大直径长距离过江顶管工程设计与施工

2023-11-10陈黎明李必正何远圆

供水技术 2023年5期

陈黎明, 李必正, 何远圆

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司福州分院, 福建福州 350001)

某城区应急备用水源工程新建管道从现状DN500 给水管接出,沿高速高架桥向东北铺设进入增压泵站,经泵站加压后接出,横穿堤坝后,管道由江底横穿闽江敷设至某湿地公园内,沿湿地公园向西北敷设至防洪堤,之后与DN500 出水主干管对接。工程主要包括建设1 座中途增压泵站,通过开挖施工铺设0.76 km DN500 泵站进水管、3.12 km DN500 增压管, 顶管横穿闽江铺设 0.93 km DN1 600 增压管,其中顶管段采用钢管。

1 工程概况

1.1 沿线基本情况

工程沿线周边有国道、绕城高速、桥梁、水镇、公园等。桥梁工程位于过江顶管下游约2 km,桥梁主线全长约3.5 km,其中跨江主桥长约2.4 km。城市主干道主线设计速度60 km/h,双向六车道并设人行道和非机动车道,主桥桥梁宽度33.5 m,跨度280 m,设计洪水频率1/300。管道穿越处航道规划通航等级为内河Ⅳ级,通航净高在设计最高通航水位以上,不小于8 m,单孔双向通航,通航孔净宽不小于180 m。

1.2 地形地貌

本工程所在位置河道微弯顺直,枯水时河宽约740 m,洪水时河宽可达880 m,主河道河底高程在0.9～-10 m 之间(罗零高程,下同),水深条件较好。工程区河段主要为残坡积台地边缘的冲洪、冲海积平原,间夹有残坡积台地,总体地形地势较为平缓,河道两岸岸滩较为发育,两岸均为公路,且有草木等植被覆盖,两侧布设多条丁坝、顺坝,部分岸段建有护岸,河道经整治后,形成了一条微弯规顺的航道走向,水流较为平顺。工程位于河道微弯段凹岸,总体上河道、河床较为稳定,水流较为平顺,无滩险,满足水下管道选址要求。

1.3 水文地质资料

根据地质勘察报告,过江管道场地地层分布按地层时代、成因类型、岩性等可分为④中砂、④-1 卵石、⑤卵石。

④中砂(Q4al)：浅黄、浅灰、灰白、灰色,饱和,多呈中密-密实状态,局部呈松散、稍密状。主要由石英砂组成,粗砂级含量0～76.6%,中砂级含量5.0%～74.7%,细砂级含量0.9%～64.5%,黏粉粒含量0.5%～49.1%,级配差,局部含少量泥质(含量约10%～30%)或夹5 ～10 cm 淤泥,局部含有卵石、圆砾,卵石级含量约10%～30%,圆砾级含量约10%～20%。本层局部相变为砾砂、粗砂或粉砂。该层层顶埋深0.00～6.80 m,标高-9.25～14.25 m,揭露厚度为5.80～28.30 m。

④-1 卵石(Q4al)：浅灰、黄褐、灰黄色,饱和,松散-稍密状态,卵石级含量50.7%～78.4%,母岩以花岗岩等硬质火山岩为主,呈中风化状态,岩质较硬,粒径一般为2～15 cm,多呈亚圆形-圆形状,圆砾级含量0.7%～32.2%,卵石砾砂间充填黏性土与砂,粉、黏粒含量0.6%～11.9%,粗砂级含量7.0%～24.9%,中砂级含量4.5%～11.9%,细砂级含量1.1%～3.1%,该层分选性一般,均匀性一般,颗粒大小分布不均。该层层顶埋深为2.00 ～9.40 m,标高为-10.12～1.65m,揭露厚度为1.10～6.20 m。

⑤卵石(Q4al+pl)：浅灰、黄褐、灰黄色,饱和,稍密-密实状态,卵石含量50.2%～89.6%,母岩以花岗岩等硬质火山岩为主,呈中风化状态,岩质较硬,粒径一般为2 ～15 cm,少量可达20 cm(为漂石)以上,多呈亚圆形-圆形状,圆砾级含量3.2% ～33.1%,卵石砾砂间充填黏性土与砂,粉、黏粒含量0.5%～17.6%,粗砂级含量1.3%～17.1%,中砂级含量1.0%～10.8%,细砂级含量0.3%～4.8%,该层分选性一般,均匀性一般,颗粒大小分布不均,局部相变为圆砾或砾砂。该层层顶埋深为6.30 ～30.10 m,标高为-22.40 ～12.42 m,揭露厚度为1.00 ～23.10 m。

闽江—竹岐站流域面积为 54 500 km2,河长496 km,坡率为万分之六,河床系砂质组成,易发生冲於变化,受到人为采砂的影响,河床严重下切,近年来严禁采砂,河床保持稳定[1-2]。

本工程所在的闽江段属感潮区段,潮型属半日潮,平均潮差约3 m,近3～5 年近场区的闽江最高水位标高约9 m,历史最高水位标高约12 m。根据近场区调查资料及竹岐水文观测站水文资料,近场区附近的闽江丰水期水位标高一般在4 ～7 m,枯水期水位标高一般在 2～5 m,顶管穿越闽江段最大冲刷深度约 3.84 m。

1.4 防洪要求

管道工程设计防洪标准采用50 年一遇,设计洪水位14.19 m。

1.5 通航要求

工程区所在的航道技术等级为内河Ⅳ级航道,根据规划要求,同时考虑船舶应急抛锚需要,预留一定冲刷深度,以保护管道和船舶航行安全,要求管道设置深度不小于河床底标高以下2 m。根据工程区河段水深测图,管线沿程附近河床最低高程为-9.9 m,因此要求管道管顶高程应不高于-11.9 m。

2 穿越方案比选

输水管道穿越闽江方案的选择是本工程最关键的一步,直接影响工程的成败,同时也关系着过江管道是否可以安全运行。穿越点与穿越方案的选择根据河流的水文、地质、施工条件、工程量、投资等进行调查研究和分析比较,选择河段顺直、河床相对稳定、河床断面较规则、施工场地宽阔、施工便利的河段进行。

根据目前现有施工工艺,输水管道穿越大型河流主要采用沉管法、水平定向钻进法、顶管法三种工艺。沉管法管道覆土较浅,易受到来往船只抛锚和采砂船作业影响,且闽江水上交通运输繁忙,沉管法施工对水上交通运输影响极大,因此沉管法不适用于本工程。顶管法施工方案和水平定向钻进法施工方案比选见表1。

表1 管道施工工艺比选Tab.1 Comparison and selection of pipeline construction processes

通过对两个方案的比较,考虑到横穿闽江长度较长,且闽江为通航航道,现场拉管无施工条件并且闽江地质条件不利于拉管施工,故本次推荐采用顶管施工方案。考虑到本次顶管距离较长,顶管过程中需设置中继间,为方便人员进行操作,同时为了保证顶管施工的安全性,过江管道直径为DN1 600。

顶管法施工考虑三种方案：单管穿越、双管穿越和套管穿越方案。双管穿越过江造价过高,不予考虑。经比较,套管方案比单管方案增加了DN600 焊接钢管总长约1.0 km,造价增加约100 万元,但考虑到套管方案安全性高,对后期的运营维护也比较方便,考虑安全性、施工经验、运行管理经验等因素,推荐采用套管穿越方案。套管穿越示意图见图1。

图1 套管穿越示意Fig.1 Schematic diagram of casing crossing

根据本项目工程地质勘察报告,管道穿越标高处底层以中砂为主,局部伴有卵石层,本工程给水管道一次顶进距离长且下穿河床,后续运营维护风险较大,采用传统承插式连接形式(钢砼、玻璃钢、球墨铸铁顶管均属承插连接形式)不适宜作为河床下长久性顶管下穿方案,宜采用整体性较好的加厚钢管(焊接)作为顶管管材实施方案。传统焊接钢管顶管外加内部焊接钢管管实施方案,本工程套管采用加厚钢管(焊接)顶进,管径DN1 600,内套DN600整体性较好的焊接钢管。

3 穿越闽江顶管设计

3.1 顶管设计

目前,国内已建成多项大直径长距离过江顶管工程。福建省平潭及闽江口水资源配置工程属于国家水利重点项目之一,工程第3 标段,详谦农场至城门水厂段顶管采用DN2 000 钢管,全长为1 137.7 m[3];杭州天然气利用工程中顶管过富春江,管径DN2 400,一次顶进646 m[4];黄浦江上游闵奉原水支线工程使用DN3 000 钢顶管穿越黄浦江,管长共计436 m[5];汕头南区污水厂干管穿过濠江工程采用DN2 600 钢管一次顶进521 m 等。

本次设计采用泥水平衡、泥浆减阻、机械顶进方案。根据顶管工艺要求,在闽江南侧设置顶管工作井,在闽江北侧设置顶管接收井,采用河床下顶管,一次顶进距离约0.93 km。根据现场踏勘及相关资料,现状闽江河床标高约-10.0 m,本次横穿段给水管道设计管管中心标高-14.0 ～-16.0 m,河床现状最低处覆土约4.00 m。根据地勘报告,穿越土层主要为④中砂、⑤卵石,且在水下作业,同时应控制好泥浆压力和泥浆稠度,加强泥浆护壁及水压力平衡问题,防止④中砂、⑤卵石塌孔及地下水对工程的不利影响,⑤卵石层局部粒径较大,达漂石级。本顶管穿越段长度较长,且管侧土层工程性能总体较好,侧摩阻力较大,顶进过程中应控制好压力。

3.2 管材及防腐

本工程套管采用加厚钢管(Q235B 镇静钢,焊接)顶进,管径DN1 600,壁厚20 mm,内部敷设DN600 整体性较好的焊接钢管。输水管道设计工作压力为0.8 MPa,试验压力为1.3 MPa,采用螺旋缝埋弧焊制钢管,管节长度8 m。 DN1 600 钢管外壁防腐采用重防腐涂料,厚度1 200 μm,内防采用无溶剂环氧涂料厚度400 μm。 DN600 钢管内防腐采用环氧涂料内防腐层,外防腐采用三层PE 加强级外防腐层。

3.3 顶管施工方案

本次顶管选用D1 620×20 钢管,设计顶推力5 000 kN,穿越闽江段总长约0.93 km,经计算顶管总顶力47 934 kN,大于钢管设计顶力5 000 kN 和工作井后靠墙计算顶力6 687 kN,需配套中继间接力顶进。

泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要措施之一,在顶管过程中,如果注入的泥浆能在管外围形成一个比较完整的浆套,则可将摩阻力由12 ～20 kN/m2减少至2 ～5 kN/m2,因此,采用泥水平衡式顶管并辅助泥浆减阻以增大一次顶进长度。根据顶管顶力计算结果,对应本工程地质特征和触变泥浆减阻措施,DN1 600 钢管一次最大顶进距离为80 ～150 m,超过这个距离需设置中继间(设计暂定本工程过闽江段设9 个中继间)。按照公式(1)计算各不同管段中继间理论计算数量;工程施工过程中可根据实际的顶进情况和顶力大小进行中继间数量调整和布置。

式中,n为中继间数量(取整数),个;D1为管道的外径,m;fk为管道外壁与土体的平均摩阻力,kN/m2,可按照CECS 246—2008 规程表12.6.14 采用;L为管道设计顶进长度,m;f0为中继间允许的顶力,kN。

3.4 顶管工作井与接收井

顶管工作井及接收井拟采用沉井施工,沉井深度分别为24.50、21.60 m,沉井经过地层主要土层为④中砂,工作井处有部分④-1 卵石层,沉井深度较深,摩阻力较大,沉井平面布置分孔(档),沉井过程应进行下沉力分析,控制下沉系数在1.05 左右,沉井两侧土体性质总体较均匀,其对沉井施工影响不大。场地地下水主要为④中砂、④-1 卵石中的潜水,水量较大,采用不排水沉井工艺,水下封底,下沉时井内水位要保持较外部水位略高,防止井内出现流砂。若沉井难以下沉,可采取沉井外围管井降水降低水压力,必要时可在沉井周边设置帷幕止水(可采用地下连续墙或柱列式排桩帷幕,深度宜进入风化层一定深度,若采用柱列式排桩帷幕,宜采用多排桩相互紧密排列的方式以达到止水目的),在井内设置一定数量的降水井进行超前降水,确保沉井施工顺利进行。

顶管工作井与接收井根据地质条件、顶进距离等进行布置,工作井和接收井须综合考虑支护结构、支护强度、长度、宽度和深度等。根据顶管口径、管节长度、顶管机尺寸、机头尺寸等确定顶管工作井和接收井的尺寸,根据顶管的上下游角度确定工作井和接收井的形式,具体设置见表2。

表2 顶管工作井和接收井主要参数Tab.2 Main parameters of pipe jacking working well and receiving well

考虑到地下水位较高,地处中砂层,工作井、接收井施工完成后作为检查井应与管道保持稳定性,因此,沉井施工应考虑其基础和周边土体加固,同时考虑洞口止水问题,原则上采取“一井一策”,结合地质特点设置位置。本工程在沉井底部及四周布置高压旋喷桩,沉井后背及顶管洞口加密布置高压旋喷桩,保证施工安全和运行的结构稳定性。

4 顶管施工

DN1 600 钢管顶管过闽江,上部以④中砂、④-1卵石层为主,根据已完成勘探孔,勘探孔位处揭露的松散地层中未发现异常埋置物,穿越土层主要为④中砂、⑤卵石。实际顶力小于设计顶力,实际施工过程中继间为9 个。从地质剖面图看出：顶管从工作井始发穿越115 m 中砂层进入全断面卵石地层约230 m,然后约135 m 在卵石和中砂交界面穿越,后续穿越地层为467 m 的中砂直至接收井。施工中应控制好泥浆压力和泥浆稠度,加强泥浆护壁,防止④中砂、⑤卵石塌孔,⑤卵石层局部粒径较大时,选择硬岩复合顶管施工工艺,确保工程顺利进行。设计顶管工程地质剖面见图2。

图2 顶管工程地质剖面Fig.2 Geological profile of pipe jacking engineering

当工作井下沉至井口标高6.9 m 时挖到密集的卵石地层,挖掘极为困难,现场采用多种取土方法均无法下沉。通过专业潜水员井底探摸发现,工作井底部由大小粒径卵石夹中粗砂含少量黏土胶结成整体,质地坚硬,传统挖机无法进行有效挖掘。由于井口标高距设计标高相差1.8 m,经专家论证后,根据工期要求结合现场情况调整顶管线形,顶进工艺和中继间布置保持不变,将工作井洞中标高比原设计抬高1.8 m,顶管顶进纵坡由2‰调整为0.2‰,闽江中心处管顶覆土由原设计的5.4 m 变成4.7 m(大于2 倍管径),满足规范要求,同时也满足过江段冲刷深度要求。顶管工程第一次调整情况见图3。

图3 顶管工程第一次调整Fig.3 First adjustment of pipe jacking engineering

后续施工过程中,根据接收井位置地勘报告,并结合接收井下沉情况分析很有可能最后2.7 m 遇到卵石地层,对顶进线型再次调整,见图4。调整后顶管起始阶段延0.2‰纵坡顶进650.95 m 后向上起曲走圆弧线,曲率半径R= 14 416 m,轨迹弧长279.05 m,圆心角θ= 1.109 2°。曲率半径R＞2 400 D,弧长L＞80D,钢管顶进能安全保证。经过专项方案论证调整后,顶管工程经2 个月全线贯通。