装后的4只油缸中心位置必须与设计图一致，以使顶进受力点和后座受力都保持良好状态，安装后的油缸中心误差应小于5mm。

2.4 减摩触变泥浆的作用

触变泥浆减摩是顶管施工中减少顶力的一项重要技术措施，在顶进过程中，通过顶管机尾部的同步注浆孔与管道上的预留孔向管节外壁压注一定数量的减摩泥浆，采用多点对称压注使泥浆均匀地填充在管节外壁和周围土体间的空隙来减小管节外壁和土体间摩阻力，起到降低顶进阻力的效果。在管节外壁能否形成完整的泥浆套，将直接影响到泥浆的减摩效果。减摩泥浆采用触变泥浆，该浆液性能稳定，且有良好的触变性，又有一定的稠度。施工过程中，泥浆应保证不失水、不沉淀、不结团，泥浆的配比应根据不同的地质情况作相应的调整，使泥浆适应不同土层的特性，起到预期减摩效果。

3 手掘式顶管施工

3.1 主要特征

手掘式顶管操作在工作坑内进行，工作坑位于检查井位置，管节下沉到坑内，用液压千斤顶顶入土壤，管节前端有“土机头”导进，千斤顶后有后座支撑。

手掘式顶管施工是目前较为普通的顶管方法，管前用人工挖土，所用设备简单，适用于黏性、砂性或硬质泥岩土层，且无地下水影响，管径在1m～3m之间的顶管工程。

3.2 工作井和接收井的施工方法

工作井、接收井为钢筋混凝土结构，基坑采用螺旋桩围护及放坡开挖施工方法。工作井在顶管受力的后背位置，接收井在顶管工具管进接收井头部位置，都准备采用螺旋桩做围护，目的是不扰动后背的原状土，分别保证后背的顶力和吊车停靠吊出工具管，其他三面准备采用放坡开挖。工作井的平面尺寸约为30m×10m，接收井的平面尺寸约为30m×8m，结构墙的厚度0.6m左右。

后背墙是顶力的支撑结构，通常采用原土做后背墙，根据施工经验，顶管覆土2m～4m时，原土后背墙的长度需要4m～7m。如无法使用原土做后背墙时，可筑人工后背墙，也可利用已施工完的管道做后背墙。后背的作用是减少对后座墙的单位面积的压力。

3.3 顶管施工及注意事项

顶进施工顺序：安装顶铁→开动油泵→顶镐活塞伸出一个行程→关油泵→顶镐停止运行→活塞收缩→在空隙处加上顶铁→再开动油泵。

主千斤顶顶推时，以工具管开路，推着管段穿过工作井的穿墙洞把管道压入土中。与此同时，让泥土进入工具管内，当千斤顶达到最大行程后，全部缩回，放入顶铁，千斤顶继续顶进，如此反复，管段不断向土中延伸。当工具管和第一节开型管段几乎全部顶入土中后，吊去全部顶铁，再将第二节管段吊入，装上橡胶止水、钢套环等，顶接在第一节管段的后面，继续顶进，然后使用行吊进行出土，如此循环施工，直至全部顶完。

地下水位降至管底以下0.5m处时开始挖土，同时防止其他水源进入顶管管道。管前挖土一次进尺长度，以千斤顶的一个行程长度为宜。土质好可超前500mm以内，不宜超前开挖过长，以免引起管位偏差大和管端上方土坍塌。应严格控制管周围土的超挖，管端上部可超挖15mm，以减少阻力，管端下部135°包角范围内不得超挖；在不允许顶管上部土层下沉地段顶进时，管周围不得超挖。在松软性土层中顶进时，应采取土体加固措施或其它有效措施，管前挖出的土应及时外运。