謝亞軍韋正峰陳中原

淮安市南水北調(diào)截污導(dǎo)流工程穿越運(yùn)河頂管的施工實(shí)踐

謝亞軍1韋正峰2陳中原1

一、引言

南水北調(diào)東線(xiàn)調(diào)水線(xiàn)路利用京杭運(yùn)河北上,京杭運(yùn)河流經(jīng)淮安市區(qū)，沿線(xiàn)排污口門(mén)較多，為實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)治污目標(biāo)，保證輸水水質(zhì)，實(shí)施淮安市南水北調(diào)截污導(dǎo)流工程。工程任務(wù)之一是沿大、里運(yùn)河兩岸鋪設(shè)截污干管，收集原排入輸水干線(xiàn)的廢污水至污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，以改善輸水河道的水質(zhì)及水環(huán)境。在截污干管鋪設(shè)中，淮安市北京南路截污干管需穿越京杭大運(yùn)河將污水輸送至淮安市四季青污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，經(jīng)多方論證，確定采用泥水平衡頂管技術(shù)進(jìn)行過(guò)運(yùn)河的管道施工，取得了較好的效果?，F(xiàn)將施工有關(guān)情況介紹如下：

二、工程概況及頂管方案的選擇

1.工程概況

工程位于清浦大橋西側(cè)，是將運(yùn)河以南的城南工業(yè)區(qū)污水輸送進(jìn)入運(yùn)河以北的四季青污水處理廠(chǎng)的關(guān)鍵性結(jié)點(diǎn)工程。污水經(jīng)過(guò)城南工業(yè)區(qū)截污系統(tǒng)收集后，沿北京南路至大運(yùn)河南岸，由北京南路泵站將污水提升后穿越大運(yùn)河，輸送至淮安市四季青污水處理廠(chǎng)。截污干管過(guò)大運(yùn)河長(zhǎng)315m，設(shè)計(jì)流量0.579m3/s。

2.工程特點(diǎn)

（1）水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜

施工區(qū)地面高程為10.78m，鉆探資料表明，管道經(jīng)過(guò)地段土層較復(fù)雜。地下水屬潛水或微承壓水，地下水位一般為8.9m，水位隨著河水位升降而變化，距地面一般為0.5～2.0m。管線(xiàn)位于5-1層底部和5-2層上層。

5-1層：粘土（頂部砂性大或?yàn)榉圪|(zhì)粘土，局部夾粉土薄層，Q3al）。棕紅色或黃色，底部為灰色。硬塑狀（上部稍軟），偶含螺殼碎片?；祉浣Y(jié)石，但其數(shù)量相對(duì)較少。

5-2層：粘土。黃色、褐黃色。硬塑狀，混較多礓結(jié)石，局部集結(jié)成層。鉆進(jìn)明顯困難。

（2）施工環(huán)境對(duì)施工安全要求極高

京杭運(yùn)河是國(guó)家南水北調(diào)東線(xiàn)的主要輸水干線(xiàn)，對(duì)水質(zhì)要求極高；京杭運(yùn)河是國(guó)家二級(jí)航道，是江蘇仍至華東地區(qū)的水運(yùn)大動(dòng)脈，特別是北煤南運(yùn)的重要通道之一；京杭運(yùn)河大堤為國(guó)家Ⅱ級(jí)防洪堤防，事關(guān)淮安市及周邊地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定和人民生命財(cái)產(chǎn)安全；施工區(qū)域附近有不少重要的企事業(yè)單位，同時(shí)也有密集的居民住宅區(qū)；施工區(qū)有重要的防汛道路，且地下通信、電力等管線(xiàn)密布。

綜上所述，施工時(shí)，對(duì)京杭運(yùn)河河床、航道，對(duì)施工范圍內(nèi)地面及周邊環(huán)境不能產(chǎn)生任何破壞性或其他不利影響。

3.頂管方案的選擇

在方案的選擇中，對(duì)定向鉆、沉管、頂管等穿越方法進(jìn)行了綜合比選。一是如果采用大口徑管道定向鉆穿越時(shí)曲率半徑大，穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)，單價(jià)高，且施工過(guò)程中需多次進(jìn)行擴(kuò)孔，如控制不當(dāng)，容易引起塌孔，影響大運(yùn)河堤身和河床安全。二是如果采用沉管方案施工，因水下部分管體需一次性焊接下沉，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，下沉定位困難；常水位以上部分管道需開(kāi)挖大堤穿越，而且穿越河道堤身時(shí)，轉(zhuǎn)角較多，過(guò)河水頭損失大，需要配套高揚(yáng)程泵站，增加泵站日常運(yùn)行費(fèi)用；同時(shí)在開(kāi)挖水下溝槽和整體下沉施工時(shí)，需對(duì)二級(jí)航道的大運(yùn)河斷航，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，特別是北煤南運(yùn)將產(chǎn)生較大影響，需與多部門(mén)溝通，報(bào)批手續(xù)周期長(zhǎng)，難度大，要求高。綜合考慮對(duì)運(yùn)河堤防及航道的影響，確定采用適應(yīng)性較強(qiáng)的泥水平衡頂管技術(shù)，在鋼筋混凝土管內(nèi)套PE管，利用其整體性和密封性好的特點(diǎn)，保證運(yùn)河輸水干線(xiàn)水質(zhì)的安全。

三、頂管主要施工流程及技術(shù)措施

本工程采用泥水平衡頂管機(jī)進(jìn)行頂管方案實(shí)施。施工方法是在頂管機(jī)前部的刀盤(pán)附近安裝隔板，形成泥水壓力倉(cāng)，將加壓的泥水送入泥水壓力倉(cāng)來(lái)謀求開(kāi)挖面的穩(wěn)定，同時(shí)將刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削下來(lái)的土砂以泥水形式用流體輸送的方式輸送到地面。適用土系的范圍較廣，在飽和含水土層中能自動(dòng)平衡掘進(jìn)面的水、土壓力，能有效控制地面沉降，操作安全可靠，施工速度快。同時(shí)，考慮到大運(yùn)河堤防的安全，工作井、接收井選擇堤腳外安全距離處，并采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)。

1.測(cè)量工作

以工作井穿墻管與接收井孔中心為依據(jù)，在地面建立實(shí)際管道軸線(xiàn)控制點(diǎn)，與高程系統(tǒng)引入工作井。水平、高程的偏差均由激光經(jīng)緯儀測(cè)定，儀器固定在沉井的底板上，計(jì)算機(jī)控制的激光接收靶固定在機(jī)頭前端，坐標(biāo)中心在掘進(jìn)機(jī)中

軸線(xiàn)上。頂進(jìn)時(shí)激光經(jīng)緯儀應(yīng)常開(kāi)啟，機(jī)頭操作人員通過(guò)觀(guān)察計(jì)算機(jī)顯示屏幕上的激光光斑移動(dòng)數(shù)據(jù)及頂進(jìn)的長(zhǎng)度，分析偏差發(fā)展趨勢(shì)，確定應(yīng)采取的糾偏方法。激光經(jīng)緯儀必須用陀螺儀，按規(guī)定的頂進(jìn)長(zhǎng)度或測(cè)量時(shí)間進(jìn)行水平方向的校正，機(jī)頭高程也可使用連通器在頂進(jìn)時(shí)隨時(shí)校正。

2.中繼間的設(shè)定

中繼間，也稱(chēng)中繼站或中繼環(huán)，是一個(gè)成環(huán)形布置的由許多短行程千斤頂組成的移動(dòng)式頂推站。它是長(zhǎng)距離頂進(jìn)施工的關(guān)鍵設(shè)置，是分段克服頂進(jìn)阻力的一種施工技術(shù)。通過(guò)將管道分段向前推頂使主千斤頂?shù)捻斄Ψ稚?從而使每段管道的頂力降低到允許頂力范圍內(nèi)。中繼間的選用型式和設(shè)置數(shù)目直接影響著頂管的質(zhì)量和頂進(jìn)速度,并關(guān)系著整個(gè)工程的投資。

管道頂進(jìn)阻力由掘進(jìn)機(jī)迎面阻力和管道外壁的摩阻力組成。經(jīng)計(jì)算，本工程管道頂進(jìn)阻力為5963.6kN，管道最大允許設(shè)計(jì)頂力為4493kN。由于管道頂進(jìn)阻力＞管道最大允許頂力＞沉井最大允許頂力3000kN，因此，必須在頂進(jìn)中設(shè)置中繼間。確定中繼間最大設(shè)計(jì)頂力為8000kN，經(jīng)計(jì)算中繼間數(shù)量為1個(gè)。按規(guī)定，在頂力達(dá)到中繼間最大設(shè)計(jì)頂力的40%左右安裝中繼間，即將中繼間安裝在120m處。

頂進(jìn)過(guò)程中，中繼間要按時(shí)按要求啟用，防止因不啟動(dòng)，造成后續(xù)頂管因遇較大阻力而出現(xiàn)難頂、偏差等問(wèn)題。

3.洞口處理

為保證頂管工序的順利進(jìn)行，防止洞口處產(chǎn)生泥水流失，對(duì)進(jìn)出洞口區(qū)域應(yīng)采取一定的加固措施。在出洞口設(shè)置止水系統(tǒng)，洞口止水膠圈安裝平整牢固，水密性良好，止水膠圈安裝位置須與管道在同一軸線(xiàn)；開(kāi)頂前，接收井頂管預(yù)留洞前需采用深井降水，避免頂管機(jī)頭進(jìn)洞后引起塌方進(jìn)入接收井，為后道工序提供干燥施工條件。

4.觸變泥漿減阻

為了減小管道外壁與土體間的摩阻力，采用在管道外圍壓注觸變泥漿，使得潤(rùn)滑漿液在管道外壁四周形成一個(gè)連續(xù)的潤(rùn)滑泥漿套，這在長(zhǎng)距離頂管中顯得尤為重要。

壓漿孔的設(shè)置：壓漿孔預(yù)埋時(shí)需與鋼筋混凝土管圓心成120°，否則不能形成環(huán)狀泥漿套，底部不設(shè)注漿孔，管道在泥漿中都成上浮狀態(tài)，故管道的洞口向頂部靠近，管道底部的泥漿由兩側(cè)注漿孔自動(dòng)向下流動(dòng)。

壓漿設(shè)備的組成、注漿管道連接：選用螺桿泵，以使流量脈動(dòng)小，注漿壓力平穩(wěn)。為了使觸變泥漿的壓力在停泵以后仍基本不變，在泥漿出口處安裝自落式單向閥，此閥安裝必須垂直，泥漿順向通過(guò)時(shí)鐵球上抬，停泵時(shí)，鐵球下落，在泥漿套的余壓下封住回漿口。

觸變泥漿的生成：觸變泥漿是由膨脹土和水以1∶8體積比配制，首先以定量的水放入攪拌桶，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)徐徐投入膨潤(rùn)土，充分?jǐn)嚢?，即成泥漿。泥漿拌和后須靜置24h方可使用。根據(jù)需要配備一只供漿桶，一只制漿桶，輪流使用。

泥漿的壓注：觸變泥漿的壓注力應(yīng)與注入土層的土體壓力基本相當(dāng)或略大，而觸變泥漿的耗量應(yīng)略大于或等于地層土體的損失量，在頂進(jìn)過(guò)程中，還應(yīng)按地面變形的觀(guān)測(cè)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整，采用在頂管機(jī)壓漿、中繼站補(bǔ)漿的方法，掘進(jìn)機(jī)壓漿要與頂進(jìn)同步，以迅速在管道外圍空隙形成粘度高、穩(wěn)定性好的膨潤(rùn)土泥漿套。中繼站補(bǔ)漿是在已有的泥漿套基礎(chǔ)上改善泥漿套，補(bǔ)充其損失量，掘進(jìn)機(jī)尾部第一壓漿孔后的6m處設(shè)置第一道補(bǔ)漿孔，此后每隔4m通過(guò)管節(jié)上的補(bǔ)漿孔，保證管道外圍空隙充滿(mǎn)觸變泥漿。補(bǔ)漿始終要堅(jiān)持從后向前補(bǔ)壓和及時(shí)補(bǔ)漿的原則，對(duì)于各層土質(zhì)，特別是夾砂土層施工時(shí)要根據(jù)滲透系數(shù)充分考慮泥漿的損失，調(diào)整注漿壓力和注漿量。

泥漿置換：每段管道頂進(jìn)完成后，立即用2∶1水泥漿將觸變泥漿置換出來(lái)，以確保管道外圍土體有足夠的支撐和減少滲漏水，待漿水凝結(jié)后（一般在24h以上），拆除管路，換上悶蓋，將孔口封堵，壓漿結(jié)束后，所有設(shè)備必須認(rèn)真清洗。

5.頂進(jìn)方向控制及糾偏

頂進(jìn)過(guò)程中受地質(zhì)條件變化等原因，預(yù)設(shè)的頂進(jìn)軸線(xiàn)會(huì)發(fā)生偏差，需要及時(shí)進(jìn)行合理糾偏，糾偏的原則是勤測(cè)、勤調(diào)、微調(diào)。糾偏的操作要點(diǎn)：一是根據(jù)工具管本身已存在的斜率和軌跡，確定糾偏方案及糾偏量；二是糾偏必須在頂進(jìn)中進(jìn)行，嚴(yán)禁在停止頂管時(shí)糾偏，否則會(huì)導(dǎo)致糾偏困難甚至無(wú)法調(diào)整，導(dǎo)致頂進(jìn)失敗。根據(jù)上述原則，在實(shí)踐中進(jìn)行了如下控制。

初期方向控制：穿墻后管道軸線(xiàn)偏差的大小，將會(huì)給以后的工作帶來(lái)很大影響，因此管道在前10m的頂進(jìn)階段需要特別小心。在工具管尚未完全進(jìn)洞前，盡量不要糾偏；進(jìn)洞后，當(dāng)軸線(xiàn)偏差大于3mm、高程偏差大于3mm時(shí)即應(yīng)糾偏，但不能大起大落。

糾偏要求：穿墻和糾偏要求每頂進(jìn)50cm左右測(cè)量一次，正常頂進(jìn)階段為100cm左右測(cè)量一次；工具管糾偏應(yīng)在頂進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行；應(yīng)繪制工具管測(cè)點(diǎn)行進(jìn)軌跡曲線(xiàn)圖來(lái)指導(dǎo)糾偏；正常頂進(jìn)當(dāng)偏差超過(guò)10mm時(shí)，需采取糾偏措施。

掘進(jìn)機(jī)的糾偏通過(guò)操縱機(jī)頭內(nèi)的兩只油缸，在上下1°、左右1.5°的范圍內(nèi)修正頂進(jìn)方向。主要通過(guò)工作井內(nèi)的經(jīng)緯儀觀(guān)察機(jī)頭的偏差指示板，操作糾偏油缸的伸縮來(lái)完成糾偏。

6.穿越運(yùn)河的安全技術(shù)措施

（1）穿越運(yùn)河堤防

沿途設(shè)置沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)6個(gè)斷面觀(guān)察點(diǎn)，每天兩次觀(guān)測(cè)地表沉降量，將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到施工項(xiàng)目部，以便根據(jù)沉降量調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)。頂進(jìn)的前10m作為試驗(yàn)段，采集盡可能詳盡的數(shù)據(jù)，掌握適宜的頂進(jìn)參數(shù)，同時(shí)控制好軸線(xiàn)，為以后頂進(jìn)創(chuàng)造良好的導(dǎo)向。頂進(jìn)至運(yùn)河大堤時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制正面土壓力，將土壓力控制在盡可能小的范圍內(nèi)，保證出土量與頂進(jìn)量相配。頂管穿越后，會(huì)存在一

定的后期沉降，此時(shí)頂進(jìn)仍在進(jìn)行，必須不斷進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)壓漿，支護(hù)土體，補(bǔ)充失水的泥漿，直至頂進(jìn)結(jié)束，補(bǔ)壓漿的地點(diǎn)和壓漿量均應(yīng)根據(jù)沉降觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定。頂進(jìn)結(jié)束后，立即用水泥漿置換膨潤(rùn)土泥漿以固結(jié)土體，減少地表的最終沉降量。

（2）穿越運(yùn)河河床

在頂管前，對(duì)頂管沿線(xiàn)的運(yùn)河斷面進(jìn)行了精確測(cè)量，頂管頂至大運(yùn)河河床最低點(diǎn)時(shí)，相對(duì)覆土層只有3.4m。為了防止在頂進(jìn)過(guò)程中管道上浮，頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)放慢頂進(jìn)速度，加強(qiáng)對(duì)出土狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)在頂進(jìn)至河床最低點(diǎn)前用編織袋裝土增加管道的覆土層厚度，管道內(nèi)前端放置鐵塊，增加管道自重，防止管道有上浮的可能。將至河底最深處時(shí)，管道頂進(jìn)應(yīng)有向下偏差的趨勢(shì)，絕對(duì)不允許有向上偏差，管道在距離河底最深處兩側(cè)各10m左右的區(qū)間，不允須采取糾偏動(dòng)作，頂進(jìn)速度要慢，一切以保證不冒頂為原則。

四、結(jié)語(yǔ)

本工程于2009年8月3日開(kāi)始頂進(jìn)，通過(guò)精心組織，艱苦施工，連續(xù)作業(yè)，同年8月15日整個(gè)管線(xiàn)順利貫通。經(jīng)觀(guān)測(cè)，運(yùn)河大堤無(wú)沉降現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)最大軸線(xiàn)偏差、最大高程偏差等技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)，取得較好的效果，為淮安市南水北調(diào)截污導(dǎo)流工程其他過(guò)河頂管提供了示范，積累了經(jīng)驗(yàn)■

（作者單位：1.江蘇省淮安市水利局223005 2.上海宏波工程咨詢(xún)管理有限公司 200232）