大型頂管施工工藝在通榆河北延送水工程中的應用

張政田，劉延軍，狄大鵬

（江蘇省通榆河北延送水工程建設管理局，224600，響水）

一、頂管施工工藝的發展及現狀

頂管施工工藝是繼盾構施工之后發展起來的一種地下管道施工方法，具有許多優點，如：無須地面開挖，不影響地面交通，不會產生過大的噪聲和振動，對周圍環境影響小等。頂管施工技術發展較快，從開挖方式上，由人工手掘式頂管開始，發展了機械式頂管、小口徑遙控土壓式機械頂管、擠壓式頂管、土壓平衡頂管、氣壓平衡頂管、泥水平衡頂管等；從管材上，由鑄鐵管發展到鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼夾砂管、預應力鋼筋混凝土管等，管徑也已發展到最大內徑3000 mm鋼管和最大內徑3500 mm鋼筋混凝土管；另外在曲線頂管方面能完成三維復合急曲線頂管。目前，頂管施工工藝已廣泛應用于城市給排水、煤氣管道、電力隧道、通信電纜等基礎設施建設及公路、鐵路、隧道等交通運輸工程的施工中。

近年，隨著國內頂管施工的開挖方式、頂進距離的突破，管節的制作、接口精度和密封性能的提高，頂管注漿工藝不斷完善和地面沉降控制精度提高，為頂管施工工藝應用到大型水利工程中創造了有利條件。

二、通榆河北延送水工程灌河地涵工程頂管施工實踐

1.工程概況

通榆河北延送水工程是江蘇省委、省政府為振興蘇北、加快沿海開發、促進蘇北崛起而開辟的又一條“江水北調”戰略性水資源工程。工程利用已經建成的通榆河中段工程，結合實施連云港疏港航道，增加一條向連云港市輸送水源的新通道。通榆河北延送水工程灌河地涵為穿灌河的建筑物，地涵上洞首位于響水縣城西郊黃響河入灌河的河口處，下洞首位于灌河北岸的灌南縣長茂村五組。地涵設計流量50m3/s，4孔，總長約550 m。主涵管采用4根內徑?3.5 m鋼筋混凝土預制頂管，長450 m，頂管中心距為9 m，管中心高程為-15.55 m。工程概算總投資11040萬元，工程于2008年7月正式開工，2009年10月灌河地涵4根頂管全線貫通，現已完成全部合同工程。

2.工程地質及水文條件

（1）工程地質

頂管施工涉及的土層有⑥1、⑥2、⑦2、⑧，該四層土土力學強度均較高，管底主要位于⑧層上，局部位于⑦2層上，該兩層可作天然地基，基面下有良好的下臥層。⑥1、⑦2層為粉質黏土，可塑狀態，極微透水；⑥2、⑧層為粉砂、砂壤土，中密—密實狀態，中等透水。另外，四層土中均含有砂礓，一般含量5%～20%，局部含量高達40%，對施工形成不利情況。

（2）工程水文

灌河水位受潮汐的影響變化較大，勘探期間測得灌河潮水位在-0.2～3.2 m之間。場地內地下水類型為松散巖類孔隙水，大氣降水入滲為淺層地下水的主要補給來源，其次為地表水的入滲補給，深層地下水以接受淺層地下水的滲入補給為主。本場地內有3個承壓水層：⑤3層砂壤土滲透系數為K=1.4×10-4cm/s,具中等透水性，為第一承壓含水層；⑥2層粉砂具中等透水性，為第二承壓含水層；⑧層砂壤土滲透系數為K=1.7×10-4cm/s，具中等透水性，為第三承壓含水層。承壓水水位分別為 1.82 m、1.75 m、1.74 m，高承壓水對頂管施工相當不利，且⑤3層局部在灌河底與⑥2層是相通的，加大了施工難度。

3.工程特點及施工方案和工法選擇

（1）工程特點及施工方案的選擇

本工程主要任務是將通榆河的淡水從鹽城響水縣穿越灌河送到連云港灌南縣境內，而灌河是潮汐河道，直接與大海相通，又是國家三級航道，河面寬，通航徑高大，且不便斷航，所以采用平面交叉或渡槽、拱管的上立交方案，既不經濟，又影響通航且不便于施工。對于采用非開挖方式的地下立交，目前主要是盾構和頂管方案，設計單位經多方考察和比選，并進行技術和經濟論證，最終決定通榆河北延送水工程灌河地涵采用多管、平行、大口徑的鋼管混凝土頂管工藝，這項工藝也開了江蘇水利及國內復雜地質條件下大直徑、長距離、多管、平行施工的先河，實現了較好的經濟和社會效益。

（2）施工工法的選擇

頂管施工工法目前主要是土壓平衡、泥水平衡和氣壓平衡頂管施工工法，泥水平衡頂管法具有適用土質廣、挖掘面穩定、地面沉降小，且在含沙土層中頂進時無須采用添加劑改良土體等特點?？紤]本工程位于潮汐河道，潮位差較大，頂管需穿越灌河大堤和河底的淺覆土層，且土層中存在承壓水及大量的砂礓，局部存在較大砂礓盤等水文和地質特點，故選用了泥水平衡頂管法施工。

4.工程難點和風險及采取的措施與對策

（1）進出洞口處有承壓含水層

本工程主要承壓含水層為⑤3、⑥2、⑧層，頂管進出洞口處有⑥2、⑧兩層深埋的承壓水層，頂管進出洞時存在較大的風險。主要采取以下措施加以控制：

①加固洞口土體。本工程頂管工作井和接收井洞口處采用高壓旋噴樁進行土體加固。工作井加固范圍為預留洞頂以上6 m至預留洞底以下 3 m，寬度 37 m，加固厚度 3 m；接收井加固范圍為預留洞頂以上2 m至預留洞底以下2 m，寬度37 m，厚度2 m。施工須確保加固土體的強度和均勻性，使其具備擋水和擋土作用。

②降低承壓水水頭。為確保頂管進出洞安全，必須對場地內的承壓水層進行深井降水。頂管進出洞承壓水降水首先考慮利用頂管軸線兩側沉井施工時原部分降水深井，另外在土體加固完成后，沿頂管頂進軸線方向在管間中心位置，離開加固區4 m處布置7口深井。頂管出洞前7天進行預降水及抽水試驗，觀測抽水流量和水位變化，調整優化原降水方案，確保在拆除洞門前承壓水水頭降至洞口底以下0.5 m。

（2）頂管開挖面存在大量砂礓，局部可能有較大砂礓盤

砂礓和砂礓盤的存在對頂管的掘進作業可能帶來三方面的問題：一是可能發生泥水艙進泥口堵管；二是在刀盤的前端會聚積較多的砂礓，造成刀盤的進泥口進泥不暢，迎面阻力增加和刀盤的驅動扭矩增大；三是砂礓含量大，容易造成泥水管路的堵塞。采取的具體措施如下：

①對大刀盤進行改進。將刀盤的進泥口改小，同時刀頭的寬度適當改小，增加刀頭的數量，并沿刀盤半徑分散布置超前撕裂刀頭，以便將大砂礓盤撕裂解小，確保進入泥水艙的砂礓不會出現堵管現象，同時在泥水艙上部增加兩個預留排泥口，作為堵管時的應急排泥口。

②加大刀盤的驅動功率。將6臺驅動電機功率分別由37 kW增加到45 kW，防止刀盤碰到較大直徑的砂礓盤或聚積較多的砂礓，造成刀盤驅動扭矩不足的情況發生。

③加大砂礫泵和排泥管道直徑?？紤]到砂礓的顆粒較大、比重較大、容易沉淀等，采用無堵塞的砂礫泵，將砂礫泵和排泥管道直徑由原來常用的10 cm改為15 cm。另外在排泥管路中間增加接力泵，避免砂礓在管道內沉淀而堵塞管道。必要時在進泥管路中添加黏土和膨潤土泥漿，以提高管道的攜砂能力，防止發生堵管現象。

（3）頂管施工需穿越灌河河床80m的淺覆土層

在灌河深槽（距工作井134～214m）80 m范圍內頂管頂部距灌河底的覆土厚度不足5 m，上覆土大部分又是粉砂層，而黏土層較薄，頂管存在冒頂的風險。工程實施時主要采取以下措施：

①室內模型試驗。與科研單位合作，在室內使用砂土模擬現場施工，并通過改變漿液的配合比、上覆土層厚度等條件進行單管和多管施工的試驗，找出土體變形的敏感點，為現場布置監測點提供依據。

②通過現場監測，預測淺覆土層的沉降變形。淺覆土層位于灌河河底，水深10 m左右，受環境和潮水影響，很難對河底淺覆土層進行有效加固。為預測淺覆土層變形，確保頂管施工時河底沉降在可控制范圍內，在工作井至灌河岸邊布置了分層沉降點，通過對該段土體沉降變形的監測，預測淺覆土層可能的沉降變形量。

③調整施工參數。在頂管穿越淺覆土層中施工時，如果泥水艙壓力設置過大，容易造成淺覆土層頂穿；若過小，則掘進機前方土體容易坍塌，造成大量地層損失，引起過大沉降。通過分析計算，并結合現場操作的實際狀況，最終確定泥水艙壓力控制在0.12～0.15 MPa。另外，控制穿過淺覆土層時的頂管頂進速度不超過3 cm/min，并保持均勻、慢速、連續頂進。如需短時間停推，由專人監測，并向泥水艙內注入足量的膨潤土泥漿，以平衡開挖面的泥水壓力。

④調整注漿方式。膨潤土泥漿套一方面是起減摩降阻作用，使長距離頂進成為可能，另一方面可以補償一部分頂管開挖造成的地層損失，減小由此引起的土體的變形。本工程頂管施工中在掘進機尾部和管道沿線每隔三或四節管布置四個注漿孔。正常頂進時需控制一定的注漿壓力，但在淺覆土層時，壓力過大會穿透淺覆土層，為防止這種情況發生，頂管穿越淺覆土層時關閉掘進機尾部和管道沿線上面的兩個注漿孔，膨潤土泥漿通過下面的兩個注漿孔，在一定的壓力下也可以形成完整的泥漿套，保證施工正常進行。

（4）本工程頂管具有大直徑、長距離、多線平行、近間距等特點，目前在國內尚無實踐經驗

主涵管為4根平行的長約450 m、內徑3.5 m、外徑4.16 m的鋼筋混凝土頂管，管間凈間距為4.84 m。本工程實施中采用兩套頂進設備，為防止相鄰頂管同時頂進對土體擾動較大，采取先一、三號線頂進，后二、四號線頂進順序，同時頂進的兩條線頂管前后錯開約60 m。施工過程中，通過嚴密監測并控制頂力和土體變形，及時調整觸變泥漿的注漿量和配合比等措施，頂管頂進十分順利。

5.工程效果

灌河地涵頂管工程在建設、設計、科研、監理、施工等各方的高度重視和緊密的配合下，通過施工前期和過程中大量的科研指導和技術改進，順利并提前完成，取得了滿意的效果。主要體現在以下幾個方面：

①加快了施工進度。根據以往的經驗，在歇人不歇機和比較順利條件下，日均可頂進10～12 m，而本工程在復雜地質條件下，通過采取各項改進措施，每日工作時間不到20 h，日均頂進達15 m。

②頂力得到有效控制。理論計算本工程最大頂力達到2000 t，而實際施工中通過采用優化的潤滑泥漿配合比和合理的注漿量，頂力一般控制在600～1000 t之間，不足理論值的1/2，且頂力不是隨頂程增加而增加，說明管道基本是懸浮在泥漿潤滑套中。

③機頭姿態控制較好。施工中通過勤測勤糾、及時調整泥水艙壓力等措施，保證頂管機頭平順出洞，平穩頂進，且最大平面偏差、高程偏差、管節轉角偏差均為驗收要求值的2/3左右。

三、頂管技術在大型水利工程中的應用前景

隨著科學技術的不斷發展進步、新材料和新工藝大量應用，頂管施工技術必將日漸成熟，成本也必將逐步降低，特別是大口徑、長距離、多管平行頂管施工技術在工程實踐中的廣泛應用，為頂管技術在水利工程中的應用開辟了廣闊的空間。在江蘇等沿海省份和地區，公路、鐵路、水網密布，實施長距離調水工程和水環境治理的清污分流工程，需采用水路立交和水水立交的工程相當多，而隨著沿海地區經濟的高速發展，城市和農村土地價格將越來越高，征遷成本越來越大，斷流、斷航、斷交通施工的壓力也越來越大，以往傳統意義上的大面積征地、大開挖施工的模式必將要改變，頂管施工技術在大型水利工程中的應用前景將越來越廣闊。