尚澤峰

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

某城市引水工程第4合同段10～11號(hào)輸水管線，按雙線鋼管設(shè)計(jì)，并采用2臺(tái)公稱直徑2.0 m、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12.0 m的泥水平衡頂管同時(shí)推進(jìn)施工，單次推進(jìn)長(zhǎng)度2 560 m。本合同段頂管主要位于湖域下方，頂管穿越微承壓水粉砂土層，設(shè)計(jì)覆土深度為5.0～10.8 m。10號(hào)和11號(hào)頂管段相距5.0 m，雙管交替推進(jìn)。

頂管施工技術(shù)對(duì)地面擾動(dòng)小，施工速度快，綜合成本較低?？紤]到合同段頂管工程，具有頂進(jìn)距離較長(zhǎng)，穿越土層含砂率較高，雙管交替頂進(jìn)等技術(shù)難點(diǎn)，決定采用超長(zhǎng)距離頂管施工。與常規(guī)頂管施工技術(shù)相比，超長(zhǎng)距離頂管施工的關(guān)鍵是頂力控制（泥漿減摩效果的控制[1）]，并保證刀盤、軸承等不易更換部件的可靠性；此外，還應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)控制、長(zhǎng)距離測(cè)量等。

2 施工難點(diǎn)及初設(shè)

超長(zhǎng)距離鋼頂管施工質(zhì)量的影響和制約因素較多。根據(jù)工程地勘資料，頂進(jìn)施工主要面臨穿越粗砂層、塊石大堤等難題，為此，必須加強(qiáng)施工方案設(shè)計(jì)、工具及頂進(jìn)的控制。

2.1 施工設(shè)備選擇

由于鋼頂管穿越土層的滲透系數(shù)大，且存在微承壓水，考慮到超長(zhǎng)距離頂進(jìn)的施工效率，決定采用泥水平衡式頂管機(jī)。頂管機(jī)構(gòu)造具體見圖1。

圖1 泥水平衡式頂管機(jī)

頂管主要穿越粉土、粉砂土層，面板開口率不大，僅依靠刀盤就能避免挖掘面發(fā)生坍塌，故將刀盤開口率控制在8%。為增強(qiáng)超長(zhǎng)距離頂進(jìn)施工過程中刀盤的耐磨性，應(yīng)將耐磨保護(hù)焊條設(shè)置在刀盤上，并適當(dāng)增加高性能抗磨刀具的使用數(shù)量。具體包括8把6 mm雙刃邊刀、35把60 mm雙刃切削刀，8把130 mm先行貝殼刀，12把120 mm先行撕裂刀和1把570 mm中心刀。

根據(jù)施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，10～11號(hào)輸水管線間，應(yīng)按450 m的間距設(shè)置5個(gè)中繼間；為保證頂力儲(chǔ)備，必須在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上適當(dāng)加密中繼間設(shè)置，在頂管機(jī)后方設(shè)置8個(gè)中繼間。在各中繼間均勻設(shè)置50 t油缸共22臺(tái)，推力總計(jì)1.2×104k N。實(shí)踐表明，在該工程超長(zhǎng)距離鋼頂管的頂進(jìn)施工中，頂力控制良好，且均未超過鋼頂管設(shè)計(jì)允許頂力值，施工全過程中并未使用中繼間。

2.2 管材選擇

鋼管的抗壓強(qiáng)度比混凝土管和玻璃纖維加強(qiáng)管高，而且相同口徑的鋼管也比混凝土管質(zhì)輕，與土層摩擦小，所以本引水工程超長(zhǎng)距離頂管選用壁厚22 mm的D N 2 000 mm鋼管。超長(zhǎng)頂管穿越巖層段，必須進(jìn)行周邊巖層超挖，在此過程中頂管周圍遭遇不均勻阻力影響，進(jìn)而引發(fā)頂管偏差的可能性較大，因工具管四周超挖而不能在糾偏過程中提供足夠反力，可能會(huì)導(dǎo)致糾偏失敗[2]。為此，特意在工具管四周增設(shè)4個(gè)泄壓糾偏閥門，用于泄壓或處理外側(cè)土體，并在泄壓糾偏閥門處預(yù)留出注漿孔，從單側(cè)對(duì)外注漿。

2.3 工作井后地基加固

鋼頂管施工中，頂管有承受頂力的最大值，頂進(jìn)后背也有承受頂力的最大值，如果總推力過大，必將導(dǎo)致后背破壞，為增強(qiáng)鋼頂管后座頂力，必須進(jìn)行工作井地基加固。

頂管工作井后地基，原按壓密注漿加固處理設(shè)計(jì)，考慮到土體設(shè)計(jì)反力最大可達(dá)8 000 k N；在頂進(jìn)停止到重新開始階段，鋼頂管運(yùn)動(dòng)形態(tài)從靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，實(shí)際頂力可能比設(shè)計(jì)頂力超出1 000 kN。為此，采用旋噴樁對(duì)工作井后背土體進(jìn)行加固處理，加固范圍為工作井后背125°范圍內(nèi)，豎向加固深度為-26.65 m～-18.65 m，共設(shè)置旋噴樁245根，并通過雙重管施工，設(shè)計(jì)樁徑800 mm，樁間距600 mm，注漿漿液主要使用強(qiáng)度等級(jí)32.5的普通硅酸鹽水泥制備。

3 超長(zhǎng)距離鋼頂管施工技術(shù)優(yōu)化

超長(zhǎng)距離鋼頂管施工，既要針對(duì)頂管及施工設(shè)備進(jìn)行系列創(chuàng)新，又要對(duì)頂管內(nèi)部的注漿系統(tǒng)、供水供電系統(tǒng)等進(jìn)行系列優(yōu)化。

3.1 壓漿系統(tǒng)

壓漿減摩是長(zhǎng)距離鋼頂管施工的重要環(huán)節(jié)，也是本引水工程施工成敗的關(guān)鍵。結(jié)合工程施工特點(diǎn)，按照?qǐng)D2所示方位進(jìn)行頂管管節(jié)開孔處理。

圖2 注漿孔設(shè)置示意圖

在頂管長(zhǎng)度500 m內(nèi)，按照1組/節(jié)的頻次設(shè)置壓漿孔；頂管長(zhǎng)度500～1 500 m內(nèi)，以相鄰方式布置壓漿孔；頂管1 500 m以后，則間隔2節(jié)設(shè)置1組壓漿孔；中繼間前后管節(jié)注漿孔均勻布置。壓漿孔設(shè)置完畢后，按照先壓后頂、隨頂隨壓、加強(qiáng)補(bǔ)漿的要求壓漿，且壓漿泵與輸出壓力不得超出初始泥漿壓力值的1.5倍。因本工程采用超長(zhǎng)距離鋼頂管，出洞口壓漿的同時(shí)還應(yīng)在頂進(jìn)50 m和750 m處增設(shè)存漿箱，并設(shè)置前中后三處壓漿點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)鋼頂管全線壓漿。

3.2 通風(fēng)供氣系統(tǒng)

超長(zhǎng)頂管內(nèi)部空間斷面小，為保證頂管內(nèi)部空氣供應(yīng)，加速機(jī)頭設(shè)備散熱，經(jīng)計(jì)算得頂管機(jī)頭所需要風(fēng)量為40～43 m3/m in，決定采用定制風(fēng)機(jī)，配合使用長(zhǎng)距離通風(fēng)專用的低漏風(fēng)率風(fēng)管方案[3]，隧道內(nèi)風(fēng)速至少為1.0 m/s，工作面氧氣含量至少為18.5%。管道內(nèi)主送風(fēng)機(jī)為1臺(tái)S D F A-N O5.6軸流風(fēng)機(jī)，接力風(fēng)機(jī)為1臺(tái)局部風(fēng)機(jī)，設(shè)置在2 000 m處，并選用膠質(zhì)D N 400通風(fēng)筒，將新鮮空氣輸送至頂管機(jī)頭處，同時(shí)進(jìn)行管道內(nèi)氧氣含量的定期測(cè)定。具體見圖3。

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)工作流程

設(shè)置在2 000 m處的接力風(fēng)機(jī)通風(fēng)處，實(shí)測(cè)末端風(fēng)速為2.5 m/s，實(shí)測(cè)氧氣含量19.6%，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，風(fēng)管實(shí)際漏風(fēng)率比計(jì)算值低，且100 m以內(nèi)的漏風(fēng)率在1%以下，通風(fēng)性能符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 施工供電

鋼頂管施工供電會(huì)產(chǎn)生電壓下降現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)用電設(shè)備性能造成不利影響。本工程施工現(xiàn)場(chǎng)僅有一臺(tái)630 kV A變壓器，無法滿足鋼頂管施工用電所需。應(yīng)當(dāng)配置高壓電輸送線路，以分段降壓方式供電，在施工時(shí)配備一個(gè)800 kV A的變壓器，施工開始后向管內(nèi)輸送3 300 V的高壓電，并在頂管內(nèi)增設(shè)D T S3-100X型號(hào)的3 300 V/380 V干式箱變降變壓器，確保鋼頂管施工電壓正常輸出。

3.4 供水排泥

為保證供水需要，配備28 k g/c m2和33 k g/c m2的高壓水泵各1臺(tái)，分別用于1 km以內(nèi)和以上的情形。結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，頂管應(yīng)增長(zhǎng)1 km，供水水壓降低10 k g/c m2，并待高壓水輸送至工具管尾部后分成兩路：一路繼續(xù)輸送至頂管工具頭尾部的水力機(jī)械設(shè)備，另一路輸送至工具頭部高壓水槍內(nèi)?？紤]到頂進(jìn)距離超長(zhǎng)，出泥效率會(huì)持續(xù)降低，必須將管道接力泵增設(shè)于出泥管路，以提升出泥壓力和效率。

3.5 工程測(cè)量

若將測(cè)量站設(shè)置在鋼頂管內(nèi)，測(cè)站會(huì)隨頂管頂進(jìn)施工而發(fā)生移動(dòng)，增大測(cè)量難度，本工程分別采用頂管內(nèi)導(dǎo)線高程控制測(cè)量、頂進(jìn)軸線測(cè)量、工作井沉降位移測(cè)量。

頂管內(nèi)導(dǎo)線高程控制測(cè)量：采用管徑15 mm的水平連通管，并按照500 m間隔設(shè)置排氣孔，以避免因管線過長(zhǎng)而出現(xiàn)氣泡，考慮到測(cè)點(diǎn)處通過的管路眾多，觀測(cè)面僅預(yù)留出25～30 cm的間隙，頂進(jìn)至設(shè)計(jì)距離后，管道曲線走向會(huì)阻擋測(cè)量?jī)x器視線，所以，還應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際增設(shè)中轉(zhuǎn)站。

頂進(jìn)軸線測(cè)量：為增強(qiáng)工作井穩(wěn)定性，保證頂進(jìn)施工進(jìn)度，在基準(zhǔn)線預(yù)設(shè)7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，并將標(biāo)尺上相鄰導(dǎo)測(cè)短基線方向差，控制在1 mm以內(nèi)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和貫通精度。

工作井沉降位移測(cè)量：在工作井頂部設(shè)置4個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，2個(gè)設(shè)置在頂進(jìn)軸線方向，2個(gè)則設(shè)置在頂進(jìn)軸線垂直向，并以施工控制點(diǎn)為起點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀和全站儀進(jìn)行工作井沉降位移監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

施工設(shè)備選擇、工作井后地基加固、管材選擇等是超長(zhǎng)距離鋼頂管施工的主要難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，通過壓漿系統(tǒng)、通風(fēng)供氣系統(tǒng)、供水排泥、施工供電系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化，使超長(zhǎng)距離鋼頂管頂進(jìn)施工過程中所存在的技術(shù)及施工難題得以克服，初步形成一套較為成型的施工工藝。