輸水管道穿越公路泥水平衡頂管施工方法

薛文海

（呂梁市柏葉口水庫供水建設管理局）

柏葉口水庫龍門供水工程輸水管道，在國道G20青銀高速公路K877+180處下穿通過，設計下穿采用零坡度頂管方式，下穿長度為72 m，管道與高速公路交角 88.552°。該段頂管的管頂高程752.720 m，地面高程754.980 m，而高速公路的路面高程758.035 m，管頂距地面垂直距離2.26 m，距高速公路路面垂直距離5.315 m。頂管工作井、接收井邊緣距高速公路防護網(wǎng)8m，工作井的長寬深尺寸為11 m×4 m×3.8 m，接收井的長寬深尺寸為5 m×4 m×3.8 m。工程的頂進管采用DN1 000球墨鑄鐵管。穿越頂管處的地層巖性主要為Q4pal低液限黏土層，局部夾厚度3-5 m級配不良砂透鏡體及低液限粉土，沿線地下水位深約4.0 m，土質(zhì)類型為淤泥或淤泥質(zhì)土。如果采用普通的頂管施工方法，只有采取降低水位后才能進行掏土與頂進作業(yè)，這樣施工將會給高速公路的路面沉陷帶來安全隱患。若采用泥水平衡法頂管與拉森鋼板樁工作井配合施工，則可避免高速路面沉陷。根據(jù)地質(zhì)實際以及對高速公路路面的影響程度，采用了泥水平衡法頂管施工。

1 頂管機選型

根據(jù)本工程的特點，決定采用全封閉泥水平衡大刀盤頂管機。該機采用了目前先進的泥水平衡原理，其端面的刀盤可自動平衡頂進正面土體的土壓力，同時通過對泥水室進行泥水加壓，又可平衡地下水壓力。這種雙重平衡功能的頂管掘進機，除了施工安全可靠外，還具有沉降控制精度高、頂進速度快、便于操作與維修、施工可靠性好等特點。這種頂管機裝有主頂速度檢測儀、傾斜儀等儀表，可對頂進速度、機頭旋轉(zhuǎn)、水平傾角等自動進行測量。施工采用的頂管機設備型號為NPD式Φ1 000，刀盤功率22kW，刀盤規(guī)格為周邊齒輪面板式大刀盤；變速箱型號為行星CJ700-G；糾偏油缸頂力30 t，糾偏壓力42 MPa，糾偏角度2.0°，糾偏油缸數(shù)量共4臺；管道泵數(shù)量2臺，單泵功率15kW；排泥管規(guī)格為4″。

2 施工前準備

2.1 地面基本準備

頂管施工前，按常規(guī)進行施工用電、用水、排水及照明等設備的安裝，以滿足頂管頂進施工的地面基礎設施搭建完成。所需的施工材料、設備及機具必須備齊、備足；完成行車或吊機（管節(jié)吊運）安裝、調(diào)試，并通過有關(guān)單位驗證，以保持正常運營；管節(jié)、止水橡膠圈、襯墊板等備有足夠的余量；完成整個泥水平衡系統(tǒng)的安裝并單機調(diào)試。在井上、井下建立測量控制網(wǎng)，并經(jīng)復核認可。

2.2 頂管現(xiàn)場布置

當頂管工作井制作完成后，要立即撤離有關(guān)材料和設備，以利于頂管采用吊機在工作井進行起重作業(yè)。工作井實行全封閉隔離，并配建必要的臨時生產(chǎn)設施，以保持施工現(xiàn)場衛(wèi)生、整潔和安全。井內(nèi)鋼扶梯和護欄，為保證施工中的安全，必須按有關(guān)安全標準制作。在施工圍護范圍內(nèi)，設置倉庫、配電間、操作間、料具間、油庫、泥漿沉淀池及辦公場所，并布置膨潤土材料工棚和拌漿、儲漿、注漿設備。

3 施工方法

3.1 工作井制作

采用拉森鋼板樁制作工作井。鋼板樁選用拉森Ⅲ型鋼板樁，其寬度適中，抗彎性能好，依地質(zhì)及作業(yè)條件選用鋼板樁的長度為12 m。打樁設備采用鋼板樁打拔樁機1臺及25 t吊車1輛，振動錘為日本產(chǎn)NPK-HP-7SXB型，激振力200 kN。經(jīng)計算，鋼板樁工作井周長為30 m，共用鋼板樁75片。制作工作井時：首先，進行平面位置放樣準確定位，以保證鋼板樁準確打入；然后，按照鋼板樁打入施工流程將其打入，注意測量校正合攏口的位置，以確保鋼板樁工作井的密封性；第三，在鋼板樁內(nèi)開挖深至1.5 m處暫停開挖，四周用I36工字鋼支撐（拐角處用工字鋼斜撐）并連接鋼板樁，以確保穩(wěn)定，直至挖到工作井設計底高程；第四，井底拋碎石20 cm，人工整平后采用C20混凝土封底澆筑，封底厚度為20 cm。

3.2 頂管工作井內(nèi)布置

工作井內(nèi)布置主要是止水、導軌、主頂油缸、油泵車、鋼扶梯等。

頂管施工中，對洞口止水裝置的密封性能要求較高，要嚴格按設計要求進行止水裝置安裝。

頂管導軌的定位準確與否，將直接關(guān)系到頂管的頂進軸線的準確性，其位置需按設計軸線進行準確放樣，以避免頂管出洞出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象。本工程所用導軌，由型鋼和鋼板焊接而成，在安裝時，要時刻檢查兩導軌是否順直、平行、等高，其縱坡要與管道設計坡度一致，軸線位置允許偏差為3 mm，頂面高程允許偏差為0-3 mm，兩軌內(nèi)距允許偏差為±2 mm。安裝后的導軌應牢固，嚴禁在使用中產(chǎn)生位移，要經(jīng)常檢查校核。

本工程主頂進系統(tǒng)共有2只200 t單沖程推力油缸，行程1 700 mm，總推力400 t。2只主頂油缸組裝在油缸架內(nèi)，安裝時其中心位置必須準確，以使頂進受力點和后座受力均保持良好狀態(tài)。安裝后的油缸中心誤差應小于10 mm。

主頂系統(tǒng)操作臺設在地面控制室內(nèi)，由計算機控制，并采用變頻調(diào)速器實現(xiàn)流量的無級調(diào)速。主頂液壓動力機組（即油泵），由2臺大流量斜軸式軸向柱塞泵供油，使用大通徑的電磁閥和系統(tǒng)管路，油缸可以單動，亦可聯(lián)動。主頂系統(tǒng)油管布置要求順直、轉(zhuǎn)角少。

在頂管施工時，采用U型頂鐵及環(huán)形頂鐵。安裝后的頂鐵，軸線應與管道軸線平行、對稱，頂鐵與導軌之間的接觸面不得有泥土、油污。頂鐵宜采用鑄鋼整體澆鑄或采用型鋼焊接成型，頂進時，工作人員應隨時觀察頂鐵有無異常跡象。

3.3 垂直和水平運輸布置

垂直運輸采用25 t汽車吊運，管內(nèi)運輸采用水平運輸，由于本工程采用泥水平衡頂管方法，100 A排泥管可代替人工管內(nèi)的土方運輸。

3.4 頂管機吊裝就位與調(diào)試驗收

在頂管機吊入井后，為保證頂管出洞段的軸線控制，需對頂管機進行精確定位。在頂管機定位后，要進行反復調(diào)試，確保運轉(zhuǎn)正常，施工頂進順利。

3.5 頂管動力及頂力

頂管配套動力：刀盤電機22 kW/h，糾偏油泵電機1.5 kW/h，機頭液壓動力站電機15 kW/h，注漿泵電機3 kW/h，排泥泵22 kW/h，進水泵15 kW/h，合計93.5 kW/h。經(jīng)計算，總推力需135.14 t，主頂油缸選用2臺200 t（2 000 kN）級油缸完全滿足要求。

3.6 頂管頂進糾偏措施與質(zhì)量要求

在頂進過程中，機頭會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主要是由于土層硬軟不均勻所致。需采取的措施：一是利用主頂油缸進行糾偏；二是利用機頭刀盤的旋轉(zhuǎn)方向進行糾偏；三是在頂管機外壁上焊上糾偏定位板。

在頂管施工質(zhì)量上，要求管道最大偏角≤0.5°，管線軸線偏差不得大于±100 mm，相鄰管節(jié)錯口≤15 mm，無碎裂，橡膠止水圈不脫出。為保證施工質(zhì)量主要抓了三個方面：一是設置監(jiān)測點全程跟蹤監(jiān)測；二是注意頂管掘進機的操作控制；三是連續(xù)頂進，不得中斷。頂管施工完成后，及時進行澎潤土泥漿置換工作，使管道周圍土體的強度盡量恢復到頂進前的狀態(tài)。

3.7 頂進施工安全注意事項

主要為四個方面：一是頂鐵外崩。在高壓頂進時，若發(fā)現(xiàn)壓力表指針突然上升，極有可能出現(xiàn)崩鐵，應立即停止頂進，退回千斤頂，檢查原因，針對不同情況采取措施后再繼續(xù)頂進；二是管壁破裂。頂進管時，管口一定要加上整體邊圈或弧形頂鐵，使受力分布均勻，以減少應力集中，避免管壁破裂；三是后背破壞。頂進中發(fā)現(xiàn)管節(jié)不前進，而后背壓縮或縱向頂向上隆起或向下啃墊木，均是后背破壞的征兆，應立即停止頂進，回油松頂檢查原因；四是設置消防。施工現(xiàn)場始終以電作為動力，要加強電源管理，以防發(fā)生火災。