大口径顶管在某污水厂尾水排放管穿越江堤段的应用

邓 震，万玉生

(1. 杭州市水处理设施建设发展中心 浙江杭州310000；2. 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300381)

大口径顶管在某污水厂尾水排放管穿越江堤段的应用

邓 震1，万玉生2

(1. 杭州市水处理设施建设发展中心 浙江杭州310000；2. 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300381)

以某污水厂尾水排放管穿越钱塘江大堤段施工实例，对大口径管道顶管的机械选型、顶力计算、中继间设置、钢管顶力计算等内容进行详细计算分析，探讨了施工阶段的关键技术措施，包括顶管机安装及出洞措施、出洞口止水措施、防止扭转措施、顶管初始顶进措施、穿越管线及钱塘江大堤沉降控制措施、顶升管止退措施、施工监测措施等。工程实施过程中进行了持续观测，顶管前、中、后沉降变形数据均控制在规范允许标准值内，表明各项计算分析准确，关键措施采用得当，可以为类似工程施工提供参考。

顶管 尾水排放 顶力计算 沉降控制

顶管技术是一项用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术。优点在于不影响周围环境或者影响较小，施工场地小，噪音小，且能深入地下作业。顶管施工彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面具有明显优势。集中式的城市污水处理厂尾水排放管由于管径大，且需穿越堤岸等对沉降要求高的结构体排入江海等河体，对顶管施工的技术要求高。本文以某污水处理厂尾水排放管道穿越钱塘江大堤的过程实例，探讨顶管机械选型、顶力计算及大直径顶管施工关键技术措施。

1 工程概况

杭州市某污水处理厂尾水排放口工程，位于钱塘江北岸，一期尾水排放规模为20万t/d，排江管道主要内容包括排江主管和应急排放管。

排江管道从工作井出发，穿越某污水厂进厂主干管、沿江大道及钱塘江海塘至排放区，排放口区域位于钱江大堤外200,m处。管道平面布置及走向如图1所示，管道长度分别为：主排放管312,m，应急排放管262,m，工作井处管道设计管中高程为－14,m，主排放管终点管中高程为－17.2,m，应急排放管终点管中高程为－16.6，坡度向下1%,。顶管管材采用DN1800壁厚22螺旋钢管，材质Q235，两根钢管中心间距为5.25,m。工作井截面内净尺寸为10,m×10,m，钢筋混凝土结构，设计刃脚标高为－19.5,m，沉井总高度26.2,m。进厂主干管管线根据管线设计单位要求变形值为2,cm，报警值为1.5,cm。根据管理部门要求，大堤隆起值为不超过1,cm，沉降值为不超过2,cm，变形值的70%,设为报警值。

图1 管道平面布置及走向图Fig.1 Pipeline direction and layout plan

本工程具有代表性的地质剖面图如图2所示，管道底标高主要为－15.0～－17.5,m，基底座落于②粉砂夹粉土层及③－1 淤泥质粉质粘土夹粉土层。

图2 工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological profile

2 顶管机械选型及顶力计算

2.1 顶管机械选型

排江管道主要在淤泥质粉质粘土夹粉土层顶进，根据《给水排水工程顶管技术规程》CECS246：2008中关于各土层中顶管机选型参考表，决定采用泥水平衡式，泥水平衡顶管工具管机型的性能比较如下：

泥水平衡工具管是在机械切削式工具头刀盘后安装隔板，形成泥水压力室，以谋求开挖面的稳定。同时将由切削下来的原状土以泥浆形式输送至地面泥浆池，经过沉淀后泥浆重新输送到顶管机头部，渣土集中外运。管道施工采用DN1800泥水平衡顶管掘进机，因先行施工的陆域管道穿越地质为粉砂土，遇水易形成流砂，因此刀盘采用开口率较小的平板刀盘，可有效防止流砂涌入，有利于控制地面沉降。排江管道穿越地质为淤泥质粘土夹粉砂，在排江管道顶进前需要对顶管机刀盘进行改装以增加开口率，同时安装合金钢刀具，用于清除可能遇到的孤石等障碍。

本工程使用的泥水平衡式顶管掘进机性能参数如下：①顶进速度，0～200,mm/min；②切削刀盘，转速为2.0,rpm，转矩为300,kN·m，电机功率为30× 2,kW；③纠偏系统，纠偏油缸推力为1,000,kN·m，纠偏油缸拉力为600,kN·m，纠偏油缸数量为4个，纠偏角度为3.27,°，油压为31.5,MPa，电机功率为2.2,kW。

2.2 顶力计算

根据《给排水顶管技术规程》CECS246：2008中12.4.1式，顶管顶力计算公式为：

式中，F0为总顶力，D1为管道外径，L为管道长度，fk为穿越土层摩阻力，排江管道取10,kN/m，NF为工具管迎面阻力。

式中：Dg为工具管外径，本工程为1.85,m；γs为土体重度，取18,kn/m；Hs为覆土厚度，取20,m。

排江管道顶力计算：

迎面阻力：

排江主管：

应急排放管：

顶力均超过沉井后靠允许顶力9,000,kN，管材允许顶力为8,195,kN，即管道最大顶力控制值为8,195,kN，需设置中继环。

2.3 中继间布置

采用的中继环可安装15个800,kN千斤顶，合计顶力为12,000,kN，中继环设计允许转角为1,°，中继环止水橡胶可通过径向调节螺丝自由调节，在圆周方向可以根据需要进行局部或整体调节，具有良好的止水性能。

2.3.1 中继环顶力计算第一环顶进距离顶管机正面阻力NF，排江管道：

式中：Dg——顶管掘进机外径1.85,m；sγ——土体重度，取18,kN /m³；Hs——覆土厚度，取20,m。

第一环顶进距离L′，排江管道：

式中：T——中继环设计顶力12,000,kN，需用顶力取8,000,kN；F——掘进机正面阻力；D——管外径1.85,m；f——管壁摩阻力，排江管道取10,kN/m2，陆域管道取20,kN/m2。

2.3.2 中继环设置间距排江管道：

式中：L——每环间距；T——中继环设计顶力8,000,kN；K——顶力系数；D——管节外径1.85,m。

经过计算，排江管道中继间可推进138,m，根据设计总说明，每100,m布置一道中继间，所以中继间间距按100进行设置。

后座顶进距离为：

中继间布置如下：

主排放管道第1道中继间布置在工具管仓板后48,m，第2道中继间在第1道中继间后97,m，第3道中继间在第2道中继间后97,m，后座顶进70,m，排江管道共有3道中继间。

应急排放管第1道中继间布置在工具管仓板后60,m，第2道中继间在第1道中继间后97,m，后座顶进105,m，主排放管道共有2道中继间。

2.4 钢管允许顶力计算

采用钢管为DN1800壁厚22钢管，根据《给水排水工程顶管技术规程》CECS246：2008中8.1.3式，钢管允许顶力公式为：

式中：Fds为钢管允许顶力值，单位N；1ϕ为钢材受压强度折减系数，取1.0；3ϕ为钢材脆性系数，取1.0；

4ϕ为钢材稳定系数，取0.36；fs钢材受压强度设计值，N/mm；As钢材顶力受力面积，mm；γQd顶管分项系数，取1.3。

3 施工关键技术措施

3.1 顶管机安装及出洞措施

顶管设备及材料准备完毕，将顶管机吊装到轨道上进行位置、标高、垂直度调整并安装进水、排泥、电缆，安装完毕后开展顶进系统试运行，试运行正常后顶进至穿墙洞口闷板处，顶管机刀盘距闷板保持0.3,m左右以确保闷板顺利起吊。顶进准备一切就绪后开启闷板机头出洞，闷板吊起后机头第一时间推进至穿墙洞口内，由于穿墙洞口处土体用高压旋喷桩进行加固，无法正常施工，需要降低顶进速度，利用刀盘切削加固土体缓慢穿越加固区，加固区长度为12,m，穿越加固区后开始正常施工。

3.2 出洞口止水措施

排江管道止水装置为复合橡胶止水，根据水头压力可以选择1～3层，排江管道采用1层止水橡胶圈，而且止水橡胶预先装入穿墙管装置系统，既能平面止水(闷板与法兰间)，又能轴向止水(管段与穿墙管间)，如图3所示。当工具管穿墙时，闷板开启，工具管进入穿墙管即能达到止水目的。为防止机头出洞时井外水土涌入，按照设计图纸对穿墙洞口外侧进行地基加固。

图3 管道止水装置图Fig.3 Pipeline sealing device

3.3 防止扭转措施

本工程顶管管道施工前需要安装顶升管穿墙洞口，顶管施工时需要顶升管管道穿墙洞口保持垂直向上，需要在顶管时注意管道偏转情况，如果管道发生旋转，采用的泥水平衡顶管机可将刀盘反转，将管道逐步回正。顶管初始阶段容易发生管道旋转现象，随着顶进长度的增加，管道与周边土体摩擦面积增加，管道趋于稳定，所以在顶管初始阶段顶进施工时，注意在管道焊接顶升管穿墙洞口保持垂直向上。

3.4 顶管初始顶进措施

工作井穿墙洞口闷板开启，顶管机推进后切削洞口加固土体，加固区长度为12,m，穿过加固区后将土压力值设定为0.4,MPa(顶管机迎面阻力为968,kN)，在通过加固区后对比第三方沉降观测数据，通过数据变化修改参数，初始顶进阶段机头有向下趋势可直接用下排油缸顶进方法来纠偏，随着顶进距离的增加，管道趋于稳定，因此初始顶进阶段严格控制管道轴线。

3.5 穿越管线及钱塘江大堤沉降控制措施

为避免顶管施工带来的土体扰动问题，主要采取了以下几项施工措施：①适当提高土压力，使顶管通过后地面稍微隆起，后期沉降至原始标高，土压力控制值可通过前20,m顶管施工地面沉降观测后取得。②避免大角度纠偏，穿越道路、管线前调整机头姿势，穿越区内禁止有大的纠偏，造成超出土。③顶管结束后进行泥浆置换，特别对上述区域严格控制注浆压力、注浆量。④顶管施工前在顶管轴线上方每隔一定距离布置注浆孔，注浆孔深度为地面至管道上方0.3,m左右，通过沉降观测顶管通过区域沉降情况，超过限值即可向沉降区域注浆。

深层注浆采用压力注浆工艺，注浆材料为水泥浆，注浆压力暂定为0.3,MPa，因施工区域靠近钱塘江边，考虑到注浆效果，在浆液中掺入一定量的水玻璃(见图4)。

图4 注浆管布置示意图Fig.4 Schematic diagram of grouting pipe arrangement

3.6 顶升管止退措施

在顶升管施工过程中，初始顶进随着顶进距离增加，闷头上部土体产生压缩并形成一定反弹力，此时在顶升操作台进行油缸缩回等操作时产生管节回退现象，造成安全隐患。为确保施工安全，在单节管节顶升完毕后，油缸缩回前用加固筋板将管节与顶升加固装置连接，在完成管节拼装及焊接后拆除连接装置。以公司以往施工经验，顶升管施工至1/3高度时顶力为最大值，一旦顶升管顶部河床土体扰动后顶力会逐步降低。

3.7 施工监测措施

顶管施工前委托第三方监测单位对顶管轴线管线及构筑物进行沉降观测点监测，顶管施工期间以专业监测成果作为施工参数调整依据，力求使穿越施工影响最小。为确保数据及时性，测量频率为4次/d，每次测量数据均在测量完成后1,h内上报。

观测用一期采用DS1级别水准仪，警戒值为地面沉降5,cm，管线处沉降2,cm，报警值为警戒值的70%。

4 结 语

本工程实施过程中，第三方监测单位开展了持续观测工作。检测结果显示，顶管前、中、后沉降变形数据均控制在规范允许标准值内，表明各项计算分析准确，关键措施采用得当，技术手段合理可行。文中大口径管道顶管施工方案的选择及顶力计算、顶管施工过程中的关键技术难点，可以为类似工程施工提供参考。

［1］ CECS246：2008. 给水排水工程顶管技术规程[S]. 北京：中国计划出版社，2008.

［2］ JGJ 120—2012. 建筑基坑支护技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］ JGJ 79—2012. 建筑地基处理技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

The Aplication of a Large Diameter Pipe Jacking in Sewage Plant Tail Water Pipes Through the River Bank

DENG Zhen1，WAN Yusheng2
(1.Center of Hangzhou Water Treatment Facilities Construction and Development，Hangzhou 310000，Zhejiang Province，China；2.North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300381，China)

This paper takes an example of a construction case of sewage plant tail tube drainage which crosses Qiantang river dike and carries out a detailed calculation and analysis of pipe-jacking of a large diameter pipeline from the aspects of the selection of pipe jacking machine，calculation of jacking force，relay setting，calculation of the force of steel pipe.It probes into the construction phase of key technical measures，including pipe installation and unkennel measures，kennel sealing up measures，reverse prevention measures，initial jacking measures，line crossing and Qiantang river dike subsidence control measures，jack-up tube backstop measures，construction monitoring measures and etc.Continuous observations were made in the process of project implementation and it was found that data of the pipe jacking before，during and after settlement deformation were controlled within allowed specifications.It shows that the calculation and analysis are correct and key measures are properly used，which can provide reference for similar engineering construction projects.

pipe jacking；tail water discharge；jacking force calculation；subsidence control

TU35

：A

：1006-8945(2016)09-0063-04

2016-09-02