工程取水管施工工艺研究

【摘要】

东风西沙水库及取输水泵闸工程取水口采用埋管和顶管相结合施工，取水头部采用蘑菇头钢结构件，施工过程中进行有效的管理和控制，取得了良好效果。

【关键词】

取水口施工;施工工艺;施工难点;处理方案

1工程概况

1.1工程简介崇明岛东风西沙水库及取输水泵闸工程位于长江口南支上段、崇明岛的西南侧。利用东风西沙与崇明岛之间的夹泓建设水库，为崇明岛提供优质的长江原水。水库设计总库容为976.2万m3，是供水集约化后上海市崇明岛的主要水源地。

1.2进水管道该工程进水管道采用两根DN3200mm的钢管从取水头部引水至取水泵站。进水钢管单根长分别为450m(1号进水钢管)和452.6m(2号进水钢管)，从取水头部至泵室按其所在位置可分为三大部位:取水头、桩基埋管段及顶管段，如下页图1所示。a.取水头:为蘑菇形钢结构件，单个重约150t，取水头与埋管段和顶管段之间采用哈夫套管连接方式。b.埋管段:顶管至取水头之间采用埋管连接，单根总长分别为207.5m(1号进水钢管)和210.1m(2号进水钢管)。c.顶管:桩基埋管段至取水泵站，单根总长242.5m。

2施工工艺

2.1顶管施工该工程顶管段施工特点是一次顶进距离较长，且顶管口径较大，整个水平方向的顶管以0.91%的坡度下坡顶进，管顶平均覆土深度约为4m，顶管为DN3200mm×30mm钢管。

2.1.1顶管工具头根据顶管所穿越的土层结合以往类似工程施工经验，选择采用大刀盘泥水平衡顶管机，大刀盘泥水平衡水力机械化出土顶进工具头切削前方土体，被切削土体水力泥浆化后由管道输出，施工过程中，借助减阻泥浆减小推进阻力。

2.1.2主顶装置主顶进装置由底架、油缸组、顶进环、钢后靠及液压动力站等组成，是顶管施工的重要组成部分。底架主要承载顶管机、管节，为拼装式钢结构件，底架设置8只微型千斤顶，可以调整底架高度达到施工要求。底架上部设置内外两副轨道，左右对称分布，内轨道作顶管机、管节的承载之用，外轨道则为顶进环行走之用。油缸分两组，按设计顶力配置8只油缸，并用可分式结构的支座固定，左右对称分布，用连接梁连成一体。顶进环由顶环和顶座组成，顶环用螺栓固定在顶座上，顶座底部设置4只滚轮，放于外侧轨道上可往复运行。顶进时顶环伸入管节尾部，起对中及导向作用，并传递油缸的顶力，使管节受力均布。顶管后靠作为顶管工作临时支撑结构，待顶管顶进结束验收后凿除，并按进水流道型线要求恢复光滑。

2.1.3顶管施工工艺流程顶管施工工艺流程如图2所示。

2.2埋管施工桩基埋管段管道设计为两根DN3200mm×22mm的钢管，单根总长分别为207.5m(1号进水钢管)和210.1m(2号进水钢管)，采用800mm×110mmPHC管桩架设固定。桩基埋管施工总体方案为:采用抓斗式挖泥船进行水下管道沟槽的开挖，打桩船进行管道桩基施工，水上起重船进行水下管道及钢结构的吊装沉放施工，由潜水员水下配合定位及连接螺栓的安装。施工主要工艺流程为:水下土方开挖水上打桩施工桩帽、横梁安装横梁间距水下测量管道与管座抱箍定位管道及管座水下沉放潜水员水下定位管座与横梁螺栓连接。

2.2.1水下土方开挖根据工程量及施工先后顺序，除顶管和埋管连接段约40m长度暂时不开挖外，其余水下埋管段和取水头部基坑考虑一次进行开挖。待顶管施工结束后具备连接段开挖条件后再进行该段管道沟槽土方开挖施工。水下土方开挖方法:采用抓斗挖泥船开挖管道沟槽。开挖顺序:从取水头部向岸边进行。因开挖深度较大，具体开挖时其沟槽边坡可根据实际情况进行试挖和调整，再结合泥沙回淤情况，现场修正，确保基槽满足设计要求，基槽开挖后，由潜水员水下冲吸泥修整边坡和基底。

2.2.2水上打桩施工该工程水下桩基主要包括取水头部、埋管段、防撞装置桩基础，除防撞装置为钢管外，其余均为PHC管。为尽量减少施工成本，该工程所有水上桩基均采用一次进行施打的施工方法。沉桩位置为已开挖好的管道基槽和取水头部基坑，沉桩次序由进水管向取水头部方向依次推进。以上管桩除防撞装置桩基的桩顶出水面可直接施打外，其他管桩均在水面以下施打，因此应根据施工时水位、设计桩顶标高采用加设送桩架的方法进行施打。沉桩程序:移船取桩吊、立桩入龙口移船就位调平船、调整龙口斜度定位、收紧缆绳桩自沉测桩偏位调整船和龙口压上锤和替打测桩偏位，调整船和龙口小冲程锤击沉桩正常锤击沉桩换上送桩架满足沉桩控制条件、停止锤击估测桩偏位起吊锤和替打估测桩偏位移船取桩。

2.2.3桩帽、横梁安装横梁与桩帽采用螺栓连接，在陆地上将横梁下方与桩帽连接处的螺栓孔全部开好(桩帽上的螺栓暂时先不开)，横梁下水安放至桩帽上，待安装完成后，由潜水员在水下通过横梁上的螺栓孔打开桩帽上的螺栓孔，然后将桩帽与横梁进行螺栓连接，详见图3。

2.2.4管道沉放安装管道沉放前应根据实际尺寸将刚性支座环安装在埋管上，刚性支座环上的螺栓孔应全部开好孔，横梁与支座环螺栓连接的螺栓孔应等钢管定位结束后由潜水员在水下根据支座环上的螺栓孔开启，然后安装螺栓。钢管沉放工艺流程:起重船抛锚定位管段拖航就位起重船同步起吊起重船调整位置管段下沉潜水员水下探摸潜水员水下连接、安装水下检查、检测。每根管道长度为40m，约重70t，钢管上有4个吊点位于刚性环上，采用一艘220t的起重船进行吊装，在管道沉放至接近管顶位置时，停止下沉，派潜水员到管端进行探摸，在管端位置间隙符合要求后，听从潜水员水下指挥慢慢沉放，直至管段接近着床，如图4所示。

2.3取水头安装施工该工程共两个取水头，为钢制蘑菇形，单个重约150t，构件运输至现场临时码头进行拼装，然后吊驳上船再运输至施工现场水域由起重船进行整体吊装沉放，沉放前将水下混凝土浇筑用的钢模框也一并焊接在取水头上。将取水头浮运至沉放位置，采用220t起重船起吊进水箱下沉，取水头安装时，在测量员的指挥下浮吊定位，将取水头按测量方位定位于设计轴线位置开始下沉，下沉至基槽后，潜水员下水观测取水头位置，浮吊在潜水员指挥下调整取水头底座与基槽的相对位置，确保接口管位置和沉管位置相对应。沉放完毕后必须进行复核测量，符合设计要求后才能将取水头与桩基固定连接。

3施工难点及处理方案

3.1顶管过程中遇到不明地下障碍物的预防措施在顶管过程中，可能会遇到地下不明障碍物，给施工带来很大的困难。a.在顶管掘进机的刀盘上增加硬质合金刀头，同时增加刀盘和刀头上的不锈钢堆焊材料，提高对障碍物的切削性能。b.对泥水平衡顶管机面板上的进泥口的开口度进行了改进，开口改小，使得进入泥水舱内的障碍物不易发生堵管现象。障碍物始终在面板的前方被刀头切削，直至破碎再进入泥水舱。c.在顶管机的上方设置进人孔，一旦出现木桩嵌入刀盘的开口缝隙，造成进泥口堵塞现象时，可以打开进人孔，借用工具清除木桩。

3.2地面沉降大，影响周边环境安全的预防措施a.施工前对沿线的环境进行细致的调查，不留隐患。b.在管外壁建立性能优良的完整触变泥浆套，减少管外壁背土引起的土体扰动和地面沉降。

3.3顶管与埋管连接施工

3.3.1连接段管道长度确定因该连接段管道是最后才进行安装的，故其管道长度不宜按设计长度进行加工制作，必须待顶管工具头切割完成后，由潜水员水下测量已沉放安装好的埋管端部与顶管端部的实际距离后，再按照该长度进行连接段管道的加工制作。加工制作最后一段管道时，在水下实际测量长度的基础上，管道加工长度应至少减少200～300mm，即保证管道连接处每端至少有100～150mm的空隙，以确保该段管道能顺利沉放到位，否则即便是按水下测量的实际距离加工的管道也无法安装到位，因为水下安装时容易一端卡住。

3.3.2两端管头标高测量为确保该连接段管道安装准确无误，同时便于哈夫连接接头的安装，在安装前必须准确测量出埋管段和顶管段管端的管顶标高，以确认两端是否存在高差。一般情况下有一定高差，但不宜过大。如偏差较大，则需要相应调整该段管道下两道钢横梁的标高，否则将无法完成管道及哈夫接头的安装。具体方法为:在测量出两头管道高差后确认是否需要调整桩顶横梁的高程，如确有必要则进行调整，如两端标高相差不大，总体推算后发现横梁顶高程偏低，则采取在桩帽内加设钢结构内衬垫的措施来加高横梁标高;如横梁顶高程偏低，则必须对桩顶进行切割破碎修整，将横梁标高降低后才能沉放管道。因此该段管道的桩基在施打时尽量不要过高，宁可低些采取调高横梁的措施进行修正。

3.4顶管穿越临时围堰大堤临时大堤位于泵房前方60～70m的位置处(堤岸顶标高为+7.5m，顶管穿越大堤时顶管中心标高为－5.15m)，此时堤岸为主要施工道路，为防止顶管穿越时对堤岸造成破坏，影响总体施工，采取以下措施:a.围堰段监测点布置在长江大堤上以两顶管中心向两侧各20m范围内，每7m布置一个监测点，堤顶共设置7个监测点，在围堰堤脚处同样平行设置7个监测点。b.穿越围堰时，降低推进速度、推力，释放正面土压力，严格控制正面土压力，将土压力控制在尽可能小的范围内，保证出土量与顶进量相匹配。同时尽量少做纠偏动作。c.顶管机顶进后，存在一定的后期沉降，及时补充失水的泥浆，支护土体，直至顶进结束。补压浆的位置和压浆量根据现场沉降观测数据来确定。

3.5埋管段桩基施工在水上打桩施工时，因水下情况复杂，极可能遇到以下应急情况:a.在打桩时，打桩船前后左右抛设至少6只锚缆，以尽量确保桩船的整体稳定性，避免管桩在下桩入土后再有船体移动导致桩位偏差。船上配备GPS定位系统进行精确定位并仔细复核，配合岸上全站仪复核桩位偏差，待两者定位情况保持一致或最小偏差后再进行下桩和插桩入土操作。b.桩位超过设计和施工规范允许范围，出现平面偏差。在桩施打完成后，先将钢桩帽套在桩顶，然后将横梁搁置在桩帽上，搁置时保证横梁两端距桩帽距离相同，然后由潜水员水下点焊固定桩帽和钢横梁，再吊出水面后将桩帽和钢横梁焊接成整体进行沉放安装，这样可保证桩位在一组桩连线(与管道轴线垂直)方向偏位时横梁的安装定位准确。若桩位在与管道轴线平行方向产生偏位超出允许值，则可能导致横梁倾斜，各横梁互不平行，可采取将桩帽向偏位相反的方向加大(或加宽)并加设肋板加固的方法，从而保证横梁平行。如桩顶标高低于设计高程(打桩时严格控制标高，宁低勿高)，采取在桩帽内部加设衬垫的方式进行处理，即在钢桩帽内部桩帽顶板的下方加焊钢结构的肋板和钢板，以抬高桩帽顶标高。

3.6取水头水下混凝土浇筑采用导管法浇筑:拖式混凝土泵及船舶进行商品混凝土的驳运，采用两艘运输船舶进行商品混凝土的运输，每艘船舶上事先加工制作好1个混凝土运输钢箱，下部侧面带混凝土出料口和开关。先由拖式混凝土泵车将商品混凝土灌注至钢箱内，然后再由运输船将钢箱运输至取水头浇筑混凝土处，采用工作船起吊钢箱后浇筑混凝土，导管及料斗由水上工作船吊装，潜水员水下定位至取水头浇筑孔内，如图5所示。钢筋笼吊装采用两台25t汽车吊，起吊钢筋笼时，先用主吊和副吊抬吊，将钢筋笼水平吊起，然后升主吊、放副吊，将钢筋笼凌空吊直。钢筋笼入槽后卡住吊筋，为保证钢筋笼吊装安全，须合理设置起吊点。如果吊点位置布置不合理，钢筋笼会产生较大的挠曲变形，使焊缝开裂，整体结构散架，无法起吊。因此，吊点位置的确定是吊装过程的一个关键步骤，该工程采用六点吊法施工，横向两排，纵向三排。

3.6混凝土浇筑混凝土为现场HSZ120拌和站自生产混凝土，采用混凝土罐车运送至浇筑槽段。槽内下设导管，采用“泥浆下直升导管法”进行混凝土浇筑施工。导管选用250mm快速接头钢导管，每节长2.60m。导管底端距孔底0.30～0.50m，灌注过程中，要勤测量混凝土面上升高度，控制导管埋深在2～6m之间，灌注过程要连续进行，中断时间不得超过30min，灌到墙顶超灌0.50m。浇筑过程中一旦发生堵管，可利用吊车上下反复提升导管进行抖动，疏通导管，如果无效，可在导管埋深允许的高度下提升导管，利用混凝土的压力差，降低混凝土的流出阻力，达到疏通导管的目的。当各种方法无效时，可考虑重新下设另一套导管，新下设的导管底部应完全插入混凝土面以下，然后用小抽筒将导管内的泥浆抽吸干净，方可继续进行混凝土的浇筑。

4结语

该工程工期紧、轴线长、地质条件复杂，通过采取有效的措施成功地解决了动水条件下，深厚沙砾石覆盖层的造孔成槽、漂石及胶结岩层的造孔、长轴线钢筋笼快速加工及下设等问题。通过该项目施工，得出如下结论:a.对于深厚沙砾石覆盖层、高地下水位情况下的防渗墙成槽施工，在成槽施工前进行预灌水泥黏土浓浆可有效地加固沙砾石层，大大降低槽孔坍塌风险;在浆液中添加正电胶制拌成的正电胶浆液可大大改善泥浆性能，护壁效果较好，有效地保证了槽壁的稳定性。b.针对成槽过程中出现的大块漂石及普遍存在的胶结岩层，利用钻机冲打导孔，抓斗顺着导孔抓取成槽，施工工效高。c.对于长轴线条件下的钢筋笼吊运和下设，可在轴线中心位置附近设置一个钢筋集中下料区，在槽孔附近设置移动式钢筋笼制作加工平台，施工效率高，并且有效地保证了钢筋笼下设的安全。d.同一项目不同厚度的防渗墙，可通过将某一直径的接头管进行改制进而满足两种不同厚度的防渗墙施工。该工程通过对直径为0.60m的接头管两侧各帮焊一根0.10m的钢管，而分别形成了0.60m和0.80m宽的两个截面，能同时满足0.60m厚和0.80m厚的防渗墙施工，不仅节约了成本而且提高了施工效率。

参考文献

［1］刘国彬，王卫东．基坑工程手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2009:187-188．

［2］高钟璞．大坝基础防渗墙［M］．北京:中国电力出版社，2000:102-106．

作者：张国平 单位：上海勘测设计研究院有限公司