劉惠鵬

（華北水利水電工程集團(tuán)有限公司，天津 300170）

1 工程概況

大興支線工程位于北京市大興區(qū)及河北固安縣，分別與南干渠及廊涿干渠連通。大興支線連通管采用1-DN2400 球墨鑄鐵管，全長(zhǎng)約461 km（其中北京段長(zhǎng)約33.4 km），設(shè)計(jì)輸水流量6.1 m3/s；新機(jī)場(chǎng)水廠連接線采用2-DN1800涂塑復(fù)合鋼管，全長(zhǎng)約14 km，設(shè)計(jì)輸水流量4.9 m3/s。其樁號(hào)32+426.00—33+319.12，長(zhǎng)度893 m，頂管工作井2座、接收井2座，該段的6#—5#段（272.25 m）頂管采用DN3200鋼筋混凝土管內(nèi)穿DN2400 鋼管、7#—6#（299.25 m）段與8#—7#（300 m）段頂管材質(zhì)為DN2400球墨鑄鐵管。

工程區(qū)位于北京市大興區(qū)西南、永定河沖洪積中下部平原區(qū)，場(chǎng)區(qū)主要地貌類型有永定河河床、河漫灘及階地，局部有湖澤堆積等。場(chǎng)地地形開(kāi)闊平坦，地面高程為29～35 m，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為西北略向東南緩慢傾斜。根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為砂土砂多層結(jié)構(gòu)及砂性土單一結(jié)構(gòu)2 大段。連通管線埋置深度為7～8 m，辛莊段埋置深度約為4 m，開(kāi)挖土體主要為層填土、層粉砂及其亞層粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土。地基槽臨時(shí)開(kāi)挖坡度建議值為1∶1.0～1∶1.25。工程環(huán)境為交通路線及居民院落，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)開(kāi)挖邊坡的實(shí)時(shí)觀測(cè)或監(jiān)測(cè)。局部地段渠底分布有20～30 cm 的淤積物，施工開(kāi)挖應(yīng)適當(dāng)注意對(duì)環(huán)境的影響。地下環(huán)境復(fù)雜，開(kāi)挖施工應(yīng)注意安全，避免破壞地下設(shè)施。連通管線基礎(chǔ)建基面主要為層粉砂，稍密—中密，地基承載力fka=120 kPa。

穿越處永定河河道內(nèi)無(wú)水，工程場(chǎng)區(qū)連續(xù)分布2層地下水，穿永定河段地下水位埋置深度11～14 m，含水層厚度達(dá)到2 m，高程約19 m。第二層地下水埋藏類型為承壓水，含水層巖組為⑤細(xì)砂，地下水位埋置深度一般為16～20 m，埋置高程為12～13 m。巖土勘察報(bào)告顯示，勘察期間在勘察深度范圍內(nèi)地下水位埋深較深，地下水水位對(duì)施工影響較小。

2 頂管施工

2.1 頂管機(jī)選擇

為確保工程量和施工安全，根據(jù)以往施工穿越砂層頂管的經(jīng)驗(yàn)，DN2400 球墨管直頂段采用NPD2400泥水平衡頂管機(jī)，DN3200鋼筋混凝土管段采用TPN3200 型泥水平衡頂管，其主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2.1.1 頂管機(jī)機(jī)型及頂進(jìn)施工方案選擇的依據(jù)

本工程屬于大口徑長(zhǎng)距離鋼管頂管，頂管機(jī)機(jī)型的選擇是工程成功最重要的因素，針對(duì)工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，必須綜合考慮以下因素，以獲得安全、經(jīng)濟(jì)和可靠的施工方法：綜合考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，選擇適用于本工程施工的機(jī)型；滿足本工程施工長(zhǎng)度、線形控制的頂進(jìn)要求，確保頂管成功是關(guān)鍵。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 頂管施工機(jī)械選型

根據(jù)工程地勘資料分析，針對(duì)本工程特點(diǎn)采用經(jīng)改進(jìn)、適合本工程的大刀盤、大扭矩、可變刀盤轉(zhuǎn)速的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。

本頂管機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：①頂管機(jī)、主千斤頂、泥水循環(huán)系統(tǒng)和泥水分離裝置成套化。②能適用各種土壤條件，如黏質(zhì)土、砂土、砂礫混合卵石土和軟巖上。③使用安裝在軌道上的主頂油缸。④由一人在地面遙控操縱即可。⑤可在控制臺(tái)上進(jìn)行電視監(jiān)測(cè)及方向控制，精度高。帶有光靶方向控制系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員可以將方向誤差控制在10 mm之內(nèi)。⑥不間斷使用主千斤頂便可單獨(dú)頂進(jìn)一節(jié)管道。 ⑦可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定，對(duì)所頂管道周圍的土體擾動(dòng)較小，因此引起的地面塌陷或路面沉降也比較小。⑧作業(yè)環(huán)境比較好，也比較安全，由于它采用泥水管道輸送棄土，不存在吊土、搬運(yùn)土方等容易發(fā)生的危險(xiǎn)作業(yè)。

2.2 頂力計(jì)算

泥水平衡式頂管頂力估算公式（參考DB11/T 594.2-2014）為：

式中：F為頂力（kN）；D1為管道外徑（m）；L 為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)總長(zhǎng)度（m）；?k為管道外壁與土的單位平均摩阻力（kN/m3）；NF為頂管機(jī)的迎面阻力（kN）。

NF計(jì)算公式為：

式中：Dg為頂管機(jī)外徑（m）；γs為土的重度（kN/m3）；Hs為覆蓋層厚度（m）。

中繼間計(jì)算公式為：

式中：n 為中繼間數(shù)量（取整）；f0為中繼間設(shè)計(jì)允許頂力（t）；其余變量含義同上。

2.2.1 6#—5#計(jì)算

式（1）—（3）中，D1取值3.78 m，L 取值272.25 m，?k取值8 kN/m3，Dg取值3.86 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值14.23 m（最高點(diǎn)），f0取值1 600 t。經(jīng)計(jì)算，可以得到：總 頂 力F0=3.14×3.78×272.25×8+3.14/4×3.862×22×14.23≈29 583.94（kN）≈2 959（t），n=[3.14×3.78×8×(272.25+ 50)]/0.7×16 000 - 1=1.74。

6#—5#頂進(jìn)段頂管需要總推力為2 959 t，大于DN3200 三級(jí)鋼筋混凝土管可以承受的最大頂力（2 060 t），頂進(jìn)中需要安裝中繼間。主頂負(fù)責(zé)提供1 600 t的頂進(jìn)推力，采用8臺(tái)300 t的油缸頂進(jìn)；其余頂力由中繼間提供，中繼間設(shè)計(jì)推力為1 600 t，由32個(gè)50 t的千斤頂組成。

本段頂管需要布置2 個(gè)中繼間，本次頂進(jìn)的混凝土管允許的最大頂力按照1 600 t 計(jì)算，當(dāng)頂力達(dá)到中繼間設(shè)計(jì)推力的60%時(shí)，即需設(shè)置中繼間，即16 000×0.6=9 600（kN）。根據(jù)式（1），可得9 600=3 362+3.14×3.78×8×L，由上推出L=65.7（m），因此第一個(gè)中繼間布置在65.7 m處。根據(jù)式（1），可得19 200=3 362+3.14×3.78×8×L，由上推出L=166.8（m），因此第二個(gè)中繼間布置在166.8 m處。

2.2.2 7#—6#計(jì)算

式（1）—（3）中，D1取值2.706 m，L 取值299.25 m，?k取值8 kN/m3，Dg取值2.75 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值10.43 m（最高點(diǎn)），f0取值1 500（t）。經(jīng)計(jì)算，可以得 到：總 頂 力F0=3.14×2.706×299.25×8+3.14/4×2.752×22×10.43≈21 754.62（kN）≈2 176（t），n=[3.14×2.706×8×(299.25+50)]/0.7×15 000-1=1.1。

7#—6#頂進(jìn)段頂管需要總推力為2 176 t，頂進(jìn)中需要安裝中繼間。主頂負(fù)責(zé)提供1 500 t的頂進(jìn)推力，采用8臺(tái)300 t的油缸頂進(jìn)；其余頂力由中繼間提供，中繼間設(shè)計(jì)推力為1 500 t，由30個(gè)50（t）的千斤頂組成。

本段頂管需要布置1個(gè)中繼間，本次頂進(jìn)允許的最大頂力按照1 500 t計(jì)算，當(dāng)頂力達(dá)到中繼間設(shè)計(jì)推力的60%時(shí)，需設(shè)置中繼間，即15 000×0.6=9 000（kN）。根據(jù)式（1），可得9 000=1 362.21+3.14×2.706×8×L，由上推出L=112（m），因此中繼間布置在112 m處。

2.2.3 8#—7#計(jì)算

式（1）—（3）中，D1取值2.706 m，L 取值300 m，?k取值8 kN/m3，Dg取值2.75 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值9.18 m（最高點(diǎn)），f0取值1 500 t。經(jīng)計(jì)算，可以得到：總頂力F0=3.14×2.706×300×8+3.14/4×2.752×22×9.18≈21 591.36（kN）≈2 159（t），n=[3.14×2.706×8×(300+50)]/0.7×15 000-1=1.1。

8#—7#頂進(jìn)段頂管需要總推力為2 159 t，頂進(jìn)中需要安裝中繼間。主頂負(fù)責(zé)提供1 500 t的頂進(jìn)推力，采用8臺(tái)300 t的油缸頂進(jìn)；其余頂力由中繼間提供，中繼間設(shè)計(jì)推力為1 500 t，由30個(gè)50 t的千斤頂組成。

本段頂管需要布置1個(gè)中繼間，本次頂進(jìn)允許的最大頂力按照1 500 t計(jì)算，當(dāng)頂力達(dá)到中繼間設(shè)計(jì)推力的60%時(shí)，需設(shè)置中繼間，即15 000×0.6=9 000（kN）。根據(jù)式（1），可得9 000=1 198.95+3.14×2.706×8×L，由上推出L=115（m），因此中繼間布置在115 m處。

3 頂管施工

3.1 泥水平衡式頂管

頂管機(jī)被主頂油缸向前推進(jìn)，頂管機(jī)頭進(jìn)入止水圈，穿過(guò)土層到達(dá)接收井，電動(dòng)機(jī)提供能量，轉(zhuǎn)動(dòng)切削刀盤，通過(guò)切削刀盤進(jìn)入土層。挖掘的土質(zhì)在轉(zhuǎn)動(dòng)的切削刀盤內(nèi)被粉碎，然后進(jìn)入泥水艙，在那里與泥漿混合，最后通過(guò)泥漿系統(tǒng)的排泥管由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過(guò)程中，采用復(fù)雜的泥水平衡裝置來(lái)維持水土平衡，以至始終處于主動(dòng)與被動(dòng)土壓之間，達(dá)到消除地面的沉降和隆起的效果。頂管機(jī)完全進(jìn)入土層以后，電纜、泥漿管被拆除，吊下第一節(jié)頂進(jìn)管，它被推到頂管機(jī)的尾套處，與頂管機(jī)連接管頂進(jìn)以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節(jié)管道又吊入井內(nèi)，套在第一節(jié)管道后方，連接在一起，重新頂進(jìn)，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，直到所有管道被頂入土層完畢，完成一條永久性的地下管道。

3.2 豎井支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

3.2.1 豎井支護(hù)設(shè)計(jì)

為保證豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、開(kāi)挖深度為1 m 時(shí)，在井口處設(shè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土鎖口圈梁1道，圈梁寬100 cm、高50 cm，采用?22 主筋、?12@250 mm 箍筋，澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25商品混凝土。為了保證下部鋼格柵能與鎖口圈梁連接成整體，鎖口圈梁向下預(yù)留鋼筋接頭，方法是在槽底向下打孔，采用?22 鋼筋@500 mm，并在梁內(nèi)錨固不小于800 mm。

3.2.2 豎井支護(hù)施工

（1）打孔布管。打設(shè)小導(dǎo)管前，按照設(shè)計(jì)要求放出小導(dǎo)管的位置。利用風(fēng)鉆作為動(dòng)力，用專用頂頭將小導(dǎo)管頂入，小導(dǎo)管安裝后封堵導(dǎo)管外邊的孔口。

（2）注漿。將注漿管聯(lián)接好后，在注漿前先進(jìn)行壓水試驗(yàn)測(cè)試管路是否暢通，然后開(kāi)動(dòng)注漿泵，通過(guò)閘閥使水泥漿與水玻璃漿液在注漿管內(nèi)混合，再通過(guò)小導(dǎo)管壓入地層，采用注漿量和注漿壓力雙控原則進(jìn)行注漿時(shí)間的控制。

（3）鉆孔位置。在開(kāi)挖輪廓線的位置鉆眼，孔位誤差不大于5 cm，外插角偏差不大于2°。超過(guò)允許誤差時(shí)，在距離偏大的孔間補(bǔ)管注漿。

（4）檢查鉆孔、打孔質(zhì)量時(shí)，畫出草圖，對(duì)照孔位編號(hào)，逐孔、逐根檢查并認(rèn)真填寫記錄。

（5）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。采用定壓注漿，注漿終壓達(dá)到設(shè)定壓力、穩(wěn)定10 min以上可以停止注漿。

（6）注漿過(guò)程中，逐管填寫記錄，標(biāo)明注漿壓力、注漿量、發(fā)生情況及處理過(guò)程。

（7）單孔注漿量不少于平均每孔注漿量的80%，不足處進(jìn)行補(bǔ)管注漿。

（8）固結(jié)效果檢查。查閱注漿記錄，檢查注漿量、注漿壓力是否達(dá)到預(yù)定要求；在注漿過(guò)程中用肉眼觀察開(kāi)挖面的攢漿情況；鉆孔檢查，觀察鉆進(jìn)過(guò)程中有無(wú)突進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面。

（9）按設(shè)計(jì)標(biāo)高開(kāi)挖至鎖口圈梁底標(biāo)高后，停止開(kāi)挖，進(jìn)行鎖口圈梁的綁筋、安設(shè)下部錨筋，鋼筋綁扎完畢，驗(yàn)收合格后進(jìn)入模板工程，本工程采用木模，并安設(shè)上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)錨筋和護(hù)欄預(yù)留鋼筋頭?；炷凉嘧r(shí)兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱連續(xù)，兩側(cè)混凝土面高差不大于0.5 m。采用人工振搗，做到均勻、到位，徹底確保混凝土密實(shí)。由測(cè)量人員在圈梁上放設(shè)中線和高程控制點(diǎn)并開(kāi)始砌筑370磚墻，經(jīng)復(fù)測(cè)無(wú)誤后再繼續(xù)向下挖土施工。

3.3 測(cè)量與糾偏

（1）頂管測(cè)量。采用經(jīng)緯儀和激光水準(zhǔn)儀等儀器。開(kāi)始頂?shù)谝还?jié)管子時(shí)每次頂進(jìn)20 cm，正常頂進(jìn)時(shí)每次頂進(jìn)1 m。

（2）中心線測(cè)量。首先在地面用經(jīng)緯儀確定頂管方向樁，然后在工作井邊的2個(gè)方向樁上掛小線，其上吊2 個(gè)垂球到工作井底部，在工作井中用激光水準(zhǔn)儀照射2個(gè)垂球，讀前端的中心尺刻度。

（3）高程測(cè)量。在工作井內(nèi)引設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，停止頂進(jìn)，將激光水準(zhǔn)儀支設(shè)在頂鐵上，測(cè)量前端管底高程。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，泥水平衡式頂管的通病包括管道軸線偏差過(guò)大、頂力突然增大、鋼筋混凝土管接口滲漏、鋼筋混凝土管裂縫、球鐵管接口漏水和地面沉降已得到有效防治，穿左堤路段壓力嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。通過(guò)加固措施，施工時(shí)段有效控制了地面沉降，減少了對(duì)河堤的影響，有效保證了施工安全。本工程施工經(jīng)驗(yàn)，可在今后類似工程頂管施工中進(jìn)行推廣。