鐵東路雨水泵站沉井及頂管施工

張寧+王偉

【摘要】本文對鐵東路雨水泵站的沉井及頂管施工進行了詳細(xì)地闡述，對如何選擇合理的頂管掘進機進行了分析比較。在確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，力求工程施工造價更為經(jīng)濟。

【關(guān)鍵詞】頂管 沉井 泥水平衡頂管掘進機 頂進施工 大堤保護

一、工程簡介

鐵東路雨水泵站位天津市于北辰區(qū)鐵東路以西，外環(huán)線以北，是配合鐵東路排水工程所設(shè)計的雨水泵站，屬于鐵東路雨水系統(tǒng)，泵站收水面積約561公頃，泵站設(shè)計總流量Q=17m3/s，共安裝8臺水泵，出水系統(tǒng)出口的永定新河設(shè)計水位5.41m，雨水經(jīng)泵站提升后排入永定新河。該地區(qū)地基土主要有糞土及粉質(zhì)粘土組成，

永定新河自屈家店閘開始，分為永定新河和新引河，其中新引河靠右岸，兩河中間為中隔堤。出水管道穿永定新河工程由出水轉(zhuǎn)彎井，鋼筋混凝土出水管道、出口閘井和出水渠組成。工程起點為出水轉(zhuǎn)彎井，位于永定新河右堤外側(cè)；終點為出水渠，位于永定新河中隔堤左側(cè)。

出水管道為兩條管徑DN2600鋼筋混凝土管，采用頂管法自永定新河右堤外依次穿越永定新河右堤、新引河和中隔堤，進入永定新河，穿越距離275m，出水轉(zhuǎn)彎井和出水閘井兼作頂管施工的工作井和接收井，兩井采用沉井施工方法。

二、工程布置

本工程位于外環(huán)北路外側(cè)，工程起點位于永定新河右堤外側(cè)約32m處，終點位于中隔堤左側(cè)灘地。起點建筑物出水轉(zhuǎn)彎井與泵站閘門井以管道連通、終點建筑物與永定新河河道連接。泵站出水通過管道進入出水轉(zhuǎn)彎井、經(jīng)出水管道、出水閘井和出水渠輸送排入新引河。

（1）出水轉(zhuǎn)彎井。出水轉(zhuǎn)彎井為本工程與泵站的聯(lián)接建筑物，是本工程的起點，其主要作用承接泵站出水，使管道進口維持足夠水頭，使水流以有壓方式穿越永定新河。

出水轉(zhuǎn)彎井為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上游與泵站閘門井以管道連通，下游與永定新河河道連通。

出水轉(zhuǎn)彎井同時作為管道檢修井和出水管道施工的工作井，井深13.46m，凈尺寸13.80m×9.00m，中間沿管道軸線方向設(shè)一道隔墻。

（2）出水管道。出水管道起始于出水轉(zhuǎn)彎井，下游接位于中隔堤左側(cè)的出水閘井，其作用是將出水轉(zhuǎn)彎井內(nèi)蓄水輸送穿越新引河。出水管道共2條，平行布置，自東南向西北穿越新引河。出水管道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管徑DN2600。

（3）出水閘井。出水閘井位于中隔堤左側(cè)灘地，上游接出水管道、下游接出水渠，其作用是根據(jù)泵站運行需要，對管內(nèi)水流進行控制，也可作為出水管道檢修通道。

出水閘井同時作為出水管道施工的接收井，井深13.16m，凈尺寸13.80m×6.50m，中間沿管道軸線方向設(shè)一道隔墻。

（4）出水渠。出水渠位于中隔堤左側(cè)灘地，上游與出水閘井連接，下游與永定新河河道連接，其作用是承接出水管道的水流，以明流方式與永定新河水面銜接。出水渠底寬10.40m，總長25m，為鋼筋混凝土和灌砌石結(jié)構(gòu)。

結(jié)合建筑物特性及工程區(qū)地形、地質(zhì)條件，出水轉(zhuǎn)彎井和出水閘井采用沉井施工，出水管道采用頂管施工，頂管工作井（出水轉(zhuǎn)彎井）布置在永定新河右堤外側(cè)，接收井（出水閘井）布置在中隔堤左側(cè)，頂管機自工作井出洞，自東南向西北頂進275.00m，在接收井進洞。

三、工程難點

本項目為穿河工程，沉井和頂管施工是本項目的施工難點，一旦透水將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，所以正確選擇頂管施工方法是至關(guān)重要的。頂管施工技術(shù)已是一門成熟的施工技術(shù)，機型多，適用條件不同，需根據(jù)工程實際情況進行比較選擇。由于本項目為穿河工程，只宜采用封閉式頂管掘進機，在設(shè)計時對較為常用的全斷面封閉式土壓平衡頂管掘進機和泥水平衡頂管掘進機進行比較。

本工程頂管軸線所處地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土，根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范》，在粘質(zhì)粉土中慎用土壓平衡頂管掘進機。鑒于粉質(zhì)粘土和粘質(zhì)粉土成分接近，在無明顯優(yōu)勢力的情況下不宜采用。

與土壓平衡頂管掘進機相比，泥水平衡頂管掘進機有以下優(yōu)點：

（1）泥水平衡頂管掘進機因為采用泥水作為平衡地層和地下水壓力的介質(zhì)，更適合于管線位于地下水位以下工程。

（2）泥水平衡頂管采用泥水輸送棄土，沒有吊土、搬土等較易發(fā)生危險的作業(yè)，工作井內(nèi)作業(yè)環(huán)境好，作業(yè)安全。

（3）泥水平衡頂管可連續(xù)出土，大大提高了推進速度，每日可頂進20-30m；而土壓平衡頂管掘進機即便采用輸土泵輸土，每日頂進距離只能達(dá)到15-20米。

（4）泥水平衡頂管掘進機施工對周圍土層影響小，工程竣工后地面沉降小。

但泥水平衡頂管掘進機也兩個較為明顯的缺點：其一是受無破碎功能的頂管掘進機進泥口開度限制，在含有直徑大于6cm礫石的土層中無法施工；其二排出泥漿需進行泥水分離等二次處理，施工占地相對較多，如處理不當(dāng)會對周圍環(huán)境造成一定污染。

本工程30m地質(zhì)勘探深度范圍內(nèi)，各地層未發(fā)現(xiàn)礫石，對施工不會產(chǎn)生不利影響。

從以上比較可以看出，泥水平衡頂管掘進機在技術(shù)、安全、進度上均較土壓平衡頂管掘進機有優(yōu)勢，只在占地面積和環(huán)境保護上略有不足，但采取措施后均可得到有效解決。

泥水平衡頂管掘進機有以下多種形式：具有浮動切削刀盤的泥水平衡頂管掘進機、具有破碎功能的泥水平衡頂管掘進機、氣壓式泥水平衡頂管掘進機、濃泥水平衡頂管掘進機、多邊形偏心破碎式泥水平衡頂管掘進機，根據(jù)工程類比，本工程擬采用具有浮動切削刀盤的泥水平衡頂管掘進機。

刀盤可伸縮式泥水平衡掘進機的刀盤是一個直徑比掘進機前殼體略小的具有一定剛度的圓盤。圓盤中還嵌有切削刀和刀架。刀盤和切削刀架之間可以同步伸縮，也可以單獨伸縮。而且，不論刀盤停在哪一個位置上，切削刀架都可以把刀盤的進泥口關(guān)閉。刀盤加壓裝置是安裝在主軸中的油缸，刀架伸縮油缸則安裝在刀盤加壓裝置的上方。刀盤可伸縮式掘進機的工作原理如下：刀盤前土壓力過小時，則自動前伸；刀盤前土壓力過大時，就自動后退。刀盤前伸時，應(yīng)減小進泥口開度并加快推進速度；刀盤后退時，應(yīng)加大進泥口開度并降低頂速，這樣即可使刀盤前的土壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。endprint

四、施工工序

（一）沉井施工

工作井和接收井均分兩節(jié)施工。首先清理開挖沉井施工場地，澆筑第一節(jié)井體，待其達(dá)到一定強度后進行沉放；先撤出刃腳下的墊木，人工或人工配合抓斗挖除井內(nèi)土體，使井體靠自重下沉，沉放過程中應(yīng)及時糾偏；當(dāng)?shù)谝还?jié)井體頂部沉放至地面高程后，開始第二節(jié)井體澆筑，重復(fù)上述沉放過程，完成第二節(jié)沉放；沉井下沉系數(shù)偏大，下沉穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需在沉井制作前，沿刃腳位置打刃腳樁，下沉過程中逐步破除，以達(dá)到下沉穩(wěn)定的要求。待井體沉放至設(shè)計高程后，進行井體封底施工。沉井下沉過程中刃腳對土體的切割也不可避免地對土體形成擾動。為了確保沉井施工不對大堤造成不利影響，其周邊土體在頂管頂進完成后應(yīng)進行加固。

土體加固分二步完成，首先對上部2m土體采用人工蛙夯夯實，壓實度0.93，作為注漿的蓋重。井周上部2m土體全部壓實完成后，即可進行灌漿處理，灌漿通過預(yù)埋注漿管灌注。

（二）頂管施工

鐵東路雨水泵站工程以頂管方式穿越永定新河（新引河），在永定新河右堤堤外建工作井，在中隔堤左側(cè)灘地建接收井，在同一井內(nèi)頂進和接收頂管掘進機，從工作井頂進管節(jié)逐節(jié)頂進逐節(jié)承插形成出水管道。

（1）出土。泥水平衡式頂管掘進機的出土采用全自動的泥水輸送方式，刀盤切削挖掘的土體通過在機艙內(nèi)的攪拌和泥水形成泥漿，然后由泥漿泵抽出，通過排泥管排入沉淀池內(nèi)。為了保證泥水壓力和排泥通暢，進、排泥管管路沿線各布置若干管道泵加壓。在工作井附近設(shè)4個90m3沉淀池，洞內(nèi)排出的泥漿經(jīng)沉淀后采用自卸汽車運至棄土場。

（2）注漿減阻。本工程頂管施工最長頂進距離為275m，必須采取注漿減阻措施，以最大限度地降低頂進阻力，從而控制頂進力。降低頂進阻力最有效的方法是進行觸變泥漿注漿，使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低了頂進時的摩阻力。

頂管在注漿時第一環(huán)注漿孔應(yīng)在工具管后的管子上，每個斷面按間隔90度設(shè)置4個注漿孔，管底不宜設(shè)注漿孔，管道頂進時在掘進機后需連續(xù)放置3至4節(jié)有注漿孔的管子，不斷注漿，使泥漿套在管子外面保持得比較完整后，以后每間隔3～4節(jié)管子放置一節(jié)有注漿孔的管子用以補漿。注漿以同步注漿為主，補漿為輔。由于頂管線路長，為使全程注漿壓力不致相差過大，中間需設(shè)2臺增設(shè)壓漿泵以增大壓力。

（3）頂進方向控制及糾偏。本工程為雙管頂進，兩管凈間距4.04m，一管偏離將對另一管的施工造不利影響，因此管軸線的控制尤為重要。工程施工中應(yīng)采取措施確保將誤差控制在規(guī)定范圍內(nèi)，從以下幾個方面著手，確保頂進方向。

在頂管掘進機設(shè)備上，配備校正工具管，其一端與工具管連接，另一端與后管連接，與后管之間留有10～15mm的間隙；頂管掘進機配備先進的測量導(dǎo)向系統(tǒng)，包括主動目標(biāo)把、激光經(jīng)緯儀、反射棱鏡、傾角測量儀、控制裝置、頂距測量裝置、導(dǎo)向系及配套軟件。

施工前應(yīng)按設(shè)定的管道中心線和工作井位建立地面和地下的測量控制系統(tǒng)，控制點布置在不易被擾動、視線清晰、方便校核的地方并加以保護。所用測量儀器與工作井進底及井壁分開，避免由于頂力的作用產(chǎn)生位移，定時對其進行復(fù)測并及時調(diào)整。施工過程中應(yīng)對頂進方向的垂直偏差、頂進方向的水平偏差、頂管掘進機機身的轉(zhuǎn)動、頂管掘進機的姿態(tài)和頂進長度進行測量。

頂進的糾偏通過頂管掘進機的方向誘導(dǎo)裝置和校正工具管進行，操作員通過糾偏動作，始終保證激光點在光靶的中心即可實施頂進糾偏。頂進糾偏須勤測量多微調(diào)，糾偏角度應(yīng)保持在10～20，不得大于0.5°。

初始推進階段，方向主要是主頂油缸控制，因此，一方面要減慢主頂推進速度，另一方面要不斷調(diào)整油缸編組和機頭糾偏。

（4）頂進施工。頂進施工按下列程序進行：①頂進機頭，當(dāng)機頭進入土體時，開動大刀盤和進排泥泵；②機頭頂進至能卸管時停止頂進，拆開動力電纜、進排泥管、進排泥泵、控制電纜和攝像儀連接線，縮回頂進油缸。將事先準(zhǔn)備好密封環(huán)的管節(jié)吊下，對準(zhǔn)后插入就位；③接上動力電纜、控制電纜、攝像儀連接線、進排泥管并接通壓漿管路。啟動頂管掘進機、進排泥泵、壓漿泵、主頂油缸，并頂進管節(jié)；④隨著管節(jié)的頂進，不斷觀察機頭軸線位置和各種指示儀表，紀(jì)正管道軸線方向并根據(jù)土壓力大小調(diào)整頂進速度；⑤當(dāng)一節(jié)管節(jié)頂進結(jié)束后，重復(fù)以上②～④操作程序，并將后續(xù)管節(jié)與前節(jié)管節(jié)套接，循環(huán)頂進；⑥當(dāng)需啟用中繼間時，應(yīng)自前往后依次啟動。⑦在頂管掘進機穿越主河道時，因埋深相對較淺，應(yīng)降低頂進速度，并使泥水倉壓力保持較低值，以確保頂管安全通過主航道。

五、施工中大堤的防護

頂管施工對永定新河大堤可能造成的影響主要來自兩個方面，其一是施工排水可能引起的地面沉降，其二是頂管施工注漿形成管壁和原狀土層間的間隙，如不處理將形成滲漏通道。

根據(jù)排水計算，工作井排水影響范圍為15m，接收井排水影響范圍為12m，因工作井距大堤坡腳約32m，其影響非常有限，無需做特處理。

針對注漿可能形成的滲漏通道，在頂進結(jié)束后，采用水泥砂漿對泥漿套的漿液進行置換，并將注漿孔封堵。

穿堤段在管道兩側(cè)打設(shè)灌漿孔，進行超細(xì)水泥灌漿，將大堤內(nèi)管身周邊松動土體灌注密實。

六、結(jié)語

目前鐵東路雨水泵站已投入運行，收水面積約561公頃，對城市安全度汛起到了重要作用。該泵站的沉井及頂管施工簡單，縮短了工期，節(jié)約了工程投資，取得了較好的經(jīng)濟效益。。endprint