崔梓祺，陳家立

（廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東東莞 523710）

0 引言

在現(xiàn)有水庫水廠水量充足的情況下，原有輸水管道由于老舊、設(shè)計(jì)流量小等問題而無法滿足居民生活用水日益激增的需求，供水緊張問題突出，因此原有輸水管道的改擴(kuò)建及新建就顯得十分重要，而非開挖頂管施工因?yàn)榘踩奖悖瑢Φ孛娴挠绊懶〉奶攸c(diǎn)應(yīng)用較為廣泛，目前頂管施工技術(shù)在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用［1-5］，國內(nèi)外在頂管頂進(jìn)施工應(yīng)用方面主要適用于微風(fēng)化巖石中小直徑管道（直徑≤2 m）［6］、緩坡（坡度≤0.5%）［7］等管網(wǎng)系統(tǒng)水利或市政項(xiàng)目，而在輸水工程中，時(shí)常需要在平面空間有限、高差較大的情況下引出水庫水廠上層干凈水源，使得輸水管的施工坡度較大，這就要求在輸水管道頂管施工過程中，一方面要控制好大坡度定向及角度精準(zhǔn)性，另一方面也要解決由于頂進(jìn)坡度大所造成的頂管摩擦阻力大所出現(xiàn)的頂管頂進(jìn)過程中出現(xiàn)管道抱死、刀盤磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象。文章主要通過現(xiàn)場試驗(yàn)對輸水鋼管頂進(jìn)過程中工作井后背墻設(shè)計(jì)施工、頂進(jìn)方向控制、頂進(jìn)供水反砂、高膨潤土接觸灌漿制備等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以解決大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工困難，提高施工效率，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)確保工期如期完工。

1 工程概況

1.1 工程特點(diǎn)

大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工是在某中型水庫新建，該水庫工程等級為Ⅲ等，總庫容1 057 萬m3，水庫大壩為均質(zhì)土壩，以灌溉為主，兼具防洪、供水等功能，水庫設(shè)計(jì)日供水規(guī)模3 萬m3。本次新建輸水隧洞平面長度約197 m，進(jìn)口段高程為56.00 m，出口段高程為39.34 m，供水高差為16.66 m。

新建輸水隧洞頂管施工中，主要采用DN 2 000 mm×20 mm大直徑壓力鋼管頂管，頂進(jìn)坡比為1∶11.828，其坡度為8.455%，頂進(jìn)坡度大，輸水隧洞軸線所經(jīng)巖體風(fēng)化巖體占80%以上，砂巖層整體強(qiáng)度較好，而進(jìn)出口段均為強(qiáng)風(fēng)化巖體為主，進(jìn)口和出口段的工程地質(zhì)條件相對較差，殘積粉質(zhì)粘土層遇水易軟化，弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，極易垮塌，圍巖類別為Ⅴ類，進(jìn)出口段及隧洞內(nèi)局部較破碎的洞段應(yīng)進(jìn)行襯砌處理，在襯砌時(shí)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的排水孔，其頂管施工縱斷面如圖1所示。

圖1 輸水頂管頂進(jìn)施工縱斷面Fig.1 Longitudinal Section of Jacking Construction of Water Pipe Jacking

1.2 施工要素選擇方法

1.2.1 設(shè)備選型

根據(jù)頂管機(jī)頂力計(jì)算、頂管傳力計(jì)算及后背墻允許頂力驗(yàn)算選用合適的D2000 型頂管機(jī)和頂管系統(tǒng)設(shè)備。其中頂管機(jī)頂力估算可按《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程：CECS 246∶2008》［8］公式12.4.1驗(yàn)算；DN2000壓力鋼管選用Q235B 材質(zhì)，頂管傳力面最大頂力驗(yàn)算按文獻(xiàn)［8］公式8.1.3驗(yàn)算；后背墻允許頂力按《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范（試行）》［9］驗(yàn)算。

1.2.2 材料選擇

為減少大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)阻力，所選用的高膨潤土（Ksst泥漿）技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 膨潤土技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical Index of Bentonite

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大坡度后背墻設(shè)計(jì)施工

工作井大坡度定向設(shè)計(jì)施工中，為了保證頂管機(jī)在頂進(jìn)過程中能保持8.455%坡度頂進(jìn)，主要是在工作井中修筑具有相同坡度的三角形鋼板混凝土后背墻，輸水頂管頂進(jìn)施工橫剖面圖如圖2所示，輸水頂管頂進(jìn)施工縱剖面圖如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)8.455%坡度頂進(jìn)方向的后背支撐，工作井主要采用明挖井體澆筑鋼筋混凝土施工，井壁、底板采用C25 混凝土，鋼板墊塊二期采用C30 混凝土，墊層、后背墻回填C15 混凝土，其中后背墻寬度為5 m，工作井洞與巖體間預(yù)留頂管機(jī)械空間后回填C15 混凝土防滲封堵，在工作井施工前，其定位朝向應(yīng)當(dāng)根據(jù)進(jìn)出口位置進(jìn)行推導(dǎo)確定，工作井施工如圖4所示。

圖2 輸水頂管頂進(jìn)施工橫剖面Fig.2 Longitudinal Section of Jacking Construction of Water Pipe Jacking （mm）

圖3 輸水頂管頂進(jìn)施工縱剖面Fig.3 Longitudinal Section of Jacking Construction of Water Pipe Jacking （mm）

圖4 工作井施工Fig.4 Working Well Construction

2.2 頂管頂進(jìn)大坡度方向施工控制

頂管頂進(jìn)大坡度方向施工控制主要通過激光經(jīng)緯儀及后背墻的位置進(jìn)行靜態(tài)定位控制，激光經(jīng)緯儀及后背墻位置設(shè)置如圖5 所示，工作井中后背墻的具體支撐位置及激光經(jīng)緯儀設(shè)置點(diǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧洞進(jìn)出水口的位置，采用導(dǎo)線法及平移法相結(jié)合的方式，二者位置應(yīng)當(dāng)設(shè)置在出口至進(jìn)口延長線上，頂管機(jī)位置安裝施工如圖6所示。

圖5 激光經(jīng)緯儀安裝施工Fig.5 Construction of Laser Theodolite Installation

圖6 頂管機(jī)位置安裝施工Fig.6 Construction for Position Installation

同時(shí)通過頂管智能控制中心對頂進(jìn)坡度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，動(dòng)態(tài)糾偏，根據(jù)偏差程度的不同可采取超挖糾偏法、工具管糾偏法和強(qiáng)制糾偏法進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，非必要情況要盡量避免出現(xiàn)后兩種方法，以確保大坡度頂進(jìn)，頂管頂進(jìn)大坡度智能監(jiān)測控制如圖7所示。

圖7 頂管頂進(jìn)大坡度智能監(jiān)測控制Fig.7 Intelligent Monitoring Control Chart of Pipe Jacking with Large Slope

2.3 后供水、外反砂施工

頂管頂進(jìn)過程中，在每節(jié)鋼管安裝焊接完成后于管內(nèi)放置若干G50 供水鋼管，隨著每節(jié)鋼管頂進(jìn)后，采用從外面抽水，通過從刀盤后面供水的方式將頂管機(jī)刀盤破碎的砂土通過供水管沖洗出大直徑輸水鋼管外，洗出的砂土外排進(jìn)預(yù)先設(shè)置好的沉沙池中，外排水反砂施工如圖8所示。

圖8 外排水反砂施工Fig.8 External Drainage Anti-sand Construction

2.4 高膨潤土接觸灌漿施工

本次輸水工程根據(jù)工程地質(zhì)滲透系數(shù)大小主要分為3類，已有徐睿等人研究發(fā)現(xiàn)：在滲透系數(shù)較小的土層中，泥水比重可控制在1.05 以下；在滲透系數(shù)適中的土層中，必須保持泥水穩(wěn)定，即泥水中除必須含有一定比例的粘土外，還須加一定比例的膨潤土，保持泥水穩(wěn)定［10］，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定，滲透系數(shù)始終的土層的泥水比重可控制在1.05～1.10 之間；而在滲透系數(shù)大的土層，其透水性較強(qiáng)，泥水的濃度應(yīng)適當(dāng)增加，其比重控制在1.10～1.20 之間，高濃度泥水可以在頂管機(jī)挖掘面上形成泥膜，保持挖掘面的穩(wěn)定，通常泥水循環(huán)利用會(huì)損失一些粘土，這時(shí)要不斷地向循環(huán)水中加粘土或膨潤土來補(bǔ)充，粘土用量通常占水泥用量10%～15%，但因粘土性能參數(shù)不定，容易成團(tuán)結(jié)塊，流動(dòng)性能差，不易與泥水有效摻和，因此在實(shí)際施工中通過采取摻加高膨潤土的方式居多。

根據(jù)上述工程地質(zhì)滲透系數(shù)大小3種情況結(jié)合現(xiàn)場施工試驗(yàn)對比，分別確定了M7.5、M10、M20 共3 組高濃度膨潤土的砂漿配合比，其中M20組主要添加了緩凝型高性能減水劑，3 組分別采取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)選最佳參數(shù)，最終確定3 組砂漿施工配合比如表2所示。

表2 不同強(qiáng)度等級砂漿摻膨潤土試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Test Parameters of Different Strength Grades Mortar Mixed with Bentonite

在制備觸變泥漿進(jìn)行減阻時(shí)，膨潤土∶水按質(zhì)量比1∶1 稱量，采用機(jī)械攪拌桶把水、膨潤土進(jìn)行攪拌罐，然后流入儲(chǔ)漿罐靜置12 h，使其充分吸收，膨潤成膠體，觸變泥漿減阻應(yīng)遵循“機(jī)尾為主、先注后頂、邊頂邊注、不注不頂”的原則進(jìn)行控制。泥漿攪拌采用ZJ-1500 型高速回轉(zhuǎn)式攪拌機(jī)，泥漿池設(shè)置上應(yīng)靠近工作井邊，沉淀池靠近泥漿池，泥水處理器布置在沉淀池上面，注漿泵要靠近工作井，泥漿池漿口宜高出箱底500 mm，出漿口宜設(shè)置截止閥，再通過軟管與進(jìn)漿泵連接；排漿泵安裝在井內(nèi)或管道內(nèi)，井內(nèi)安裝高度宜高出井底500 mm，管內(nèi)安裝宜離開頂管機(jī)50～70 m；管路拐彎處應(yīng)使用彎頭連接。注漿系統(tǒng)使用螺桿泵，并配置減壓系統(tǒng)，在注漿泵出口1 m 外以及頂管機(jī)頭注漿處各安裝一只隔膜式壓力表，觀測注漿壓力。在頂管施工完成后，應(yīng)及時(shí)對頂管頂進(jìn)施工質(zhì)量進(jìn)行檢測，可以采用超聲波（UT）對鋼管的焊接質(zhì)量進(jìn)行無損檢測。

2.5 施工工藝流程

大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工技術(shù)主要工藝流程如圖9所示。

圖9 大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工工藝流程Fig.9 Process Flow Chart of Jacking Construction of Large Diameter and Large Slope Water Conveyance Steel Pipe

3 結(jié)論

⑴通過在工作井內(nèi)設(shè)置8.455%大坡度的大塊三角形鋼板混凝土后背墻，能提供8.455%大坡度頂管頂進(jìn)后背支撐，保證DN 2 000 mm×20 mm 大直徑壓力鋼管能定向、精準(zhǔn)精準(zhǔn)頂進(jìn)。

⑵在不通視的條件下，根據(jù)進(jìn)出口的位置，采用導(dǎo)線法及平移法相結(jié)合的方式確定大坡度方向及激光經(jīng)緯儀設(shè)置點(diǎn)，始終保持頂管機(jī)的測量靶的中心與激光斑點(diǎn)中心重合，結(jié)合頂管智能調(diào)控中心對頂進(jìn)坡度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測糾偏，動(dòng)靜結(jié)合地保證頂管能沿著8.455%大坡度方向頂進(jìn)施工。

⑶采用供水反沙法結(jié)合施加高濃度膨潤土結(jié)合的方式能有效降低大坡度頂管頂進(jìn)弱風(fēng)化巖體的摩擦力，能有效降低砂石抱死管道的發(fā)生，節(jié)省施工成本，縮短施工工期。

⑷總結(jié)形成一套適用于大直徑大坡度輸水鋼管頂進(jìn)施工工藝流程，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。