浅谈长江深水长距离引水管综合施工技术

2015-03-16李明华

净水技术 2015年1期

李明华，崔佳

（中铁上海工程局集团市政工程有限公司，200331）

1 工程概况

安庆市一水厂异地扩建工程，建设总规模20万 m3／d，一期建设 10万 m3／d，引水管及取水头按40万m3／d建设。其水源引水取自长江，引水管设计为2根DN1600×16的钢管，单根长度为1 069．6 m，其中长江岸边顶管段520 m，顶进距离较长，水下开槽沉管段360 m，架空管段189．6 m，该水源引水管工程穿越地形高差起伏大，地质条件复杂。

顶管设计黄海高程-1．1 m，埋深10 m，地下水主要为孔隙水，埋深在 0．3～2．8 m 左右，地下水量比较丰富，水位较高，详见图1。沉管段设计高程由-1．1 m放坡至-7 m，施工时最大水深约15 m，实测流速0．8 m/s至1．2 m/s，取水头距离岸边约550 m，水深较大，流速较快，距离较远，施工难度很大，详见图2。

地基岩土层分布及特征：

图1 顶管段纵剖面图Fig．1 Longitudinal Profile of Jacking Pipe

顶管段主要分布在粉质黏土夹粉砂层：灰色，流～软塑状，饱和，局部夹薄层或团块状粉砂。实测单桥=1．65 MPa，标贯击数=6．2 击，具有高压缩性。

沉管段主要分布在淤泥层及粉细砂层，其中淤泥层：灰褐色，流塑状，很湿。光泽反应稍光滑，干强度及韧性中等，摇振反应微弱。含有少量腐殖质。承载力特征值50 kPa，摩阻力标准值15 kPa。粉细砂层：灰褐色，饱和，松散-稍密。主要成分为石英、长石，含白色云母碎片及贝壳碎屑。标贯击数击，承载力特征值150 kPa，摩阻力标准值25 kPa。

图2 沉管段、架空段纵剖面图Fig．2 Longitudinal Profile of Sanking Pipe and Aerial Pipe

2 工艺综述

2.1 顶管段

顶管段直接利用取水泵房沉井作为工作井施工，选用泥水平衡式顶管掘进机；顶管出洞口采用高压旋喷桩进行出洞口加固；为减少顶管顶进阻力，顶管采用触变泥浆进行减阻；本次顶管顶进距离较长，为防止一次顶进困难，单向管道中间设置3个中继间，在必要时启用中继间分段顶进（实际顶进时减阻效果较好，未启用）。

2.2 开槽沉管段

采用配备长臂液压抓式挖掘机的挖泥船，配合开底泥驳进行水下开挖；挖泥船开挖完成后，潜水员采用高压水枪射流对沟槽凸凹不平处进行修整，清理浮土；水下铺管采用1台150 t、4锚定位起重船施工，另配备1台60 t小起重船及1台甲驳船用于运送管节；管道水下连接采用哈夫卡连接。

2.3 架空段

架空段及取水头采用钢制桩架支撑形式，由于水深及流速大，钢管桩施工难度较大，定位困难，施工精度难以控制，为确保钢管桩位置准确，采用三测、一插、两打的施工方式进行施工。由于水下施工难度大，通过优化设计，对桩架系统进行改进，减少了水下作业工程量，降低了施工难度，且加快了施工进度。

3 主要施工工艺

该引水管工程施工综合性强，根据地形首先确定好管道分段十分关键，在充分考虑管顶覆土要求、水深、水流速度和连接点位置是否便于作业等因素情况下，将引水管总体分为三个施工节段，分别是顶管段、水下开槽埋管段及水下架空段，其主要施工工艺如下：

3.1 长江漫滩顶管段施工

3．1．1 顶管掘进机选型

本引水工程管道一次顶进长度为520 m，管道顶进主要穿越粉质黏土夹粉砂层，地下水位较高，施工工期较紧，通过比选后采用2台大刀盘泥水平衡式顶管掘进机进行施工，其具有对土质适应性强（尤其适用于砂土）、施工连续性较好、适用地下水位高、施工速度快等优点。

3．1．2 顶进工艺设计

（1）工作井平面布置

该工程直接利用取水泵房沉井作为工作井进行顶管作业施工，井内沿顶管轴线方向安装四根7 m长DN1600钢管作为刚性后座，并浇筑0．5 m厚钢筋混凝土挡墙外设钢板做为主顶的后靠背，省去了中间工作井，节约了施工成本。

（2）顶进系统

顶进系统主要由导轨、顶管后靠背、千斤顶、油泵车、千斤顶支架及顶铁等部分组成。本工程顶铁采用引水管加法兰盘改装而成，顶管完成后顶铁拆除用于沉管段使用，可有效利用资源。

根据顶管工作井的净空及顶力要求，工作井内主顶装置采用双动作单冲程油缸四只。四只油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心来辅助纠偏。

（3）触变泥浆减阻系统设计

管道顶进过程中，通过注浆系统向管外壁压注触变泥浆，来降低管外壁与土体之间的摩擦阻力。通过与相关大学合作，经实验室及现场实验，配制出了新型浆液，采用A、B两种浆液分别用于同步注浆和沿线补浆。

A浆液：主要用于同步注浆，主要材料为膨润土、碱、聚丙烯酰胺，主要起到支撑土体及填塞土体缝隙的作用

B浆液：主要用于沿线补浆，主要材料为碱、聚丙烯酰胺，主要起到减阻的作用

浆液拌制：

（1）机头同步注浆A浆液

加水60%～80%搅拌下加入膨润土及碳酸钠搅拌20 min，加入余量水继续搅拌10 min，慢慢撒粉方式（防止其结团）加入聚丙烯酰胺搅拌20 min，加入润滑剂搅拌10 min即可。

（2）沿线补浆配制B浆液

加水60%～80%搅拌下加入碳酸钠，慢慢撒粉方式加入聚丙烯酰胺搅拌40 min，加入余量水及润滑剂搅拌20 min即可。

（3）洞口止水圈的设计

本工程管道埋深大、地下水位高、土层的渗透系数大，估计形成的地下水压力达0.1 MPa，因此管道在顶进时洞口的密封必须可靠。在洞口密封构造上，采用密封橡胶圈加可充气应急胶圈的双层密封结构，该结构的特点是：顶管过程中充气密封圈是不工作的，如果主橡胶密封圈因摩擦损坏导致密封失效，高压地下水涌入井内的危急情况下，使用打气泵给充气应急胶圈充气，及时控制漏水，在安全状态下处理或更换新密封圈（详见图3）。

（4）中继间设计

本次顶管顶进距离较长，为防止一次顶进困难，单向管道设置3个中继间，在必要时启用中继间分段顶进。本工程中继环采用组合式密封中继环，其主要特点是密封装置可调节、可组合、可在常压下对磨损的密封圈进行调换。

（5）通风系统设计

由于管道顶进距离长，通风是一个不容忽视的问题，它直接影响至管内工作人员的健康安全，本工程采用长鼓短抽组合式通风，效果显著。

3.1.3顶进施工

（1）洞口加固措施

由于地下水位较高，地层含水量丰富，为确保顶管出洞土体稳定、防止地下水倒灌以及防止顶管机磕头，在顶管进出洞口采用高压旋喷桩进行加固，高压旋喷桩直径Φ600，加固范围管外3 m以内，加固深度为管中以上3 m至管中以下3 m，管道所经过空间加固。桩点设计在顶管两侧以及两顶管中间各打3排×7列，相互咬合150 mm，在三排桩端沿垂直顶管方向打三列，桩与桩咬合150 mm。

（2）顶进过程测量控制

顶管顶进测量平台，安装在主顶千斤顶之间轴线上，与砼底板连接，并与千斤顶支架分离，确保顶进时测量不受机械震颤影响。首先要确保导轨轴线及标高准确无误，顶进初期采用激光经纬仪进行测量，当顶进距离较长（约400 m），考虑激光强度及受到管道内空气温度及介质的变化产生折射影响，后期采用全站仪进行测量。

（3）拼管、焊管

本工程接管工艺采用单面V形坡口单面焊接双面成形形式，单面V形坡口可以减少顶进时顶铁对管口的损伤。在焊接作业中，尽量采用平焊、立焊，减少仰焊，确保焊接质量。管道焊接采用CO2气体保护焊工艺，分3层焊接。

（4）纠偏

本工程选用的顶管机头可纠偏角度为3°，当顶进轴线发生偏差时，要及时进行纠偏，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。施工中应贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则，不能剧烈纠偏，以免对管节和顶进施工造成不利影响。

3.1.4施工效果分析

按以上施工工艺施工，只用了1个月的时间就完成了双向520×2 m顶管施工，各项施工技术参数均在可控范围内。机头出洞时未出现地下水倒灌和磕头现象，顶进过程中平均顶力430 kN，最大顶力635 kN，远低于千斤顶的最大顶力2 000 kN，减阻效果很好。顶管高程过程中最大偏差37 mm，顶进就位高程偏差：上游17 mm，下游21 mm；管道轴线过程中最大偏差42 mm，顶进就位轴线偏差上游16 mm，下游13 mm，详见表1。

3.2 水下开槽埋管段施工

3.2.1基槽开挖

水下开槽深度最大约15 m，一般的挖泥船无法满足要求，本工程采用配备长臂液压抓式挖掘机的挖泥船，并对大臂进行接长，配合开底泥驳进行水下开挖；

水下开槽定位采用中海达K5定位定向仪配合施工定位软件进行定位，同时采用全站仪定期复核。开挖深度采用超声波测深仪进行测量，随挖随测，避免漏挖，欠挖现象、降低复挖率，在长江靠近岸边安装水位标尺，及时对水位涨落进行校核。

表1 顶管轴线及高程实测记录Tab．1 Record of Pipe Axis and Elevation Measurement

抓式挖泥船将挖出来的泥砂放到开底泥驳后，由开底泥驳将泥砂运到由海事部门指定的抛泥点进行弃泥。

3．2．2 沟槽的平整及垫层

（1）沟槽的平整

由于挖掘机水下开挖平整度无法保证，且会有大量浮泥，挖泥机开挖完成后，需要潜水员采用高压水枪射流对沟槽凸凹不平处进行修整，清理浮泥；

（2）垫层及卵石混合料施工

根据设计要求管道下部铺设30 cm厚碎石垫层，以使管道在江床受力更趋合理，找平垫层碎石粒径为20～40 mm，但是由于水下高程难以控制及找平困难，为防止铺设厚度超厚，导致管道无法安装，垫层施工采用后铺设法，即先将管道沉放到位后，再进行碎石填筑，碎石采用驳船运送到位后，采用液压抓扬式挖泥船进行铺设，潜水员水下配合使得管道底部和侧边充满碎石，碎石铺设方向由上游向下游进行铺设。卵石混合料施工同碎石施工。

3．2．3 取水管沉放

长江水流速较快，水浪较大，管道施工时必须尽量保证船体稳定，水下铺管采用1台150 t、4锚定位起重船施工，另配备1台60 t小起重船及1台甲驳船用于运送管节；引水管出厂长度14 m一根，首先在岸上加工成42 m一根管节。管节制作完成后，每根管节设置2个吊耳，两端各布设一个。沉管时，起重船就位，并吊起钢管，让钢管平与水面，用机动船将全站仪棱镜先放置在钢管中部测量一次，移动起重船进行管中心定位，然后再将棱镜放在钢管端部进行测量，通过调节管道两端设置的缆风绳长度来调整管道的走向，调整好位置后，起重船吊钩慢慢下放，将取水管按要求沉放到位，潜水员在水下对取水管进行探摸，确认到位后再复测露出水面钢丝绳的坐标，由潜水员配合测量管道两侧管顶标高，根据测量情况在管道两端采用事先准备好的袋装碎石进行填筑，保证标高达到设计标高，两端标高均调整好以后，每隔10 m在钢管下方同样采用袋装碎石进行填筑，防止中部架空，管道不安全，所有工作完成后，潜水员在水下将起吊用的钢丝绳子解开，取水管与取水管之间由潜水员在水下用土工布将接口处包裹后，再用哈夫卡进行连接。安装完毕后及时进行碎石垫层施工

3．2．4 管道水下连接

管道水下连接方式一般有水下焊接、法兰连接或哈夫卡连接，综合考虑本工程特点采用哈夫卡连接，该连接方式具有水下施工难度小，施工速度快，管道方向可微调等特点。哈夫卡箍为半合对抱结构，分为上下两片，两片哈夫卡箍采用螺栓水下紧固安装方法。哈夫卡箍与钢管桩之间通过橡胶圈压紧来保证紧密性，哈夫卡箍中间为异型，成凸起状，便于管道接头安装和轴线调整。

3．2．5 水下抛石

碎石垫层及卵石混合料铺设完成后，按设计要求在管道顶部抛石压顶，保证管道在长期水流冲刷下的稳定性，水下抛石采用开底驳船运送至现场后直接开底下抛，在抛石前，先测量长江流速及抛石处标高，经计算偏上游进行下抛，为保证下抛准确性，抛石要分多层进行，在抛部分块石以后潜水员水下校核并整平，根据实际情况调整驳船向上游偏移距离，确保抛石位置准确。

3．2．6 施工效果分析

沉管段在实际施工时发现由于流速较快，开槽回淤情况较为严重，实际施工中需将设计的开挖放坡比例适当放大，方可满足施工要求。经实测管道成形标高最大误差44 mm（详见表2），轴线偏差x方向最大48 mm，y方向最大误差44 mm（详见表3），满足设计及规范要求。

表2 沉管高程偏差统计Tab．2 Statistical of Immersed Tube Height Deviation

表3 管道轴线偏差统计Tab．3 Statistical of Steel Pipe Pile Deviation

3.3 水下架空段及取水头部施工

3．3．1 施工测量定位

在江边漫滩上距离取水头部约500 m位置，相对引水管轴线对称设置两测量控制点，两点连线基本垂直引水管轴线，距离约200 m，在两控制点设置两台全站仪，一台主全站仪、一台辅助全站仪，首先采用主全站仪定位，然后再采用交汇测量的方法校核钢管桩位置，详见图4。

图4 钢管桩测量定位Fig．4 Measuring and Positioning of Steel Pipe Pile

3．3．2 高程控制

桩标高测量采用水准仪测量，由于距离较远，无法看到塔尺读数，在钢管桩送桩器上用红白油漆画出刻度线，刻度线间隔5 cm，刻度线起点为距离送桩器底端12 m处，终点为14 m处，并每隔10 cm标注刻度值，在打桩时，先计算出钢管桩到位时，送桩器与水面的相对位置，并以此进行钢管桩施打，待接近到位时，采用水准仪精确控制钢管桩的高度，慢打到位。

3．3．3 钢管桩施打

（1）D820钢管桩在厂家定制14 m一根，在现场拼接至设计长度，此外由于长江水位较深，另制作长度为15 m送桩器一根。

（2）打桩船采用60 t起重工程船，采用DZ90型号震动锤。由于水深及流速问题，钢管桩施工难度较大，难以定位，施工精度难以控制。为确保钢管桩位置准确，采用三测、一插、两打的施工方式进行施工，即：钢管桩定位后，放下打桩系统，使得钢管桩靠自重插入淤泥层，然后再复测钢管桩坐标，无误后点动施打，待钢管桩插入土体一部分以后，再复测坐标，最后再进行正式施打，如误差超出规范范围，拔起钢管桩重新定位。施打完毕后复测钢管桩坐标及高程，确认无误后开始下一根钢管桩施工。

3．3．4 钢管桩水下切割

由于长江水下地质条件复杂，部分钢管桩在未能达到设计预计长度时即进入持力层，无法继续下沉，经设计院同意后，停止施打，记录打入深度，对于未施打到原设计长度的钢管桩需要进行水下切割，根据打入的深度计算出每一根钢管桩需要切割的深度，水下切割采用600 A直流弧焊机,配合水下专用割枪进行切割。

3．3．5 潜水员水下安装桩帽、横梁、管支座

由于水深较深，长江水流速快，水下施工难度大，测量及校核难度大，为确保施工质量，降低施工难度，要尽量减少水下施工工程量。因此对设计方案进行了优化，在岸上将横梁管支座连接成整体，横梁与钢管桩通过桩帽连接，减少了水下连接量，降低了施工难度，且加快了施工进度。

由于长江流速快，架空段钢架系统施工时，潜水员没有落脚点，身体无法固定，因此设计了特制的操作平台，挂在钢管桩上进行施工。

3．3．6 取水头部的安装和连接

取水头部喇叭口在岸边与取水管进行焊接拼装成整体后，在取水头部及原水管顶部分别焊接两个吊耳（要注意其重心），以作起吊之用，由履带吊运至起重船能够吊到的江滩上，再由起重船吊装至甲板驳船上，由甲板驳船运至指定施工位置，工程船起吊，岸上全站仪定位后，吊装取水头。

3．3．7 施工效果分析

架空段施工中，受到水深及长江浪高的影响较大，施工时尽量避免大风时施工。钢管桩施工完毕后实测x方向最大偏差66 mm，y方向最大偏差55 mm，最大高程误差32 mm（详见表4）。

3.4 顶管与水下沉管段的连接

原设计水下顶管与沉管连接处采用围堰施工，由于长江水深较深，流速较快，围堰施工难度大。且在长江内采用土围堰势必会造成对长江水环境的污染，影响航运及渔民捕鱼。经研究讨论后采用水下切割取出机头，通过哈夫卡将顶管段与沉管段连接，既避免了对长江水体的污染，又有助于加快施工进度，具体方法如下：

顶管结束后，拆除机头内电机、千斤顶等不能浸水的部件，水下开挖出机头（开挖时将管道与机头连接处2 m范围内，管底土方掏空至少1 m深，管底开挖不便可采用高压水枪冲射的方式施工），潜水员按照提前在连接处做的圆钢环形标记进行水下切割，切割完毕后起重船配合潜水员将机头取出，然后进行顶管段与沉管段的连接施工。机头切割前需将取水泵房阀门井内阀门安装完成并关闭，避免江水倒灌，保证施工安全。