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、設計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建及新建就顯得十分重要，而非開挖頂管施工因為安全方便，對地面的影響小的特點應用較為廣泛，目前頂管施工技術(shù)在國內(nèi)外已得到廣泛應用［1-5］，國內(nèi)外在頂管頂進施工應用方面主要適用于微風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)水利或市政項目，而在輸水工程中，時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性，另一方面也要解決由于頂進坡度大所造成的頂管摩擦阻力大所出現(xiàn)的頂管頂進過程中出現(xiàn)管道抱死、刀盤磨損嚴重等現(xiàn)象。文章主要通過現(xiàn)場試驗對輸水鋼管頂進過程中工作井后背墻設計施工、頂進方向控制、頂進供水反砂、高膨潤土接觸灌漿制備等方面進行了系統(tǒng)研究，以解決大直徑大坡度輸水鋼管頂進施工困難，提高施工效率，在保證施工質(zhì)量的同時確保工期如期完工。

1 工程概況

1.1 工程特點

大直徑大坡度輸水鋼管頂進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，水庫設計日供水規(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，頂進坡比為1∶11.828，其坡度為8.455%，頂進坡度大，輸水隧洞軸線所經(jīng)巖體風化巖體占80%以上，砂巖層整體強度較好，而進出口段均為強風化巖體為主，進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，弱風化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，極易垮塌，圍巖類別為Ⅴ類，進出口段及隧洞內(nèi)局部較破碎的洞段應進行襯砌處理，在襯砌時應設置相應的排水孔，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 設備選型

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

1.2.2 材料選擇

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

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

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大坡度后背墻設計施工

工作井大坡度定向設計施工中，為了保證頂管機在頂進過程中能保持8.455%坡度頂進，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，輸水頂管頂進施工橫剖面圖如圖2所示，輸水頂管頂進施工縱剖面圖如圖3所示，為實現(xiàn)8.455%坡度頂進方向的后背支撐，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留頂管機械空間后回填C15 混凝土防滲封堵，在工作井施工前，其定位朝向應當根據(jù)進出口位置進行推導確定，工作井施工如圖4所示。

圖2 輸水頂管頂進施工橫剖面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 頂管頂進大坡度方向施工控制

頂管頂進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行靜態(tài)定位控制，激光經(jīng)緯儀及后背墻位置設置如圖5 所示，工作井中后背墻的具體支撐位置及激光經(jīng)緯儀設置點時，應根據(jù)隧洞進出水口的位置，采用導線法及平移法相結(jié)合的方式，二者位置應當設置在出口至進口延長線上，頂管機位置安裝施工如圖6所示。

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

圖6 頂管機位置安裝施工Fig.6 Construction for Position Installation

同時通過頂管智能控制中心對頂進坡度進行實時監(jiān)測，動態(tài)糾偏，根據(jù)偏差程度的不同可采取超挖糾偏法、工具管糾偏法和強制糾偏法進行動態(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，頂管頂進大坡度智能監(jiān)測控制如圖7所示。

圖7 頂管頂進大坡度智能監(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)鋼管頂進后，采用從外面抽水，通過從刀盤后面供水的方式將頂管機刀盤破碎的砂土通過供水管沖洗出大直徑輸水鋼管外，洗出的砂土外排進預先設置好的沉沙池中，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，泥水的濃度應適當增加，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)利用會損失一些粘土，這時要不斷地向循環(huán)水中加粘土或膨潤土來補充，粘土用量通常占水泥用量10%～15%，但因粘土性能參數(shù)不定，容易成團結(jié)塊，流動性能差，不易與泥水有效摻和，因此在實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設計法優(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 不同強度等級砂漿摻膨潤土試驗參數(shù)Tab.2 Test Parameters of Different Strength Grades Mortar Mixed with Bentonite

在制備觸變泥漿進行減阻時，膨潤土∶水按質(zhì)量比1∶1 稱量，采用機械攪拌桶把水、膨潤土進行攪拌罐，然后流入儲漿罐靜置12 h，使其充分吸收，膨潤成膠體，觸變泥漿減阻應遵循“機尾為主、先注后頂、邊頂邊注、不注不頂”的原則進行控制。泥漿攪拌采用ZJ-1500 型高速回轉(zhuǎn)式攪拌機，泥漿池設置上應靠近工作井邊，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，出漿口宜設置截止閥，再通過軟管與進漿泵連接；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50～70 m；管路拐彎處應使用彎頭連接。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，應及時對頂管頂進施工質(zhì)量進行檢測，可以采用超聲波（UT）對鋼管的焊接質(zhì)量進行無損檢測。

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%大坡度頂管頂進后背支撐，保證DN 2 000 mm×20 mm 大直徑壓力鋼管能定向、精準精準頂進。

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

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弱風化巖體的摩擦力，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施工工藝流程，可為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。