例析穿越岛壁大堤钢顶管施工关键技术

例析穿越岛壁大堤钢顶管施工关键技术
1、工程概况
某海水取水工程场地位于场地所在区位于长江入海口北侧、黄海之滨的人工岛东北侧，人工岛由人工吹填形成，吹填砂厚度达11m。

本工程有两根钢管引水管，单根长334m，由顶管段和沉管段组成，单根顶管段长200m，坡度为0.01368，顶管管道外径为2040mm，壁厚24mm。

引水钢顶管从岛内泵房沉井出发，穿越岛壁大堤，进入海中与沉管对接，所取海水主要为消防和液化天然气加热用水。

两条（东西）顶管穿越人工岛壁大堤见图1。

图1 顶管穿越岛壁断面图
顶管穿越②1、②1a、②2层土，②1层粉砂，稍密～中密；②1a层粉质粘土夹粉砂、粉砂夹粉质粘土，稍密，颗粒级配差；②2粉砂，中密，颗粒级配差。

岩土参数见下表1。

表1 各层岩土参数表
层号层厚承载力特征值（kpa）摩阻力（kpa）实测标贯击数N 渗透系数
×10-3cm/s
○0
11m（地面-0.00）80 10 8 5.43
②1 4m（0.00～-4.00）140 18 15 2.47
②1a 3.5m（-4.00～-7.50）110 12 11 22.5
②2 5.5m（-7.50～-13.00）160 20 20 0.97
2、工程特点及难点
⑴顶管穿越岛壁大堤，要确保大堤结构安全，这就要求顶管施工对大堤的扰动要小，需严格控制地面沉降量和隆起程度。

⑵顶管穿越大堤时，在内坡脚和外坡脚可能会遇到孤立块石，因此提前要采取相应措施进行对付这种情况存在。

⑶顶管前段约50m长覆盖土层不够，管道易上浮以及方向不易控制，需采取措施控制管道上浮及导向。

⑷顶管穿越岛壁大堤，遇防浪钢板桩障碍物，需提前确保岛壁安全情况下进行处理。

⑸地下水丰富，水位高，且与大海相通，顶管出洞需避免流沙现象发生。

3、顶管施工关键技术及措施
根据本工程特点，本顶管施工的关键施工技术就是选择正确的顶管工艺，使用合适的顶管机，清除一些障碍物，采取长距离顶管的措施，顺利穿越岛壁，并保证大堤的结构安全；同时对覆盖土层不够地段要采取有效措施控制管道上浮。

3.1 顶管工艺选择及刀盘选型
从ø2040顶管穿越的②1、②1a、②2层土来看，以砂性土为主，其渗透系数k分别为2.47x10-3、22.5x10-3、0.97x10-3。

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）第12.3条“顶管机的选择”表12.3.1，首选工艺应为气压平衡，可选工艺为泥水平衡，不宜选用的工艺为土压平衡。

但本工程頂管终点处管段的覆土层厚度很薄，经过透气及供气量估算，气压平衡工艺在此透气薄覆盖层极不稳妥，易产生安全事故。

同时泥水平衡顶管工艺施工沉降量最小，对大堤的保护也有一定的作用，因此选择泥水平衡顶管施工工艺。

此处岛壁内坡脚在施工时，几次台风掀翻了部分倒滤层二片石及碎石，并伴随着沉降，且通过用KY-150GY型地质钻机钻孔，内坡脚外1m左右管线上存在二片石及块石，外坡脚处由于冲刷，还可能存在孤立的块石，事先处理对岛壁结构会造成一定的影响，因此考虑在顶管机刀盘上做文章，使用面板式刀盘，能充分接触，上面镶嵌日本进口硬质合金刀头，对硬的石头具有很强的切屑能力；同时面板刀盘上密布了很多进泥口以及刀盘与机头前筒体之间有进泥口，满足正常进泥条件，如下图2泥水平衡顶管机刀盘。

3.2顶管后靠背设计与施工
本钢顶管以泵房沉井为工作井，泵房结构特殊，顶管轴线与其流道平衡，且流道之间没有横向隔墙作为受力点，需重新设计制作顶管后靠背结构。

采取在隔墙上预留洞口安装钢梁做后靠背，通过钢梁把顶力传到隔墙上去，见图2所示：图2 顶管后靠背图
经计算管道总推力约为1400T，未考虑注浆减阻效果，而本钢梁可承受1600T力量并可安全传到隔墙（可共同承受2500T力）上，满足施工要求。

钢梁按照设计要求在厂家加工制作，钢梁与隔墙接触面预埋钢板。

3.3顶管出洞
本顶管出洞口靠近岛壁大堤，出洞既关系到顶管的成败，又关系到岛壁的结构安全，因此必须要采取可靠的措施，确保出洞成功。

顶管出洞口采用砖墙及钢封门结构，在泵房沉井制作时完成。

为防止割掉封门后砖墙破坏，采取了钢板桩和井点降水相结合的辅助措施。

在洞口外靠墙施工
一排钢板桩，挡住洞口外的土压力。

采用OZ20A型，每根宽度685mm，洞口外贴近井壁外施打5根，每根长约20m，钢板桩底标高低于洞口底50cm。

同时在洞口外布置两口降水井，降水井深度为26m，确保机头出洞口处水位低于管底50cm。

顶管出洞之前，安装一道橡胶板及一道盘根止水结构，对付丰富的地下水。

割除钢封门后，将机头前筒体部分推进止水圈内。

当机头穿越过砖墙前，回拔钢板桩，当机头进入土层之前，停掉降水井。

出洞止退装置采取在顶管机和管节上焊接钢板，经计算只需止退顶管机和第一节管。

顶管出洞对顶管机由熟练有经验者操作，用激光经纬仪随时测量监控，保证顶头和第一节管子安全顺利出洞。

3.4 注浆及接力顶进
本工程每段顶管长200m，属于长距离顶管，而且在砂性中顶管，摩阻力比较大，采用中间站接力顶进和注浆减租两种措施。

3.4.1注浆减阻
注入的润滑泥浆能在管道周围空隙形成一个比较完整的泥浆套，使摩阻力可由12～20KN/m2减至3～5 KN/m2，同时起到支撑地层，减少地面沉降的作用，采用顶管机尾部同步注浆和中继间后面管段补浆两种方式进行减阻。

补浆管按每7.5m布置一道，补浆孔按90°设置四只和按120°设置三只，每道补浆环有独立的阀门控制。

顶进采用“先压后顶，随压随顶，及时补浆”的注浆方法。

注浆材料主要采用钠基彭润土、纯碱、CMC，拌制好的泥浆在储浆池内蓄存10h左右，使膨润土、水、碱发生置换作用，提高泥浆的稳定性。

实践证明，注浆大大减少了顶进摩阻力，使得砂土中顶力变小，但是砂性土用浆量大。

3.4.2中继站的应用
为安全起见，使用1个中继站，考虑到越到后面顶进的管节澎润土泥浆越完善，阻力越小，中继站放在30m位置处。

中继站在管道顶进中要反复伸缩，其结构必须可靠、橡胶圈必须有抗磨损措施，中继间止水橡胶圈与钢环间间隙和压力可随时调整。

本处采用两段一铰可伸缩的套筒承插式中继间，外形几何尺寸与管节相同。

每个中继间共设置25个千斤顶，可以提供750t的推力，中继间的行程为300mm；当主顶油缸达到总推力的80%時启动。

3.5.关键部位采取的处理措施
本工程顶管管线与防浪冲钢板桩相冲突，穿越岛壁结构，与沉管对接处部分长度覆盖土层不够，需根据各自特点采取有效的措施进行处理，确保顶管施工。

3.5.1 防冲钢板桩处理
顶管穿越大堤时，正好碰到人工岛防冲刷钢板桩，仅靠机头磨穿很困难，而且在摩擦产生的冲击力对岛壁整体结构势必造成影响，因此采取把采取将钢板桩拔起，保留顶管以上部位钢板桩措施。

具体方案：顶管直径2040mm，提前将以顶管轴线为中心范围内5m*4m护底石清除，然后将钢板桩上软体排割除4*2m，再将顶管中心3m范围内钢板桩拔起，钢板桩底距顶管500mm。

两根顶管位置采用不同型号钢板桩，左侧为YASP-Ⅳ型（宽度40cm），右侧为OZ20A型（宽度65cm），分别拔起8根、5根。

割除钢板桩后，上安钢导梁，抛碎石，然后铺设软体排，抛护底石。

处理后详见图4。

图3 钢板桩施工处理后图
整个作业均采用潜水，钢板桩拔起采用起重船+振动锤配合。

选择在风浪小的3月份，低潮时进行施工，既便于施工，又减少对岛壁结构影响的影响。

处理施工，加强对岛壁结构监测，整个过程，岛壁结构未受到影响。

3.5.2 管道配重压载
一般来说，泥水平衡顶管施工覆土厚度须≥1. 5D，顶管段末端约50m左右覆盖土层不够（1.5～2m左右），管道容易上浮以及机头前进方向不易控制，为防止此类事情发生，需采取覆盖土层加厚或管道内配重措施。

考虑到东北侧风浪大，水流速快，施工困难，且砂土不易稳定，石头对顶管施工造成障碍，因此采取在管道内加配重方案。

配重结构重量加上钢管自重需等于或者大于管节所受的海水浮力，海水密度为1.03t/m3，按照单位长度来计算。

每米管节重量为M管=3.14x（2.04-0.024）x0.024x7.85=1.1926t，
每米管节所受浮力为F浮力=3.14x1.022x1.03=3.365t，
那么最小配重为M配=F浮-M管=3.365-1.1926=2.1724t，
50m管道配重为M总配=50x2.1724=108.62t，取110t。

通过每米管子自重及浮力计算，每米管子需配重2.2t，考虑到尽量少占用空间及方便运输，配重物选用120x120x6000mm的钢条，每根钢条重0.68t，每节7.5m管道内配备24根钢条，当前面50m左右管节顶完后，开始安装配重压载块，配重压载块通过机头处5t卷扬机运输。

管线顶到设计位置后，对覆盖土层进行抛石压载（作为结构抛石部分），在井内安装卷扬机取出压载块。

实际证明，管道内配用钢梁压载，对管道空间影响不大，作业效果好，顶进管线符合要求。

图4 管道内配重钢梁
3.6顶管掘进与纠偏
顶进过程，始终控制好排泥量和顶进速度，只有这两个达到平衡，机头才会沿着轴线前进，才能保证管节沿着机头的轨迹前进。

然而在机头不可能百分之百的很精确的沿着轴线前进，会产生了偏移，一旦发生偏移就要纠偏。

钢顶管接头是刚性连接，所以不容许有过大的偏移及过大的纠偏量，否则应力过大，导致管节破裂，造成事故。

操作机头人员一定勤纠、微纠，本工程顶管机头操作手有10几年的造作经验，勤观察正面土压力及机头的走向，有微小的变动就纠偏，使得整条管线纠偏少，非常直。

3.7 地面沉降或者隆起控制
对于本顶管，要严格控制下面沉降及隆起，是确保大堤结构安全的首先问题。

根据本段顶管特点，控制沉降与隆起的采取的主要技术措施有：
⑴精心操作。

选择经验丰富的人操作机头，控制出土与顶进的量与速度。

避免超量出土或顶管机的过量挤进，使出土与顶进始终处在动态平衡状态，通过机头上面正面土压力及机头位置来识别和控制。

⑵加强膨润土泥浆压浆。

泥浆在顶管中起润滑与支护双重作用，在管外壁与土间始终充满膨润土泥浆，支护着管周土体不挤向管外壁，是减小沉降的措施之一，勤注浆。

⑶顶管机进入岛壁下方时，放慢切削土体和顶进速度，减少对土体的扰动，同时加强注浆控制和地面监控，全天监控，每4小时测量一次。

从测量数据表明，在5mm误差内。

4、结束语
⑴根据土质情况选择顶管工艺及设备至关重要，它往往关系到顶管施工的效率和成败，同时泥水平衡顶管工艺沉降小，对岛壁结构保护无疑是最好的选择。

⑵提前对钢顶管管线上防冲钢板桩进行合理处理，未对岛壁结构和顶管施工造成影响。

⑶管道配置钢梁压载，安全可靠，符合现场实际，短期使用后可以回收利用，经济效益好。

⑷两根顶管应用以上关键技术，完成顶进施工，得到业主的好评，可供以后类似工程施工参考。

管善志，1979-11，男，河南省信阳人，工程师，大学本科学历，主要从事市政、港航、地下工程施工技术工作。

参考文献：
[1]马·谢尔盖. 顶管工程. 北京：中国建筑工业出版社，1983.
[2]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术.北京：人民交通出版社.1998.
[3]《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）.北京：中国计划出版社.2008.。