張寧+王偉

【摘要】本文對鐵東路雨水泵站的沉井及頂管施工進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，對如何選擇合理的頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了分析比較。在確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，力求工程施工造價更為經(jīng)濟(jì)。

【關(guān)鍵詞】頂管 沉井 泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī) 頂進(jìn)施工 大堤保護(hù)

一、工程簡介

鐵東路雨水泵站位天津市于北辰區(qū)鐵東路以西，外環(huán)線以北，是配合鐵東路排水工程所設(shè)計的雨水泵站，屬于鐵東路雨水系統(tǒng)，泵站收水面積約561公頃，泵站設(shè)計總流量Q=17m3/s，共安裝8臺水泵，出水系統(tǒng)出口的永定新河設(shè)計水位5.41m，雨水經(jīng)泵站提升后排入永定新河。該地區(qū)地基土主要有糞土及粉質(zhì)粘土組成，

永定新河自屈家店閘開始，分為永定新河和新引河，其中新引河靠右岸，兩河中間為中隔堤。出水管道穿永定新河工程由出水轉(zhuǎn)彎井，鋼筋混凝土出水管道、出口閘井和出水渠組成。工程起點為出水轉(zhuǎn)彎井，位于永定新河右堤外側(cè)；終點為出水渠，位于永定新河中隔堤左側(cè)。

出水管道為兩條管徑DN2600鋼筋混凝土管，采用頂管法自永定新河右堤外依次穿越永定新河右堤、新引河和中隔堤，進(jìn)入永定新河，穿越距離275m，出水轉(zhuǎn)彎井和出水閘井兼作頂管施工的工作井和接收井，兩井采用沉井施工方法。

二、工程布置

本工程位于外環(huán)北路外側(cè)，工程起點位于永定新河右堤外側(cè)約32m處，終點位于中隔堤左側(cè)灘地。起點建筑物出水轉(zhuǎn)彎井與泵站閘門井以管道連通、終點建筑物與永定新河河道連接。泵站出水通過管道進(jìn)入出水轉(zhuǎn)彎井、經(jīng)出水管道、出水閘井和出水渠輸送排入新引河。

（1）出水轉(zhuǎn)彎井。出水轉(zhuǎn)彎井為本工程與泵站的聯(lián)接建筑物，是本工程的起點，其主要作用承接泵站出水，使管道進(jìn)口維持足夠水頭，使水流以有壓方式穿越永定新河。

出水轉(zhuǎn)彎井為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上游與泵站閘門井以管道連通，下游與永定新河河道連通。

出水轉(zhuǎn)彎井同時作為管道檢修井和出水管道施工的工作井，井深13.46m，凈尺寸13.80m×9.00m，中間沿管道軸線方向設(shè)一道隔墻。

（2）出水管道。出水管道起始于出水轉(zhuǎn)彎井，下游接位于中隔堤左側(cè)的出水閘井，其作用是將出水轉(zhuǎn)彎井內(nèi)蓄水輸送穿越新引河。出水管道共2條，平行布置，自東南向西北穿越新引河。出水管道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管徑DN2600。

（3）出水閘井。出水閘井位于中隔堤左側(cè)灘地，上游接出水管道、下游接出水渠，其作用是根據(jù)泵站運(yùn)行需要，對管內(nèi)水流進(jìn)行控制，也可作為出水管道檢修通道。

出水閘井同時作為出水管道施工的接收井，井深13.16m，凈尺寸13.80m×6.50m，中間沿管道軸線方向設(shè)一道隔墻。

（4）出水渠。出水渠位于中隔堤左側(cè)灘地，上游與出水閘井連接，下游與永定新河河道連接，其作用是承接出水管道的水流，以明流方式與永定新河水面銜接。出水渠底寬10.40m，總長25m，為鋼筋混凝土和灌砌石結(jié)構(gòu)。

結(jié)合建筑物特性及工程區(qū)地形、地質(zhì)條件，出水轉(zhuǎn)彎井和出水閘井采用沉井施工，出水管道采用頂管施工，頂管工作井（出水轉(zhuǎn)彎井）布置在永定新河右堤外側(cè)，接收井（出水閘井）布置在中隔堤左側(cè)，頂管機(jī)自工作井出洞，自東南向西北頂進(jìn)275.00m，在接收井進(jìn)洞。

三、工程難點

本項目為穿河工程，沉井和頂管施工是本項目的施工難點，一旦透水將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，所以正確選擇頂管施工方法是至關(guān)重要的。頂管施工技術(shù)已是一門成熟的施工技術(shù)，機(jī)型多，適用條件不同，需根據(jù)工程實際情況進(jìn)行比較選擇。由于本項目為穿河工程，只宜采用封閉式頂管掘進(jìn)機(jī)，在設(shè)計時對較為常用的全斷面封閉式土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)和泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行比較。

本工程頂管軸線所處地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土，根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范》，在粘質(zhì)粉土中慎用土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。鑒于粉質(zhì)粘土和粘質(zhì)粉土成分接近，在無明顯優(yōu)勢力的情況下不宜采用。

與土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)相比，泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)有以下優(yōu)點：

（1）泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)因為采用泥水作為平衡地層和地下水壓力的介質(zhì)，更適合于管線位于地下水位以下工程。

（2）泥水平衡頂管采用泥水輸送棄土，沒有吊土、搬土等較易發(fā)生危險的作業(yè)，工作井內(nèi)作業(yè)環(huán)境好，作業(yè)安全。

（3）泥水平衡頂管可連續(xù)出土，大大提高了推進(jìn)速度，每日可頂進(jìn)20-30m；而土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)即便采用輸土泵輸土，每日頂進(jìn)距離只能達(dá)到15-20米。

（4）泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)施工對周圍土層影響小，工程竣工后地面沉降小。

但泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)也兩個較為明顯的缺點：其一是受無破碎功能的頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)泥口開度限制，在含有直徑大于6cm礫石的土層中無法施工；其二排出泥漿需進(jìn)行泥水分離等二次處理，施工占地相對較多，如處理不當(dāng)會對周圍環(huán)境造成一定污染。

本工程30m地質(zhì)勘探深度范圍內(nèi)，各地層未發(fā)現(xiàn)礫石，對施工不會產(chǎn)生不利影響。

從以上比較可以看出，泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)在技術(shù)、安全、進(jìn)度上均較土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)有優(yōu)勢，只在占地面積和環(huán)境保護(hù)上略有不足，但采取措施后均可得到有效解決。

泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)有以下多種形式：具有浮動切削刀盤的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)、具有破碎功能的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)、氣壓式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)、濃泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)、多邊形偏心破碎式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)工程類比，本工程擬采用具有浮動切削刀盤的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。

刀盤可伸縮式泥水平衡掘進(jìn)機(jī)的刀盤是一個直徑比掘進(jìn)機(jī)前殼體略小的具有一定剛度的圓盤。圓盤中還嵌有切削刀和刀架。刀盤和切削刀架之間可以同步伸縮，也可以單獨伸縮。而且，不論刀盤停在哪一個位置上，切削刀架都可以把刀盤的進(jìn)泥口關(guān)閉。刀盤加壓裝置是安裝在主軸中的油缸，刀架伸縮油缸則安裝在刀盤加壓裝置的上方。刀盤可伸縮式掘進(jìn)機(jī)的工作原理如下：刀盤前土壓力過小時，則自動前伸；刀盤前土壓力過大時，就自動后退。刀盤前伸時，應(yīng)減小進(jìn)泥口開度并加快推進(jìn)速度；刀盤后退時，應(yīng)加大進(jìn)泥口開度并降低頂速，這樣即可使刀盤前的土壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。endprint

四、施工工序

（一）沉井施工

工作井和接收井均分兩節(jié)施工。首先清理開挖沉井施工場地，澆筑第一節(jié)井體，待其達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行沉放；先撤出刃腳下的墊木，人工或人工配合抓斗挖除井內(nèi)土體，使井體靠自重下沉，沉放過程中應(yīng)及時糾偏；當(dāng)?shù)谝还?jié)井體頂部沉放至地面高程后，開始第二節(jié)井體澆筑，重復(fù)上述沉放過程，完成第二節(jié)沉放；沉井下沉系數(shù)偏大，下沉穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需在沉井制作前，沿刃腳位置打刃腳樁，下沉過程中逐步破除，以達(dá)到下沉穩(wěn)定的要求。待井體沉放至設(shè)計高程后，進(jìn)行井體封底施工。沉井下沉過程中刃腳對土體的切割也不可避免地對土體形成擾動。為了確保沉井施工不對大堤造成不利影響，其周邊土體在頂管頂進(jìn)完成后應(yīng)進(jìn)行加固。

土體加固分二步完成，首先對上部2m土體采用人工蛙夯夯實，壓實度0.93，作為注漿的蓋重。井周上部2m土體全部壓實完成后，即可進(jìn)行灌漿處理，灌漿通過預(yù)埋注漿管灌注。

（二）頂管施工

鐵東路雨水泵站工程以頂管方式穿越永定新河（新引河），在永定新河右堤堤外建工作井，在中隔堤左側(cè)灘地建接收井，在同一井內(nèi)頂進(jìn)和接收頂管掘進(jìn)機(jī)，從工作井頂進(jìn)管節(jié)逐節(jié)頂進(jìn)逐節(jié)承插形成出水管道。

（1）出土。泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)的出土采用全自動的泥水輸送方式，刀盤切削挖掘的土體通過在機(jī)艙內(nèi)的攪拌和泥水形成泥漿，然后由泥漿泵抽出，通過排泥管排入沉淀池內(nèi)。為了保證泥水壓力和排泥通暢，進(jìn)、排泥管管路沿線各布置若干管道泵加壓。在工作井附近設(shè)4個90m3沉淀池，洞內(nèi)排出的泥漿經(jīng)沉淀后采用自卸汽車運(yùn)至棄土場。

（2）注漿減阻。本工程頂管施工最長頂進(jìn)距離為275m，必須采取注漿減阻措施，以最大限度地降低頂進(jìn)阻力，從而控制頂進(jìn)力。降低頂進(jìn)阻力最有效的方法是進(jìn)行觸變泥漿注漿，使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低了頂進(jìn)時的摩阻力。

頂管在注漿時第一環(huán)注漿孔應(yīng)在工具管后的管子上，每個斷面按間隔90度設(shè)置4個注漿孔，管底不宜設(shè)注漿孔，管道頂進(jìn)時在掘進(jìn)機(jī)后需連續(xù)放置3至4節(jié)有注漿孔的管子，不斷注漿，使泥漿套在管子外面保持得比較完整后，以后每間隔3～4節(jié)管子放置一節(jié)有注漿孔的管子用以補(bǔ)漿。注漿以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔。由于頂管線路長，為使全程注漿壓力不致相差過大，中間需設(shè)2臺增設(shè)壓漿泵以增大壓力。

（3）頂進(jìn)方向控制及糾偏。本工程為雙管頂進(jìn)，兩管凈間距4.04m，一管偏離將對另一管的施工造不利影響，因此管軸線的控制尤為重要。工程施工中應(yīng)采取措施確保將誤差控制在規(guī)定范圍內(nèi)，從以下幾個方面著手，確保頂進(jìn)方向。

在頂管掘進(jìn)機(jī)設(shè)備上，配備校正工具管，其一端與工具管連接，另一端與后管連接，與后管之間留有10～15mm的間隙；頂管掘進(jìn)機(jī)配備先進(jìn)的測量導(dǎo)向系統(tǒng)，包括主動目標(biāo)把、激光經(jīng)緯儀、反射棱鏡、傾角測量儀、控制裝置、頂距測量裝置、導(dǎo)向系及配套軟件。

施工前應(yīng)按設(shè)定的管道中心線和工作井位建立地面和地下的測量控制系統(tǒng)，控制點布置在不易被擾動、視線清晰、方便校核的地方并加以保護(hù)。所用測量儀器與工作井進(jìn)底及井壁分開，避免由于頂力的作用產(chǎn)生位移，定時對其進(jìn)行復(fù)測并及時調(diào)整。施工過程中應(yīng)對頂進(jìn)方向的垂直偏差、頂進(jìn)方向的水平偏差、頂管掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的轉(zhuǎn)動、頂管掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)和頂進(jìn)長度進(jìn)行測量。

頂進(jìn)的糾偏通過頂管掘進(jìn)機(jī)的方向誘導(dǎo)裝置和校正工具管進(jìn)行，操作員通過糾偏動作，始終保證激光點在光靶的中心即可實施頂進(jìn)糾偏。頂進(jìn)糾偏須勤測量多微調(diào)，糾偏角度應(yīng)保持在10～20，不得大于0.5°。

初始推進(jìn)階段，方向主要是主頂油缸控制，因此，一方面要減慢主頂推進(jìn)速度，另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機(jī)頭糾偏。

（4）頂進(jìn)施工。頂進(jìn)施工按下列程序進(jìn)行：①頂進(jìn)機(jī)頭，當(dāng)機(jī)頭進(jìn)入土體時，開動大刀盤和進(jìn)排泥泵；②機(jī)頭頂進(jìn)至能卸管時停止頂進(jìn)，拆開動力電纜、進(jìn)排泥管、進(jìn)排泥泵、控制電纜和攝像儀連接線，縮回頂進(jìn)油缸。將事先準(zhǔn)備好密封環(huán)的管節(jié)吊下，對準(zhǔn)后插入就位；③接上動力電纜、控制電纜、攝像儀連接線、進(jìn)排泥管并接通壓漿管路。啟動頂管掘進(jìn)機(jī)、進(jìn)排泥泵、壓漿泵、主頂油缸，并頂進(jìn)管節(jié)；④隨著管節(jié)的頂進(jìn)，不斷觀察機(jī)頭軸線位置和各種指示儀表，紀(jì)正管道軸線方向并根據(jù)土壓力大小調(diào)整頂進(jìn)速度；⑤當(dāng)一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，重復(fù)以上②～④操作程序，并將后續(xù)管節(jié)與前節(jié)管節(jié)套接，循環(huán)頂進(jìn)；⑥當(dāng)需啟用中繼間時，應(yīng)自前往后依次啟動。⑦在頂管掘進(jìn)機(jī)穿越主河道時，因埋深相對較淺，應(yīng)降低頂進(jìn)速度，并使泥水倉壓力保持較低值，以確保頂管安全通過主航道。

五、施工中大堤的防護(hù)

頂管施工對永定新河大堤可能造成的影響主要來自兩個方面，其一是施工排水可能引起的地面沉降，其二是頂管施工注漿形成管壁和原狀土層間的間隙，如不處理將形成滲漏通道。

根據(jù)排水計算，工作井排水影響范圍為15m，接收井排水影響范圍為12m，因工作井距大堤坡腳約32m，其影響非常有限，無需做特處理。

針對注漿可能形成的滲漏通道，在頂進(jìn)結(jié)束后，采用水泥砂漿對泥漿套的漿液進(jìn)行置換，并將注漿孔封堵。

穿堤段在管道兩側(cè)打設(shè)灌漿孔，進(jìn)行超細(xì)水泥灌漿，將大堤內(nèi)管身周邊松動土體灌注密實。

六、結(jié)語

目前鐵東路雨水泵站已投入運(yùn)行，收水面積約561公頃，對城市安全度汛起到了重要作用。該泵站的沉井及頂管施工簡單，縮短了工期，節(jié)約了工程投資，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。。endprint