顶管工程施工方案的优化

杨 靖 葛明坤 陈新洋

(1.昆山市水利建筑安装工程有限公司，江苏昆山 215300；2.苏州市水利建设监理有限公司，江苏 苏州 215100；3.昆山市城建发展建筑设计院有限公司，江苏 昆山 215300)

1 工程概况

苏州工业园区金鸡湖及周边区域水环境综合治理工程是苏州工业园区重大民生工程，其功能是将阳澄湖优质水源引入金鸡湖及周边区域水体，新建泵站增加水体流动，在水域口门设置控导建筑物来控流截污，从而改善园区金鸡湖及周边水环境，避免金鸡湖水域大面积蓝藻暴发。

由于在引清通道木沉港河道过娄江位置形成水系交叉，需设计水立交工程，在娄江河下部布设一个引清水道。在娄江两侧布设始发井和接收井两个沉井之间，布设两道直径3.2m钢顶管，两端布设暗埋箱涵与木沉港和22号河道相连(见图1)。

图1 娄江水立交工程平面

2 工程地质资料

工程场地最大勘探深度为40.50m,揭露的地基土层按地质时代、成因类型、土性的不同和物理力学性质的差异，主要土层由上到下分为7个大层(见表1)。

表1 土层主要物理力学指标

①-1层填土：灰黄色为主，以素填土为主，成分以粉质黏土为主，含少量粉土，厚度一般为0.7～4.5m，局部为杂填土，含有少量生活垃圾及建筑垃圾。

②层灰黄色黏土：厚度一般为0.8～1.7m，呈可塑—硬塑状态，底部稍软，中等偏高压缩性，主要分布在立交地涵南段陆域。

③层暗绿—灰黄色粉质黏土：呈可塑—硬塑状态，中等压缩性，厚度一般为0.6～5.0m。

④-1层灰色砂质粉土：厚度一般为2.5～5.0m，夹粉质黏土、黏质粉土及粉砂，土质不均匀，中等压缩性，普遍分布。

④-2层灰色粉细砂：上部中密，下部密实状，厚度一般为6.5～11.0m，中等压缩性，普遍分布。

⑤层灰色粉质黏土：普遍分布，厚度一般为1.8～8.0m，含有机质，夹薄层粉土，土质不均匀，呈软—可塑状态，中等偏高压缩性，普遍分布。

⑥层灰色粉质黏土：普遍分布，厚度一般为1.2～6.0m，含有机质，夹粉土薄层，混泥钙质结核，切面有光泽，韧性中等，中等干强度，普遍分布。

3 顶管设计

水立交采用两根DN3200管道穿越娄江和312国道，顶管单根长度252m，穿越娄江距离约75m，穿越312国道约60m，管道间距4.4m。钢管壁厚35mm。引水管采用分段焊接工艺连接，顶管两端分别设置工作井和接收井。顶管位置处于④-2粉细砂层，高程范围为-8.8～-12m，设计管道中心高程-10.4m。施工图采用泥水平衡顶管施工方案，顶管设计总顶力为22400kN,工作井后背墙允许最大荷载为12000kN。设计在中间位置各设置一中继间。

本工程工作井地面高程2.6m，地下水位2m，土体天然重度为19kN/m3,浮重度为9kN/m3。管道穿越娄江，江底最深处淤泥面高程为-2.65m，覆土厚度最小为6.15m。

4 顶管施工工艺流程

顶管施工工艺流程见图2。

图2 顶管施工工艺流程

5 方案优化

考虑到管道为直线，且只有252m，可采用多种技术手段来减少管道的摩擦阻力，从而达到取消中继间的目的。

5.1 顶力计算

根据中国工程建设标准化协会《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246—2008)12.4.1管道总顶力按下式估算：

F0=πD1Lfk+NF

式中F0——总推力,kN；

D1——管道的外径,m；

L——管道设计顶进长度,m；

fk——管道外壁与土的平均摩阻力,kN/m2,查表采用触变泥浆钢管为3.0～4.0；

NF——顶管机的迎面阻力,kN，查表泥水平衡顶管机NF=π/4Dg2γsHS=3.14/4×3.3×3.3×(19×2+(19-10)×(10.4+2.6-2))=1171kN；

F0=πD1Lf+NF=3.14×3.27×252×3.5+1171=9056+1171=10227kN。

计算证明，采用减阻泥浆套方案可以取消中继间。

5.2 施工主要技术措施

5.2.1 扩孔

本工程顶管施工机械采用NPD-3200型泥水平衡顶管机，顶管管道外径为3270mm，按照管道外侧扩孔15mm进行设备改造，实际孔道成孔直径为3300mm，以减少钢管道的土体摩擦阻力。

5.2.2 布设注浆孔和补浆孔

本工程每节顶管长度为7.2m，计划每节管道设置一组压浆孔，即纵向间距7.2m，每组压浆孔在同一横截面上设置3个，与钢管圆心成120°角，底部不设注浆孔(详见图3)，底部的泥浆由两侧注浆孔注入后自动向下流动，使管道外侧形成环形闭合的泥浆套，同时每隔50m设置一组补浆孔，以便在减阻泥浆因时间过长失效后进行有效补浆。

图3 注浆孔布置

5.2.3 减阻泥浆

将纳基膨润土、水按质量比1∶3制成减阻泥浆，考虑到本工程④-2为粉细砂层，同时掺入纯碱、羧甲基纤维素(CMC)等化学稳定剂进行有效减阻。最终试验配合比为纳基膨润土∶水∶纯碱∶CMC=24∶76∶0.8∶0.8，泥浆比重为1.17，黏度为80s，静切力为21Pa，pH值为9，稳定性达到静置24h无离析水的要求。

5.2.4 连续施工

采用连续不间断施工工艺，每班计划8h，完成一节管道的顶进和焊接，防止间停时间过长泥浆套减阻效果变差。

5.2.5 增加后背墙刚度

设计采用钢筋混凝土沉井井壁作为后背墙，后部用高压旋喷桩进行了地基加固，设计后背墙承载力为12000kN。为确保背墙受力均匀，避免局部受压破坏，在顶管施工前在钢筋混凝土后背墙前增设35mm厚钢板(平面尺寸5×5m)作为支垫，以分散千斤顶的压力。

5.2.6 水泥浆置换

顶管施工完成后，对已形成的泥浆套的浆液进行替换，替换浆液为掺入一定量粉煤灰的水泥砂浆，采用螺杆泵作业，浆液凝固后(一般为24h)拆除作业管路换上封盖封堵，并对周边进行必要的防腐处理。

6 顶力检测与分析

6.1 顶力检测

本工程采用5台千斤顶进行工作，每台千斤顶顶力为2500kN/台,合计12500kN。通过减阻方案施工，过程中加强对液压泵站压力表的观测，根据标定证书推算管道的摩阻力。

通过前100m的顶进观测，认为本方案可行，可以不用中继间，最终观测顶进泵站油压表最大读数均是35MPa，实际最大顶进阻力为8750kN。实际顶进作用力比计算要小。

6.2 效果分析

经过多年施工实践，影响顶力的主要因素是土的性质、管道材质和施工技术水平高低，具有一定的波动性和误差；扩孔后形成厚土拱，土压力对孔道影响不大，工程实践证明管道顶力与覆盖土层厚度无关。

通过方案优化，减少了中继间2套，约40万元，增加减阻措施费10万元。最终方案优化节约工程造价30万元。