既有通水环境下顶管对接施工关键技术研究

朱月平

（上海建工集团股份有限公司，上海 200080）

0 引言

在城市水利水务排水管道提标改造过程中，由于新的管网系统未完成，为保证城市管网系统的正常运行，通常要求在保证已建管网系统不断流通水条件下，进行新的管网施工［1］。而在既有通水环境下进行新老管井连接施工，同时确保新管的施工便利及老管网的运行安全，是今后进行新一轮水利系统改造不可避免的难题和挑战。

本文以汉阳排水系统二期工程-HY 1.2 标φ3 000 顶管工程管井对接工程实例，详细介绍了在通水环境下，管井对接施工主要流程和控制要点，对管井对接的关键问题进行总结分析。

1 工程案例

1.1 总体概况

汉阳排水系统二期工程-HY 1.2 标范围为东大名路（新建路～公平路）合流总管、公平路（泵站～东大名路以北联合顶管井）合流管和截流管，管道长约 1 600 m，以及新汉阳泵站土建改造及设备采购安装。泵站位于黄浦江北侧、公平路西侧，雨水设计排水量 18.5 m3/s 排入黄浦江，污水截流设计排水量 0.8 m3/s 提升至新建污水截流管流入市政污水管网。

本工程新建合流总管约 1.6 km，管径Φ600～4 000× 3 000mm，其中泵站进水管为 4 000 mm×3 000 mm～ 4 000 mm×2 400 mm 箱涵，长度约 193 m，原老合流管位于新建合流管北侧，部分新建合流管管位于老合流管，新建合流管顶管施工时需破除部分老合流管，其余老合流管均需保留；新建截污管约 290 m，管径为 φ1 200；主要采用顶管和开槽埋管施工。

本段顶管位于东大名路公平路上，从东大名路以北 100 m 公平路上的联合工作井向南至东大名路公平路路口南侧公平路上 GP-H-03-03 接收井，顶程全长 109.2 m，管径为φ3 000，管道中心标高为 -3.60 m～ -3.73 m，覆土深度为 4.5 m 左右，整个顶程为先直线后曲线顶管，直线段长度为 68.84 m，曲线段长度为 40.43 m，曲线半径为φ800，采用“F”型钢承口式钢筋混凝土管。

由于联合顶管工作井施工区域涉及 7 根电力排管搬迁事宜，且无法进行施工，管线初步搬迁时间定为2018 年 4 月中旬。为达到上级单位要求东大名路及公平段南段管道 5 月 30 日前发挥通水功能，本着达到通水节点目标，经各方领导商量建议东大名路及公平路段先行通水，待φ3 000 顶管有条件施工时采用在通水条件下与接收井进行地下对接。工作井及接收井结构概况如表 1 所示，工程总体平面图如图 1 所示。

表1 顶管工作井、接收井情况

图1 工程井管连接平面示意图（单位：m）

1.2 工程地质情况

根据勘察资料，拟建施工区潜水水位为地面下0.8～1.6 m，标高为：1.03～2.41 m。主要土层为①杂填土、②1黄～灰黄色粉质黏土、②3灰色砂质粉土、③灰色淤泥质粉质黏土、③T灰色砂质粉土、④灰色淤泥质黏土。顶管主要穿越③T砂质粉土层，底部少量区域穿越③淤泥质粉质黏土层。

2 顶管对接施工重点难点及针对性措施

2.1 主要难点

2.1.1 既有围护钻孔桩的凿除及邻近结构井的保护

新建顶管和既有老井的连接对接时，由于老井及其围护已经施工完成，在顶管施工至老井位置需破除既有老井的钻孔桩围护及结构。在钻孔桩围护破除期间顶管顶进难度大，同时还需做到对老井既有结合的保护及止水措施。

2.1.2 通水条件下顶管的接收连接

在接收井通水条件下进行顶管的接受与连接，在之前工程中从未实施。接收工作难度和风险较大。

2.2 针对措施

针对老井既有围护钻孔桩的破除，结合现场实际情况，充分考虑顶管顶磨和人工凿除的两种结合方案。施工过程加强对临近既有结构的成品保护，并事先准备好双液注浆设备，如在凿除时发生局部渗漏时立即注浆堵漏。

在通水条件下顶管的接收连接，首次采用变径式钢套筒，将钢套筒浇筑在接收井内衬结构内，并做好端口的闷头封堵。通水环境下钢套管接收如图 2 所示。

图2 变径式钢套筒顶管接收示意图（单位：cm）

3 顶管对接施工关键技术

3.1 对接工艺施工总体流程

顶管对接工工序繁多，结合工程地质特性，前期进行顶管机头选型及改造。对接主要施工流程如图 3 所示。

图3 顶管对接施工主要流程图

3.2 顶管机头选型改造［2］

本工程顶管机型采用条幅式土压平衡掘进机，机头前方刀盘增加钨钢刀与先行刀，壳体预留注浆孔。当遇到管线及障碍物时，便于切削及碾磨障碍物。为了机头与管材连接牢固，机头后 3 节管增加环形预埋铁，与机头用螺栓联接。同时整段顶管管节按每隔 1 节设置注浆管，以便随时进行注浆加固，如图 4 所示。

图4 顶管机头及注浆改造示意图

主顶系统由油缸组、液压泵站、钢后靠、基坑导轨和顶铁等组成。主顶进系统采用 8 台 2 节等推力主顶油缸，排架采用双拼槽钢及导轨制作而成。导轨定位后必须稳固、正确，在顶进中承受各种负载时不位移、不变形、不沉降。在顶进中必须经常复测调整，以确保顶进轴线的精度。

3.3 机头管内设备拆除

由于φ3 000 顶管机头距钢套净距为 30 cm，且工程顶管顶进过程中机头刀盘磨损严重，已无法继续切削钻孔灌注桩，因此采用人工破桩。在人工破桩前需对机头及管道内设备陆续拆除，同时位于联合工作井东侧还需对φ1 200 顶管进行施工，因此必须先对联合工作井内φ3 000 顶管设备事先拆除，给东侧 φ1 200 顶管预留施工空间。先后拆除齿轮箱和刀盘如图 5 所示。

3.4 机头停靠位置进行二次加固

本工程φ3 000 顶管机头位处接收井洞口高压旋喷桩及钻孔灌注桩（25 cm）内，由于机头在加固区域及钻孔灌注桩内磨进，人员又将进入机头前方进行钻孔灌注桩凿除及机头对接施工，考虑可能会有地下水及泥土涌入机头内部，因此决定需事先对机头停滞区域内土体进行二次注浆加固。

图5 顶管齿轮箱及刀盘拆除顺序示意图

本次机头停滞区域土体二次注浆加固采用机头前后两段预留的 12 只注浆孔及机头正前方预留注浆孔向管道正前方及管壁外侧土体注水泥浆方法，42.5 级新鲜硅酸盐水泥掺量为 20 %，注浆压力控制为 0.2 MPa，注浆时采用专业拌浆筒及压浆泵在管道内施工作业。

注浆加固依次顺序为：首先对机头正面土仓上方预留的注浆孔向刀盘前方注浆加固填充，尽可能使水泥浆液填满机头前方空隙，并向机头侧面流入；其次再利用前段机头预留的 6 个注浆孔（见图 4）进行机头侧壁向外注浆，注浆时为确保每个注浆孔能够充分利用，采用跳孔注浆法；最后在利用机头后段预留的 6 个注浆孔向机壳外侧注浆施工。

待所有注浆施工完毕后，为确保土体加固注浆有效时间，停滞 1 周左右再开始进行土仓开洞切除，人工破除钻孔灌注桩施工。

3.5 钻孔桩清障

当机头内所有设备拆除完成后，进行人工凿除钻孔桩。首先在凿除之前在机头内对灌注桩进行水平人工探孔，观察水位具体情况，如发现渗漏点水量较大，及时采用双快水泥、棉花胎进行堵漏，直到无渗漏点。

灌注桩分 3 次粉碎性凿除，凿除顺序从上往下1→2→3（见图 6），操作人员利用空压机进行灌注桩凿除，由两边往中间进行边缘凿除作业，操作前需搭设脚手架。

当灌注桩凿除时，一边凿除一边进行钢圈烧焊填充（现场准备满钢圈长 1 000 mm，外直径 3 690 mm，厚8 mm 的钢圈（见图 7～8）。钢板大约分 10 块烧焊连接而成，具体大小根据现场实际凿桩的位置大小而定。按顺序凿除完成后，则机头与钢套筒烧焊连接完成。

图6 灌注桩凿除示意图（单位：mm）

图7 满钢圈效果图

图8 对接钢圈烧焊示意图

3.6 机头对接套管连接及内衬制作

与接收井的对接在接收井通水条件下进行，首先在制作接收井井壁时要预留好钢套筒。钢套筒加工及闷板制作工艺如下：钢套筒尺寸制作为总长 73 cm，筒体做成内变径形式，与机头连接处为φ3 900，长 45 cm，前端为φ3 200，长 28 cm，端部设有内法兰及钢闷板一套（内法兰螺丝螺帽材质为不锈钢），如图 9 所示。外钢闷板外径为φ3 200，共 48 个螺孔，螺纹为 M 22，闷板中制作一个宽 1.2 cm、深 0.7 cm 的密封条槽。

图9 套筒加工图与机头与钢套筒连接效果图（单位：mm）

套管连接首先确定接收井预留洞口的具体位置，以工作井与接收井顶管轴线进行洞口放样，然后以洞口中心位置为基础，放出 DN 3 900 钢套筒大头位置。将钢套筒定位及安装（灌注桩现凿除1/3，拔出钻孔灌注桩钢筋，将其竖向钢筋与钢套筒外侧焊接牢固）完成后，在钢套筒下方制作牛腿支撑，将钢套筒安装固定在φ3 000 顶管预留洞口内，最后再将钢套筒一并浇筑在检查井内衬中（北侧内衬墙身厚度约为 58 cm，其余三侧为 40 cm）。

当套管周围有漏水状况时，立即从机头向外注入双液快凝浆液，浆液配合比如表 2 所示，以便及时填充因机头磨削土体产生的缝隙，从而阻止土体流失，减少对周围环境的影响，以及对洞口上方管线起到保护作用。如有渗漏点，采取聚氨酯遇水膨胀液进行快速止水保护措施，确保周围土体无渗漏点。

表2 浆液配合比

同时，在机头进入套筒后，利用机头上预留注浆孔向外注入水泥浆，将机头与套用间隙填充，根据地面沉降及土仓压力判断分析，必要时采用打土泵向机头外侧四周注土填充。

机头与钢套管连接烧焊完成形成整体外壳后，其内部按照设计图纸要求进行钢筋绑扎及模板制作，在浇筑前对内衬钢模板进行支架搭设支撑，防止模板变形及浇筑过程中模板塌落，待模板牢固后，最后进行与管节同等级配的混凝土浇筑施工。由于管节内衬为圆形结构，需与后方混凝土管节内壁浇平，本次内衬浇筑分为 3 次浇筑完成。第一次从底部向上浇筑至管道 2/3 部分；第二次依次向上浇筑，留下管顶 40 cm 区域；第三次混凝土浇筑（见图 10）。每层浇筑后从下至上依此振捣，最后顶部填充混凝土振捣完毕后封模养护。

图10 连接内衬浇筑示意图

3.7 顶管段浆套固化

由于本段顶管施工时遇地下木桩，清理障碍并顶进时已造成路面及管线等建（构）筑物有沉降现象发生，同时所穿越公平路通车道路下方土体事先已被扰动过，已造成一定沉降影响。在顶管施工完成后，应及时利用触变泥浆压注孔对管道外的触变泥浆护壁进行纯水泥浆置换，从而可有效减少管道的后期沉降。

使用的泥浆置换材料为纯水泥。通过管道内部的压浆孔压注，本段顶管带注浆孔管节为 1 节间隔 1 节布设，注浆顺序为从机头前方开始至最后 1 节管道，注浆前需对管道前后洞口缝隙进行封堵，再依此注入水泥浆液，待前节管节注浆时开启后节管节注浆伐，直至后段管节有水泥浆溢出，前节管节停止继续注浆，换至后节管节进行注浆，注浆方法依次类推，直到全线完成置换。

3.8 闷板吊出

对接完成后进行闷板吊出，在闷板上设置安装一个 2～3 寸的放水阀，拆除闷板前有潜水员潜入水中打开放水阀，减少水中的气压，使两侧处于平衡状态，然后进行水下拆卸、切割与吊出。因法兰闷板尺寸为φ3 200，检查井井口大小为 1 000 mm×1 000 mm，法兰闷板需进行切割后方可吊装。考虑到切割在南段管道已通水的条件下，潜水员下井作业前需对井内空气进行检测，检测合格后潜水员方可下水进行切割作业，分为 5 块切割吊装。

4 对接安全控制关键技术

4.1 管道通风措施

因管道内部设计机头切割机大量焊接工程，人工需在机头前端长时间作业，管道内通风采用轴流风机进行空气置换，施工过程需加强管道通风措施。本工程选用 11 kW 轴流风机，最大排吸空气流量为 520 m3/h，设置于井口进行空气置换。

4.2 气压仓应急措施

本工程涉及人工凿桩及机头前方切割施工，为确保机头前方人员作业安全，需现场备用气压仓作应急使用，气压仓如需使用可设置在工作井洞口内处，现场准备好压力表、空气打压泵等相关辅助设备材料。

4.3 周边环境监测控制

由于周边环境复杂，且对接工程难度风险大。在对接施工前，由第三方专业监测单位进行布点监测。对接施工过程做到信息化施工。

5 对接实施效果

通过采用钢套管接收工艺，过程中对关键节点控制，本工程于 2018 年底顺利安全地在通水环境下对接施工完成。取得了良好的效果，如图 11 所示。

图11 顶管对接现场实施效果图

6 结语

本文以汉阳排水系统二期工程-HY1.2 标顶管对接工程为背景，结合本工程φ3 000 大直径管井原位通水对接连接施工技术研究同时兼顾实际施工的工况衔接，做到安全、经济、合理。主要成果如下：

1）针对大直径顶管与既有老井原位通水条件下对接连接，采用了对接钢套管接收连接的工艺与施工方法，确保了在老井正常通水条件下的对接施工，大大缩短了工期节约了成本。

2）针对大直径管井通水条件下对接施工过程中的清障工艺、加固及止水控制、内衬施工及对接安全控制的关键施工要点及难点进行了详细分析总结，确保了对接施工的安全和质量，为以后类似工程施工提供了一定的借鉴作用。