淺析崇明島東風西沙取水泵站工程取水管施工工藝

張國平

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

?

淺析崇明島東風西沙取水泵站工程取水管施工工藝

張國平

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

【摘 要】東風西沙水庫及取輸水泵閘工程取水口采用埋管和頂管相結合施工，取水頭部采用蘑菇頭鋼結構件，施工過程中進行有效的管理和控制，取得了良好效果。

【關鍵詞】取水口施工；施工工藝；施工難點；處理方案

1　工程概況

1.1工程簡介

崇明島東風西沙水庫及取輸水泵閘工程位于長江口南支上段、崇明島的西南側。利用東風西沙與崇明島之間的夾泓建設水庫，為崇明島提供優質的長江原水。水庫設計總庫容為976.2萬m3，是供水集約化后上海市崇明島的主要水源地。

1.2進水管道

該工程進水管道采用兩根DN3200mm的鋼管從取水頭部引水至取水泵站。進水鋼管單根長分別為450m（1號進水鋼管）和452.6m（2號進水鋼管），從取水頭部至泵室按其所在位置可分為三大部位:取水頭、樁基埋管段及頂管段，如下頁圖1所示。

a.取水頭:為蘑菇形鋼結構件，單個重約150t，取水頭與埋管段和頂管段之間采用哈夫套管連接方式。

b.埋管段:頂管至取水頭之間采用埋管連接，單根總長分別為207.5m（1號進水鋼管）和210.1m（2號進水鋼管）。

c.頂管:樁基埋管段至取水泵站，單根總長242.5m。

圖1　施工平剖面

2　施工工藝

2.1頂管施工

該工程頂管段施工特點是一次頂進距離較長，且頂管口徑較大，整個水平方向的頂管以0.91%的坡度下坡頂進，管頂平均覆土深度約為4m，頂管為DN3200mm× 30mm鋼管。

2.1.1頂管工具頭

根據頂管所穿越的土層結合以往類似工程施工經驗，選擇采用大刀盤泥水平衡頂管機，大刀盤泥水平衡水力機械化出土頂進工具頭切削前方土體，被切削土體水力泥漿化后由管道輸出，施工過程中，借助減阻泥漿減小推進阻力。

2.1.2主頂裝置

主頂進裝置由底架、油缸組、頂進環、鋼后靠及液壓動力站等組成，是頂管施工的重要組成部分。

底架主要承載頂管機、管節，為拼裝式鋼結構件，底架設置8只微型千斤頂，可以調整底架高度達到施工要求。底架上部設置內外兩副軌道，左右對稱分布，內軌道作頂管機、管節的承載之用，外軌道則為頂進環行走之用。

油缸分兩組，按設計頂力配置8只油缸，并用可分式結構的支座固定，左右對稱分布，用連接梁連成一體。

頂進環由頂環和頂座組成，頂環用螺栓固定在頂座上，頂座底部設置4只滾輪，放于外側軌道上可往復運行。頂進時頂環伸入管節尾部，起對中及導向作用，并傳遞油缸的頂力，使管節受力均布。

頂管后靠作為頂管工作臨時支撐結構，待頂管頂進結束驗收后鑿除，并按進水流道型線要求恢復光滑。

2.1.3 頂管施工工藝流程

頂管施工工藝流程如圖2所示。

圖2　頂管施工工藝流程

2.2 埋管施工

樁基埋管段管道設計為兩根DN3200mm×22mm的鋼管，單根總長分別為207.5m（1號進水鋼管）和210.1m（2號進水鋼管），采用φ800mm×110mmPHC管樁架設固定。

樁基埋管施工總體方案為:采用抓斗式挖泥船進行水下管道溝槽的開挖，打樁船進行管道樁基施工，水上起重船進行水下管道及鋼結構的吊裝沉放施工，由潛水員水下配合定位及連接螺栓的安裝。

施工主要工藝流程為:水下土方開挖→水上打樁施工→樁帽、橫梁安裝→橫梁間距水下測量→管道與管座抱箍定位→管道及管座水下沉放→潛水員水下定位→管座與橫梁螺栓連接。

2.2.1水下土方開挖

根據工程量及施工先后順序，除頂管和埋管連接段約40m長度暫時不開挖外，其余水下埋管段和取水頭部基坑考慮一次進行開挖。待頂管施工結束后具備連接段開挖條件后再進行該段管道溝槽土方開挖施工。

水下土方開挖方法:采用抓斗挖泥船開挖管道溝槽。開挖順序:從取水頭部向岸邊進行。因開挖深度較大，具體開挖時其溝槽邊坡可根據實際情況進行試挖和調整，再結合泥沙回淤情況，現場修正，確保基槽滿足設計要求，基槽開挖后，由潛水員水下沖吸泥修整邊坡和基底。

2.2.2水上打樁施工

該工程水下樁基主要包括取水頭部、埋管段、防撞裝置樁基礎，除防撞裝置為鋼管外，其余均為PHC管。為盡量減少施工成本，該工程所有水上樁基均采用一次進行施打的施工方法。

沉樁位置為已開挖好的管道基槽和取水頭部基坑，沉樁次序由進水管向取水頭部方向依次推進。以上管樁除防撞裝置樁基的樁頂出水面可直接施打外，其他管樁均在水面以下施打，因此應根據施工時水位、設計樁頂標高采用加設送樁架的方法進行施打。

沉樁程序:移船取樁→吊、立樁入龍口→移船就位→調平船、調整龍口斜度→定位、收緊纜繩→樁自沉→測樁偏位→調整船和龍口→壓上錘和替打→測樁偏位，調整船和龍口→小沖程錘擊沉樁→正常錘擊沉樁→換上送樁架→滿足沉樁控制條件、停止錘擊→估測樁偏位→起吊錘和替打→估測樁偏位→移船取樁。

2.2.3樁帽、橫梁安裝

橫梁與樁帽采用螺栓連接，在陸地上將橫梁下方與樁帽連接處的螺栓孔全部開好（樁帽上的螺栓暫時先不開），橫梁下水安放至樁帽上，待安裝完成后，由潛水員在水下通過橫梁上的螺栓孔打開樁帽上的螺栓孔，然后將樁帽與橫梁進行螺栓連接，詳見圖3。

圖3　水下樁帽、橫梁安裝示意圖

2.2.4管道沉放安裝

管道沉放前應根據實際尺寸將剛性支座環安裝在埋管上，剛性支座環上的螺栓孔應全部開好孔，橫梁與支座環螺栓連接的螺栓孔應等鋼管定位結束后由潛水員在水下根據支座環上的螺栓孔開啟，然后安裝螺栓。

鋼管沉放工藝流程:起重船拋錨定位→管段拖航就位→起重船同步起吊→起重船調整位置→管段下沉→潛水員水下探摸→潛水員水下連接、安裝→水下檢查、檢測。

每根管道長度為40m，約重70t，鋼管上有4個吊點位于剛性環上，采用一艘220t的起重船進行吊裝，在管道沉放至接近管頂位置時，停止下沉，派潛水員到管端進行探摸，在管端位置間隙符合要求后，聽從潛水員水下指揮慢慢沉放，直至管段接近著床，如圖4所示。

圖4　進水鋼管水下沉放安裝示意圖

2.3取水頭安裝施工

該工程共兩個取水頭，為鋼制蘑菇形，單個重約150t，構件運輸至現場臨時碼頭進行拼裝，然后吊駁上船再運輸至施工現場水域由起重船進行整體吊裝沉放，沉放前將水下混凝土澆筑用的鋼模框也一并焊接在取水頭上。

將取水頭浮運至沉放位置，采用220t起重船起吊進水箱下沉，取水頭安裝時，在測量員的指揮下浮吊定位，將取水頭按測量方位定位于設計軸線位置開始下沉，下沉至基槽后，潛水員下水觀測取水頭位置，浮吊在潛水員指揮下調整取水頭底座與基槽的相對位置，確保接口管位置和沉管位置相對應。沉放完畢后必須進行復核測量，符合設計要求后才能將取水頭與樁基固定連接。

3　施工難點及處理方案

3.1頂管過程中遇到不明地下障礙物的預防措施

在頂管過程中，可能會遇到地下不明障礙物，給施工帶來很大的困難。

a.在頂管掘進機的刀盤上增加硬質合金刀頭，同時增加刀盤和刀頭上的不銹鋼堆焊材料，提高對障礙物的切削性能。

b.對泥水平衡頂管機面板上的進泥口的開口度進行了改進，開口改小，使得進入泥水艙內的障礙物不易發生堵管現象。障礙物始終在面板的前方被刀頭切削，直至破碎再進入泥水艙。

c.在頂管機的上方設置進人孔，一旦出現木樁嵌入刀盤的開口縫隙，造成進泥口堵塞現象時，可以打開進人孔，借用工具清除木樁。

3.2地面沉降大，影響周邊環境安全的預防措施

a.施工前對沿線的環境進行細致的調查，不留隱患。

b.在管外壁建立性能優良的完整觸變泥漿潤滑套，減少管外壁背土引起的土體擾動和地面沉降。

3.3頂管與埋管連接施工

3.3.1連接段管道長度確定

因該連接段管道是最后才進行安裝的，故其管道長度不宜按設計長度進行加工制作，必須待頂管工具頭切割完成后，由潛水員水下測量已沉放安裝好的埋管端部與頂管端部的實際距離后，再按照該長度進行連接段管道的加工制作。

加工制作最后一段管道時，在水下實際測量長度的基礎上，管道加工長度應至少減少200～300mm，即保證管道連接處每端至少有100～150mm的空隙，以確保該段管道能順利沉放到位，否則即便是按水下測量的實際距離加工的管道也無法安裝到位，因為水下安裝時容易一端卡住。

3.3.2兩端管頭標高測量

為確保該連接段管道安裝準確無誤，同時便于哈夫連接接頭的安裝，在安裝前必須準確測量出埋管段和頂管段管端的管頂標高，以確認兩端是否存在高差。一般情況下有一定高差，但不宜過大。如偏差較大，則需要相應調整該段管道下兩道鋼橫梁的標高，否則將無法完成管道及哈夫接頭的安裝。

具體方法為:在測量出兩頭管道高差后確認是否需要調整樁頂橫梁的高程，如確有必要則進行調整，如兩端標高相差不大，總體推算后發現橫梁頂高程偏低，則采取在樁帽內加設鋼結構內襯墊的措施來加高橫梁標高；如橫梁頂高程偏低，則必須對樁頂進行切割破碎修整，將橫梁標高降低后才能沉放管道。因此該段管道的樁基在施打時盡量不要過高，寧可低些采取調高橫梁的措施進行修正。

3.4 頂管穿越臨時圍堰大堤

臨時大堤位于泵房前方60～70m的位置處（堤岸頂標高為＋7.5m，頂管穿越大堤時頂管中心標高為-5.15m），此時堤岸為主要施工道路，為防止頂管穿越時對堤岸造成破壞，影響總體施工，采取以下措施:

a.圍堰段監測點布置在長江大堤上以兩頂管中心向兩側各20m范圍內，每7m布置一個監測點，堤頂共設置7個監測點，在圍堰堤腳處同樣平行設置7個監測點。

b.穿越圍堰時，降低推進速度、推力，釋放正面土壓力，嚴格控制正面土壓力，將土壓力控制在盡可能小的范圍內，保證出土量與頂進量相匹配。同時盡量少做糾偏動作。

c.頂管機頂進后，存在一定的后期沉降，及時補充失水的泥漿，支護土體，直至頂進結束。補壓漿的位置和壓漿量根據現場沉降觀測數據來確定。

3.5埋管段樁基施工

在水上打樁施工時，因水下情況復雜，極可能遇到以下應急情況:

a.在打樁時，打樁船前后左右拋設至少6只錨纜，以盡量確保樁船的整體穩定性，避免管樁在下樁入土后再有船體移動導致樁位偏差。船上配備GPS定位系統進行精確定位并仔細復核，配合岸上全站儀復核樁位偏差，待兩者定位情況保持一致或最小偏差后再進行下樁和插樁入土操作。

b.樁位超過設計和施工規范允許范圍，出現平面偏差。在樁施打完成后，先將鋼樁帽套在樁頂，然后將橫梁擱置在樁帽上，擱置時保證橫梁兩端距樁帽距離相同，然后由潛水員水下點焊固定樁帽和鋼橫梁，再吊出水面后將樁帽和鋼橫梁焊接成整體進行沉放安裝，這樣可保證樁位在一組樁連線（與管道軸線垂直）方向偏位時橫梁的安裝定位準確。若樁位在與管道軸線平行方向產生偏位超出允許值，則可能導致橫梁傾斜，各橫梁互不平行，可采取將樁帽向偏位相反的方向加大（或加寬）并加設肋板加固的方法，從而保證橫梁平行。如樁頂標高低于設計高程（打樁時嚴格控制標高，寧低勿高），采取在樁帽內部加設襯墊的方式進行處理，即在鋼樁帽內部樁帽頂板的下方加焊鋼結構的肋板和鋼板，以抬高樁帽頂標高。

3.6取水頭水下混凝土澆筑

采用導管法澆筑:拖式混凝土泵及船舶進行商品混凝土的駁運，采用兩艘運輸船舶進行商品混凝土的運輸，每艘船舶上事先加工制作好1個混凝土運輸鋼箱，下部側面帶混凝土出料口和開關。先由拖式混凝土泵車將商品混凝土灌注至鋼箱內，然后再由運輸船將鋼箱運輸至取水頭澆筑混凝土處，采用工作船起吊鋼箱后澆筑混凝土，導管及料斗由水上工作船吊裝，潛水員水下定位至取水頭澆筑孔內，如圖5所示。

圖5　管樁內水下混凝土澆筑示意圖　

4　施工難題及解決方式

2013年11月19日，施工單位在頂進1號頂管第12節時（頂進總長度為70m），發現頂管機頭刀盤無法轉動，施工人員對此機頭進行全方位檢查，并邀請此頂管機頭公司的相關專業技術人員、機頭的設計者、制造者到工地現場進行檢查，但未找出刀盤不轉動的故障原因。

后經過多次專家檢查及自檢，得出導致刀盤不轉的主要原因可能為:

a.堅硬異物進入刀盤混合倉卡住刀盤。

b.頂管機頭軸承發生故障。

以上兩種原因經論證后都需將機頭取出后再處理。將未能繼續頂管施工的146m頂管改為開槽埋管，其作業程序為:2號管頂卸土→拉森鋼板樁等加固措施施工→1號管線基坑溝槽開挖→樁基埋管施工→工具頭部開挖→土石方回填→拉森鋼板樁及鋼管樁拔除。

5　結 語

施工頂管前對施工范圍進行詳細的地質勘查，可以減少障礙物的干擾；取水頭部在實施時盡量安排在平潮時進行吊裝；施工過程中應做好穿堤圍堰的實時監控；在埋管與頂管的連接處嚴格控制兩端的間隙，以免在水下安裝時卡住。■

DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.OO5

On water PiPe construction technology of Dongfengxisha W ater Intake Pum Ping Station Project in Chongm ing Island

ZHANG Guoping
（Shanghai Investigation，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai200434，China）

Abstract：Buried pipe and pipe jacking construction is adopted for water intake in Dongfengxisha Reservoir as we11 as Water Intake and Diversion Pump S1uice Project.Mushroom head stee1structure component is adopted in water intake head portion.The construction process is effective1ymanaged and contro11ed with good effect.

Key words：water intake construction；construction techno1ogy；construction difficu1ties；treatment scheme

中圖分類號：TV675

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774（2016）02-0016-05