景德镇昌江防洪大堤段顶管施工工艺研究

熊 林

(江西省水利水电开发有限公司，江西 南昌 330000)

1 概述

施工工艺对工程建设质量具有十分重要的影响[1-2]。合理制定施工方案可保证工程施工进度、建设质量，节省工程投资，增加施工安全保障[3-4]。顶管施工占用地面面积小，对临近建筑物影响小，在城市管道施工中较为常用，但其施工难度较明挖法高，因此，需要更加注重施工方案的编制工作，编制施工方案需要综合考虑环境、工期等因素[5-6]。目前，已有较多的管线工程采取顶管施工工艺，并取得了良好的效益。游玲峰[7]结合连江县塘坂引水二期工程，对顶力影响因素进行分析，认为覆土层高度、顶管外径、内摩擦角、地下水位均对顶力产生一定影响，在实际工程中应当充分考虑以上因素；李永彪等[8]结合滇池外海北部水体置换通道改造工程研究了非爆破开挖掘进顶管施工技术，认为静态破碎法在污水段掘进效果较好，劈裂法在有水面施工效果良好；鄢亚军等[9]分析了三种非开挖施工工艺对海塘的影响，并确定了不同施工工艺的影响范围。根据前人研究成果可知，管道工程安全受到多个因素影响[10-16]，在施工过程中应当充分考虑摩阻力对顶管质量和工期的影响。

2 工程概况

工程为景德镇市城市供水水源(樟树坑)工程—过昌江顶管工程(BK0+093.394—BK0+310.651)。该段管线原方案拟采用沉管穿越昌江，但考虑到防洪堤为新建防洪堤，采用开挖施工对防洪堤安全存在一定隐患，根据设计要求，该处过防洪堤采用顶管施工。本工程拟在第四水厂取水泵房东北侧兴建工作井一座，在昌江防洪大堤东侧兴建接收井一座，顶管从工作井出发至接收井结束。工作井开挖直径13.0m，开挖深度约27.2m；接收井开挖直径7.4m，开挖深度约26.0m；顶管长度约233m，管径1.4m。如图1所示。

图1 过昌江顶管工程平面布置图

3 工程施工难点分析

该段工程施工主要有以下难点：

(1)工作井场地狭窄，井的北侧为民房，井的西南侧为第四水厂的取水泵站，东侧为沿江路，施工布置困难。施工时需避免对泵房基础造成破坏，避免损坏民房，并加强民房的安全监测[10-12]。

(2)工作井东侧的沿江路宽度无法施工道路要求，需从第四水厂厂区内沿取水泵房修建施工道路至工作井平台，道路纵坡达10.8%，相对较陡，且施工道路第四水厂厂区经过，交通的安全隐患较为突出。

(3)工作井和接收井均为深基坑，开挖深度分别为27.2m和26m，施工时安全风险较大，需对基坑采取支护措施，并做好降排水工作。

(4)根据地勘报告工作井开挖到20.78m高程时进入中风化岩，中风化岩的单轴抗压饱和强度为21.12MPa，中风化岩层开挖厚度约13m，开挖难度较大。接收井开挖至约18.94m高程遇圆砾层，圆砾层厚度约2.9m，且该地质层透水性较大，需做止水封堵处理。

(5)接收井位于昌江防洪大堤压浸平台，施工时为避免对昌江防洪大堤造成破坏，需考虑接收井开挖时对大堤的影响；顶管穿越河床时，需做好止水及封堵措施，防止大堤基础因为顶管施工遭到破坏。

(6)顶管需穿越河床基岩，由于地质条件的不确定性，施工中不可遇见性风险较突出。

4 顶管施工方案

4.1 工作井、接收井施工工艺

工作井施工工艺流程：施工准备→启沉基坑开挖→素砼垫层→沉井制作→拆模拆脚手架→第一次沉井下沉→沉井制作→第二次沉井下沉→第Ⅱ层开挖→第Ⅱ层井壁混凝土浇筑→第Ⅲ层开挖→第Ⅲ层井壁混凝土浇筑→……→末层开挖→末层井壁混凝土与底板浇筑。

接收井施工工艺流程：施工准备→启沉基坑开挖→素砼垫层→ 沉井制作→拆模拆脚手架水→第一次沉井下沉→沉井制作→第二次沉井下沉→第Ⅱ层开挖→第Ⅱ层井壁混凝土浇筑→第Ⅲ层开挖→第Ⅲ层井壁混凝土浇筑→……→末层开挖→末层井壁混凝土与底板浇筑。

接收井施工工艺流程与工作井施工工艺流程相比，所不同是在井壁外围增设了高压旋喷桩，这主要是由于接收井地下水位高，且中下部存在流砂层，根据设计要求，在井外周边增设高压旋喷桩进行截渗；考虑到接收井开挖到17.1m才遇到圆砾透水层，为安全起见，先做沉井施工，到渗水层再做高压旋喷桩施工拦截。

工作井布置按工厂加工管长为6m设置，顶管工作井内部平面图如图2所示。

图2 顶管工作井内部平面图

4.2 顶管施工工艺流程

根据场地工程条件，采用泥水平衡式顶管施工。在施工过程中，利用千斤顶推力推动管道前进。在前进过程中，利用顶管机刀盘切削岩土体，并将土体挤压值泥土仓中，利用刀盘的转动使其与泥浆混合，通过排浆管排出机头[13-16]。

使用泥水平衡顶管施工是，需要确保开挖断面的稳定，注入泥水输送仓中的泥水需要保证一定的压力，使得泥水在挖掘面上形成泥膜，利用泥膜的不透水性，阻止泥水向开挖断面的渗漏。同时，泥水自身的压力也有利于维持地下水压力、土压力的平衡。顶管施工工艺流程如图3所示。

图3 顶管施工工艺流程

4.2.1顶进放样

工作井施工完毕后，采用联系三角形方式将井位控制点引入井内，如图4所示，便于辅助顶进设备安装、顶进导线定位以及顶进过程中激光经纬仪校准和高程复测。

图4 联系三角形方式引入控制点

4.2.2顶管机进洞、出洞方法

过防洪堤段管道埋深较深，一次顶进距离长，因此，洞口的密封要求较为严格。若密封不牢靠，易造成地下水、泥沙汇入工作井，造成地面塌陷，甚至影响周边建筑安全，同时也会造成泥浆流失，影响施工进度和质量。

为确保顶进时和顶进完成后洞口密封可靠安装两套止水系统装置，止水橡皮厚20mm。密封示意图如图5所示。

图5 密封示意图

顶管接收井进洞措施：在顶管掘进机接近洞口100m时，复核轴线及高程，无误后，做好接收准备工作，待完全上架后按设计对进洞管段采取永久性止水封堵。

4.2.3顶进及注浆系统

(1)顶进系统

主顶进系统总推力8000kN，由4只2000kN双冲程推力油缸组成。油缸中心位置须与设计图一致。油缸中心误差不能大于10mm。

(2)注浆系统

根据前人研究可知，摩阻力对顶管施工具有较大的影响。采用泥水平衡施工时，完整的泥浆套是降低摩阻力的重要措施，为确保顶管外壁能形成良好的泥浆润滑套，通过试验，在前端钢管每节管道设置3个注浆孔为宜，注浆孔按照梅花型布置，确保前端浆套快速形成。过防洪堤段顶管工程共设置2根总管，2套管路系统。分别用于同步注浆和补浆。根据设计要求，泥浆采用膨润土触变泥浆，在地面配制完成后，利用液压泵传送至输浆总管。其中一根总管传输至储浆后，采用螺杆泵传输至机尾同步注浆口，另一根则传输至管节上的环形分管的注浆孔，不断补充泥浆，以保证泥浆套的完整性。

地面储浆箱外形尺寸L×B×H=2m×1.5m×1m=3m3，机内储浆箱外形尺寸L×B×H=2m×0.8m×1m=1.6m3。膨润土需充分搅拌，搅拌时间不得小于30min，传输至储浆箱内需发酵不小于6h，之后方可使用，使用前需在储浆箱内将泥浆再次搅拌均匀，以减少阻尼。

泥浆减阻是长距离顶管施工的重要环节，施工过程中，若润滑泥浆在管道外侧形成完整的 泥浆套，则将大大减低摩擦力。一般情况摩阻力至1～3kPa。综合考虑，每节管段设置3只补浆孔，并配置独立阀门控制。

5 结语

景德镇城市供水水源工程穿昌江新建防洪堤采用顶管施工。结合该顶管施工工程，分析了工程实施难点，结合工程条件，选取了泥水平衡顶管施工。从工作井、接收井施工，顶管施工流程、方案等方面对其施工工艺进行简要分析。顶管施工应当充分考虑摩阻力的影响，以该工程为例，通过设置注浆孔，保证泥水平衡顶管施工过程中泥浆套的完整性，本工程设置3个补浆孔，具体数量应当结合施工区地质条件综合确定。可为类似穿越既有建筑物顶管施工工程提供参考。