无接收井的大直径钢管顶管施工关键技术
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无接收井的大直径钢管顶管施工关键技术
发表时间：2019-07-17T15:20:12.840Z 来源：《基层建设》2019年第13期 作者： 李廷就 [导读] 摘要：通过自主研制改进顶管工具头、优化刀盘，并精确计算管节措施，成功开创了针对无接收井大直径钢管顶管施工的网格式水 冲法。
中国铁建港航局集团有限公司第一工程分公司 广东广州 511442 摘要：通过自主研制改进顶管工具头、优化刀盘，并精确计算管节措施，成功开创了针对无接收井大直径钢管顶管施工的网格式水冲 法。其突出技术难点体现在顶管工具头的顶进过程、入海过程及工具头的割取等。该法可成功控制顶管轴线、各地质层对工具头产生的阻 力和解决顶管工具头出海过程中重心压载问题，并且具有明显的工期和成本优势。 关键词 网格式水冲法；工具头改进；大直径钢管顶管 1、前言 顶管施工技术是非开挖施工技术之一，顶管施工技术在国内外已使用多年，国内呈现出沿海运用多而内陆较少的布局，而且在施工过 程中除了上海地区以机械化掘进为主外，其余地区多以人工掘进为主，机械化顶管以上海地区最为成熟。顶管法施工和地质条件密切相 关。 通过多年的工程实践，如今顶管的顶进技术可分为敞开式顶管和封闭式顶管，就顶管设备而言，根据顶管方法的不同可将顶管机分为 敞开式顶管机包括手掘式、挤压式和网格式等；封闭式顶管机包括土压平衡式、泥水平衡式以及混合型。机型的选择决定工程的成败，通 过技术积累我国已总结出以下经验： （1）在粘性土或砂性土层，且无地下水影响时，宜采用手掘式或机械挖掘式顶管法； （2）当土质为砂砾土时，可采用具有支撑的工具管或注浆加固土层的措施； （3）在软土层且无障碍物的条件下，管顶以上土层较厚时，宜采用挤压式或网格式顶管法； （4）在粘性土层中必须控制地面隆陷时，宜采用土压平衡顶管法； （5）在粉砂土层中且需要控制地面隆陷时，宜采用加泥式土压平衡或泥水平衡顶管法； （6）在顶进长度较短、管径小的金属管时，宜采用一次顶进的挤密土层顶管法。 2、工程概况 2.1 项目情况 宝钢广东湛江钢铁基地项目自备电厂2×350MW机组工程布设4根引水钢管，管外径D=3664 mm，管壁厚h=32 mm，每根长107 m（共18 节），相邻顶管中心间距为11.2 m，管的中心标高为-6.75 m，管底标高为-8.55 m。属大直径钢顶管施工。（见图1）
图1 顶管施工布置平面图 2.2 地质情况 根据地质资料显示，该地区地质属中软、软弱场地土层。顶管施工过程需穿越粘土、淤泥质粘土、粉细砂、中粗砂、铁板砂、沉管碎 石桩等各类土层。 但主要以粘土为主。（见表1） 表1物理力学指标统计表
3 、工程技术难点 针对本项目大直径钢顶管工程施工不设接收井的特点。施工过程存在较多的不确定因素，现从以下几方面进行分析： 3.1 工具头顶进过程 （1）顶管顶进过程中，工具头穿越不同地质层时，受到的阻力会随着不同地质层的变化而变化。这时顶推力过大有可能造成工具头前 端土体塌方或后靠背墙出现断裂的现象。相反，顶推力过小，则管节未能顶进，影响顶管施工。 （2）顶管施工过程中，在顶推力作用下，工具头在不同地质层中的走向存在轴线偏差及沉降方面的问题，且各土层的顶推力各不相 同。极难控制顶管轴线偏差及沉降量。 （3）无接收井的情况下，工具头顶进过程中存在透水现象，施工上存在安全隐患。 3.2 工具头出海
（1）在无接收井的情况下，工具头入海后存在海水对其作用产生的浮力，会使工具头产生上浮，使顶管不能准确到达设计位置，影响 后续取水口安装，石块堆载施工等一系列问题。
（2）工具头及管节入海后，水面至管顶深度约6 m，工具头及露在水中的管节受到海水作用产生的浮力约150 t。因水作用产生的浮力 大于工具头及管节之和的自重，如果管内的压载量不够、管节压载物过轻、压载长度过短以及工具头管节内压载不均匀，将会造成工具头 或管节上浮及工具头两头重中间轻等现象，其损失是不可估量的。
图2 顶管工具头加工图 （3）辅助设备 顶管出洞导轨由两道平行的工字钢钢轨固定在钢支架上，工字钢以1:2的坡度与钢支架焊接牢固，在管节顶进过程中稳定管节导向，使 管节沿导向进入土体。导轨根据工作井及顶管轴线要求，采购钢材加工成型。 触变泥浆系统由膨润土浆池、渣浆泵、输送管组成。主要作用是在顶进油缸压力过大时，向管壁注入膨润土泥浆，填充管身与周围土 体的间隙，达到减阻、防止周围泥土将管身抱死的目的。 排土系统包括高压水泵、高压泥浆泵以及高压防爆管。使用高压泵将经过工具头钢格栅切成块状的泥块稀释成泥浆，再由泥浆泵抽到 晒泥区，保证管节顶进。
（3）管节压载物、压载量及压载长度：因块石外购，需经垂直和洞内运输，工作空间较狭窄，工程成本较大。同时水下切割工具头 后，块石需二次处理，极大增加施工难度，难以保证施工质量。
（4）用大水袋作为水的载体，存在密封性不好可能出现漏水现象，会造成工具头压载量不够，管节压载重心不均匀，影响工具头入海 的施工质量。且对袋装水极难处理，存在较大的安全隐患。
3.3 工具头割取 （1）工具头入海后，需通过人工在水里进行割取，因水下工具头与管节焊接处难以辨认，存在切割过程中伤害管节，切割处不均匀等 现象。 （2）顶管施工过程工具头入海时为全封闭状态。工具头切割完后。需垂直起吊，因海水自重自动下沉，造成工具头内形成真空状态。 总重量增加，给起吊带来极大难度。 4、施工工艺确定及顶管设备选型 根据本项目设计及现场地质资料情况，综合考虑，多次方案比选，顶管施工最终采用网格式水冲法施工工艺，并对以下几个方面的顶 管设备进行改进。 （1）顶管工具头 选用自主研制加工的钢工具头，具有施工方便，易封闭、易拆卸，海水适应性强等特点。工具头长约4.5 m，其中将工具头加工成前端 （长约800 mm）、后端（长约1000 mm）比中间高约10 mm，其作用是减少工具头顶进过程中中间部分与土体的摩擦。且工具头后端另加 厚10 mm钢板，为以后切割工具头做预留准备。 （2）刀盘配置 工具头前端刀盘主要作用是人工进行水冲时在主顶推力的作用下对前方土体进行充分切割，掏空前方土体，使管节顺利向前推进。工 具头前端刀盘采用厚20 mm的钢板改装成600 mm 600 mm网格， 并在中央刀盘位置设置两个切割后的吊取孔，后端 设置冲水闸门（入海时密封）防止ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水倒灌。（见图2
发表时间：2019-07-17T15:20:12.840Z 来源：《基层建设》2019年第13期 作者： 李廷就 [导读] 摘要：通过自主研制改进顶管工具头、优化刀盘，并精确计算管节措施，成功开创了针对无接收井大直径钢管顶管施工的网格式水 冲法。
中国铁建港航局集团有限公司第一工程分公司 广东广州 511442 摘要：通过自主研制改进顶管工具头、优化刀盘，并精确计算管节措施，成功开创了针对无接收井大直径钢管顶管施工的网格式水冲 法。其突出技术难点体现在顶管工具头的顶进过程、入海过程及工具头的割取等。该法可成功控制顶管轴线、各地质层对工具头产生的阻 力和解决顶管工具头出海过程中重心压载问题，并且具有明显的工期和成本优势。 关键词 网格式水冲法；工具头改进；大直径钢管顶管 1、前言 顶管施工技术是非开挖施工技术之一，顶管施工技术在国内外已使用多年，国内呈现出沿海运用多而内陆较少的布局，而且在施工过 程中除了上海地区以机械化掘进为主外，其余地区多以人工掘进为主，机械化顶管以上海地区最为成熟。顶管法施工和地质条件密切相 关。 通过多年的工程实践，如今顶管的顶进技术可分为敞开式顶管和封闭式顶管，就顶管设备而言，根据顶管方法的不同可将顶管机分为 敞开式顶管机包括手掘式、挤压式和网格式等；封闭式顶管机包括土压平衡式、泥水平衡式以及混合型。机型的选择决定工程的成败，通 过技术积累我国已总结出以下经验： （1）在粘性土或砂性土层，且无地下水影响时，宜采用手掘式或机械挖掘式顶管法； （2）当土质为砂砾土时，可采用具有支撑的工具管或注浆加固土层的措施； （3）在软土层且无障碍物的条件下，管顶以上土层较厚时，宜采用挤压式或网格式顶管法； （4）在粘性土层中必须控制地面隆陷时，宜采用土压平衡顶管法； （5）在粉砂土层中且需要控制地面隆陷时，宜采用加泥式土压平衡或泥水平衡顶管法； （6）在顶进长度较短、管径小的金属管时，宜采用一次顶进的挤密土层顶管法。 2、工程概况 2.1 项目情况 宝钢广东湛江钢铁基地项目自备电厂2×350MW机组工程布设4根引水钢管，管外径D=3664 mm，管壁厚h=32 mm，每根长107 m（共18 节），相邻顶管中心间距为11.2 m，管的中心标高为-6.75 m，管底标高为-8.55 m。属大直径钢顶管施工。（见图1）
图1 顶管施工布置平面图 2.2 地质情况 根据地质资料显示，该地区地质属中软、软弱场地土层。顶管施工过程需穿越粘土、淤泥质粘土、粉细砂、中粗砂、铁板砂、沉管碎 石桩等各类土层。 但主要以粘土为主。（见表1） 表1物理力学指标统计表
3 、工程技术难点 针对本项目大直径钢顶管工程施工不设接收井的特点。施工过程存在较多的不确定因素，现从以下几方面进行分析： 3.1 工具头顶进过程 （1）顶管顶进过程中，工具头穿越不同地质层时，受到的阻力会随着不同地质层的变化而变化。这时顶推力过大有可能造成工具头前 端土体塌方或后靠背墙出现断裂的现象。相反，顶推力过小，则管节未能顶进，影响顶管施工。 （2）顶管施工过程中，在顶推力作用下，工具头在不同地质层中的走向存在轴线偏差及沉降方面的问题，且各土层的顶推力各不相 同。极难控制顶管轴线偏差及沉降量。 （3）无接收井的情况下，工具头顶进过程中存在透水现象，施工上存在安全隐患。 3.2 工具头出海
（1）在无接收井的情况下，工具头入海后存在海水对其作用产生的浮力，会使工具头产生上浮，使顶管不能准确到达设计位置，影响 后续取水口安装，石块堆载施工等一系列问题。
（2）工具头及管节入海后，水面至管顶深度约6 m，工具头及露在水中的管节受到海水作用产生的浮力约150 t。因水作用产生的浮力 大于工具头及管节之和的自重，如果管内的压载量不够、管节压载物过轻、压载长度过短以及工具头管节内压载不均匀，将会造成工具头 或管节上浮及工具头两头重中间轻等现象，其损失是不可估量的。
图2 顶管工具头加工图 （3）辅助设备 顶管出洞导轨由两道平行的工字钢钢轨固定在钢支架上，工字钢以1:2的坡度与钢支架焊接牢固，在管节顶进过程中稳定管节导向，使 管节沿导向进入土体。导轨根据工作井及顶管轴线要求，采购钢材加工成型。 触变泥浆系统由膨润土浆池、渣浆泵、输送管组成。主要作用是在顶进油缸压力过大时，向管壁注入膨润土泥浆，填充管身与周围土 体的间隙，达到减阻、防止周围泥土将管身抱死的目的。 排土系统包括高压水泵、高压泥浆泵以及高压防爆管。使用高压泵将经过工具头钢格栅切成块状的泥块稀释成泥浆，再由泥浆泵抽到 晒泥区，保证管节顶进。
（3）管节压载物、压载量及压载长度：因块石外购，需经垂直和洞内运输，工作空间较狭窄，工程成本较大。同时水下切割工具头 后，块石需二次处理，极大增加施工难度，难以保证施工质量。
（4）用大水袋作为水的载体，存在密封性不好可能出现漏水现象，会造成工具头压载量不够，管节压载重心不均匀，影响工具头入海 的施工质量。且对袋装水极难处理，存在较大的安全隐患。
3.3 工具头割取 （1）工具头入海后，需通过人工在水里进行割取，因水下工具头与管节焊接处难以辨认，存在切割过程中伤害管节，切割处不均匀等 现象。 （2）顶管施工过程工具头入海时为全封闭状态。工具头切割完后。需垂直起吊，因海水自重自动下沉，造成工具头内形成真空状态。 总重量增加，给起吊带来极大难度。 4、施工工艺确定及顶管设备选型 根据本项目设计及现场地质资料情况，综合考虑，多次方案比选，顶管施工最终采用网格式水冲法施工工艺，并对以下几个方面的顶 管设备进行改进。 （1）顶管工具头 选用自主研制加工的钢工具头，具有施工方便，易封闭、易拆卸，海水适应性强等特点。工具头长约4.5 m，其中将工具头加工成前端 （长约800 mm）、后端（长约1000 mm）比中间高约10 mm，其作用是减少工具头顶进过程中中间部分与土体的摩擦。且工具头后端另加 厚10 mm钢板，为以后切割工具头做预留准备。 （2）刀盘配置 工具头前端刀盘主要作用是人工进行水冲时在主顶推力的作用下对前方土体进行充分切割，掏空前方土体，使管节顺利向前推进。工 具头前端刀盘采用厚20 mm的钢板改装成600 mm 600 mm网格， 并在中央刀盘位置设置两个切割后的吊取孔，后端 设置冲水闸门（入海时密封）防止ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水倒灌。（见图2