铁东路雨水泵站沉井及顶管施工

张宁+王伟

【摘要】本文对铁东路雨水泵站的沉井及顶管施工进行了详细地阐述，对如何选择合理的顶管掘进机进行了分析比较。在确保结构安全稳定的前提下，力求工程施工造价更为经济。

【关键词】顶管 沉井 泥水平衡顶管掘进机 顶进施工 大堤保护

一、工程简介

铁东路雨水泵站位天津市于北辰区铁东路以西，外环线以北，是配合铁东路排水工程所设计的雨水泵站，属于铁东路雨水系统，泵站收水面积约561公顷，泵站设计总流量Q=17m3/s，共安装8台水泵，出水系统出口的永定新河设计水位5.41m，雨水经泵站提升后排入永定新河。该地区地基土主要有粪土及粉质粘土组成，

永定新河自屈家店闸开始，分为永定新河和新引河，其中新引河靠右岸，两河中间为中隔堤。出水管道穿永定新河工程由出水转弯井，钢筋混凝土出水管道、出口闸井和出水渠组成。工程起点为出水转弯井，位于永定新河右堤外侧；终点为出水渠，位于永定新河中隔堤左侧。

出水管道为两条管径DN2600钢筋混凝土管，采用顶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，进入永定新河，穿越距离275m，出水转弯井和出水闸井兼作顶管施工的工作井和接收井，两井采用沉井施工方法。

二、工程布置

本工程位于外环北路外侧，工程起点位于永定新河右堤外侧约32m处，终点位于中隔堤左侧滩地。起点建筑物出水转弯井与泵站闸门井以管道连通、终点建筑物与永定新河河道连接。泵站出水通过管道进入出水转弯井、经出水管道、出水闸井和出水渠输送排入新引河。

（1）出水转弯井。出水转弯井为本工程与泵站的联接建筑物，是本工程的起点，其主要作用承接泵站出水，使管道進口维持足够水头，使水流以有压方式穿越永定新河。

出水转弯井为矩形钢筋混凝土结构，上游与泵站闸门井以管道连通，下游与永定新河河道连通。

出水转弯井同时作为管道检修井和出水管道施工的工作井，井深13.46m，净尺寸13.80m×9.00m，中间沿管道轴线方向设一道隔墙。

（2）出水管道。出水管道起始于出水转弯井，下游接位于中隔堤左侧的出水闸井，其作用是将出水转弯井内蓄水输送穿越新引河。出水管道共2条，平行布置，自东南向西北穿越新引河。出水管道为钢筋混凝土结构，管径DN2600。

（3）出水闸井。出水闸井位于中隔堤左侧滩地，上游接出水管道、下游接出水渠，其作用是根据泵站运行需要，对管内水流进行控制，也可作为出水管道检修通道。

出水闸井同时作为出水管道施工的接收井，井深13.16m，净尺寸13.80m×6.50m，中间沿管道轴线方向设一道隔墙。

（4）出水渠。出水渠位于中隔堤左侧滩地，上游与出水闸井连接，下游与永定新河河道连接，其作用是承接出水管道的水流，以明流方式与永定新河水面衔接。出水渠底宽10.40m，总长25m，为钢筋混凝土和灌砌石结构。

结合建筑物特性及工程区地形、地质条件，出水转弯井和出水闸井采用沉井施工，出水管道采用顶管施工，顶管工作井（出水转弯井）布置在永定新河右堤外侧，接收井（出水闸井）布置在中隔堤左侧，顶管机自工作井出洞，自东南向西北顶进275.00m，在接收井进洞。

三、工程难点

本项目为穿河工程，沉井和顶管施工是本项目的施工难点，一旦透水将产生严重后果，所以正确选择顶管施工方法是至关重要的。顶管施工技术已是一门成熟的施工技术，机型多，适用条件不同，需根据工程实际情况进行比较选择。由于本项目为穿河工程，只宜采用封闭式顶管掘进机，在设计时对较为常用的全断面封闭式土压平衡顶管掘进机和泥水平衡顶管掘进机进行比较。

本工程顶管轴线所处地层主要为淤泥质粉质粘土和粉质粘土，根据《顶管施工技术及验收规范》，在粘质粉土中慎用土压平衡顶管掘进机。鉴于粉质粘土和粘质粉土成分接近，在无明显优势力的情况下不宜采用。

与土压平衡顶管掘进机相比，泥水平衡顶管掘进机有以下优点：

（1）泥水平衡顶管掘进机因为采用泥水作为平衡地层和地下水压力的介质，更适合于管线位于地下水位以下工程。

（2）泥水平衡顶管采用泥水输送弃土，没有吊土、搬土等较易发生危险的作业，工作井内作业环境好，作业安全。

（3）泥水平衡顶管可连续出土，大大提高了推进速度，每日可顶进20-30m；而土压平衡顶管掘进机即便采用输土泵输土，每日顶进距离只能达到15-20米。

（4）泥水平衡顶管掘进机施工对周围土层影响小，工程竣工后地面沉降小。

但泥水平衡顶管掘进机也两个较为明显的缺点：其一是受无破碎功能的顶管掘进机进泥口开度限制，在含有直径大于6cm砾石的土层中无法施工；其二排出泥浆需进行泥水分离等二次处理，施工占地相对较多，如处理不当会对周围环境造成一定污染。

本工程30m地质勘探深度范围内，各地层未发现砾石，对施工不会产生不利影响。

从以上比较可以看出，泥水平衡顶管掘进机在技术、安全、进度上均较土压平衡顶管掘进机有优势，只在占地面积和环境保护上略有不足，但采取措施后均可得到有效解决。

泥水平衡顶管掘进机有以下多种形式：具有浮动切削刀盘的泥水平衡顶管掘进机、具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机、气压式泥水平衡顶管掘进机、浓泥水平衡顶管掘进机、多边形偏心破碎式泥水平衡顶管掘进机，根据工程类比，本工程拟采用具有浮动切削刀盘的泥水平衡顶管掘进机。

刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机的刀盘是一个直径比掘进机前壳体略小的具有一定刚度的圆盘。圆盘中还嵌有切削刀和刀架。刀盘和切削刀架之间可以同步伸缩，也可以单独伸缩。而且，不论刀盘停在哪一个位置上，切削刀架都可以把刀盘的进泥口关闭。刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸，刀架伸缩油缸则安装在刀盘加压装置的上方。刀盘可伸缩式掘进机的工作原理如下：刀盘前土压力过小时，则自动前伸；刀盘前土压力过大时，就自动后退。刀盘前伸时，应减小进泥口开度并加快推进速度；刀盘后退时，应加大进泥口开度并降低顶速，这样即可使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。endprint

四、施工工序

（一）沉井施工

工作井和接收井均分两节施工。首先清理开挖沉井施工场地，浇筑第一节井体，待其达到一定强度后进行沉放；先撤出刃脚下的垫木，人工或人工配合抓斗挖除井内土体，使井体靠自重下沉，沉放过程中应及时纠偏；当第一节井体顶部沉放至地面高程后，开始第二节井体浇筑，重复上述沉放过程，完成第二节沉放；沉井下沉系数偏大，下沉稳定系数不满足规范要求，需在沉井制作前，沿刃脚位置打刃脚桩，下沉过程中逐步破除，以达到下沉稳定的要求。待井体沉放至设计高程后，进行井体封底施工。沉井下沉过程中刃脚对土体的切割也不可避免地对土体形成扰动。为了确保沉井施工不对大堤造成不利影响，其周边土体在顶管顶进完成后应进行加固。

土体加固分二步完成，首先对上部2m土体采用人工蛙夯夯实，压实度0.93，作为注浆的盖重。井周上部2m土体全部压实完成后，即可进行灌浆处理，灌浆通过预埋注浆管灌注。

（二）顶管施工

铁东路雨水泵站工程以顶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，在中隔堤左侧滩地建接收井，在同一井内顶进和接收顶管掘进机，从工作井顶进管节逐节顶进逐节承插形成出水管道。

（1）出土。泥水平衡式顶管掘进机的出土采用全自动的泥水输送方式，刀盘切削挖掘的土体通过在机舱内的搅拌和泥水形成泥浆，然后由泥浆泵抽出，通过排泥管排入沉淀池内。为了保证泥水压力和排泥通畅，进、排泥管管路沿线各布置若干管道泵加压。在工作井附近设4个90m3沉淀池，洞内排出的泥浆经沉淀后采用自卸汽车运至弃土场。

（2）注浆减阻。本工程顶管施工最长顶进距离为275m，必须采取注浆减阻措施，以最大限度地降低顶进阻力，从而控制顶进力。降低顶进阻力最有效的方法是进行触变泥浆注浆，使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低了顶进时的摩阻力。

顶管在注浆时第一环注浆孔应在工具管后的管子上，每个断面按间隔90度设置4个注浆孔，管底不宜设注浆孔，管道顶进时在掘进机后需连续放置3至4节有注浆孔的管子，不断注浆，使泥浆套在管子外面保持得比较完整后，以后每间隔3～4节管子放置一节有注浆孔的管子用以补浆。注浆以同步注浆为主，补浆为辅。由于顶管线路长，为使全程注浆压力不致相差过大，中间需设2台增设压浆泵以增大压力。

（3）顶进方向控制及纠偏。本工程为双管顶进，两管净间距4.04m，一管偏离将对另一管的施工造不利影响，因此管轴线的控制尤为重要。工程施工中应采取措施确保将误差控制在规定范围内，从以下几个方面着手，确保顶进方向。

在顶管掘进机设备上，配备校正工具管，其一端与工具管连接，另一端与后管连接，与后管之间留有10～15mm的间隙；顶管掘进机配备先进的测量导向系统，包括主动目标把、激光经纬仪、反射棱镜、倾角测量仪、控制装置、顶距测量装置、导向系及配套软件。

施工前应按设定的管道中心线和工作井位建立地面和地下的测量控制系统，控制点布置在不易被扰动、视线清晰、方便校核的地方并加以保护。所用测量仪器与工作井进底及井壁分开，避免由于顶力的作用产生位移，定时对其进行复测并及时调整。施工过程中应对顶进方向的垂直偏差、顶进方向的水平偏差、顶管掘进机机身的转动、顶管掘进机的姿态和顶进长度进行测量。

顶进的纠偏通过顶管掘进机的方向诱导装置和校正工具管进行，操作员通过纠偏动作，始终保证激光点在光靶的中心即可实施顶进纠偏。顶进纠偏须勤测量多微调，纠偏角度应保持在10～20，不得大于0.5°。

初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，因此，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。

（4）顶进施工。顶进施工按下列程序进行：①顶进机头，当机头进入土体时，开动大刀盘和进排泥泵；②机头顶进至能卸管时停止顶进，拆开动力电缆、进排泥管、进排泥泵、控制电缆和摄像仪连接线，缩回顶进油缸。将事先准备好密封环的管节吊下，对准后插入就位；③接上动力电缆、控制电缆、摄像仪连接线、进排泥管并接通压浆管路。启动顶管掘进机、进排泥泵、压浆泵、主顶油缸，并顶进管节；④随着管节的顶进，不断观察机头轴线位置和各种指示仪表，纪正管道轴线方向并根据土压力大小调整顶进速度；⑤当一节管节顶进结束后，重复以上②～④操作程序，并将后续管节与前节管节套接，循环顶进；⑥当需启用中继间时，应自前往后依次启动。⑦在顶管掘进机穿越主河道时，因埋深相对较浅，应降低顶进速度，并使泥水仓压力保持较低值，以确保顶管安全通过主航道。

五、施工中大堤的防护

顶管施工对永定新河大堤可能造成的影响主要来自两个方面，其一是施工排水可能引起的地面沉降，其二是顶管施工注浆形成管壁和原状土层间的间隙，如不处理将形成渗漏通道。

根据排水计算，工作井排水影响范围为15m，接收井排水影响范围为12m，因工作井距大堤坡脚约32m，其影响非常有限，无需做特处理。

针对注浆可能形成的渗漏通道，在頂进结束后，采用水泥砂浆对泥浆套的浆液进行置换，并将注浆孔封堵。

穿堤段在管道两侧打设灌浆孔，进行超细水泥灌浆，将大堤内管身周边松动土体灌注密实。

六、结语

目前铁东路雨水泵站已投入运行，收水面积约561公顷，对城市安全度汛起到了重要作用。该泵站的沉井及顶管施工简单，缩短了工期，节约了工程投资，取得了较好的经济效益。。endprint