大口径顶管技术在水利工程中的应用与设计

摘 要：本论文通过对长距离大口径顶管在水利工程实践中的应用总结,分析了不同顶管施工方法的特点和适用性,提出了施工常见问题解决措施,对于进一步提高顶管设计和施工水平具有一定参考和借鉴作用.

Abstract:Throughsummarizingtheapplicationoflong-rangelargediameterpipejackinginhydraulicengineeringpractice,thispaperanalyzesthecharacteristicsandapplicabilityofdifferentpipejackingmethod,andproposesthemeasurestosolvethemonproblemsinconstruction,soastofurtherimprovethedesignandconstructionlevelofpipejacking.

关 键 词：大口径顶管技术；应用；设计；技术措施

Keywords:largediameterpipejackingtechnology；application；design；technicalmeasures

中图分类号：TV5文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）23-0122-02

0引言

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法,它是借助顶推装置,在工作井内（地下）将管道逐节顶进的非开挖管道施工技术,具有不需要开挖面层而能够穿越河川、铁道、公路、地面建筑物、地下构筑物以及地下管线等优点,近年来在我国逐步推广应用.随着大直径、长距离顶管技术逐渐成熟,其在水利工程上也正在逐步采用,但就我省水利工程而言,使用该技术起步较晚,应用实例不多,经验相对缺乏.鉴于这些情况,总结通榆河送水工程灌河地涵顶管成功的设计和施工实践经验,为顶管技术在我省水利工程中应用起到推广作用.

1工程概况

灌通榆河北延送水工程利用通榆河中段工程和连云港疏港航道,增加一条向连云港市供水的新通道,提升连云港市经济社会发展的水资源保障能力.灌河地涵位于江苏省响水县和灌南县,设计流量为50m3/s,是通榆河北延送水工程的重要组成部分,其工程任务是将南边来水通过地涵穿越灌河北送.

地涵位置处灌河河口宽约340m,河底高程-8.0m.其下10m深的范围内分布了③2重粘土、④粉质粘土、⑤3重粉质砂壤土、⑥1粉质粘土、⑥2粉砂、⑦2重粉质壤土、⑧轻粉质砂壤土层,其中⑤3、⑥1、⑥2、⑦2、⑧土层含砂礓,粒径一般在1～3cm,少数砂礓盘达20cm,砂礓含量10～20%左右,局部达40%.顶管所穿过的土层主要为⑥1、⑥2、⑦2层.管顶管底局部碰及⑤3、⑧层,顶管主要座落在⑦2、⑧层.⑤3、⑥2、⑧土层具有中等透水性,为承压含水层,地下水压力高达20m左右,且受灌河潮位影响.

2工程设计

灌河是无控制的一条天然入海潮汐河道,全长74.5km,它既是沂南地区排水入海的重要河道,又是一条重要的航运通道,因此灌河地涵的设计方案须以灌河不断流而能顺利实施为前提.通过对顶管、沉管以及较为常规的半幅施工方案进行比选,最终选用了顶管设计方案.

地涵主体由上下洞首、收缩（或扩散）段、沉井及内部斜管段、井间主涵管这几部分组成.地涵断面详见图1.

其中：主涵管长450m,采用4根内径ϕ,3.5m钢筋混凝土预制顶管,其轴线采用直线布置,顶管间距9m；管中心高程-15.55m,管顶覆土厚度5.0~21.5m.顶管管节长度2.5m,壁厚0.35m,两端分别预埋钢套环和钢环,预留压浆孔和起吊孔,管节间接头为F型承插式.

顶管施工的工作井和接收井均为钢筋混凝土沉井,平面尺寸37×22.5m,井内设纵隔墙1道、横隔墙3道,共有8个井格,两沉井的前排（临河侧）井格分别作为顶进井格和接收井格,井格宽度为7.6m～8.0m,长度为9.15m.沉井底板面高程为-18.6m,操作空间高度为0.65m.工作井后排井格内均设两道传力隔墙,以使顶推力传至工作井后井壁.

3顶管施工方法的特点和适用性分析

本工程顶管施工有两个特点：一是地质条件复杂,顶管范围内存在几种不同土质的土层,土层不厚而多有起伏,均含砂礓,各层砂礓含量不一,一般在5%～30%之间,粒径在0.5～3cm左右,每一层的砂礓分布不均,局部含量达40%.二是存在承压含水层,地下水压力高,且受灌河潮位影响.因此不论何种施工方式,都必须以满工程的要求为前提.

顶管施工方法就大的方面来说目前有三种：气压平衡式、土压平衡式和泥水平衡式,这三种方法的工作原理、优缺点以及本工程的适应性分析见表1.

通过以上分析,结合本工程水文、地质条件,实际施工中采取了泥水平衡式施工方法.

4顶管机头和选型及主要设备配置

顶管机头选用泥水平衡顶管机,油缸组装备顶力18000kN,选用双作用双冲程等推力油缸6只,每只油缸最大推力3000kN.施工时最大顶力采用装备顶力的90%,经计算,最大顶进长度约为170m.

由于顶管长450m,属长距离顶管,为减小顶进力,设置中继间,中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构,长度约2m,外形几何尺寸与管节相同.中继间装备顶力采用15000kN,施工时最大顶力采用装备顶力的80%,顶进长度约为125m.

输土装置采用泥浆泵和管道将泥水输送至排泥场.

5顶管施工常见问题解决措施

5.1洞口止水

为了防止顶管机出洞、进洞时井外水土涌入工作井和接收井内,影响顶管施工,同时也为防止顶进施工时压入的减阻泥浆流失,保证能够形成完整有效的泥浆套,必须在洞口设置止水装置.本工程顶进工作井、接收井为砼沉井,洞口为混凝土井壁预留洞,在预埋钢环上安装双层橡胶止水装置,形成良好的止水效果.

5.2洞口封门处理方法

洞口封门用低标号砂浆在洞口砌一堵砖封门,再于内侧通过预埋在井壁上的螺栓安装钢封门,顶管机头出洞时将钢封门拆除,用刀盘将砖封门慢慢切削掉,实现安全出洞.顶管机头进洞时同样拆除接收井内的钢封门,然后用机头将砖封门挤倒或切削掉,一直往里推进,完成进洞.

5.3注浆减摩措施

为减少土体与管壁间的摩阻力,在顶管顶进的同时,通过顶管机铰接处及管节上预留的注浆孔,向管道外壁压入一定量的减阻泥浆,在管道四周形成一个泥浆套,减小管节外壁和土层间的摩阻力,从而减小顶进时的顶力.顶进时,顶管机尾部的压浆孔要及时有效地跟踪压浆,确保形成完整有效的泥浆套.泥浆材料可采用膨润土.

5.4纠偏措施

在顶进过程中,顶进轴线和设计轴线经常发生偏差,因此要采取纠偏措施,减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值,使之尽量趋于一致.顶进轴线发生偏差时,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.

5.5减摩泥浆的固化及洞口接头处理

顶进结束后进行减摩泥浆（触变泥浆）的固化,使管节外壁与周围土层的施工间隙尽快填充固结,减小地面沉降.减摩泥浆（触变泥浆）的置换采用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆置换触变泥浆；置换时利用原有的注浆设备从管节的注浆孔压注.顶管结束后,管节接口的内侧间隙用弹性密封膏密封处理.工作井的洞口接头处理（井壁与混凝土管节间的空隙）,采用压力灌注C30细石混凝土,在套管上焊接止水环,再以聚硫密封膏封堵.

5.6对付砂礓的措施

顶管所处断面存在较多砂礓,对顶管顶进有不利影响,一是堵塞泥水舱进泥口,二是增大迎面阻力和刀盘驱动扭矩,三是增加输土难度.为此采取了以下措施：将刀盘的进泥口由小开口改为大开口,在上部增加2个排泥口；加大刀盘的驱动功率；输土采用沙砾泵,增加中间接力泵,加大输泥管管径；在进泥管路中加入膨润土泥浆；改进刀盘上切削刀头布置和数量,将单层刀盘改为三层刀盘等.

6结语

顶管技术在水利工程中具有避免大面积土体开挖、无需导流和导航、不干扰地面附着物等优点,是一种新型环保的施工技术,与其他施工方法比,有一定的优势,但也有比较多的缺点,比如施工进度还不够快,施工受地质的影响大,投资高.随着我国城市化的发展,机械顶管的发展,他的技术将越来越先进、工艺将越来越完善,应用也一定越来越广泛.