大口径顶管技术在水利工程中的应用与设计

大口径顶管技术在水利工程中的应用与设计作者：陶玮丁国莹李长斌
来源：《价值工程》2014年第23期
摘要：本论文通过对长距离大口径顶管在水利工程实践中的应用总结，分析了不同顶管施工方法的特点和适用性，提出了施工常见问题解决措施，对于进一步提高顶管设计和施工水平具有一定参考和借鉴作用。

Abstract: Through summarizing the application of long-range large diameter pipe jacking in hydraulic engineering practice, this paper analyzes the characteristics and applicability of different pipe jacking method, and proposes the measures to solve the common problems in construction, so as to further improve the design and construction level of pipe jacking.
关键词：大口径顶管技术；应用；设计；技术措施
Key words: large diameter pipe jacking technology；application；design；technical measures
中图分类号：TV5 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）23-0122-02
0引言
顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它是借助顶推装置，在工作井内（地下）将管道逐节顶进的非开挖管道施工技术，具有不需要开挖面层而能够穿越河川、铁道、公路、地面建筑物、地下构筑物以及地下管线等优点，近年来在我国逐步推广应用。

随着大直径、长距离顶管技术逐渐成熟，其在水利工程上也正在逐步采用，但就我省水利工程而言，使用该技术起步较晚，应用实例不多，经验相对缺乏。

鉴于这些情况，总结通榆河送水工程灌河地涵顶管成功的设计和施工实践经验，为顶管技术在我省水利工程中应用起到推广作用。

1工程概况
灌通榆河北延送水工程利用通榆河中段工程和连云港疏港航道，增加一条向连云港市供水的新通道，提升连云港市经济社会发展的水资源保障能力。

灌河地涵位于江苏省响水县和灌南县，设计流量为50m3/s，是通榆河北延送水工程的重要组成部分，其工程任务是将南边来水通过地涵穿越灌河北送。

地涵位置处灌河河口宽约340m，河底高程-8.0m。

其下10m深的范围内分布了③2重粘土、④粉质粘土、⑤3重粉质砂壤土、⑥1粉质粘土、⑥2粉砂、⑦2重粉质壤土、⑧轻粉质砂壤土层，其中⑤3、⑥1、⑥2、⑦2、⑧土层含砂礓，粒径一般在1～3cm，少数砂礓盘达
20cm，砂礓含量10～20%左右，局部达40%。

顶管所穿过的土层主要为⑥1、⑥2、⑦2层。

管
顶管底局部碰及⑤3、⑧层，顶管主要座落在⑦2、⑧层。

⑤3、⑥2、⑧土层具有中等透水性，为承压含水层，地下水压力高达20m左右，且受灌河潮位影响。

2工程设计
灌河是无控制的一条天然入海潮汐河道，全长74.5km，它既是沂南地区排水入海的重要河道，又是一条重要的航运通道，因此灌河地涵的设计方案须以灌河不断流而能顺利实施为前提。

通过对顶管、沉管以及较为常规的半幅施工方案进行比选，最终选用了顶管设计方案。

地涵主体由上下洞首、收缩（或扩散）段、沉井及内部斜管段、井间主涵管这几部分组成。

地涵断面详见图1。

其中：主涵管长450m，采用4根内径ϕ3.5m钢筋混凝土预制顶管，其轴线采用直线布置，顶管间距9m；管中心高程-15.55m，管顶覆土厚度5.0~21.5m。

顶管管节长度2.5m，壁厚0.35m，两端分别预埋钢套环和钢环，预留压浆孔和起吊孔，管节间接头为F型承插式。

顶管施工的工作井和接收井均为钢筋混凝土沉井，平面尺寸37×22.5m，井内设纵隔墙1道、横隔墙3道，共有8个井格，两沉井的前排（临河侧）井格分别作为顶进井格和接收井格，井格宽度为7.6m～8.0m，长度为9.15m。

沉井底板面高程为-18.6m，操作空间高度为
0.65m。

工作井后排井格内均设两道传力隔墙，以使顶推力传至工作井后井壁。

3顶管施工方法的特点和适用性分析
本工程顶管施工有两个特点：一是地质条件复杂，顶管范围内存在几种不同土质的土层，土层不厚而多有起伏，均含砂礓，各层砂礓含量不一，一般在5%～30%之间，粒径在0.5～
3cm左右，每一层的砂礓分布不均，局部含量达40%。

二是存在承压含水层，地下水压力高，且受灌河潮位影响。

因此不论何种施工方式，都必须以满足本工程的要求为前提。

顶管施工方法就大的方面来说目前有三种：气压平衡式、土压平衡式和泥水平衡式，这三种方法的工作原理、优缺点以及本工程的适应性分析见表1。

通过以上分析，结合本工程水文、地质条件，实际施工中采取了泥水平衡式施工方法。

4顶管机头和选型及主要设备配置
顶管机头选用泥水平衡顶管机，油缸组装备顶力18000kN，选用双作用双冲程等推力油缸6只，每只油缸最大推力3000kN。

施工时最大顶力采用装备顶力的90%，经计算，最大顶进长度约为170m。

由于顶管长450m，属长距离顶管，为减小顶进力，设置中继间，中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构，长度约2m，外形几何尺寸与管节相同。

中继间装备顶力采用
15000kN，施工时最大顶力采用装备顶力的80%，顶进长度约为125m。

输土装置采用泥浆泵和管道将泥水输送至排泥场。

5顶管施工常见问题解决措施
5.1 洞口止水
为了防止顶管机出洞、进洞时井外水土涌入工作井和接收井内，影响顶管施工，同时也为防止顶进施工时压入的减阻泥浆流失，保证能够形成完整有效的泥浆套，必须在洞口设置止水装置。

本工程顶进工作井、接收井为砼沉井，洞口为混凝土井壁预留洞，在预埋钢环上安装双层橡胶止水装置，形成良好的止水效果。

5.2 洞口封门处理方法
洞口封门用低标号砂浆在洞口砌一堵砖封门，再于内侧通过预埋在井壁上的螺栓安装钢封门，顶管机头出洞时将钢封门拆除，用刀盘将砖封门慢慢切削掉，实现安全出洞。

顶管机头进洞时同样拆除接收井内的钢封门，然后用机头将砖封门挤倒或切削掉，一直往里推进，完成进洞。

5.3 注浆减摩措施
为减少土体与管壁间的摩阻力，在顶管顶进的同时，通过顶管机铰接处及管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道四周外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。

顶进时，顶管机尾部的压浆孔要及时有效地跟踪压浆，确保形成完整有效的泥浆套。

泥浆材料可采用膨润土。

5.4 纠偏措施
在顶进过程中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。

顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。

5.5 减摩泥浆的固化及洞口接头处理
顶进结束后进行减摩泥浆（触变泥浆）的固化，使管节外壁与周围土层的施工间隙尽快填充固结，减小地面沉降。

减摩泥浆（触变泥浆）的置换采用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆置换触变泥浆；置换时利用原有的注浆设备从管节的注浆孔压注。

顶管结束后，管节接口的内侧间隙
用弹性密封膏密封处理。

工作井的洞口接头处理（井壁与混凝土管节间的空隙），采用压力灌注C30细石混凝土，在套管上焊接止水环，再以聚硫密封膏封堵。

5.6 对付砂礓的措施
顶管所处断面存在较多砂礓，对顶管顶进有不利影响，一是堵塞泥水舱进泥口，二是增大迎面阻力和刀盘驱动扭矩，三是增加输土难度。

为此采取了以下措施：将刀盘的进泥口由小开口改为大开口，在上部增加2个排泥口；加大刀盘的驱动功率；输土采用沙砾泵，增加中间接力泵，加大输泥管管径；在进泥管路中加入膨润土泥浆；改进刀盘上切削刀头布置和数量，将单层刀盘改为三层刀盘等。

6结语
顶管技术在水利工程中具有避免大面积土体开挖、无需导流和导航、不干扰地面附着物等优点，是一种新型环保的施工技术，与其他施工方法比，有一定的优势，但也有比较多的缺点，比如施工进度还不够快，施工受地质的影响大，投资高。

随着我国城市化的发展，机械顶管的发展，他的技术将越来越先进、工艺将越来越完善，应用也一定越来越广泛。

参考文献：
[1]余彬泉,陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，2005:91-141.
[2]韩选江.大型地下顶管施工技术原理及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2008:163-271.
[3]李健.顶管施工法的技术特点分析[J].筑路机械与施工机械化，2006，7:1-3.。