顶管施工技术在南水北调淮安市截污导流清安河穿运洞移建工程施工中的应用

陈中原 刘兵兵 施 伟

顶管施工技术在南水北调淮安市截污导流清安河穿运洞移建工程施工中的应用

陈中原 刘兵兵 施 伟

一、工程概况及施工工艺流程

1.工程概况

该工程为清安河穿运洞移建工程施工，工程任务是将污水处理厂尾水经清安河通过本涵洞排入淮河入海水道南偏泓，以改善南水北调东线输水干线大运河及里运河淮安城区段的水质和水环境。设计流量29.06m3/s。

该工程洞身采用2孔C50钢筋混凝土顶管管涵结构，单孔洞身长165m。洞首采用钢筋混凝土沉井结构，上游（西侧）设工作井、下游设接受井。

2.施工工艺流程

施工准备→测量放样→基坑开挖→降水施工→沉井施工→墙后土体改良→顶管顶进→沉降观测→上下游连接段→上部结构。

二、顶管顶进技术方案

南水北调淮安市截污导流清安河穿运洞移建工程顶管施工方案采用泥水平衡方案。

1.重点难点分析

顶管土层穿越地层含有砂礓石甚至砂岩，局部还有较大面积砂礓盘石，对顶管掘进和出土增加难度，增大刀盘驱动扭矩抗力，同时容易发生堵塞。为该工程施工难点，施工时需慎重对待，尽量避免顶管不连续，在河底停滞发生事故。

（1）施工中将螺旋出口器创新式增设了带破碎功能的旋转刀头，具有二次破碎土体和其中的大块砂礓石功能，可一定程度上减小取出砂礓石的粒径，降低被堵的风险。另外，将刀盘处螺旋出口器的开口加大至51cm，便于较大礓结石的输送。

（2）改进了刀盘上的切削刀头的布置和切削刀头的数量，延长刀头的使用寿命，确保刀头能够满足长距离在土层中的切削能力和耐磨能力，以便顺利破碎和切削砂礓盘。

（3）加大了刀盘的驱动功率，采用6台22kW的驱动电机，扭矩为2.0。这种大扭矩的顶管掘进机能有效地防止碰到大面积坚硬杂物，而造成刀盘转不动的情况发生。

2.施工工艺及方法

（1）顶管机选型

为保证工程施工安全、质量及进度要求，顶管工艺采用泥水平衡顶管工艺，并根据地质情况，对改顶管机进行了针对性改造。

改造后的顶管机具有如下特点：

①掘进仓是全封闭式，隔舱、刀盘主轴密封以及纠偏段密封能够在0.2MPa水压力和土压力下正常工作。本设备的主轴密封圈和筒体密封圈均为日本RASA工业株式会社提供的进口产品。

②掘进主轴功率大、旋转扭矩大、动力强劲（本掘进机安装了4台30kW电机），根据掘进时的阻力，并具有动态控制掘进面泥水力平衡的功能，以避免顶进中出现超挖和欠挖导致顶进意外偏向。本掘进机在挖掘面和泥水仓分别装有压力表，随时可以观测挖掘面和泥水舱压力状况。

（2）设备现场安装

井下设备安装包括导轨安装、千斤顶安装、后背墙安装及顶管机井下就位等。

①导轨安装。导轨用型钢制作，型钢用螺栓紧固于钢横梁上，以便装拆。钢横梁置于工作井底板上，并与底板上的预埋铁板焊接，使整个导轨系统成为在使用中不会产生位移的、牢固的整体。

②千斤顶安装。主顶站千斤顶选用6 台200t，固定在型钢制作的千斤顶支架上，支架焊在井底的横梁上，千斤顶着力点应在顶管圆周上，即与管道中心的垂线对称，其合力的作用点在管道圆心上，每个千斤顶的纵线坡度应与管道设计坡度一致。

③后背墙安装。后背墙采用钢板定位后缝隙灌浆，为顶管的反力提供一个垂直的受力面，承受千斤顶传来的顶进反力。后背墙安装后再一次复核顶管轴线，保证井壁受力均匀。

④顶管机下井。井下设备安装完后，用70t汽车吊和50t履带吊将经保养、检查、调试好的顶管机分两节吊下工作井，置于井底导轨上。

3.泥浆套措施

膨润土泥浆具有良好的触变性与润滑性，将其压到管外壁，包裹混凝土管，可大大减小管外壁与土壤间的摩阻力。当压浆控制得当，压浆管分布合理，膨润土充分膨化，注入后摩阻力可大为降低。

每段顶完后，用水泥砂浆置换触变泥浆，置换后管道上的注浆孔封闭严密，并将全部设备清洗干净。水泥砂浆置换触变泥浆空间，形成水泥砂浆包裹钢筋混凝土管道，以保证管节牢固，防止漏水、漏泥，并填充顶管扰动。

4.中继间选择、使用

中继站由若干个小千斤顶、钢环等组成，安装于两管节间，其作用是将长距离顶管分解成若干个短距离顶管，采用分段接力顶进的方式实现长距离顶管，每个中继站只负责该站至前站间的管节顶进。

该工程每段设置一个中继间，由24个500kN千斤顶组成，中继间总推力12000kN，实际使用按80%考虑即9600kN。

机头迎面阻力：

F1=rkH×A=18kg/m3×0.7×11.7m×（π×1.8m2）=1500kN

式中：r为土容重，k为静止土压力系数，H为地面至管中心高度，A为迎土面积。

机头外壁摩擦力：

F2=π×d=L0×f0=π×3.7×3.5m ×15=610.0kN

式中d为机头直径，L0为机头长度，f0为摩擦系数。

L1=（F控-F）0.5/（πdf1）=（2000-

150-61）×0.5/（π×3.7×0.7）=109m

L2=F控×0.7/πdf2=2000×0.7/（π ×3.7×0.25）=481.8m

中继间安放在距机头30m左右的位置，中继间液压系统考虑直接从总站提供。

5.顶管初始顶进

（1）准备工作

洞门止水设施安装完毕，轨道、基座安装完毕，主顶、后背设施的定位及调试验收合格，顶管机吊装就位、调试验收合格。

（2）顶管机出洞

①工作井洞口止水装置应确保良好的止水效果。根据设计预留的法兰，再在洞口内壁安装出口器，出口器由内径略小于管节外径的橡胶密封圈和内径略大于管节外径的钢法兰组成，组成工作井洞口止水装置。该装置与导轨上的管道保持同心。

②顶管出洞应采取措施防降低地下水位，减小地下水压力及相应影响。

③顶管机头在井内管床就位，调试完毕，作好出洞的一切准备后，去除洞口内的砖封门，将机头穿进橡胶密封圈顶入土中，同时在机头与洞口的缝隙中注满膨润土泥浆，以润滑管道，支护土体。

④在顶管初出洞段顶进施工过程中，密切注意顶进方向的偏差，对顶管机姿态要勤测勤纠，力争将出洞段顶管轴线控制到最好，为后阶段顶管施工形成一个良好的导向。使用激光经纬仪随时测量监控，保证顶头和第一节管子位置正确。

6.顶管进洞

顶管进洞是指一段管道顶完，顶管机破进洞口封门进入接收井，并作好顶管机后一节管与进洞口的密封联接的过程。顶管机进洞前对洞口外土体进行防渗注浆，并留有足够的固化时间。顶管机进入加固土体并到达洞口外侧时，拆除砖封门，将顶管机顶入接收井。

7.顶管控制

（1）顶进姿态监测

采用经纬仪、水准仪等测量仪器测量顶管机的轴线偏差，监测顶管机的姿态。

（2）顶管机姿态调整

①滚动纠偏。由于刀盘正反向均可以出土，因此通过反转顶管机刀盘，就可以纠正滚动偏差。允许滚动偏差小于等于1.50时顶管机自动控制系统会报警，提示操作者切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。

②竖直方向纠偏。控制顶进方向的主要方法时改变单侧纠偏油缸行程。但它与顶管机姿态变化量间的关系没有固定规律，需要靠人的经验灵活掌握。

当顶管机出现下俯时，可加大下侧纠偏油缸行程，当顶管机出现上仰时，可加大上侧纠偏油缸行程，来进行纠偏。

③水平方向纠偏。与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大左侧纠偏油缸行程，右偏时则加大右侧纠偏油缸行程。

8.顶进过程监控测量

右线顶进过程中，顶管顶进最大顶力为867T，小于设计顶力1200T，顶进过程中未启动中继站。

左线最大轴线偏差26mm，满足规范要求的50mm最大偏差；左线高程最大偏差为-29mm，也完全满足规范要求的（+40，-50）mm允许范围。

右线顶进过程中，顶管顶进最大顶力为914T，小于设计顶力1200T，顶进过程中未启动中继站。

右线最大轴线偏差25mm，满足规范要求的50mm最大偏差；右线高程最大偏差为-29mm，也完全满足规范要求的（+40，-50）mm允许范围。

三、结论

该工程沉井位置临近里运河及清安河，顶管穿越里运河堤及里运河，地层地质复杂，含大量礓结石及岩石，穿河段覆土厚度富余量较小，顶管管径较大，较多不利因素为该工程的施工带来很大难度，施工过程中，通过对各种情况的分析，并积极采取了应对措施，较好地控制了质量，对管道中心线、管道底标高的控制满足设计要求，对导轨安装的精密控制、后背墙体的加固也为本次顶管施工的顺利完成打下了基础，施工过程中未出现地面沉降及隆起情况，为类似工程地质及诸多不利环境下的顶管施工积累了经验

（作者单位：江苏省淮安市水利局223005 淮安市水利勘测设计研究院有限公司 223001 江苏中禹水利建设有限公司 223100）

（专栏编辑：周 权）