试论厦门市集杏海堤原水管渠迁改工程过海管道顶管技术的应用

摘要：本文笔者结合工作实际，对本项目工程中顶管技术的应用进行了分析，期望能给同行有所借鉴。

关键词：顶管技术；设备配置；顶力计算；施工

1、概况：

建于上世纪五十年代的厦门集杏海堤工程，是鹰厦铁路、海湾大道、九龙江北溪引水干渠等的通道。由于海堤的建设，使得杏林湾的海水流通不畅，水质恶化，海滩淤积，影响了周边的环境。为了改善杏林湾的生态环境，市政府计划在公铁大桥建成后，在园博园至厦门大桥集美互通间局部拆除集杏海堤。因此，原来设在海堤上的引水干渠和管道必须改造，海堤拆除段的引水干渠、特供管需设置管道在集杏海堤的北侧（内侧）水域的地下通过，两端与原来的引水干渠，特供管或北引水大池连接。根据设计图纸，工程采用的是推介方案即顶管法结合明挖浅埋的施工法案。（即原引水干渠段设置2根DN2600的钢管，中心距5.2~15.0m；原特供管设置1根DN2000的钢管）。

2、顶管技术在该工程施工中的应用

2.1顶管工具管进出洞地基加固

为了确保施工顺利进行，必须对顶管机进、出洞沉井外侧土体进行加固，本工程采用高压旋喷桩加固土体。旋喷桩桩直径为φ800mm，需要钻进到顶管顶进位置进行浆体施喷，采用双重管高压旋喷机施工。土体加固范围横断面为顶管进、出洞口上下左右周边各2.5m宽度，纵断面为洞口外顶进线路上2.5m长度。

2.2顶管工具管选型

本工程的顶管特点是：从地质、水文条件看，顶管断面绝大部分分布在粘土、淤泥、淤泥泥砂、中粗砂土层、残积砾质粘性土，地下水位高，从顶进长度看，三根管道顶进818.7m、805.2m、及763.9m，顶进距离长。

为适应本工程的特点，本工程选择泥水平衡顶管机。

泥水平衡式工具管是全断面钻削式掘进机，分前后两段，前端的端都是刀盘，其后是格板，将前段分成两部分，格板的前方是泥水舱，承受泥水压力，后方是动力舱，处于常压。以泥水压力来平衡土压力和地下水压力，又以泥水作为输送弃土介质的机械式工具管。

2.3顶管施工设备配置

⑴顶进系统

1工作井及2工作井每个主顶装置均为四只千斤顶，分两列布置，主顶千斤顶为单冲程千斤顶，总行程为1.1m，主顶千斤顶每只最大顶力为3000KN，主顶最大总顶力可达12000KN；实际施工时应控制油压。各油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心来进行辅助纠偏。

⑵出泥系统

出泥系统采用TSWA150×9级高压水泵抽水，并采用6寸管输送高压水。高压水送至工具管尾部后一路输送至顶管掘进机尾部水力机械设备。

由于本工程为长距离顶管，当在施工时随顶进距离的增加管道内进水、出泥效率差时，可在进水管路中串联增压泵，及在排泥管路中串联排泥泵接力。并先将泥浆排入工作井内的泥浆箱中，然后再启动渣浆泵或备用水力机械进行二级提升。

泥水系统包括泥水输送（平衡）系统和泥水处理系统两大部分。

①泥水输送（平衡）系统：该系统具有两大功能，一是通过加压的泥水来平衡开挖面的土体，二是将刀盘切削下来的土体在泥水压力室中混合通过泵经泥水管路输送到地面。

②泥水处理系统：该系统的主要功能是通过泥水处理设备，将多余的泥水进行分离、排渣，并将泥水的比重和粘度等指标调整到比较合适的值，通过送泥泵将其送回到顶管机中重复使用。主要采用泥水分离装置、泥水沉淀池和泥水处理再生池。

⑶泥浆系统

①泥浆减阻

用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要环节之一。在顶管施工过程中，如果注入的泥浆能在管子的形成一个比较完整的浆套，则其减摩效果将是十分令人满意的，一般情况摩阻力可由12～20KN/m2减至3～5KN/m2。本工程采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式进行减阻。

②泥浆置换

顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压住。压浆体凝结后（一般为24h）拆除管路换上封盖封堵，并进行局部防腐处理。

③注浆设备

符合物理性能要求的泥浆用BW-200压浆泵通过总管、支管、球阀、管节上的预留注浆孔压到管子与外管土体之间，包住钢管。

⑷组合密封中继间与自动控制系统

长距离顶管中，随着顶进距离的增长，仅依靠后座顶进系统无法满足顶力要求，这时必须采用管道内设中继间接力顶进。

①组合密封中继间

如何在顶进中对中继间损坏的密封装置进行有效调换是长距离顶管的关键技术之一，本工程中继间采用组合式密封中继间，其主要特点是密封装置可调节、可组合、可在常压下对磨损的密封圈进行调换，从而攻克了在高水头、复杂地质条件下由于中继间密封圈的磨损而造成中继间渗漏的技术难题，满足了各种复杂地质条件下和高水头压力下的超长距离顶管的工艺要求。

组合密封中继间先后应用于多项重要工程中，有砼管顶管工程、钢顶管工程，有在海底下施工、在中细砂中穿越或在水压0.3MPa下施工。

②中继环的布置

经过计算，实际中继环按以下原则布置：

本工程2、3顶管第一道中继间（A环）布置在离工具头20m处，第二道（B环）布置在离第一道中继间35m处，其余长度范围内按照每隔70m布置一道中继间，2顶管布置12道中继间，3顶管布置12道中继间。1顶管第一道中继间（A环）布置在离工具头50m处，第二道（B环）布置在离第一道中继间40m处，其余长度范围内按照每隔90m布置一道中继间，布置8道中继间，也可以根据顶进情况确定具体的中继间数。其余中继间的布置考虑了一定的安全系数。每道中继间安装20只350KN油缸，合计最大顶力7000KN，额定顶力为5600KN，中继间设计允许转角1°。中继间可通过径向调节螺旋丝自由调节，在圆角方向可以根据需要局部或整体调节，具有良好止水性能，每道中继环安装一套行程传感器及限位开关与DK-20自动控制台相连。由于本工程为长距离顶管，中继环可联动操作。

⑸通风系统

在长距离顶管中，通风是一个不容忽视的问题，它直接影响至管内工作人员的健康。抽风采用抽出式轴流风机安装在距掘进机12～15m处，中间设接力轴流风机，向管道外排出浑浊空气。

⑹通讯

管内通讯与工作面现场通讯采用HE系列自动电话总机，用程控电话机互相联系。电话设置在空压机房、压浆棚；各工种间、中控室、办公室、掘进机、每道中继环、工作井内。

⑺供电系统

建设单位提供800KVA市电至工作井区域，但在顶管施工时可能仍无法满足施工用电需求，因此采取市电为主，发电为辅的方式解决。输出端电缆分三路，分别供工作井上供电系统、井下顶管机头、及井内主千斤顶。

综上所述，1工作井需配备250KW分配电箱一只、75KW发电机一台。2工作井需配备250KW分配电箱两只、75KW发电机两台。同时市电分别拉至施工现场辅助施工。

⑻测量系统

①建立控制点

工作井、接收井施工结束后，按工作井穿墙孔与接收井接收孔的实际坐标测量放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到工作井测量平台上和井壁上。在工作井四周建立测量控制网，并定期进行复核各控制点。

为保证精度，工作井上下点的投放采用莱卡全站仪。

投放顶管测量始测点和2个后视点，始测点设在顶管后座专用测量平台上，后视点设于穿墙孔上部的井壁上，定期互相校核。

②管道施工测量

施工管道测量采用高精度全站仪系统进行测量，测量平台设在顶管后座处。测量光靶安装在掘进机尾部，测量时全站仪系统直接测量机头尾部的测量光靶位置，根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。

③施工过程中的测量校核

施工过程中的测量校核是相当重要的工作，主要从以下两个方面进行控制：

a.轴线复核

为防止测量产生累积误差，当顶进距离较长时，对管道的轴线采用导线法进行复测，并利用复测结果在下一根管道顶进时进行修正。

2.4泥水平衡顶管顶进施工

1、顶进主要参数

在顶管机掘进中，泥浆的压力、浓度对保持挖掘面的稳定性起着关键作用。泥水初定参数：

顶进速度10mm/min 泥水比重1.15t/m3

泥水仓压力 P=245KPa泥水流量Q1≤0.65m3/min

排泥流量 Q2≤1.07m3/min

⑴顶进速度

为保证管外触变泥浆套的形成和有3cm厚触变泥浆（3cm厚触变泥浆主要为纠偏考虑）。机头顶进速度设定10mm/min。如要加大顶进速度，在保证泥水仓泥压的条件下，要先加大泥浆流量，再计算顶进速度，否则排泥管会堵塞。

⑵泥水压力

 泥水压力值P的选定：P值应能与地层土压力和静水压力相抗衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，则P一般控制在P= P0+20（Kpa），并在地层掘进过程中根据地质和埋深情况以及采取的相应技术措施进行反馈和调整优化。

2、泥浆管理

泥浆管理就是对泥浆质量的控制，即对泥浆四大要素的调整。四大要素为：最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆水密度和泥浆水压力。

3、顶进工序

⑴ 无中继间时顶进

启动输泥管和排泥管道泵，Z1、Z电动阀关闭，Z3电动阀打开（平常Z4、Z5开启，Z6关闭），泥路循环，自控系统调正管路压力，使Z2阀处压力达到设定压力并稳定。

机头顶进：当没加中继间时，工作井顶进千斤顶设定顶进速度10mm/min，在计算机控制下，千斤顶以10mm/min速度顶进。如加中继间，中继间J设定顶进速度10mm/min，在计算机控制下，中继间千斤顶以10mm/min速度顶进。同时，流量计测量流量，通过PLC调整工作井变频泵，使排泥管流量保持在1.07 m3/min。压力计Z1测量压力，通过PLC系统，控制Z1电动阀的开启度，保持泥水仓压力。

⑵ 中继间顶进操作程序

中继间J顶进一个行程 (350mm) 后，通过行程开关反应到计算机，计算机会停止中继间J顶进；同时，打开电动阀Z3，关闭电动阀Z1、Z2，保持泥水仓压力。序号1中继间顶到位后，序号2中继间顶进，顶进350mm后停顶；重复以上程序，直到管顶进完。当机头中继间J顶进时，管路上如有序号3的中继间也跟着顶进。

⑶ 下管时的操作程序

关闭Z1、Z2电动阀，保持泥水仓压力，Z3打开冲洗排泥管路；全部中继间停止顶进，停止油泵；机头刀盘停转；待排泥管路冲洗干净后，停止输泥泵、排泥泵；关闭触变泥浆、输泥管、油管、排泥管阀门。拆除工作井管接口各种管线、电缆，管内应急灯工作。

4、触变泥浆系统

只要管开始出洞，触变泥浆只有在下管焊管时不补浆，其他时间全部补浆。

5、排风系统

排风系统下管后马上接通送风，在顶管焊管过程中保持不间断送风。

6、测量

每次下管后对工作井中心线校测，同时人工测量机头后第一管口、第二管口中心、高程，与计算机中记录数据对照，同时绘制机头、第一节管、第二节管中心、高程测绘曲线，作为纠偏方案的依据。

7、纠偏

本工程使用的顶管机带自动纠偏功能，纠偏原理是：全站仪（GTS-800A型）发出不可见光，到机头中心光靶，光靶把偏移反应到计算机，计算机控制纠偏千斤顶工作。

8、砂水分离和泥浆再生

储浆罐设10m3可供15min的泥量。

在顶进过程中，泥浆系统是一直不停的，砂水分离工作也必须一直不停，并有专人负责。

排除砂直接装车外运，沉淀池两座轮流使用，沉淀池上清液水排放，中层泥由配浆技术员测定比重，用泵把中层泥浆抽到搅拌机内搅配比重新制泥水，下层泥用挖掘机挖出，运到晒干场，晒干后外运。

2.5顶管到达接收井段施工

1、到达接收井的施工准备

（1）在顶管机切口到达接收井前30米左右时，作一次贯通测量。作贯穿测量的目的：

 测定顶管机的里程，精确算出刀盘与洞门之间的距离，使刀具一旦贴近洞门，即采取相应的措施。

 校核顶管机姿态，以利于进洞过程中顶管机姿态的及时调整。

安装顶管基座：顶管进洞前，将顶管基座按设计轴线在接收井内准确定位安装；

（2）根据顶管机进洞位置安装导轨，调整导轨高度，使其紧贴钢顶管，以免顶管机叩头。顶管机进洞时其切口平面偏差拟定允许值：平面≤±50mm、高程≤±50mm。

（3）进洞设备、材料的准备。

（4）安装弧形钢板：顶管进洞前，在洞圈封门钢板上按顶管姿态将一圈弧形钢板安装就绪。

2、进洞

(1)顶管机靠上洞门

顶管机前端靠近洞门时，为避免顶管机进洞门过程中因正面顶力过大而造成封门变形，正面土体涌入井内等严重后果，待顶管机切口距封门3m左右位置时，打开预设在洞门上的2个1寸的应力释放孔，释放部分由于顶管顶进而造成对封门的挤压并通过应力释放孔对外部土体情况进行初步探查,加强对土体及洞门的变形观测，严格控制排碴量。

(2)顶管机进入接收井

在顶管机靠上洞门后，先割去中间位置的一道横封门；然后在封门中心位置割出一直径5cm左右的圆洞；通过此圆洞察看外部土质情况并找出顶管机中心位置；迅速顶进顶管机，并同时插下弧形钢板；在顶管机完全脱离洞圈并且首节的钢顶管脱出洞圈30cm后立即将弧形钢板与管节焊牢。

（3）进出洞段地表沉降控制

顶管机出洞处地表沉降的主要原因是洞口暴露的加固土体发生移动，洞圈周围泥浆流失以及顶管机土舱压力未与原地层土压平衡等，顶管机进洞处地表沉降的主要原因则是顶管机进洞纠偏引起上方土体下沉及后续钢管临时封门时同步注浆效果不佳。为减少沉降量，要加强钢管壁后注浆及洞口处的多次注浆，采用水硬性注浆材料，达到迅速控制地表沉降的目的。

3、结论

通过以上的技术应用，已使该工程的顶管施工顺利完成。现已正常通水，这是厦门首例完成大管道过海顶管施工的工程项目。