城乡输水管线顶管穿越公路的施工技术

吕晓丽

（盘锦市大洼区水利局，辽宁大洼 124200）

1 工程概况

大洼区属于辽宁省盘锦市，由于区域水资源分布不均衡，严重制约了当地居民生活和经济发展。为合理调配水资源，自2015年起，大洼区开始实施城乡输水管网工程，管道长约8 km，采用管径1 400 mm的钢管（外径1 428 mm），在过盘海营高速公路时，考虑到顶管施工具有不破坏道路基础，不影响人车通行，施工速度快，成本低等施工优点[1]，且顶管距离110.6 m，在施工技术范围内，因此采用顶管方式进行盘海营高速公路的管道穿越。

2 顶管施工

2.1 机型的选择

由于顶管座落在淤泥质粘土层内，因此顶管采用小刀盘土压平衡式顶管掘进机。土压平衡机头由前段、后段、司板、刀盘、刀盘驱动装置、纠偏油缸、螺旋输送机、操纵台、油压泵站、皮带运输机等组成。使搅拌仓和掘进机两者的土压力相抵消，尽量避免顶管过程中对土层产生较大的扰动，从而实现土压平衡。

2.2 主油缸合力中心的确定及最大顶力计算

主油缸是顶管施工的主压千斤顶，用4台千斤顶左右对称布置，根据具体的顶推情况确定出共合力中心位置。穿墙时，主油缸顶力与工具管的正面阻力相抵消，即主压站的合力中心应与管道穿墙位置相反。

2.2.1 合力中心计算

工具管正面阻力的合力中心：

式中：E——管道合力中心；D——管径，1.4 m。

则DN1400钢管合力中心E=0.175 m，即低于管中心17.5 cm。

2.2.2 推力计算

式中：F——顶管总推力；F1——顶管过程中的迎面阻力；F2——顶管过程中的顶进阻力。

前苏联对两个长期注水开发的稠油油藏原油性质进行了跟踪对比，分析后发现：随着水驱的进行，采出油轻组分含量高于剩余油，而剩余油中胶质、沥青质含量比采出油高，随水驱采出油量的增加，地下剩余油的黏度也不断增加［9］。胜利油田多个稠油区块的实际原油分析化验资料也证实了这一结论。胜利油田水驱普通稠油油井S328-2，1999年4月测得其原油黏度为1.780Pa·s，随水驱进行其原油黏度不断上升，2011年5月其黏度上升到了4.188Pa·s，黏度增加了2倍多（图3）。

式中：D——管外径1.428 m3；P——控制土压力。

式中：K0——静止土压力系数一般取0.55；H0——地面至掘进机中心的厚度，取5.5 m；γ——土的湿重量，取 1.9 t/m3。

则得出 P=5.75 t；F1=8.85 t。

式中：f——注浆后管外表面综合摩阻力系数，取0.4 t/m2；D——管外径，D为1.428 m2；L——顶距，L 为110.6 m[2]。

得出F2=198.36 t,即每顶进1 m顶力1.79 t。因此，总推算力F＝8.85+198.36=207.2 t。

根据以上计算，该工程总推力最大为207.2 t，小于该工程顶管工作井的的最大顶力为4 400 kN（=440 t）,因此选取最大值 440 t，并按规定取其80%（352 t）作为该工程主油缸总推力，主油缸选用4台400 t(=2 000 kN)级油缸，每只油缸最大顶力不超过100 t(100 kN)。

2.3 顶管设备

2.3.1 导轨安装

2条导轨沿管道纵坡面相互平行布置，其标高与管道内口底部标高相同，导轨顶部要平滑顺直，安装过程中要求轴线偏差左右不超过3 mm，顶面高程不高过3 mm，两倒轨之间间距不超过2 mm。为保证导轨有足够的承载力，采用P50号重型钢轨，并将导轨与沉井钢筋混凝土底板的预埋钢板进行焊接来确保导轨使用过程中牢固，避免位移事故的发生，同时用C25混凝土在导轨之间和外侧浇筑圆弧状的混凝土护边，这样在导轨上进行管道安装时，可以做到不与该层护护混凝土发生碰撞。

2.3.2 主油缸

2.3.3 顶铁

顶铁一般采用表面平齐、厚薄均匀、硬度大、韧性强的钢制顶铁，且主要作用是：将顶力在管端均匀分布；在油缸行程不够时进行填充。

2.3.4 后背及后座

后背的主要作用是用来承受主油缸的全部顶力，并将其传递到背后的土体上。由于我们采用列表工作坑的形式，为避免油缸的返力对井壁产生损坏，需要在井壁上加设导木和不低于45 mm得厚钢板作为后座，对井壁进行保护。

2.3.5 吊装、出泥设备

施工时采用汽车吊对管道和设备进行吊装[3]。顶管出泥采用人工运输，采用无堵排污泵和螺旋不堵塞泵。

顶管工作示意图如图1所示。

图1 顶管工作示意图

2.4 顶管措施

2.4.1 触变泥浆减阻

为了减少顶进阻力（前面顶力计算是按使用触变泥浆，管节与土的摩擦系数计），在管壁外侧同步注入触变泥浆。触变泥浆用膨润土掺入碱配制搅拌而成，泥浆比重控制在G=1.1～1.16 g/cm3间，一般情况，按重量计的触变泥浆配比大致是：水∶土=（4～5）∶1；土∶掺合剂=（20～30）∶1；掺合剂是指碱（Na2CO3）、化学浆糊（CMC）和高分子胶凝剂。为方便注入触变泥浆，订购管节时，要提前与生产厂家联系，预制顶管管子时预留注浆孔。每一段管子顶完后，及时堵死注浆孔，以确保管周土体的稳定，防止地面沉降，注浆时按照“先压后顶，随顶随压”原则进行。

2.4.2 测量标志的设置

顶管前，在工作坑内确定管道的高程和中心线，经校对无误后设置牢固。顶管过程中，对顶管的中心和高程进行实时测量，确保不出现偏差。

2.4.3 施工测量

顶管施工测量时，建立以管道中心线作为X轴，以绝对高程作为Y轴的独立坐标轴，采用激光指向仪进行电脑控制液压系统对千斤顶进行纠偏，确保顶管行程正确无偏差。

2.4.4 管道顶进

下管前重新对管道进行检查，检查合格后用吊车将管道吊至导轨上，然后对管道中心线及两端管道内部底标高进行测量并调整到位，在完成洞口的砖封墙拆除、钢封门安装、洞口清扫等工作后才可以进行顶管作业。顶管初始阶段，速度应缓慢，等油缸、顶铁、管道、导轨等各部件接触严密后，即可加快顶进速度至正常状态。顶管作业过程中，每顶一段都要进行测量并做好记录，要求在第一段管节时，测量距离要小于30 cm；达到正常顶进速度时，测量距离小于10 cm；每次顶进的长度不超过60 cm，纠偏时不超过30 cm。每段顶管作业要连续进行，直到顶通封口，中间不得停顿。

2.4.5 管道纠偏

当顶进管道偏离设计轴线时，就用管道内放置的油压纠偏机对管端的方向进行调整，进而减少偏差，确保管道沿原设计的轨道顶进，纠偏要边顶进边进行，这是因为停止管道顶进后进行纠偏会使纠偏吃大，更会对第一段管道受力不平衡而产生破损。

3 地表隆沉控制

将顶管挖进机的土压力取主、被动土压力的中间值，实现土压平衡，在刀盘切削搅拌过程中，土仓内的土压力随着主顶的推进而逐渐升高，因此，尽量控制土压力与控制土压力相等。随着顶进的深入，会出现控制压力不足以抵消土压力的情况，这时就要打开螺旋输送机将部分土送出，协调好推进速度和排出土量，使控制压力和土压力大致相等。但是在顶进过程中，由于地质情况不同，经常会出现顶进速度和排土速度失衡的情况，当顶进速度过快时，就需要推推停停，减慢顶进速度；当排土速度过快时，就把螺旋输送机停停再开。总之，使土仓内的土压力和控制土压力相差不大于20 kPa，否则地面就会发生隆起或沉陷。因此，根据前述公式和数据做好土仓压力计算，设定好挖进机的控制土压力，才能保证顶进作业的顺利进行。

4 结语

工程实践证明，在大洼城乡输水管线顶管穿越盘海营高速公路施工过程中，严格按照上文所介绍的施工技术措施施工，对公路保护比较好，穿越质量比较高，出现的施工问题比较少，完全符合工程预期。但是对于地质较差，顶管距离过长，穿越深度较深的顶管施工环境，还需要进一步研究分析，必要时邀请专家进行论证，确定更具体的施工方案。