陳黎明, 李必正, 何遠(yuǎn)圓

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司福州分院, 福建 福州 350001)

某城區(qū)應(yīng)急備用水源工程新建管道從現(xiàn)狀DN500 給水管接出,沿高速高架橋向東北鋪設(shè)進(jìn)入增壓泵站,經(jīng)泵站加壓后接出,橫穿堤壩后,管道由江底橫穿閩江敷設(shè)至某濕地公園內(nèi),沿濕地公園向西北敷設(shè)至防洪堤,之后與DN500 出水主干管對(duì)接。 工程主要包括建設(shè)1 座中途增壓泵站,通過(guò)開挖施工鋪設(shè)0.76 km DN500 泵站進(jìn)水管、3.12 km DN500 增壓管, 頂管橫穿閩江鋪設(shè) 0.93 km DN1 600 增壓管,其中頂管段采用鋼管。

1 工程概況

1.1 沿線基本情況

工程沿線周邊有國(guó)道、繞城高速、橋梁、水鎮(zhèn)、公園等。 橋梁工程位于過(guò)江頂管下游約2 km,橋梁主線全長(zhǎng)約3.5 km,其中跨江主橋長(zhǎng)約2.4 km。 城市主干道主線設(shè)計(jì)速度60 km/h,雙向六車道并設(shè)人行道和非機(jī)動(dòng)車道,主橋橋梁寬度33.5 m,跨度280 m,設(shè)計(jì)洪水頻率1/300。 管道穿越處航道規(guī)劃通航等級(jí)為內(nèi)河Ⅳ級(jí),通航凈高在設(shè)計(jì)最高通航水位以上,不小于8 m,單孔雙向通航,通航孔凈寬不小于180 m。

1.2 地形地貌

本工程所在位置河道微彎順直,枯水時(shí)河寬約740 m,洪水時(shí)河寬可達(dá)880 m,主河道河底高程在0.9～-10 m 之間(羅零高程,下同),水深條件較好。工程區(qū)河段主要為殘坡積臺(tái)地邊緣的沖洪、沖海積平原,間夾有殘坡積臺(tái)地,總體地形地勢(shì)較為平緩,河道兩岸岸灘較為發(fā)育,兩岸均為公路,且有草木等植被覆蓋,兩側(cè)布設(shè)多條丁壩、順壩,部分岸段建有護(hù)岸,河道經(jīng)整治后,形成了一條微彎規(guī)順的航道走向,水流較為平順。 工程位于河道微彎段凹岸,總體上河道、河床較為穩(wěn)定,水流較為平順,無(wú)灘險(xiǎn),滿足水下管道選址要求。

1.3 水文地質(zhì)資料

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,過(guò)江管道場(chǎng)地地層分布按地層時(shí)代、成因類型、巖性等可分為④中砂、④-1 卵石、⑤卵石。

④中砂(Q4al)：淺黃、淺灰、灰白、灰色,飽和,多呈中密-密實(shí)狀態(tài),局部呈松散、稍密狀。 主要由石英砂組成,粗砂級(jí)含量0～76.6%,中砂級(jí)含量5.0%～74.7%,細(xì)砂級(jí)含量0.9%～64.5%,黏粉粒含量0.5%～49.1%,級(jí)配差,局部含少量泥質(zhì)(含量約10%～30%)或夾5 ～10 cm 淤泥,局部含有卵石、圓礫,卵石級(jí)含量約10%～30%,圓礫級(jí)含量約10%～20%。 本層局部相變?yōu)榈[砂、粗砂或粉砂。 該層層頂埋深0.00～6.80 m,標(biāo)高-9.25～14.25 m,揭露厚度為5.80～28.30 m。

④-1 卵石(Q4al)：淺灰、黃褐、灰黃色,飽和,松散-稍密狀態(tài),卵石級(jí)含量50.7%～78.4%,母巖以花崗巖等硬質(zhì)火山巖為主,呈中風(fēng)化狀態(tài),巖質(zhì)較硬,粒徑一般為2～15 cm,多呈亞圓形-圓形狀,圓礫級(jí)含量0.7%～32.2%,卵石礫砂間充填黏性土與砂,粉、黏粒含量0.6%～11.9%,粗砂級(jí)含量7.0%～24.9%,中砂級(jí)含量4.5%～11.9%,細(xì)砂級(jí)含量1.1%～3.1%,該層分選性一般,均勻性一般,顆粒大小分布不均。 該層層頂埋深為2.00 ～9.40 m,標(biāo)高為-10.12～1.65m,揭露厚度為1.10～6.20 m。

⑤卵石(Q4al+pl)：淺灰、黃褐、灰黃色,飽和,稍密-密實(shí)狀態(tài),卵石含量50.2%～89.6%,母巖以花崗巖等硬質(zhì)火山巖為主,呈中風(fēng)化狀態(tài),巖質(zhì)較硬,粒徑一般為2 ～15 cm,少量可達(dá)20 cm(為漂石)以上,多呈亞圓形-圓形狀,圓礫級(jí)含量3.2% ～33.1%,卵石礫砂間充填黏性土與砂,粉、黏粒含量0.5%～17.6%,粗砂級(jí)含量1.3%～17.1%,中砂級(jí)含量1.0%～10.8%,細(xì)砂級(jí)含量0.3%～4.8%,該層分選性一般,均勻性一般,顆粒大小分布不均,局部相變?yōu)閳A礫或礫砂。 該層層頂埋深為6.30 ～30.10 m,標(biāo)高為-22.40 ～12.42 m,揭露厚度為1.00 ～23.10 m。

閩江—竹岐站流域面積為 54 500 km2,河長(zhǎng)496 km,坡率為萬(wàn)分之六,河床系砂質(zhì)組成,易發(fā)生沖於變化,受到人為采砂的影響,河床嚴(yán)重下切,近年來(lái)嚴(yán)禁采砂,河床保持穩(wěn)定[1-2]。

本工程所在的閩江段屬感潮區(qū)段,潮型屬半日潮,平均潮差約3 m,近3～5 年近場(chǎng)區(qū)的閩江最高水位標(biāo)高約9 m,歷史最高水位標(biāo)高約12 m。 根據(jù)近場(chǎng)區(qū)調(diào)查資料及竹岐水文觀測(cè)站水文資料,近場(chǎng)區(qū)附近的閩江豐水期水位標(biāo)高一般在4 ～7 m,枯水期水位標(biāo)高一般在 2～5 m,頂管穿越閩江段最大沖刷深度約 3.84 m。

1.4 防洪要求

管道工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50 年一遇,設(shè)計(jì)洪水位14.19 m。

1.5 通航要求

工程區(qū)所在的航道技術(shù)等級(jí)為內(nèi)河Ⅳ級(jí)航道,根據(jù)規(guī)劃要求,同時(shí)考慮船舶應(yīng)急拋錨需要,預(yù)留一定沖刷深度,以保護(hù)管道和船舶航行安全,要求管道設(shè)置深度不小于河床底標(biāo)高以下2 m。 根據(jù)工程區(qū)河段水深測(cè)圖,管線沿程附近河床最低高程為-9.9 m,因此要求管道管頂高程應(yīng)不高于-11.9 m。

2 穿越方案比選

輸水管道穿越閩江方案的選擇是本工程最關(guān)鍵的一步,直接影響工程的成敗,同時(shí)也關(guān)系著過(guò)江管道是否可以安全運(yùn)行。 穿越點(diǎn)與穿越方案的選擇根據(jù)河流的水文、地質(zhì)、施工條件、工程量、投資等進(jìn)行調(diào)查研究和分析比較,選擇河段順直、河床相對(duì)穩(wěn)定、河床斷面較規(guī)則、施工場(chǎng)地寬闊、施工便利的河段進(jìn)行。

根據(jù)目前現(xiàn)有施工工藝,輸水管道穿越大型河流主要采用沉管法、水平定向鉆進(jìn)法、頂管法三種工藝。 沉管法管道覆土較淺,易受到來(lái)往船只拋錨和采砂船作業(yè)影響,且閩江水上交通運(yùn)輸繁忙,沉管法施工對(duì)水上交通運(yùn)輸影響極大,因此沉管法不適用于本工程。 頂管法施工方案和水平定向鉆進(jìn)法施工方案比選見表1。

表1 管道施工工藝比選Tab.1 Comparison and selection of pipeline construction processes

通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的比較,考慮到橫穿閩江長(zhǎng)度較長(zhǎng),且閩江為通航航道,現(xiàn)場(chǎng)拉管無(wú)施工條件并且閩江地質(zhì)條件不利于拉管施工,故本次推薦采用頂管施工方案。 考慮到本次頂管距離較長(zhǎng),頂管過(guò)程中需設(shè)置中繼間,為方便人員進(jìn)行操作,同時(shí)為了保證頂管施工的安全性,過(guò)江管道直徑為DN1 600。

頂管法施工考慮三種方案：?jiǎn)喂艽┰?、雙管穿越和套管穿越方案。 雙管穿越過(guò)江造價(jià)過(guò)高,不予考慮。 經(jīng)比較,套管方案比單管方案增加了DN600 焊接鋼管總長(zhǎng)約1.0 km,造價(jià)增加約100 萬(wàn)元,但考慮到套管方案安全性高,對(duì)后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)也比較方便,考慮安全性、施工經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)等因素,推薦采用套管穿越方案。 套管穿越示意圖見圖1。

圖1 套管穿越示意Fig.1 Schematic diagram of casing crossing

根據(jù)本項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告,管道穿越標(biāo)高處底層以中砂為主,局部伴有卵石層,本工程給水管道一次頂進(jìn)距離長(zhǎng)且下穿河床,后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較大,采用傳統(tǒng)承插式連接形式(鋼砼、玻璃鋼、球墨鑄鐵頂管均屬承插連接形式)不適宜作為河床下長(zhǎng)久性頂管下穿方案,宜采用整體性較好的加厚鋼管(焊接)作為頂管管材實(shí)施方案。 傳統(tǒng)焊接鋼管頂管外加內(nèi)部焊接鋼管管實(shí)施方案,本工程套管采用加厚鋼管(焊接)頂進(jìn),管徑DN1 600,內(nèi)套DN600整體性較好的焊接鋼管。

3 穿越閩江頂管設(shè)計(jì)

3.1 頂管設(shè)計(jì)

目前,國(guó)內(nèi)已建成多項(xiàng)大直徑長(zhǎng)距離過(guò)江頂管工程。 福建省平潭及閩江口水資源配置工程屬于國(guó)家水利重點(diǎn)項(xiàng)目之一,工程第3 標(biāo)段,詳謙農(nóng)場(chǎng)至城門水廠段頂管采用DN2 000 鋼管,全長(zhǎng)為1 137.7 m[3];杭州天然氣利用工程中頂管過(guò)富春江,管徑DN2 400,一次頂進(jìn)646 m[4];黃浦江上游閔奉原水支線工程使用DN3 000 鋼頂管穿越黃浦江,管長(zhǎng)共計(jì)436 m[5];汕頭南區(qū)污水廠干管穿過(guò)濠江工程采用DN2 600 鋼管一次頂進(jìn)521 m 等。

本次設(shè)計(jì)采用泥水平衡、泥漿減阻、機(jī)械頂進(jìn)方案。 根據(jù)頂管工藝要求,在閩江南側(cè)設(shè)置頂管工作井,在閩江北側(cè)設(shè)置頂管接收井,采用河床下頂管,一次頂進(jìn)距離約0.93 km。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及相關(guān)資料,現(xiàn)狀閩江河床標(biāo)高約-10.0 m,本次橫穿段給水管道設(shè)計(jì)管管中心標(biāo)高-14.0 ～-16.0 m,河床現(xiàn)狀最低處覆土約4.00 m。 根據(jù)地勘報(bào)告,穿越土層主要為④中砂、⑤卵石,且在水下作業(yè),同時(shí)應(yīng)控制好泥漿壓力和泥漿稠度,加強(qiáng)泥漿護(hù)壁及水壓力平衡問(wèn)題,防止④中砂、⑤卵石塌孔及地下水對(duì)工程的不利影響,⑤卵石層局部粒徑較大,達(dá)漂石級(jí)。 本頂管穿越段長(zhǎng)度較長(zhǎng),且管側(cè)土層工程性能總體較好,側(cè)摩阻力較大,頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)控制好壓力。

3.2 管材及防腐

本工程套管采用加厚鋼管(Q235B 鎮(zhèn)靜鋼,焊接)頂進(jìn),管徑DN1 600,壁厚20 mm,內(nèi)部敷設(shè)DN600 整體性較好的焊接鋼管。 輸水管道設(shè)計(jì)工作壓力為0.8 MPa,試驗(yàn)壓力為1.3 MPa,采用螺旋縫埋弧焊制鋼管,管節(jié)長(zhǎng)度8 m。 DN1 600 鋼管外壁防腐采用重防腐涂料,厚度1 200 μm,內(nèi)防采用無(wú)溶劑環(huán)氧涂料厚度400 μm。 DN600 鋼管內(nèi)防腐采用環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層,外防腐采用三層PE 加強(qiáng)級(jí)外防腐層。

3.3 頂管施工方案

本次頂管選用D1 620×20 鋼管,設(shè)計(jì)頂推力5 000 kN,穿越閩江段總長(zhǎng)約0.93 km,經(jīng)計(jì)算頂管總頂力47 934 kN,大于鋼管設(shè)計(jì)頂力5 000 kN 和工作井后靠墻計(jì)算頂力6 687 kN,需配套中繼間接力頂進(jìn)。

泥漿減阻是長(zhǎng)距離頂管減少摩阻力的重要措施之一,在頂管過(guò)程中,如果注入的泥漿能在管外圍形成一個(gè)比較完整的漿套,則可將摩阻力由12 ～20 kN/m2減少至2 ～5 kN/m2,因此,采用泥水平衡式頂管并輔助泥漿減阻以增大一次頂進(jìn)長(zhǎng)度。 根據(jù)頂管頂力計(jì)算結(jié)果,對(duì)應(yīng)本工程地質(zhì)特征和觸變泥漿減阻措施,DN1 600 鋼管一次最大頂進(jìn)距離為80 ～150 m,超過(guò)這個(gè)距離需設(shè)置中繼間(設(shè)計(jì)暫定本工程過(guò)閩江段設(shè)9 個(gè)中繼間)。 按照公式(1)計(jì)算各不同管段中繼間理論計(jì)算數(shù)量;工程施工過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際的頂進(jìn)情況和頂力大小進(jìn)行中繼間數(shù)量調(diào)整和布置。

式中,n為中繼間數(shù)量(取整數(shù)),個(gè);D1為管道的外徑,m;fk為管道外壁與土體的平均摩阻力,kN/m2,可按照CECS 246—2008 規(guī)程表12.6.14 采用;L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度,m;f0為中繼間允許的頂力,kN。

3.4 頂管工作井與接收井

頂管工作井及接收井?dāng)M采用沉井施工,沉井深度分別為24.50、21.60 m,沉井經(jīng)過(guò)地層主要土層為④中砂,工作井處有部分④-1 卵石層,沉井深度較深,摩阻力較大,沉井平面布置分孔(檔),沉井過(guò)程應(yīng)進(jìn)行下沉力分析,控制下沉系數(shù)在1.05 左右,沉井兩側(cè)土體性質(zhì)總體較均勻,其對(duì)沉井施工影響不大。 場(chǎng)地地下水主要為④中砂、④-1 卵石中的潛水,水量較大,采用不排水沉井工藝,水下封底,下沉?xí)r井內(nèi)水位要保持較外部水位略高,防止井內(nèi)出現(xiàn)流砂。 若沉井難以下沉,可采取沉井外圍管井降水降低水壓力,必要時(shí)可在沉井周邊設(shè)置帷幕止水(可采用地下連續(xù)墻或柱列式排樁帷幕,深度宜進(jìn)入風(fēng)化層一定深度,若采用柱列式排樁帷幕,宜采用多排樁相互緊密排列的方式以達(dá)到止水目的),在井內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的降水井進(jìn)行超前降水,確保沉井施工順利進(jìn)行。

頂管工作井與接收井根據(jù)地質(zhì)條件、頂進(jìn)距離等進(jìn)行布置,工作井和接收井須綜合考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)強(qiáng)度、長(zhǎng)度、寬度和深度等。 根據(jù)頂管口徑、管節(jié)長(zhǎng)度、頂管機(jī)尺寸、機(jī)頭尺寸等確定頂管工作井和接收井的尺寸,根據(jù)頂管的上下游角度確定工作井和接收井的形式,具體設(shè)置見表2。

表2 頂管工作井和接收井主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of pipe jacking working well and receiving well

考慮到地下水位較高,地處中砂層,工作井、接收井施工完成后作為檢查井應(yīng)與管道保持穩(wěn)定性,因此,沉井施工應(yīng)考慮其基礎(chǔ)和周邊土體加固,同時(shí)考慮洞口止水問(wèn)題,原則上采取“一井一策”,結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)設(shè)置位置。 本工程在沉井底部及四周布置高壓旋噴樁,沉井后背及頂管洞口加密布置高壓旋噴樁,保證施工安全和運(yùn)行的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 頂管施工

DN1 600 鋼管頂管過(guò)閩江,上部以④中砂、④-1卵石層為主,根據(jù)已完成勘探孔,勘探孔位處揭露的松散地層中未發(fā)現(xiàn)異常埋置物,穿越土層主要為④中砂、⑤卵石。 實(shí)際頂力小于設(shè)計(jì)頂力,實(shí)際施工過(guò)程中繼間為9 個(gè)。 從地質(zhì)剖面圖看出：頂管從工作井始發(fā)穿越115 m 中砂層進(jìn)入全斷面卵石地層約230 m,然后約135 m 在卵石和中砂交界面穿越,后續(xù)穿越地層為467 m 的中砂直至接收井。 施工中應(yīng)控制好泥漿壓力和泥漿稠度,加強(qiáng)泥漿護(hù)壁,防止④中砂、⑤卵石塌孔,⑤卵石層局部粒徑較大時(shí),選擇硬巖復(fù)合頂管施工工藝,確保工程順利進(jìn)行。 設(shè)計(jì)頂管工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 頂管工程地質(zhì)剖面Fig.2 Geological profile of pipe jacking engineering

當(dāng)工作井下沉至井口標(biāo)高6.9 m 時(shí)挖到密集的卵石地層,挖掘極為困難,現(xiàn)場(chǎng)采用多種取土方法均無(wú)法下沉。 通過(guò)專業(yè)潛水員井底探摸發(fā)現(xiàn),工作井底部由大小粒徑卵石夾中粗砂含少量黏土膠結(jié)成整體,質(zhì)地堅(jiān)硬,傳統(tǒng)挖機(jī)無(wú)法進(jìn)行有效挖掘。 由于井口標(biāo)高距設(shè)計(jì)標(biāo)高相差1.8 m,經(jīng)專家論證后,根據(jù)工期要求結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整頂管線形,頂進(jìn)工藝和中繼間布置保持不變,將工作井洞中標(biāo)高比原設(shè)計(jì)抬高1.8 m,頂管頂進(jìn)縱坡由2‰調(diào)整為0.2‰,閩江中心處管頂覆土由原設(shè)計(jì)的5.4 m 變成4.7 m(大于2 倍管徑),滿足規(guī)范要求,同時(shí)也滿足過(guò)江段沖刷深度要求。 頂管工程第一次調(diào)整情況見圖3。

圖3 頂管工程第一次調(diào)整Fig.3 First adjustment of pipe jacking engineering

后續(xù)施工過(guò)程中,根據(jù)接收井位置地勘報(bào)告,并結(jié)合接收井下沉情況分析很有可能最后2.7 m 遇到卵石地層,對(duì)頂進(jìn)線型再次調(diào)整,見圖4。 調(diào)整后頂管起始階段延0.2‰縱坡頂進(jìn)650.95 m 后向上起曲走圓弧線,曲率半徑R= 14 416 m,軌跡弧長(zhǎng)279.05 m,圓 心 角θ= 1.109 2°。 曲 率 半 徑R＞2 400 D,弧長(zhǎng)L＞80D,鋼管頂進(jìn)能安全保證。 經(jīng)過(guò)專項(xiàng)方案論證調(diào)整后,頂管工程經(jīng)2 個(gè)月全線貫通。

5 結(jié)語(yǔ)

① 過(guò)江干管(DN1 600 鋼管內(nèi)套DN600 給水鋼管)穿越閩江工程在綜合分析頂管、定向鉆進(jìn)等管道過(guò)江方案優(yōu)缺點(diǎn)后,確定采用頂管施工,施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況,及時(shí)調(diào)整頂管線型,局部采用豎向曲線頂管。 目前工程已經(jīng)完工,過(guò)江管道運(yùn)行良好,解決了應(yīng)急供水問(wèn)題。

② DN1 600 設(shè)計(jì)頂推力為5 000 kN,頂管長(zhǎng)度0.93 km,采用9 個(gè)中繼間,順利完成了過(guò)江頂管施工。

③ 施工完成后建議將管道外邊緣兩側(cè)各50 m水域范圍劃為管道保護(hù)區(qū),以保護(hù)河底管道和船舶航行安全,同時(shí)設(shè)置必要的水上或岸上警示標(biāo)識(shí),禁止過(guò)往船舶在敷設(shè)管道的保護(hù)區(qū)水域拋錨、拖錨航行或垂放重物,嚴(yán)禁進(jìn)行采砂作業(yè),保護(hù)河底管道安全。