某原水输水管道工程施工方案的优化

曹德意

（上海水务建设工程有限公司，上海 201203）

1 工程概况

X市某原水输水管道工程全长20km，为DN1600钢管，沿线多段敷设在老城区的主干道下，地下管线复杂。同时局部需跨越海湾滩涂、河道、水闸等障碍，沿线工程地质情况多样。沿线管道的敷设涉及到顶管、开挖埋管、管桥等各种施工方式。

2 管道施工方案

2.1 开挖埋管方案

2.1.1 管道基础

管道基础是根据管道材质、管道形式、管道所埋处的土层性质及地下水位的情况等来综合确定。本工程的管径较大，管道埋设较深，根据沿线参考地勘，管道主要埋设于素杂填土或填砂层，施工时地基土极易受扰动。经综合分析比较，当采用钢管时，由于钢管为整体焊接管道，能够适应一定的不均匀沉降，采用砂质管基作为管道基础。

2.1.2 管道地基的处理

管道敷设时，当管道基础落于松土、回填土、可液化土层等不良土层上时，应进行地基处理。本工程线路的局部范围存在较厚杂填土、回填土层，由于管径较大，基坑开挖的深度较深，暴露时间比一般埋管基坑长，为保证施工及运营安全，应对管道地基进行处理。对于钢管，因其具备一定适应沉降变形的能力，采砂垫层分层压实换填的处理方式。

2.1.3 管道回填土

管道施工完毕并经检验合格后，应及时回填沟槽。回填材料应符合下列规定：回填土时，槽底至管顶以上50cm范围内，不得含有机物、冻土以及大于50mm的砖、石等硬块，回填土的含水量，控制在最佳含水量附近。管槽回填土分区域采用不同的压实度，压实系数应达到相应规范的要求。管基和管侧的回填材料采用中粗砂，确保大口径钢管的受力更加均匀，同时控制管道在施工时的变形。

2.1.4 管槽开挖的深度和宽度

管槽开挖的深度：根据管道形式、管径大小、管道覆土厚度、管道所处环境、施工条件等因素综合确定。一般可按下式计算：H=D1+h1+h2。式中H—管道沟槽底部的开挖深度（mm）；D1—管道结构的外缘宽度（mm）；h1—管顶覆土厚度；h2—管道基础厚度。

管槽开挖的宽度：根据管道形式、管径大小及支护形式综合确定。单管管槽底部宽度，按下式计算：B＝D1＋2（b1＋b2）。式中B—管道沟槽底部的开挖宽度（mm）；D1—管道结构的外缘宽度（mm）；b1—管道一侧的工作面宽度（mm），对于大口径钢管的工作面宽度不小于700mm。b2—管道一侧的支撑厚度（mm）。

拟建场地环境变化较多而复杂，涉及面很广，对管槽的影响很大。管槽的形式应因地制宜，尽量减少对周边环境的影响且施工安全，工程质量可靠。

2.1.5 管槽开挖和支护形式

管槽开挖和支护形式有：放坡开挖、横列板支护、钢板桩支护、SMW工法及混凝土板桩支护等。对于开挖深度较浅、周围环境保护要求不高的管槽，一般可采用大放坡开挖、横列板支护系统。当埋深较深、地下水位较高、周边环境保护要求较高的地段，可采用钢板桩支护或SMW工法。

对于本工程，基坑开挖深度3．5m，在周边环境空旷段，可采用放坡开挖。该形式具有施工快速、技术操作相对简单的特点。在市政道路下敷管，为避免开挖对周边环境产生影响，可采用钢板桩支护，该形式具有周边环境影响小、占地面积小的特点。

管槽开挖、井点降水对邻近建（构）筑物、地下管线等设施将产生一定的不利影响。施工前必须查清管线邻近的建（构）筑物、地下设施和管线等的类型、结构形式及分布状况，以便采取合适的设计、施工方案和防治措施。施工期间必须由有资质的单位进行监测，根据监测资料及时调整施工方法和施工工艺。

2.2 顶管方案

2.2.1 顶管施工方式的介绍

顶管工法是在地面下采用非开挖技术敷设管道的一种施工方法，它不需要明挖土层，能够穿越江河、公路、铁路、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线。现代城市建筑、公用管线设施和各种交通日益复杂，在市区采用明挖敷设管道，对城市生活的干扰严重，另外，在穿越大型水域、沼泽地带、公路和铁路等障碍物时，用明挖法敷设管道很难实现或相当不经济，在这种情况下，采用顶管法进行城市给排水、电力通讯、市政公用设施等各种管道建设具有明显的优越性。

顶管施工的原理，是用顶管机本体前方刀盘边切削土体，边由后部顶进装置（主顶油缸及管道中继间）将顶管机连同顶进用管一起沿着设计轴线向前推进。被切削的残土，由水力或土砂压送装置送至地面运走，前者称为泥水式顶管，后者称为土压式顶管。当顶管顶进距离增加，顶力增大受到条件限制时，采用润滑剂减阻和中继接力技术。

完整的顶管施工系统大体包括以下几大部分：（1）工作井和接收井：工作井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管机的始发场所，它还是承受顶进推力的构筑物。接收井是接收顶管机的场所。（2）顶管机：顶管机是顶管掘进用的机器，它安放在所顶管道的最前端。（3）顶进系统：由顶进油缸、油泵、操纵台、顶铁和导轨等组成，顶进油缸是管道顶进的动力。（4）推进用管：常用的推进用管有钢管、钢筋混凝土管等。（5）输土装置：是将顶管机开挖的土输送出去的装置，输土装置会因推进方式不同而不同。（6）测量装置：常用的测量装置有经纬仪、水准仪和激光经纬仪，在复杂的顶管中，也用自动测量装置进行测量。（7）注浆装置：通过注浆装置在管道的外周注入润滑浆，可大大减小管道顶进的摩阻力。（8）中继间（中继环）：长距离顶管的辅助顶进装置。（9）供电及照明、通风系统。见图1。

图1 系统示意图

顶管技术是极为重要的一种都市铺设管道的施工手段。采用顶管施工法铺设管道具有如下得天独厚的优势：（1）顶管施工不开挖地面，能穿越公路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过，是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法。（2）顶管施工的适用范围较大，顶管机械的性能适应各种土质。（3）顶管机具设备较简单，后方配套设备均可在国内解决，价格较便宜。（4）顶管施工，尤其是钢管施工，对管材制作的精度要求不高。（5）长距离顶进，在国内外均已普及，采用“中继间”顶进方法，基本可达到不用“中继间”同样的速度，施工速度较快。（6）顶管设备，由于其设备小巧和组合性强，既可用于硬地层和超长距离施工，也可用于其他地层和短距离施工，必要时根据土质条件可扩径使用，故设备使用率高。

表1 各围护形式优缺点及适用性

2.2.2 顶管施工关键技术处理

（1）顶管温度应力控制

本工程顶管的埋置深度不深，温度对它直接影响较大，输送的水温变化同样会产生伸缩。常规解决温差影响的办法有2种：①设置伸缩装置，使管道在温度变化下能自由变形来抵消温差的影响。②以钢管自身的强度来抵抗温差，在钢管计算时考虑这部分温度应力。采用伸缩装置允许变形在某越江工程顶管中使用过，但效果并不理想，部分伸缩装置出现渗漏，最后采用对伸缩装置焊接封闭来解决。本工程经过计算论证，决定采用第2方案，即由钢管自身强度与土体摩阻力来抵抗管道温度应力。同时再采取相应的可靠措施：①减小管道的安装温度与极端温度之间的差值。②穿越井壁处采用螺栓法兰连接。③钢管采用支敦与工作井连成整体。

（2）顶管岩层顶进技术控制

本工程在局部路段顶进过程中可能会遇到风化花岗岩层及孤石，采用常规顶管设备将无法切削，导致管道卡死。为避免出现这一情况，该区间考虑采用特殊措施：①勘察布孔加密，尽量还原区间地下土层的实际分布情况。②顶管机选择合适的刀盘，方便施工质量及进度控制。采用特殊减阻泥浆形成泥浆套，减少顶管顶进的阻力，保证顶进速度。③机头设置气压舱，遇坚硬障碍物，可采用人工出舱清障的方式，保证连续施工。

（3）顶管区间布置

本工程管道主要位于市政道路、绿化带下，其上没有建筑物及其他设施，管顶覆土厚度一般取3倍管径；当需要穿越重要公路、雨污水管线时，则需视其情况适当加大埋设深度。随着顶管施工技术和工艺的提高，顶管的一次顶进长度越来越长，目前国内已建成的长距离钢管顶管DN1600钢管一次顶进的最长距离为1400m。在长距离顶管工程中，施工供电系统、泥浆减阻系统、测量系统、通风系统、运输系统等关键技术系统的要求相应提高，施工中不可预见的因素将增多，施工时间也更长。本工程中一次顶进长度主要根据管道沿线的障碍物情况、施工能力和工程进度要求来综合确定。在平直段一次顶进的长度宜控制在1000m以内。

（4）顶管工作井和接收井的技术方案

顶管用工作井和接收井一般采用沉井、SMW工法、灌注桩+止水帷幕、地下连续墙等形式。沉井法：施工工艺成熟，应用广泛，适用于开挖深度较深的基坑，顶管施工时沉井钢筋砼已达到设计强度，对于需要敞开时间较长的基坑，顶管施工过程中安全系数较高，且造价相对低廉。但沉井下沉时，对周边环境有影响，需通过施工多排保护桩进行隔水及加固，以减小其影响。SMW工法：内插型钢的三轴水泥土搅拌墙+内支撑形成围护结构及止水帷幕，施工时对周边环境的影响较小，结合有足够刚度的内支撑体系，可满足基坑变形要求，但围护结构刚度较小，基坑开挖时变形较大，且型钢拔出时会对周边环境造成影响，不适用于周边环境保护要求较高的基坑。钻孔灌注桩+止水帷幕：施工工艺成熟，钢筋砼钻孔灌注桩+内支撑形成围护结构，水泥土搅拌桩或高压旋喷桩形成止水帷幕，施工时对周边环境的影响较小，钢筋砼钻孔灌注桩刚度较型钢水泥土搅拌墙大，因此，开挖时的基坑变形较型钢水泥土搅拌墙小，但是造价较高。地下连续墙：施工工艺成熟，结构刚度大，基坑开挖对周边环境的影响小，但施工机具的场地要求较大、造价高，见表1。

基坑止水帷幕常规有三轴水泥土搅拌桩和高压旋喷桩，本工程顶管井井位均在闹市及新建景观场地，施工空间受限，三轴水泥土搅拌桩机具占地较大，进出场较为困难，故选择高压旋喷桩（三重管）作为止水帷幕，为保证止水效果，采用双排形式。由于顶管顶力较大，且工作井部分处于土质较软弱的层土中，为保证井体稳定，工作井后背土体需进行加固。出洞口处，为保证顶管出洞安全及初始顶进时顶管机头及管道稳定，也需对土体进行加固。土体加固方法采用质量较易控制的高压旋喷桩。接收井的进洞口处，为保证工具管进洞时的稳定，需对土体进行加固，土体加固方法上，同样采用高压旋喷桩的措施。

2.3 管桥施工方案

管道跨越水闸及地下通道端段采用管桥方式跨越。桩基承台间距小于20m时，采用自承式管道跨越；桩基承台间距大于20m时，采用桁架管桥跨越，见图2，管道敷设于桁架上。管桥的钢管与支架、支墩的支座连接采用鞍式支座。管桥支架、支墩采用现浇钢筋混凝土的结构，管桥支架基础采用钻孔灌注桩基础。

图2 桁架管桥横实例

3 管道施工对周边环境的保护

3.1 开挖施工对环境的保护

通过现场踏勘，局部地段道路下其它市政管线距离本工程管道最近处只有2～3m距离，如果开挖时不对建筑物基础进行保护，则基坑开挖势必对基础产生影响，易造成墙体开裂等工程事故，因此现状管线的保护是管道安全铺设的先决条件。根据当地土质及现状管线的材质和埋深，开挖埋管基坑应采用刚度较强、止水性能较好的拉森钢板桩，桩长为9m，对于本次开挖深度约为3．5m的基坑能有效地保护周边的建筑物及地下管线。基坑开挖时，应充分利用其时空效应，加强对周边建筑物的监测。施工前做好应急预案，施工时精心施工，尽可能去减少对周边环境的影响。

3.2 顶管施工对环境的保护

本工程的顶管施工需穿越高等级道路等敏感性的障碍物，将不可避免地造成地面的沉降和地下土体的移动。为了预估顶管对保护对象的影响范围和影响量，需事先通过理论计算和数值分析，有针对性的采取保护措施和施工控制措施。可采用的措施有：超前注浆加固、MJS加固等。施工时应控制出土速度、加强地面及相关建筑物的监测，做到信息化施工。控制开挖面的土压力和出土量。对顶管机提供的压力进行监控，测定地表沉降、土层变形移动和土压力等，通过参数优化，按测试结果实时调整，修正施工参数，以保持开挖面的稳定。要控制出土量，防止超挖及欠挖，出土控制在理论量的98%左右。控制注浆压力和注浆量。在顶管掘进的过程中，以适当的压力、必要的注浆量和合理配比的压浆工艺，在管道周围的环形空隙中同步注浆和补浆，控制和减小地面沉降的作用。顶管轴线控制。保证顶管顶进中的轴线定位走向与设计轴线尽可能一致，减小纠偏量，有效控制因纠偏对周围土层的剪切挤压扰动，利于控制地层损失。顶进施工参数控制。顶进速度不宜过快，一般初始控制在10mm/min以内，正常控制在20mm/min左右，并根据监测结果进行调整。

3.3 顶管井施工对环境的保护

当顶管井基坑开挖施工时，不可避免对周边环境造成影响。本工程部分区间的顶管用于过防潮堤，顶管井布置于堤岸两侧。因此，顶管井基坑施工时，需对防潮堤进行计算分析和相应保护。根据土力学理论及相关工程经验，顶管井施工周边的土体破坏范围为，其中L为破坏范围，H为开挖深度，为土体内摩擦角。因此，可初步确定顶管井与防潮堤的相对距离。在上述初步确定井位距离的基础上，采用岩土工程有限元软件作进一步的影响分析，见图3。土体本构模型采用能反映土体变形的非线性弹塑性模型—硬化土体模型（Hardening soil model），以下仅选取一例分析模型进行说明。图4中，工作井的深度为15m，海岸由防潮堤构成。通过计算发现，进行堤岸预加固后，顶管井的设置距离超过一倍井深时，即使井周边土体沉降较大，仍可确保防汛墙的安全，其位移不超过1cm。

图3 顶管井基坑开挖施工周边土体位移云图

图4 顶管井周地表土体沉降曲线

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