城鄉(xiāng)輸水管線頂管穿越公路的施工技術(shù)

呂曉麗

（盤(pán)錦市大洼區(qū)水利局，遼寧大洼 124200）

1 工程概況

大洼區(qū)屬于遼寧省盤(pán)錦市，由于區(qū)域水資源分布不均衡，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)鼐用裆詈徒?jīng)濟(jì)發(fā)展。為合理調(diào)配水資源，自2015年起，大洼區(qū)開(kāi)始實(shí)施城鄉(xiāng)輸水管網(wǎng)工程，管道長(zhǎng)約8 km，采用管徑1 400 mm的鋼管（外徑1 428 mm），在過(guò)盤(pán)海營(yíng)高速公路時(shí)，考慮到頂管施工具有不破壞道路基礎(chǔ)，不影響人車(chē)通行，施工速度快，成本低等施工優(yōu)點(diǎn)[1]，且頂管距離110.6 m，在施工技術(shù)范圍內(nèi)，因此采用頂管方式進(jìn)行盤(pán)海營(yíng)高速公路的管道穿越。

2 頂管施工

2.1 機(jī)型的選擇

由于頂管座落在淤泥質(zhì)粘土層內(nèi)，因此頂管采用小刀盤(pán)土壓平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)。土壓平衡機(jī)頭由前段、后段、司板、刀盤(pán)、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置、糾偏油缸、螺旋輸送機(jī)、操縱臺(tái)、油壓泵站、皮帶運(yùn)輸機(jī)等組成。使攪拌倉(cāng)和掘進(jìn)機(jī)兩者的土壓力相抵消，盡量避免頂管過(guò)程中對(duì)土層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)土壓平衡。

2.2 主油缸合力中心的確定及最大頂力計(jì)算

主油缸是頂管施工的主壓千斤頂，用4臺(tái)千斤頂左右對(duì)稱(chēng)布置，根據(jù)具體的頂推情況確定出共合力中心位置。穿墻時(shí)，主油缸頂力與工具管的正面阻力相抵消，即主壓站的合力中心應(yīng)與管道穿墻位置相反。

2.2.1 合力中心計(jì)算

工具管正面阻力的合力中心：

式中：E——管道合力中心；D——管徑，1.4 m。

則DN1400鋼管合力中心E=0.175 m，即低于管中心17.5 cm。

2.2.2 推力計(jì)算

式中：F——頂管總推力；F1——頂管過(guò)程中的迎面阻力；F2——頂管過(guò)程中的頂進(jìn)阻力。

前蘇聯(lián)對(duì)兩個(gè)長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)的稠油油藏原油性質(zhì)進(jìn)行了跟蹤對(duì)比，分析后發(fā)現(xiàn)：隨著水驅(qū)的進(jìn)行，采出油輕組分含量高于剩余油，而剩余油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量比采出油高，隨水驅(qū)采出油量的增加，地下剩余油的黏度也不斷增加［9］。勝利油田多個(gè)稠油區(qū)塊的實(shí)際原油分析化驗(yàn)資料也證實(shí)了這一結(jié)論。勝利油田水驅(qū)普通稠油油井S328-2，1999年4月測(cè)得其原油黏度為1.780Pa·s，隨水驅(qū)進(jìn)行其原油黏度不斷上升，2011年5月其黏度上升到了4.188Pa·s，黏度增加了2倍多（圖3）。

式中：D——管外徑1.428 m3；P——控制土壓力。

式中：K0——靜止土壓力系數(shù)一般取0.55；H0——地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取5.5 m；γ——土的濕重量，取 1.9 t/m3。

則得出 P=5.75 t；F1=8.85 t。

式中：f——注漿后管外表面綜合摩阻力系數(shù)，取0.4 t/m2；D——管外徑，D為1.428 m2；L——頂距，L 為110.6 m[2]。

得出F2=198.36 t,即每頂進(jìn)1 m頂力1.79 t。因此，總推算力F＝8.85+198.36=207.2 t。

根據(jù)以上計(jì)算，該工程總推力最大為207.2 t，小于該工程頂管工作井的的最大頂力為4 400 kN（=440 t）,因此選取最大值 440 t，并按規(guī)定取其80%（352 t）作為該工程主油缸總推力，主油缸選用4臺(tái)400 t(=2 000 kN)級(jí)油缸，每只油缸最大頂力不超過(guò)100 t(100 kN)。

2.3 頂管設(shè)備

2.3.1 導(dǎo)軌安裝

2條導(dǎo)軌沿管道縱坡面相互平行布置，其標(biāo)高與管道內(nèi)口底部標(biāo)高相同，導(dǎo)軌頂部要平滑順直，安裝過(guò)程中要求軸線偏差左右不超過(guò)3 mm，頂面高程不高過(guò)3 mm，兩倒軌之間間距不超過(guò)2 mm。為保證導(dǎo)軌有足夠的承載力，采用P50號(hào)重型鋼軌，并將導(dǎo)軌與沉井鋼筋混凝土底板的預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接來(lái)確保導(dǎo)軌使用過(guò)程中牢固，避免位移事故的發(fā)生，同時(shí)用C25混凝土在導(dǎo)軌之間和外側(cè)澆筑圓弧狀的混凝土護(hù)邊，這樣在導(dǎo)軌上進(jìn)行管道安裝時(shí)，可以做到不與該層護(hù)護(hù)混凝土發(fā)生碰撞。

2.3.2 主油缸

2.3.3 頂鐵

頂鐵一般采用表面平齊、厚薄均勻、硬度大、韌性強(qiáng)的鋼制頂鐵，且主要作用是：將頂力在管端均勻分布；在油缸行程不夠時(shí)進(jìn)行填充。

2.3.4 后背及后座

后背的主要作用是用來(lái)承受主油缸的全部頂力，并將其傳遞到背后的土體上。由于我們采用列表工作坑的形式，為避免油缸的返力對(duì)井壁產(chǎn)生損壞，需要在井壁上加設(shè)導(dǎo)木和不低于45 mm得厚鋼板作為后座，對(duì)井壁進(jìn)行保護(hù)。

2.3.5 吊裝、出泥設(shè)備

施工時(shí)采用汽車(chē)吊對(duì)管道和設(shè)備進(jìn)行吊裝[3]。頂管出泥采用人工運(yùn)輸，采用無(wú)堵排污泵和螺旋不堵塞泵。

頂管工作示意圖如圖1所示。

圖1 頂管工作示意圖

2.4 頂管措施

2.4.1 觸變泥漿減阻

為了減少頂進(jìn)阻力（前面頂力計(jì)算是按使用觸變泥漿，管節(jié)與土的摩擦系數(shù)計(jì)），在管壁外側(cè)同步注入觸變泥漿。觸變泥漿用膨潤(rùn)土摻入堿配制攪拌而成，泥漿比重控制在G=1.1～1.16 g/cm3間，一般情況，按重量計(jì)的觸變泥漿配比大致是：水∶土=（4～5）∶1；土∶摻合劑=（20～30）∶1；摻合劑是指堿（Na2CO3）、化學(xué)漿糊（CMC）和高分子膠凝劑。為方便注入觸變泥漿，訂購(gòu)管節(jié)時(shí)，要提前與生產(chǎn)廠家聯(lián)系，預(yù)制頂管管子時(shí)預(yù)留注漿孔。每一段管子頂完后，及時(shí)堵死注漿孔，以確保管周土體的穩(wěn)定，防止地面沉降，注漿時(shí)按照“先壓后頂，隨頂隨壓”原則進(jìn)行。

2.4.2 測(cè)量標(biāo)志的設(shè)置

頂管前，在工作坑內(nèi)確定管道的高程和中心線，經(jīng)校對(duì)無(wú)誤后設(shè)置牢固。頂管過(guò)程中，對(duì)頂管的中心和高程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，確保不出現(xiàn)偏差。

2.4.3 施工測(cè)量

頂管施工測(cè)量時(shí)，建立以管道中心線作為X軸，以絕對(duì)高程作為Y軸的獨(dú)立坐標(biāo)軸，采用激光指向儀進(jìn)行電腦控制液壓系統(tǒng)對(duì)千斤頂進(jìn)行糾偏，確保頂管行程正確無(wú)偏差。

2.4.4 管道頂進(jìn)

下管前重新對(duì)管道進(jìn)行檢查，檢查合格后用吊車(chē)將管道吊至導(dǎo)軌上，然后對(duì)管道中心線及兩端管道內(nèi)部底標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量并調(diào)整到位，在完成洞口的磚封墻拆除、鋼封門(mén)安裝、洞口清掃等工作后才可以進(jìn)行頂管作業(yè)。頂管初始階段，速度應(yīng)緩慢，等油缸、頂鐵、管道、導(dǎo)軌等各部件接觸嚴(yán)密后，即可加快頂進(jìn)速度至正常狀態(tài)。頂管作業(yè)過(guò)程中，每頂一段都要進(jìn)行測(cè)量并做好記錄，要求在第一段管節(jié)時(shí)，測(cè)量距離要小于30 cm；達(dá)到正常頂進(jìn)速度時(shí)，測(cè)量距離小于10 cm；每次頂進(jìn)的長(zhǎng)度不超過(guò)60 cm，糾偏時(shí)不超過(guò)30 cm。每段頂管作業(yè)要連續(xù)進(jìn)行，直到頂通封口，中間不得停頓。

2.4.5 管道糾偏

當(dāng)頂進(jìn)管道偏離設(shè)計(jì)軸線時(shí)，就用管道內(nèi)放置的油壓糾偏機(jī)對(duì)管端的方向進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而減少偏差，確保管道沿原設(shè)計(jì)的軌道頂進(jìn)，糾偏要邊頂進(jìn)邊進(jìn)行，這是因?yàn)橥Ｖ构艿理斶M(jìn)后進(jìn)行糾偏會(huì)使糾偏吃大，更會(huì)對(duì)第一段管道受力不平衡而產(chǎn)生破損。

3 地表隆沉控制

將頂管挖進(jìn)機(jī)的土壓力取主、被動(dòng)土壓力的中間值，實(shí)現(xiàn)土壓平衡，在刀盤(pán)切削攪拌過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)的土壓力隨著主頂?shù)耐七M(jìn)而逐漸升高，因此，盡量控制土壓力與控制土壓力相等。隨著頂進(jìn)的深入，會(huì)出現(xiàn)控制壓力不足以抵消土壓力的情況，這時(shí)就要打開(kāi)螺旋輸送機(jī)將部分土送出，協(xié)調(diào)好推進(jìn)速度和排出土量，使控制壓力和土壓力大致相等。但是在頂進(jìn)過(guò)程中，由于地質(zhì)情況不同，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頂進(jìn)速度和排土速度失衡的情況，當(dāng)頂進(jìn)速度過(guò)快時(shí)，就需要推推停停，減慢頂進(jìn)速度；當(dāng)排土速度過(guò)快時(shí)，就把螺旋輸送機(jī)停停再開(kāi)?？傊?，使土倉(cāng)內(nèi)的土壓力和控制土壓力相差不大于20 kPa，否則地面就會(huì)發(fā)生隆起或沉陷。因此，根據(jù)前述公式和數(shù)據(jù)做好土倉(cāng)壓力計(jì)算，設(shè)定好挖進(jìn)機(jī)的控制土壓力，才能保證頂進(jìn)作業(yè)的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，在大洼城鄉(xiāng)輸水管線頂管穿越盤(pán)海營(yíng)高速公路施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照上文所介紹的施工技術(shù)措施施工，對(duì)公路保護(hù)比較好，穿越質(zhì)量比較高，出現(xiàn)的施工問(wèn)題比較少，完全符合工程預(yù)期。但是對(duì)于地質(zhì)較差，頂管距離過(guò)長(zhǎng)，穿越深度較深的頂管施工環(huán)境，還需要進(jìn)一步研究分析，必要時(shí)邀請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)行論證，確定更具體的施工方案。