摘要：結(jié)合黃浦江水源地連通管道頂進(jìn)施工，對工作井施工工藝、頂管施工及施工質(zhì)量保證措施等方面的闡述，實踐證明，采用頂管施工減少了對環(huán)境的污染、確保了既有道路正常運行等諸多方面的優(yōu)點，方案優(yōu)化，效果顯著。

關(guān)鍵詞：大口徑；工作井；頂管；掘進(jìn)；

一、前言

鋼管頂進(jìn)是為滿足大口徑管道穿越江河通向水域的需要，從70年代開始發(fā)展起來的一項新技術(shù)。采用這一工法敷設(shè)管道，即不需要挖槽或水下挖泥，也不需要降低地下水位，可以直接在地下水位以下的土層中長距離頂進(jìn)，穿越江河和地面建（構(gòu)）筑物，也可直接通向水域。因而避免了施工對航運、鐵道或公路交通的影響。

二、工程概況

該工程為黃浦江上游水源地連通管工程，工作井5座，接收井3座，頂管長度4485.37m，采用DN3000單管，壁厚30mm，單管長6.6m。本文僅闡述該工程一個工作沉井和一段管道頂進(jìn)施工。

工作井（沉井）為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外徑Φ15.0m，高度16.82m，刃腳厚120cm，井壁厚100cm（80cm）。沉井采用不排水下沉，刃腳底采用高壓旋噴樁加固；沉井結(jié)構(gòu)三節(jié)制作、兩次下沉。

該段頂進(jìn)長度853.63m，均為直線頂進(jìn)，頂進(jìn)區(qū)域穿越淤泥質(zhì)粘土，管頂覆土厚度約11.13m。

三、主要施工工藝

（一）工作井施工工藝

1、砂墊層厚度計算

P≥+rshs

式中：G—沉井下沉前單位長度動力（KN）；L—砂墊層寬度（m）

hs—砂墊層厚度（m）； α—砂墊層壓力擴(kuò)散角（取22.5°）

rs——砂的容重（取18KN/m3）；p—砂墊層底部土層承載力設(shè)計值（KN/m2）

經(jīng)計算可得hs=0.9m，施工時砂墊層厚度采取1.2m。

2、沉井接高穩(wěn)定性分析

Kc=<1

式中：G—沉井自重（KN，計算所得18254）；

B—施工階段最高水位的計算浮力（按設(shè)計圖紙取4226）；

Tf—井壁摩阻力（kN，計算所得5595）；

R—沉井刃腳踏面、隔墻及底梁下地基土的反力（KN，三者相加取4191）。

經(jīng)計算Kc=1.43>1，因此，在沉井第三節(jié)接高前，在井內(nèi)回填砂土防止突沉。

3、沉井施工工藝

（1）地基處理

1）測量放樣

施工前，根據(jù)設(shè)計圖紙坐標(biāo)及基準(zhǔn)點測量定位，同時在不影響施工的周圍布置坐標(biāo)控制點和臨時水準(zhǔn)點，并應(yīng)填寫測量復(fù)核單。

2）基坑開挖

基坑開挖采用機(jī)械挖土和人工修整相結(jié)合，機(jī)械采用WY-100型液壓反鏟挖土機(jī)，開挖至距坑底標(biāo)高30cm左右時采用人工修坡、平底?；娱_挖過程中，利用排水溝結(jié)合集水坑進(jìn)行排水。

3）鋪筑砂墊層、砼墊層

基坑開挖經(jīng)驗收合格后及時鋪筑砂墊層。墊層采用中粗砂，按30cm厚分層鋪筑，并按15%的含水量邊灑水邊用平板振動振實，使其達(dá)到中密。

為了擴(kuò)大刃腳的支承面積，減輕對砂墊層的壓力，在砂墊層上，底梁及刃腳下鋪一層15cm厚的C15素砼墊層，寬度為井壁外20cm。

（2）沉井結(jié)構(gòu)制作

1）起重設(shè)備及支架體系

沉井制作及下沉施工選用1輛50t履帶吊作為起重設(shè)備。

沉井制作時，內(nèi)、外支架搭設(shè)于砂墊層之上，支架與井壁脫離，距離約30cm。在沉井下沉期間，內(nèi)、外支架均需拆除。支架采用扣件式鋼管腳手架，外支架沿井壁四周組成整體框架結(jié)構(gòu)，每4m設(shè)斜撐一道，并采用安全網(wǎng)封閉，內(nèi)外支架的作業(yè)層鋪木板。

2）模板工程

①刃腳磚胎模砌筑

墊層達(dá)到一定強(qiáng)度后，在其上精確測放沉井平面位置，進(jìn)行磚胎模施工。砌磚時采用水泥砂漿確保刃腳斜面平整，并預(yù)留井壁模板對拉桿孔位。

②井壁模板

模板采用組合式定型鋼模，由螺栓連接。在預(yù)留孔、井壁底板等特殊部位采用木模，在插筋部位用2cm木板間隔拼裝，所有模板表面平整后符合規(guī)范要求。圍檁立筋采用φ48鋼管，對拉桿采用φ14圓鋼，其水平間距75cm，垂直間距60cm。

3）鋼筋工程

對進(jìn)場鋼筋進(jìn)行驗收，按規(guī)格分批掛牌堆放并下墊上蓋；對進(jìn)場鋼筋按批按規(guī)格抽樣試驗。

對上崗人員進(jìn)行培訓(xùn)，培訓(xùn)合格后上崗操作，確保焊接質(zhì)量。

制作成型鋼筋，按其規(guī)格，施工順序，分別掛牌堆放，其成型的尺寸、規(guī)格由質(zhì)檢員抽樣檢驗，鋼筋接頭位置要互相錯開，同一截面的鋼筋接頭要求嚴(yán)格按施工操作規(guī)程要求執(zhí)行。

4）砼工程

本工程采用商品砼，泵送到位的方法。沉井混凝土接高的軸線與中軸線重合或平行，并在沉井分節(jié)處設(shè)凹槽作為施工縫，且加設(shè)鋼板止水片，上節(jié)混凝土須待下節(jié)混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%后方可澆筑，在下一節(jié)澆注之前，施工縫處須鑿毛、清洗干凈、排除積水，水平縫鋪設(shè)一層厚1cm同標(biāo)號水泥砂漿。

5）成品養(yǎng)護(hù)及拆模

砼澆注完畢后，養(yǎng)護(hù)采用掛草袋，外覆塑料布養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于14d。

按設(shè)計要求待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%即可拆除模板，并在四周互成90°畫好水平標(biāo)高尺，以便觀察標(biāo)高和控制下沉速度。為防止對拉桿孔漏水，在螺栓孔內(nèi)外端部，均把止水墊挖除，在凹進(jìn)部位用1：2水泥砂漿抹平，外端用防水砂漿嵌實，再涂刷兩層防水膠。

6）沉井下沉

沉井下沉主要是通過從井孔內(nèi)除土，消除刃腳下面的阻力及井壁摩阻力后，依靠沉井自重下沉。

下沉?xí)r沉井第一節(jié)強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度100%，其余各節(jié)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度75%鑿除混凝土墊層。當(dāng)素砼墊層敲拆后，沉井重心偏高，井壁四周無摩擦力，沉井的下沉系數(shù)較大，掏挖刃腳下的磚土若不均勻，將會使沉井產(chǎn)生很大的傾斜，因此在沉井挖土前，沉井的刃腳先采用人工全面同時分層掏挖使其逐漸下沉，并使刃腳埋在土層中，降低沉井重心。在沉井下沉至穿墻洞標(biāo)高時，在穿墻洞內(nèi)分層回填黃泥，并夯實。

7）沉井封底、底板施工

1）封底施工

沉井在下沉距設(shè)計標(biāo)高2m時，結(jié)合封底要求控制基底土層高度，繪制土面高程圖，進(jìn)行針對性清基。沉井下沉到位后進(jìn)行8h連測，如下沉量小于10mm方可封底。封底采用水封底，分格對稱進(jìn)行封底。

2）底板施工

在施工鋼筋砼底板前，將底板和井壁接觸處鑿毛部位清洗。底板鋼筋與井壁預(yù)留鋼筋采用電焊接頭?；炷潦┕ぷ裱胶?、對稱的原則。井內(nèi)設(shè)集水井，在沉井清基及塊石、碎石找平后，水下砼封底前布置，下部連接六寸泄水孔進(jìn)入素砼封底層下的塊石中。砼澆筑完畢后，降水井派專人抽水。

（二）頂進(jìn)施工

1、頂管施工設(shè)備配置

1）工具管選型

根據(jù)工程特點及地質(zhì)情況，選用φ3020mm土壓平衡大刀盤工具管，并進(jìn)行保養(yǎng)改進(jìn)，其設(shè)備性能質(zhì)量滿足施工需要。

2）頂管現(xiàn)場施工設(shè)備及井內(nèi)布設(shè)

施工現(xiàn)場采用50t履帶吊負(fù)責(zé)鋼管的吊運工作。

井內(nèi)沿管軸線方向安裝剛性后座以及千斤頂、導(dǎo)軌、頂鐵等頂進(jìn)設(shè)備。管內(nèi)供電及井內(nèi)電力箱位于井內(nèi)。沿井壁安裝2根2寸壓漿管、1根2寸供水管。井內(nèi)兩側(cè)平臺布置配電箱、電焊機(jī)等裝置。

3）頂進(jìn)系統(tǒng)

導(dǎo)軌：選用型鋼材料制作，通過底板上的預(yù)埋件焊接在鋼筋砼底板上；另外，井壁上預(yù)設(shè)預(yù)埋件，在導(dǎo)軌安裝到位后，須用型鋼在平面方向支撐在井壁上。

后靠背：后靠背須承受和傳遞全部頂力，且具有足夠的強(qiáng)度和剛度。為確保后靠背安全，在砼后靠背前布置一塊6cm厚度剛性后靠背。

后座主頂設(shè)備：頂管后座主頂裝置使用西德制油泵車，共六只千斤頂，分兩列布置。主頂千斤頂為雙沖程千斤頂，總行程為3.70m，主頂千斤頂每只最大頂力為3000kN。

頂鐵：頂鐵采用鋼板及高強(qiáng)度鋼管焊接成型，有足夠的剛度，頂鐵相鄰面互相垂直，規(guī)格相同，安裝后的軸線與管道軸線平行、對稱。

4）出土系統(tǒng)

采用對止水有利的有軸螺旋機(jī)。螺旋機(jī)的作用是出渣和調(diào)節(jié)土倉土壓力，螺旋葉片從土倉下部伸入土倉中取土，并將渣土輸送到螺旋機(jī)的尾部，通過出土閘門卸在攪拌土箱內(nèi)，在推進(jìn)速度一定時，通過調(diào)節(jié)出土閘門的開啟度和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速的變化來實現(xiàn)對土倉內(nèi)土壓力的調(diào)節(jié)。

5）泥漿系統(tǒng)

頂進(jìn)時貫徹同步壓漿與補(bǔ)漿相結(jié)合的原則，工具管尾部的壓漿孔及時有效進(jìn)行跟蹤注漿，確保形成完整有效的泥漿環(huán)套，管道內(nèi)的壓漿孔進(jìn)行一定量的補(bǔ)漿，補(bǔ)壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)施工情況而定。

6）中繼間布置計算

中繼環(huán)采用可伸縮的套筒承插式密封結(jié)構(gòu)，長約1600mm。每道中繼間安裝30只350kN油缸并安裝行程傳感器及壓力傳感器。

L=（P-N）×t/F（公式一）

式中：P—中繼環(huán)設(shè)計頂力（kN）； N—機(jī)頭迎面阻力（kN）

F—每米管壁摩阻力（kN/m）； t —留余頂力，取0.6

N=×D12×Pt（公式二）

式中：Pt=r（H+2/3D1）tg2（45°+λ/2）；H—管頂覆土厚度（m），取11m；

D1—頂管機(jī)外徑（m）； λ—土的內(nèi)摩擦角，取14°；

Pt—機(jī)頭底部以上1/3D1處的被動土壓力（kN/m2）；

r—土的天然重度（kN/m3），取16.7；

F=（公式三）

式中：D—管壁外徑（m）取3.02m； f—管壁單位摩阻力，取4kN/m2；

經(jīng)以上公式計算：L= 120m，考慮首環(huán)中繼環(huán)糾扭及糾偏作用，取13.2m。第二節(jié)設(shè)置距工具頭距離79.2m。

后繼中繼間距離經(jīng)計算：L=165.8m，單管長6.6m，取165m設(shè)置一中繼間，共6個中繼間。

2、鋼管制作、吊裝及現(xiàn)場焊接

鋼管的卷材、外防腐、焊接均在專業(yè)廠家加工運輸至施工現(xiàn)場。管節(jié)的拼接在專用胎架上進(jìn)行，以保證管段的平直度，焊接采用直縫埋弧自動焊工藝。

鋼管吊運時，用寬帆布吊帶纏繞后吊裝；管材吊運頂管井之前，在半空清理一遍并檢查是否有裂縫和傷痕，連接時用木撐或木鍥臨時卡緊。

根據(jù)本工程的焊接工藝，焊接材料選定碳鋼CO2氣保護(hù)實芯焊絲，焊接設(shè)備采用YD-500KR的焊機(jī)。

3、管道內(nèi)、外防腐方案

管外防腐采用熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂層，涂膜干膜總厚度≮400μm，管端預(yù)留15cm。涂裝工藝和質(zhì)量按《熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐涂裝》（GB/T18593-2010）和《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB/T50268-2008）執(zhí)行。

管內(nèi)防腐采用水泥砂漿，在管道安裝、試壓合格后進(jìn)行。內(nèi)防腐除管道附件、現(xiàn)場接攏段采用人工外，其余采用專門設(shè)備噴涂并抹光。

四、主要工序質(zhì)量保證措施

（一）掘進(jìn)機(jī)出洞防磕頭措施

頂管機(jī)進(jìn)出洞口需具備最基本的巖土工程條件是洞門穩(wěn)定，地下水控制情況良好（無涌水、涌砂等現(xiàn)象），需采取針對性措施對地基加固。

外圍深層攪拌樁加固要求均勻，不留死角。頂管機(jī)進(jìn)、出洞前對井外地基加固進(jìn)行驗收，加固強(qiáng)度達(dá)到施工要求后，才能進(jìn)行進(jìn)出洞施工。

（二）初始頂進(jìn)防止管道后退措施

由于在初始頂進(jìn)階段正面土壓力遠(yuǎn)大于管周圍的摩擦阻力。拼接管子時主推千斤頂在縮回前必須對已頂進(jìn)的部分與井壁進(jìn)行固定，否則管道發(fā)生后退會導(dǎo)致洞口止水裝置受損及發(fā)生人員的生命危險，因此在初始頂進(jìn)的鋼管外側(cè)埋設(shè)預(yù)埋鋼板，在主推千斤頂退回前將鋼管與井壁相連，直至鋼管外壁摩阻力大于掘進(jìn)機(jī)正面土壓力為止。

（三）管道抗扭轉(zhuǎn)措施

由于周圍土質(zhì)的變化、糾偏的影響會造成掘進(jìn)時管道發(fā)生不同程度的扭轉(zhuǎn)，直接影響到施工質(zhì)量，其防止措施為：①在管內(nèi)設(shè)備及管道安裝時，根據(jù)重量平衡原理，在安裝設(shè)備及管材的另一側(cè)配以相同重量的配重，使管道頂進(jìn)時左右重量保持平衡。消除人為造成管道扭轉(zhuǎn)的因素。②頂進(jìn)時在掘進(jìn)機(jī)及每個中繼環(huán)處設(shè)有管道扭轉(zhuǎn)指示針。一旦發(fā)現(xiàn)微小的扭轉(zhuǎn)即用單側(cè)加壓配重的方法進(jìn)行糾扭。配備了300t壓鐵，單塊重量為25kg。

掘進(jìn)機(jī)若發(fā)生扭轉(zhuǎn)，則將左右兩只抗扭轉(zhuǎn)翼板向外推出。推出越長，抗扭力矩就越大，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)平衡時則縮回翼板即可。

（四）減阻泥漿管理及控制

頂進(jìn)時貫徹同步壓漿與補(bǔ)漿相結(jié)合的原則，掘進(jìn)機(jī)尾部的壓漿孔要及時有效地進(jìn)行跟蹤注漿，確保能形成完整有效的泥漿環(huán)套，管道內(nèi)的壓漿孔進(jìn)行一定量的補(bǔ)漿孔，具體補(bǔ)漿孔位位置設(shè)置于中繼環(huán)后面一節(jié)管節(jié)及二道中繼環(huán)中間管道位置上，補(bǔ)壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)施工情況而定。壓漿時必須堅持“先壓后頂、隨壓隨頂、及時補(bǔ)漿”的原則，為保證潤滑泥漿的穩(wěn)定，確保泥漿滿足施工要求。

（五）鋼管管節(jié)防腐保護(hù)措施

現(xiàn)場管節(jié)不得滾動吊裝，在行車軌道上滿鋪輪胎橡膠皮，管節(jié)吊放采用兩點吊，吊鉤及鋼管接觸位置鋪輪胎橡膠皮，保護(hù)鋼管的防腐油漆不被損壞。若因特殊原因造成防腐油漆受損，比較輕微的破損，經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)理查看批準(zhǔn)后，現(xiàn)場補(bǔ)漆，厚度同原防腐油漆設(shè)計要求，破損比較嚴(yán)重，管節(jié)返回加工制作場地返工。

五、結(jié)束語

通過合理施工、有效監(jiān)督、科學(xué)監(jiān)測、及時糾偏，采用頂管施工減少了對環(huán)境的污染、確保了既有交通正常運行等諸多方面的優(yōu)點，方案優(yōu)化，效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-2008）；

[2]《路橋施工計算手冊》人民交通出版社；

[3]《熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐涂裝》（GB/T18593-2010）