大型顶管施工工艺在通榆河北延送水工程中的应用

张政田，刘延军，狄大鹏

（江苏省通榆河北延送水工程建设管理局，224600，响水）

一、顶管施工工艺的发展及现状

顶管施工工艺是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，具有许多优点，如：无须地面开挖，不影响地面交通，不会产生过大的噪声和振动，对周围环境影响小等。顶管施工技术发展较快，从开挖方式上，由人工手掘式顶管开始，发展了机械式顶管、小口径遥控土压式机械顶管、挤压式顶管、土压平衡顶管、气压平衡顶管、泥水平衡顶管等；从管材上，由铸铁管发展到钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管、预应力钢筋混凝土管等，管径也已发展到最大内径3000 mm钢管和最大内径3500 mm钢筋混凝土管；另外在曲线顶管方面能完成三维复合急曲线顶管。目前，顶管施工工艺已广泛应用于城市给排水、煤气管道、电力隧道、通信电缆等基础设施建设及公路、铁路、隧道等交通运输工程的施工中。

近年，随着国内顶管施工的开挖方式、顶进距离的突破，管节的制作、接口精度和密封性能的提高，顶管注浆工艺不断完善和地面沉降控制精度提高，为顶管施工工艺应用到大型水利工程中创造了有利条件。

二、通榆河北延送水工程灌河地涵工程顶管施工实践

1.工程概况

通榆河北延送水工程是江苏省委、省政府为振兴苏北、加快沿海开发、促进苏北崛起而开辟的又一条“江水北调”战略性水资源工程。工程利用已经建成的通榆河中段工程，结合实施连云港疏港航道，增加一条向连云港市输送水源的新通道。通榆河北延送水工程灌河地涵为穿灌河的建筑物，地涵上洞首位于响水县城西郊黄响河入灌河的河口处，下洞首位于灌河北岸的灌南县长茂村五组。地涵设计流量50m3/s，4孔，总长约550 m。主涵管采用4根内径ø3.5 m钢筋混凝土预制顶管，长450 m，顶管中心距为9 m，管中心高程为-15.55 m。工程概算总投资11040万元，工程于2008年7月正式开工，2009年10月灌河地涵4根顶管全线贯通，现已完成全部合同工程。

2.工程地质及水文条件

（1）工程地质

顶管施工涉及的土层有⑥1、⑥2、⑦2、⑧，该四层土土力学强度均较高，管底主要位于⑧层上，局部位于⑦2层上，该两层可作天然地基，基面下有良好的下卧层。⑥1、⑦2层为粉质黏土，可塑状态，极微透水；⑥2、⑧层为粉砂、砂壤土，中密—密实状态，中等透水。另外，四层土中均含有砂礓，一般含量5%～20%，局部含量高达40%，对施工形成不利情况。

（2）工程水文

灌河水位受潮汐的影响变化较大，勘探期间测得灌河潮水位在-0.2～3.2 m之间。场地内地下水类型为松散岩类孔隙水，大气降水入渗为浅层地下水的主要补给来源，其次为地表水的入渗补给，深层地下水以接受浅层地下水的渗入补给为主。本场地内有3个承压水层：⑤3层砂壤土渗透系数为K=1.4×10-4cm/s,具中等透水性，为第一承压含水层；⑥2层粉砂具中等透水性，为第二承压含水层；⑧层砂壤土渗透系数为K=1.7×10-4cm/s，具中等透水性，为第三承压含水层。承压水水位分别为 1.82 m、1.75 m、1.74 m，高承压水对顶管施工相当不利，且⑤3层局部在灌河底与⑥2层是相通的，加大了施工难度。

3.工程特点及施工方案和工法选择

（1）工程特点及施工方案的选择

本工程主要任务是将通榆河的淡水从盐城响水县穿越灌河送到连云港灌南县境内，而灌河是潮汐河道，直接与大海相通，又是国家三级航道，河面宽，通航径高大，且不便断航，所以采用平面交叉或渡槽、拱管的上立交方案，既不经济，又影响通航且不便于施工。对于采用非开挖方式的地下立交，目前主要是盾构和顶管方案，设计单位经多方考察和比选，并进行技术和经济论证，最终决定通榆河北延送水工程灌河地涵采用多管、平行、大口径的钢管混凝土顶管工艺，这项工艺也开了江苏水利及国内复杂地质条件下大直径、长距离、多管、平行施工的先河，实现了较好的经济和社会效益。

（2）施工工法的选择

顶管施工工法目前主要是土压平衡、泥水平衡和气压平衡顶管施工工法，泥水平衡顶管法具有适用土质广、挖掘面稳定、地面沉降小，且在含沙土层中顶进时无须采用添加剂改良土体等特点。考虑本工程位于潮汐河道，潮位差较大，顶管需穿越灌河大堤和河底的浅覆土层，且土层中存在承压水及大量的砂礓，局部存在较大砂礓盘等水文和地质特点，故选用了泥水平衡顶管法施工。

4.工程难点和风险及采取的措施与对策

（1）进出洞口处有承压含水层

本工程主要承压含水层为⑤3、⑥2、⑧层，顶管进出洞口处有⑥2、⑧两层深埋的承压水层，顶管进出洞时存在较大的风险。主要采取以下措施加以控制：

①加固洞口土体。本工程顶管工作井和接收井洞口处采用高压旋喷桩进行土体加固。工作井加固范围为预留洞顶以上6 m至预留洞底以下 3 m，宽度 37 m，加固厚度 3 m；接收井加固范围为预留洞顶以上2 m至预留洞底以下2 m，宽度37 m，厚度2 m。施工须确保加固土体的强度和均匀性，使其具备挡水和挡土作用。

②降低承压水水头。为确保顶管进出洞安全，必须对场地内的承压水层进行深井降水。顶管进出洞承压水降水首先考虑利用顶管轴线两侧沉井施工时原部分降水深井，另外在土体加固完成后，沿顶管顶进轴线方向在管间中心位置，离开加固区4 m处布置7口深井。顶管出洞前7天进行预降水及抽水试验，观测抽水流量和水位变化，调整优化原降水方案，确保在拆除洞门前承压水水头降至洞口底以下0.5 m。

（2）顶管开挖面存在大量砂礓，局部可能有较大砂礓盘

砂礓和砂礓盘的存在对顶管的掘进作业可能带来三方面的问题：一是可能发生泥水舱进泥口堵管；二是在刀盘的前端会聚积较多的砂礓，造成刀盘的进泥口进泥不畅，迎面阻力增加和刀盘的驱动扭矩增大；三是砂礓含量大，容易造成泥水管路的堵塞。采取的具体措施如下：

①对大刀盘进行改进。将刀盘的进泥口改小，同时刀头的宽度适当改小，增加刀头的数量，并沿刀盘半径分散布置超前撕裂刀头，以便将大砂礓盘撕裂解小，确保进入泥水舱的砂礓不会出现堵管现象，同时在泥水舱上部增加两个预留排泥口，作为堵管时的应急排泥口。

②加大刀盘的驱动功率。将6台驱动电机功率分别由37 kW增加到45 kW，防止刀盘碰到较大直径的砂礓盘或聚积较多的砂礓，造成刀盘驱动扭矩不足的情况发生。

③加大砂砾泵和排泥管道直径。考虑到砂礓的颗粒较大、比重较大、容易沉淀等，采用无堵塞的砂砾泵，将砂砾泵和排泥管道直径由原来常用的10 cm改为15 cm。另外在排泥管路中间增加接力泵，避免砂礓在管道内沉淀而堵塞管道。必要时在进泥管路中添加黏土和膨润土泥浆，以提高管道的携砂能力，防止发生堵管现象。

（3）顶管施工需穿越灌河河床80m的浅覆土层

在灌河深槽（距工作井134～214m）80 m范围内顶管顶部距灌河底的覆土厚度不足5 m，上覆土大部分又是粉砂层，而黏土层较薄，顶管存在冒顶的风险。工程实施时主要采取以下措施：

①室内模型试验。与科研单位合作，在室内使用砂土模拟现场施工，并通过改变浆液的配合比、上覆土层厚度等条件进行单管和多管施工的试验，找出土体变形的敏感点，为现场布置监测点提供依据。

②通过现场监测，预测浅覆土层的沉降变形。浅覆土层位于灌河河底，水深10 m左右，受环境和潮水影响，很难对河底浅覆土层进行有效加固。为预测浅覆土层变形，确保顶管施工时河底沉降在可控制范围内，在工作井至灌河岸边布置了分层沉降点，通过对该段土体沉降变形的监测，预测浅覆土层可能的沉降变形量。

③调整施工参数。在顶管穿越浅覆土层中施工时，如果泥水舱压力设置过大，容易造成浅覆土层顶穿；若过小，则掘进机前方土体容易坍塌，造成大量地层损失，引起过大沉降。通过分析计算，并结合现场操作的实际状况，最终确定泥水舱压力控制在0.12～0.15 MPa。另外，控制穿过浅覆土层时的顶管顶进速度不超过3 cm/min，并保持均匀、慢速、连续顶进。如需短时间停推，由专人监测，并向泥水舱内注入足量的膨润土泥浆，以平衡开挖面的泥水压力。

④调整注浆方式。膨润土泥浆套一方面是起减摩降阻作用，使长距离顶进成为可能，另一方面可以补偿一部分顶管开挖造成的地层损失，减小由此引起的土体的变形。本工程顶管施工中在掘进机尾部和管道沿线每隔三或四节管布置四个注浆孔。正常顶进时需控制一定的注浆压力，但在浅覆土层时，压力过大会穿透浅覆土层，为防止这种情况发生，顶管穿越浅覆土层时关闭掘进机尾部和管道沿线上面的两个注浆孔，膨润土泥浆通过下面的两个注浆孔，在一定的压力下也可以形成完整的泥浆套，保证施工正常进行。

（4）本工程顶管具有大直径、长距离、多线平行、近间距等特点，目前在国内尚无实践经验

主涵管为4根平行的长约450 m、内径3.5 m、外径4.16 m的钢筋混凝土顶管，管间净间距为4.84 m。本工程实施中采用两套顶进设备，为防止相邻顶管同时顶进对土体扰动较大，采取先一、三号线顶进，后二、四号线顶进顺序，同时顶进的两条线顶管前后错开约60 m。施工过程中，通过严密监测并控制顶力和土体变形，及时调整触变泥浆的注浆量和配合比等措施，顶管顶进十分顺利。

5.工程效果

灌河地涵顶管工程在建设、设计、科研、监理、施工等各方的高度重视和紧密的配合下，通过施工前期和过程中大量的科研指导和技术改进，顺利并提前完成，取得了满意的效果。主要体现在以下几个方面：

①加快了施工进度。根据以往的经验，在歇人不歇机和比较顺利条件下，日均可顶进10～12 m，而本工程在复杂地质条件下，通过采取各项改进措施，每日工作时间不到20 h，日均顶进达15 m。

②顶力得到有效控制。理论计算本工程最大顶力达到2000 t，而实际施工中通过采用优化的润滑泥浆配合比和合理的注浆量，顶力一般控制在600～1000 t之间，不足理论值的1/2，且顶力不是随顶程增加而增加，说明管道基本是悬浮在泥浆润滑套中。

③机头姿态控制较好。施工中通过勤测勤纠、及时调整泥水舱压力等措施，保证顶管机头平顺出洞，平稳顶进，且最大平面偏差、高程偏差、管节转角偏差均为验收要求值的2/3左右。

三、顶管技术在大型水利工程中的应用前景

随着科学技术的不断发展进步、新材料和新工艺大量应用，顶管施工技术必将日渐成熟，成本也必将逐步降低，特别是大口径、长距离、多管平行顶管施工技术在工程实践中的广泛应用，为顶管技术在水利工程中的应用开辟了广阔的空间。在江苏等沿海省份和地区，公路、铁路、水网密布，实施长距离调水工程和水环境治理的清污分流工程，需采用水路立交和水水立交的工程相当多，而随着沿海地区经济的高速发展，城市和农村土地价格将越来越高，征迁成本越来越大，断流、断航、断交通施工的压力也越来越大，以往传统意义上的大面积征地、大开挖施工的模式必将要改变，顶管施工技术在大型水利工程中的应用前景将越来越广阔。