淺談長江深水長距離引水管綜合施工技術

李明華，崔 佳

（中鐵上海工程局集團市政工程有限公司，200331）

1 工程概況

安慶市一水廠異地擴建工程，建設總規模20萬 m3／d，一期建設 10萬 m3／d，引水管及取水頭按40萬m3／d建設。其水源引水取自長江，引水管設計為2根DN1600×16的鋼管，單根長度為1 069．6 m，其中長江岸邊頂管段520 m，頂進距離較長，水下開槽沉管段360 m，架空管段189．6 m，該水源引水管工程穿越地形高差起伏大，地質條件復雜。

頂管設計黃海高程-1．1 m，埋深10 m，地下水主要為孔隙水，埋深在 0．3～2．8 m 左右，地下水量比較豐富，水位較高，詳見圖1。沉管段設計高程由-1．1 m放坡至-7 m，施工時最大水深約15 m，實測流速0．8 m/s至1．2 m/s，取水頭距離岸邊約550 m，水深較大，流速較快，距離較遠，施工難度很大，詳見圖2。

地基巖土層分布及特征：

圖1 頂管段縱剖面圖Fig．1 Longitudinal Profile of Jacking Pipe

頂管段主要分布在粉質黏土夾粉砂層：灰色，流～軟塑狀，飽和，局部夾薄層或團塊狀粉砂。實測單橋=1．65 MPa，標貫擊數=6．2 擊，具有高壓縮性。

沉管段主要分布在淤泥層及粉細砂層，其中淤泥層：灰褐色，流塑狀，很濕。光澤反應稍光滑，干強度及韌性中等，搖振反應微弱。含有少量腐殖質。承載力特征值50 kPa，摩阻力標準值15 kPa。粉細砂層：灰褐色，飽和，松散-稍密。主要成分為石英、長石，含白色云母碎片及貝殼碎屑。標貫擊數擊，承載力特征值150 kPa，摩阻力標準值25 kPa。

圖2 沉管段、架空段縱剖面圖Fig．2 Longitudinal Profile of Sanking Pipe and Aerial Pipe

2 工藝綜述

2.1 頂管段

頂管段直接利用取水泵房沉井作為工作井施工，選用泥水平衡式頂管掘進機；頂管出洞口采用高壓旋噴樁進行出洞口加固；為減少頂管頂進阻力，頂管采用觸變泥漿進行減阻；本次頂管頂進距離較長，為防止一次頂進困難，單向管道中間設置3個中繼間，在必要時啟用中繼間分段頂進（實際頂進時減阻效果較好，未啟用）。

2.2 開槽沉管段

采用配備長臂液壓抓式挖掘機的挖泥船，配合開底泥駁進行水下開挖；挖泥船開挖完成后，潛水員采用高壓水槍射流對溝槽凸凹不平處進行修整，清理浮土；水下鋪管采用1臺150 t、4錨定位起重船施工，另配備1臺60 t小起重船及1臺甲駁船用于運送管節；管道水下連接采用哈夫卡連接。

2.3 架空段

架空段及取水頭采用鋼制樁架支撐形式，由于水深及流速大，鋼管樁施工難度較大，定位困難，施工精度難以控制，為確保鋼管樁位置準確，采用三測、一插、兩打的施工方式進行施工。由于水下施工難度大，通過優化設計，對樁架系統進行改進，減少了水下作業工程量，降低了施工難度，且加快了施工進度。

3 主要施工工藝

該引水管工程施工綜合性強，根據地形首先確定好管道分段十分關鍵，在充分考慮管頂覆土要求、水深、水流速度和連接點位置是否便于作業等因素情況下，將引水管總體分為三個施工節段，分別是頂管段、水下開槽埋管段及水下架空段，其主要施工工藝如下：

3.1 長江漫灘頂管段施工

3．1．1 頂管掘進機選型

本引水工程管道一次頂進長度為520 m，管道頂進主要穿越粉質黏土夾粉砂層，地下水位較高，施工工期較緊，通過比選后采用2臺大刀盤泥水平衡式頂管掘進機進行施工，其具有對土質適應性強（尤其適用于砂土）、施工連續性較好、適用地下水位高、施工速度快等優點。

3．1．2 頂進工藝設計

（1）工作井平面布置

該工程直接利用取水泵房沉井作為工作井進行頂管作業施工，井內沿頂管軸線方向安裝四根7 m長DN1600鋼管作為剛性后座，并澆筑0．5 m厚鋼筋混凝土擋墻外設鋼板做為主頂的后靠背，省去了中間工作井，節約了施工成本。

（2）頂進系統

頂進系統主要由導軌、頂管后靠背、千斤頂、油泵車、千斤頂支架及頂鐵等部分組成。本工程頂鐵采用引水管加法蘭盤改裝而成，頂管完成后頂鐵拆除用于沉管段使用，可有效利用資源。

根據頂管工作井的凈空及頂力要求，工作井內主頂裝置采用雙動作單沖程油缸四只。四只油缸有其獨立的油路控制系統，可根據施工需要通過調整主頂裝置的合力中心來輔助糾偏。

（3）觸變泥漿減阻系統設計

管道頂進過程中，通過注漿系統向管外壁壓注觸變泥漿，來降低管外壁與土體之間的摩擦阻力。通過與相關大學合作，經實驗室及現場實驗，配制出了新型漿液，采用A、B兩種漿液分別用于同步注漿和沿線補漿。

A漿液：主要用于同步注漿，主要材料為膨潤土、堿、聚丙烯酰胺，主要起到支撐土體及填塞土體縫隙的作用

B漿液：主要用于沿線補漿，主要材料為堿、聚丙烯酰胺，主要起到減阻的作用

漿液拌制：

（1）機頭同步注漿A漿液

加水60%～80%攪拌下加入膨潤土及碳酸鈉攪拌20 min，加入余量水繼續攪拌10 min，慢慢撒粉方式（防止其結團）加入聚丙烯酰胺攪拌20 min，加入潤滑劑攪拌10 min即可。

（2）沿線補漿配制B漿液

加水60%～80%攪拌下加入碳酸鈉，慢慢撒粉方式加入聚丙烯酰胺攪拌40 min，加入余量水及潤滑劑攪拌20 min即可。

（3）洞口止水圈的設計

本工程管道埋深大、地下水位高、土層的滲透系數大，估計形成的地下水壓力達0.1 MPa，因此管道在頂進時洞口的密封必須可靠。在洞口密封構造上，采用密封橡膠圈加可充氣應急膠圈的雙層密封結構，該結構的特點是：頂管過程中充氣密封圈是不工作的，如果主橡膠密封圈因摩擦損壞導致密封失效，高壓地下水涌入井內的危急情況下，使用打氣泵給充氣應急膠圈充氣，及時控制漏水，在安全狀態下處理或更換新密封圈（詳見圖3）。

（4）中繼間設計

本次頂管頂進距離較長，為防止一次頂進困難，單向管道設置3個中繼間，在必要時啟用中繼間分段頂進。本工程中繼環采用組合式密封中繼環，其主要特點是密封裝置可調節、可組合、可在常壓下對磨損的密封圈進行調換。

（5）通風系統設計

由于管道頂進距離長，通風是一個不容忽視的問題，它直接影響至管內工作人員的健康安全，本工程采用長鼓短抽組合式通風，效果顯著。

3.1.3頂進施工

（1）洞口加固措施

由于地下水位較高，地層含水量豐富，為確保頂管出洞土體穩定、防止地下水倒灌以及防止頂管機磕頭，在頂管進出洞口采用高壓旋噴樁進行加固，高壓旋噴樁直徑Φ600，加固范圍管外3 m以內，加固深度為管中以上3 m至管中以下3 m，管道所經過空間加固。樁點設計在頂管兩側以及兩頂管中間各打3排×7列，相互咬合150 mm，在三排樁端沿垂直頂管方向打三列，樁與樁咬合150 mm。

（2）頂進過程測量控制

頂管頂進測量平臺，安裝在主頂千斤頂之間軸線上，與砼底板連接，并與千斤頂支架分離，確保頂進時測量不受機械震顫影響。首先要確保導軌軸線及標高準確無誤，頂進初期采用激光經緯儀進行測量，當頂進距離較長（約400 m），考慮激光強度及受到管道內空氣溫度及介質的變化產生折射影響，后期采用全站儀進行測量。

（3）拼管、焊管

本工程接管工藝采用單面V形坡口單面焊接雙面成形形式，單面V形坡口可以減少頂進時頂鐵對管口的損傷。在焊接作業中，盡量采用平焊、立焊，減少仰焊，確保焊接質量。管道焊接采用CO2氣體保護焊工藝，分3層焊接。

（4）糾偏

本工程選用的頂管機頭可糾偏角度為3°，當頂進軸線發生偏差時，要及時進行糾偏，通過調節糾偏千斤頂的伸縮量，使偏差值逐漸減小并回至設計軸線位置。施工中應貫徹“勤測、勤糾、緩糾”的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節和頂進施工造成不利影響。

3.1.4施工效果分析

按以上施工工藝施工，只用了1個月的時間就完成了雙向520×2 m頂管施工，各項施工技術參數均在可控范圍內。機頭出洞時未出現地下水倒灌和磕頭現象，頂進過程中平均頂力430 kN，最大頂力635 kN，遠低于千斤頂的最大頂力2 000 kN，減阻效果很好。頂管高程過程中最大偏差37 mm，頂進就位高程偏差：上游17 mm，下游21 mm；管道軸線過程中最大偏差42 mm，頂進就位軸線偏差上游16 mm，下游13 mm，詳見表1。

3.2 水下開槽埋管段施工

3.2.1基槽開挖

水下開槽深度最大約15 m，一般的挖泥船無法滿足要求，本工程采用配備長臂液壓抓式挖掘機的挖泥船，并對大臂進行接長，配合開底泥駁進行水下開挖；

水下開槽定位采用中海達K5定位定向儀配合施工定位軟件進行定位，同時采用全站儀定期復核。開挖深度采用超聲波測深儀進行測量，隨挖隨測，避免漏挖，欠挖現象、降低復挖率，在長江靠近岸邊安裝水位標尺，及時對水位漲落進行校核。

表1 頂管軸線及高程實測記錄Tab．1 Record of Pipe Axis and Elevation Measurement

抓式挖泥船將挖出來的泥砂放到開底泥駁后，由開底泥駁將泥砂運到由海事部門指定的拋泥點進行棄泥。

3．2．2 溝槽的平整及墊層

（1）溝槽的平整

由于挖掘機水下開挖平整度無法保證，且會有大量浮泥，挖泥機開挖完成后，需要潛水員采用高壓水槍射流對溝槽凸凹不平處進行修整，清理浮泥；

（2）墊層及卵石混合料施工

根據設計要求管道下部鋪設30 cm厚碎石墊層，以使管道在江床受力更趨合理，找平墊層碎石粒徑為20～40 mm，但是由于水下高程難以控制及找平困難，為防止鋪設厚度超厚，導致管道無法安裝，墊層施工采用后鋪設法，即先將管道沉放到位后，再進行碎石填筑，碎石采用駁船運送到位后，采用液壓抓揚式挖泥船進行鋪設，潛水員水下配合使得管道底部和側邊充滿碎石，碎石鋪設方向由上游向下游進行鋪設。卵石混合料施工同碎石施工。

3．2．3 取水管沉放

長江水流速較快，水浪較大，管道施工時必須盡量保證船體穩定，水下鋪管采用1臺150 t、4錨定位起重船施工，另配備1臺60 t小起重船及1臺甲駁船用于運送管節；引水管出廠長度14 m一根，首先在岸上加工成42 m一根管節。管節制作完成后，每根管節設置2個吊耳，兩端各布設一個。沉管時，起重船就位，并吊起鋼管，讓鋼管平與水面，用機動船將全站儀棱鏡先放置在鋼管中部測量一次，移動起重船進行管中心定位，然后再將棱鏡放在鋼管端部進行測量，通過調節管道兩端設置的纜風繩長度來調整管道的走向，調整好位置后，起重船吊鉤慢慢下放，將取水管按要求沉放到位，潛水員在水下對取水管進行探摸，確認到位后再復測露出水面鋼絲繩的坐標，由潛水員配合測量管道兩側管頂標高，根據測量情況在管道兩端采用事先準備好的袋裝碎石進行填筑，保證標高達到設計標高，兩端標高均調整好以后，每隔10 m在鋼管下方同樣采用袋裝碎石進行填筑，防止中部架空，管道不安全，所有工作完成后，潛水員在水下將起吊用的鋼絲繩子解開，取水管與取水管之間由潛水員在水下用土工布將接口處包裹后，再用哈夫卡進行連接。安裝完畢后及時進行碎石墊層施工

3．2．4 管道水下連接

管道水下連接方式一般有水下焊接、法蘭連接或哈夫卡連接，綜合考慮本工程特點采用哈夫卡連接，該連接方式具有水下施工難度小，施工速度快，管道方向可微調等特點。哈夫卡箍為半合對抱結構，分為上下兩片，兩片哈夫卡箍采用螺栓水下緊固安裝方法。哈夫卡箍與鋼管樁之間通過橡膠圈壓緊來保證緊密性，哈夫卡箍中間為異型，成凸起狀，便于管道接頭安裝和軸線調整。

3．2．5 水下拋石

碎石墊層及卵石混合料鋪設完成后，按設計要求在管道頂部拋石壓頂，保證管道在長期水流沖刷下的穩定性，水下拋石采用開底駁船運送至現場后直接開底下拋，在拋石前，先測量長江流速及拋石處標高，經計算偏上游進行下拋，為保證下拋準確性，拋石要分多層進行，在拋部分塊石以后潛水員水下校核并整平，根據實際情況調整駁船向上游偏移距離，確保拋石位置準確。

3．2．6 施工效果分析

沉管段在實際施工時發現由于流速較快，開槽回淤情況較為嚴重，實際施工中需將設計的開挖放坡比例適當放大，方可滿足施工要求。經實測管道成形標高最大誤差44 mm（詳見表2），軸線偏差x方向最大48 mm，y方向最大誤差44 mm（詳見表3），滿足設計及規范要求。

表2 沉管高程偏差統計Tab．2 Statistical of Immersed Tube Height Deviation

表3 管道軸線偏差統計Tab．3 Statistical of Steel Pipe Pile Deviation

3.3 水下架空段及取水頭部施工

3．3．1 施工測量定位

在江邊漫灘上距離取水頭部約500 m位置，相對引水管軸線對稱設置兩測量控制點，兩點連線基本垂直引水管軸線，距離約200 m，在兩控制點設置兩臺全站儀，一臺主全站儀、一臺輔助全站儀，首先采用主全站儀定位，然后再采用交匯測量的方法校核鋼管樁位置，詳見圖4。

圖4 鋼管樁測量定位Fig．4 Measuring and Positioning of Steel Pipe Pile

3．3．2 高程控制

樁標高測量采用水準儀測量，由于距離較遠，無法看到塔尺讀數，在鋼管樁送樁器上用紅白油漆畫出刻度線，刻度線間隔5 cm，刻度線起點為距離送樁器底端12 m處，終點為14 m處，并每隔10 cm標注刻度值，在打樁時，先計算出鋼管樁到位時，送樁器與水面的相對位置，并以此進行鋼管樁施打，待接近到位時，采用水準儀精確控制鋼管樁的高度，慢打到位。

3．3．3 鋼管樁施打

（1）D820鋼管樁在廠家定制14 m一根，在現場拼接至設計長度，此外由于長江水位較深，另制作長度為15 m送樁器一根。

（2）打樁船采用60 t起重工程船，采用DZ90型號震動錘。由于水深及流速問題，鋼管樁施工難度較大，難以定位，施工精度難以控制。為確保鋼管樁位置準確，采用三測、一插、兩打的施工方式進行施工，即：鋼管樁定位后，放下打樁系統，使得鋼管樁靠自重插入淤泥層，然后再復測鋼管樁坐標，無誤后點動施打，待鋼管樁插入土體一部分以后，再復測坐標，最后再進行正式施打，如誤差超出規范范圍，拔起鋼管樁重新定位。施打完畢后復測鋼管樁坐標及高程，確認無誤后開始下一根鋼管樁施工。

3．3．4 鋼管樁水下切割

由于長江水下地質條件復雜，部分鋼管樁在未能達到設計預計長度時即進入持力層，無法繼續下沉，經設計院同意后，停止施打，記錄打入深度，對于未施打到原設計長度的鋼管樁需要進行水下切割，根據打入的深度計算出每一根鋼管樁需要切割的深度，水下切割采用600 A直流弧焊機,配合水下專用割槍進行切割。

3．3．5 潛水員水下安裝樁帽、橫梁、管支座

由于水深較深，長江水流速快，水下施工難度大，測量及校核難度大，為確保施工質量，降低施工難度，要盡量減少水下施工工程量。因此對設計方案進行了優化，在岸上將橫梁管支座連接成整體，橫梁與鋼管樁通過樁帽連接，減少了水下連接量，降低了施工難度，且加快了施工進度。

由于長江流速快，架空段鋼架系統施工時，潛水員沒有落腳點，身體無法固定，因此設計了特制的操作平臺，掛在鋼管樁上進行施工。

3．3．6 取水頭部的安裝和連接

取水頭部喇叭口在岸邊與取水管進行焊接拼裝成整體后，在取水頭部及原水管頂部分別焊接兩個吊耳（要注意其重心），以作起吊之用，由履帶吊運至起重船能夠吊到的江灘上，再由起重船吊裝至甲板駁船上，由甲板駁船運至指定施工位置，工程船起吊，岸上全站儀定位后，吊裝取水頭。

3．3．7 施工效果分析

架空段施工中，受到水深及長江浪高的影響較大，施工時盡量避免大風時施工。鋼管樁施工完畢后實測x方向最大偏差66 mm，y方向最大偏差55 mm，最大高程誤差32 mm（詳見表4）。

3.4 頂管與水下沉管段的連接

原設計水下頂管與沉管連接處采用圍堰施工，由于長江水深較深，流速較快，圍堰施工難度大。且在長江內采用土圍堰勢必會造成對長江水環境的污染，影響航運及漁民捕魚。經研究討論后采用水下切割取出機頭，通過哈夫卡將頂管段與沉管段連接，既避免了對長江水體的污染，又有助于加快施工進度，具體方法如下：

頂管結束后，拆除機頭內電機、千斤頂等不能浸水的部件，水下開挖出機頭（開挖時將管道與機頭連接處2 m范圍內，管底土方掏空至少1 m深，管底開挖不便可采用高壓水槍沖射的方式施工），潛水員按照提前在連接處做的圓鋼環形標記進行水下切割，切割完畢后起重船配合潛水員將機頭取出，然后進行頂管段與沉管段的連接施工。機頭切割前需將取水泵房閥門井內閥門安裝完成并關閉，避免江水倒灌，保證施工安全。

4 結語

通過安慶一水廠水源工程的成功實施，把頂管技術與水下鋪管技術有效結合，工程克服了水文地質條件復雜，水深較深、取水頭離岸邊較遠等難題，工程施工對航運、環境影響小，工程施工質量取得良好效果。

本工程主要由于水深較深、水流速度大，測量定位及潛水員水下施工困難，今后施工中，可對測量方法進行改進，例如可采用3臺GPS在船上進行定位，水下鋼管樁及支架系統設計還可以進一步優化，在今后水源工程施工中我們將繼續做好總結研究。

表4 鋼管樁施工誤差統計Tab．4 Statistical of Steel Pipe Pile Construction Deviation

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