某原水輸水管道工程施工方案的優化

曹德意

（上海水務建設工程有限公司，上海 201203）

1 工程概況

X市某原水輸水管道工程全長20km，為DN1600鋼管，沿線多段敷設在老城區的主干道下，地下管線復雜。同時局部需跨越海灣灘涂、河道、水閘等障礙，沿線工程地質情況多樣。沿線管道的敷設涉及到頂管、開挖埋管、管橋等各種施工方式。

2 管道施工方案

2.1 開挖埋管方案

2.1.1 管道基礎

管道基礎是根據管道材質、管道形式、管道所埋處的土層性質及地下水位的情況等來綜合確定。本工程的管徑較大，管道埋設較深，根據沿線參考地勘，管道主要埋設于素雜填土或填砂層，施工時地基土極易受擾動。經綜合分析比較，當采用鋼管時，由于鋼管為整體焊接管道，能夠適應一定的不均勻沉降，采用砂質管基作為管道基礎。

2.1.2 管道地基的處理

管道敷設時，當管道基礎落于松土、回填土、可液化土層等不良土層上時，應進行地基處理。本工程線路的局部范圍存在較厚雜填土、回填土層，由于管徑較大，基坑開挖的深度較深，暴露時間比一般埋管基坑長，為保證施工及運營安全，應對管道地基進行處理。對于鋼管，因其具備一定適應沉降變形的能力，采砂墊層分層壓實換填的處理方式。

2.1.3 管道回填土

管道施工完畢并經檢驗合格后，應及時回填溝槽。回填材料應符合下列規定：回填土時，槽底至管頂以上50cm范圍內，不得含有機物、凍土以及大于50mm的磚、石等硬塊，回填土的含水量，控制在最佳含水量附近。管槽回填土分區域采用不同的壓實度，壓實系數應達到相應規范的要求。管基和管側的回填材料采用中粗砂，確保大口徑鋼管的受力更加均勻，同時控制管道在施工時的變形。

2.1.4 管槽開挖的深度和寬度

管槽開挖的深度：根據管道形式、管徑大小、管道覆土厚度、管道所處環境、施工條件等因素綜合確定。一般可按下式計算：H=D1+h1+h2。式中H—管道溝槽底部的開挖深度（mm）；D1—管道結構的外緣寬度（mm）；h1—管頂覆土厚度；h2—管道基礎厚度。

管槽開挖的寬度：根據管道形式、管徑大小及支護形式綜合確定。單管管槽底部寬度，按下式計算：B＝D1＋2（b1＋b2）。式中B—管道溝槽底部的開挖寬度（mm）；D1—管道結構的外緣寬度（mm）；b1—管道一側的工作面寬度（mm），對于大口徑鋼管的工作面寬度不小于700mm。b2—管道一側的支撐厚度（mm）。

擬建場地環境變化較多而復雜，涉及面很廣，對管槽的影響很大。管槽的形式應因地制宜，盡量減少對周邊環境的影響且施工安全，工程質量可靠。

2.1.5 管槽開挖和支護形式

管槽開挖和支護形式有：放坡開挖、橫列板支護、鋼板樁支護、SMW工法及混凝土板樁支護等。對于開挖深度較淺、周圍環境保護要求不高的管槽，一般可采用大放坡開挖、橫列板支護系統。當埋深較深、地下水位較高、周邊環境保護要求較高的地段，可采用鋼板樁支護或SMW工法。

對于本工程，基坑開挖深度3．5m，在周邊環境空曠段，可采用放坡開挖。該形式具有施工快速、技術操作相對簡單的特點。在市政道路下敷管，為避免開挖對周邊環境產生影響，可采用鋼板樁支護，該形式具有周邊環境影響小、占地面積小的特點。

管槽開挖、井點降水對鄰近建（構）筑物、地下管線等設施將產生一定的不利影響。施工前必須查清管線鄰近的建（構）筑物、地下設施和管線等的類型、結構形式及分布狀況，以便采取合適的設計、施工方案和防治措施。施工期間必須由有資質的單位進行監測，根據監測資料及時調整施工方法和施工工藝。

2.2 頂管方案

2.2.1 頂管施工方式的介紹

頂管工法是在地面下采用非開挖技術敷設管道的一種施工方法，它不需要明挖土層，能夠穿越江河、公路、鐵路、地面建筑物、地下構筑物以及各種地下管線。現代城市建筑、公用管線設施和各種交通日益復雜，在市區采用明挖敷設管道，對城市生活的干擾嚴重，另外，在穿越大型水域、沼澤地帶、公路和鐵路等障礙物時，用明挖法敷設管道很難實現或相當不經濟，在這種情況下，采用頂管法進行城市給排水、電力通訊、市政公用設施等各種管道建設具有明顯的優越性。

頂管施工的原理，是用頂管機本體前方刀盤邊切削土體，邊由后部頂進裝置（主頂油缸及管道中繼間）將頂管機連同頂進用管一起沿著設計軸線向前推進。被切削的殘土，由水力或土砂壓送裝置送至地面運走，前者稱為泥水式頂管，后者稱為土壓式頂管。當頂管頂進距離增加，頂力增大受到條件限制時，采用潤滑劑減阻和中繼接力技術。

完整的頂管施工系統大體包括以下幾大部分：（1）工作井和接收井：工作井是安放所有頂進設備的場所，也是頂管機的始發場所，它還是承受頂進推力的構筑物。接收井是接收頂管機的場所。（2）頂管機：頂管機是頂管掘進用的機器，它安放在所頂管道的最前端。（3）頂進系統：由頂進油缸、油泵、操縱臺、頂鐵和導軌等組成，頂進油缸是管道頂進的動力。（4）推進用管：常用的推進用管有鋼管、鋼筋混凝土管等。（5）輸土裝置：是將頂管機開挖的土輸送出去的裝置，輸土裝置會因推進方式不同而不同。（6）測量裝置：常用的測量裝置有經緯儀、水準儀和激光經緯儀，在復雜的頂管中，也用自動測量裝置進行測量。（7）注漿裝置：通過注漿裝置在管道的外周注入潤滑漿，可大大減小管道頂進的摩阻力。（8）中繼間（中繼環）：長距離頂管的輔助頂進裝置。（9）供電及照明、通風系統。見圖1。

圖1 系統示意圖

頂管技術是極為重要的一種都市鋪設管道的施工手段。采用頂管施工法鋪設管道具有如下得天獨厚的優勢：（1）頂管施工不開挖地面，能穿越公路、鐵路、河流，甚至能在建筑物底下穿過，是一種能安全有效地進行環境保護的施工方法。（2）頂管施工的適用范圍較大，頂管機械的性能適應各種土質。（3）頂管機具設備較簡單，后方配套設備均可在國內解決，價格較便宜。（4）頂管施工，尤其是鋼管施工，對管材制作的精度要求不高。（5）長距離頂進，在國內外均已普及，采用“中繼間”頂進方法，基本可達到不用“中繼間”同樣的速度，施工速度較快。（6）頂管設備，由于其設備小巧和組合性強，既可用于硬地層和超長距離施工，也可用于其他地層和短距離施工，必要時根據土質條件可擴徑使用，故設備使用率高。

表1 各圍護形式優缺點及適用性

2.2.2 頂管施工關鍵技術處理

（1）頂管溫度應力控制

本工程頂管的埋置深度不深，溫度對它直接影響較大，輸送的水溫變化同樣會產生伸縮。常規解決溫差影響的辦法有2種：①設置伸縮裝置，使管道在溫度變化下能自由變形來抵消溫差的影響。②以鋼管自身的強度來抵抗溫差，在鋼管計算時考慮這部分溫度應力。采用伸縮裝置允許變形在某越江工程頂管中使用過，但效果并不理想，部分伸縮裝置出現滲漏，最后采用對伸縮裝置焊接封閉來解決。本工程經過計算論證，決定采用第2方案，即由鋼管自身強度與土體摩阻力來抵抗管道溫度應力。同時再采取相應的可靠措施：①減小管道的安裝溫度與極端溫度之間的差值。②穿越井壁處采用螺栓法蘭連接。③鋼管采用支敦與工作井連成整體。

（2）頂管巖層頂進技術控制

本工程在局部路段頂進過程中可能會遇到風化花崗巖層及孤石，采用常規頂管設備將無法切削，導致管道卡死。為避免出現這一情況，該區間考慮采用特殊措施：①勘察布孔加密，盡量還原區間地下土層的實際分布情況。②頂管機選擇合適的刀盤，方便施工質量及進度控制。采用特殊減阻泥漿形成泥漿套，減少頂管頂進的阻力，保證頂進速度。③機頭設置氣壓艙，遇堅硬障礙物，可采用人工出艙清障的方式，保證連續施工。

（3）頂管區間布置

本工程管道主要位于市政道路、綠化帶下，其上沒有建筑物及其他設施，管頂覆土厚度一般取3倍管徑；當需要穿越重要公路、雨污水管線時，則需視其情況適當加大埋設深度。隨著頂管施工技術和工藝的提高，頂管的一次頂進長度越來越長，目前國內已建成的長距離鋼管頂管DN1600鋼管一次頂進的最長距離為1400m。在長距離頂管工程中，施工供電系統、泥漿減阻系統、測量系統、通風系統、運輸系統等關鍵技術系統的要求相應提高，施工中不可預見的因素將增多，施工時間也更長。本工程中一次頂進長度主要根據管道沿線的障礙物情況、施工能力和工程進度要求來綜合確定。在平直段一次頂進的長度宜控制在1000m以內。

（4）頂管工作井和接收井的技術方案

頂管用工作井和接收井一般采用沉井、SMW工法、灌注樁+止水帷幕、地下連續墻等形式。沉井法：施工工藝成熟，應用廣泛，適用于開挖深度較深的基坑，頂管施工時沉井鋼筋砼已達到設計強度，對于需要敞開時間較長的基坑，頂管施工過程中安全系數較高，且造價相對低廉。但沉井下沉時，對周邊環境有影響，需通過施工多排保護樁進行隔水及加固，以減小其影響。SMW工法：內插型鋼的三軸水泥土攪拌墻+內支撐形成圍護結構及止水帷幕，施工時對周邊環境的影響較小，結合有足夠剛度的內支撐體系，可滿足基坑變形要求，但圍護結構剛度較小，基坑開挖時變形較大，且型鋼拔出時會對周邊環境造成影響，不適用于周邊環境保護要求較高的基坑。鉆孔灌注樁+止水帷幕：施工工藝成熟，鋼筋砼鉆孔灌注樁+內支撐形成圍護結構，水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁形成止水帷幕，施工時對周邊環境的影響較小，鋼筋砼鉆孔灌注樁剛度較型鋼水泥土攪拌墻大，因此，開挖時的基坑變形較型鋼水泥土攪拌墻小，但是造價較高。地下連續墻：施工工藝成熟，結構剛度大，基坑開挖對周邊環境的影響小，但施工機具的場地要求較大、造價高，見表1。

基坑止水帷幕常規有三軸水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁，本工程頂管井井位均在鬧市及新建景觀場地，施工空間受限，三軸水泥土攪拌樁機具占地較大，進出場較為困難，故選擇高壓旋噴樁（三重管）作為止水帷幕，為保證止水效果，采用雙排形式。由于頂管頂力較大，且工作井部分處于土質較軟弱的層土中，為保證井體穩定，工作井后背土體需進行加固。出洞口處，為保證頂管出洞安全及初始頂進時頂管機頭及管道穩定，也需對土體進行加固。土體加固方法采用質量較易控制的高壓旋噴樁。接收井的進洞口處，為保證工具管進洞時的穩定，需對土體進行加固，土體加固方法上，同樣采用高壓旋噴樁的措施。

2.3 管橋施工方案

管道跨越水閘及地下通道端段采用管橋方式跨越。樁基承臺間距小于20m時，采用自承式管道跨越；樁基承臺間距大于20m時，采用桁架管橋跨越，見圖2，管道敷設于桁架上。管橋的鋼管與支架、支墩的支座連接采用鞍式支座。管橋支架、支墩采用現澆鋼筋混凝土的結構，管橋支架基礎采用鉆孔灌注樁基礎。

圖2 桁架管橋橫實例

3 管道施工對周邊環境的保護

3.1 開挖施工對環境的保護

通過現場踏勘，局部地段道路下其它市政管線距離本工程管道最近處只有2～3m距離，如果開挖時不對建筑物基礎進行保護，則基坑開挖勢必對基礎產生影響，易造成墻體開裂等工程事故，因此現狀管線的保護是管道安全鋪設的先決條件。根據當地土質及現狀管線的材質和埋深，開挖埋管基坑應采用剛度較強、止水性能較好的拉森鋼板樁，樁長為9m，對于本次開挖深度約為3．5m的基坑能有效地保護周邊的建筑物及地下管線。基坑開挖時，應充分利用其時空效應，加強對周邊建筑物的監測。施工前做好應急預案，施工時精心施工，盡可能去減少對周邊環境的影響。

3.2 頂管施工對環境的保護

本工程的頂管施工需穿越高等級道路等敏感性的障礙物，將不可避免地造成地面的沉降和地下土體的移動。為了預估頂管對保護對象的影響范圍和影響量，需事先通過理論計算和數值分析，有針對性的采取保護措施和施工控制措施。可采用的措施有：超前注漿加固、MJS加固等。施工時應控制出土速度、加強地面及相關建筑物的監測，做到信息化施工。控制開挖面的土壓力和出土量。對頂管機提供的壓力進行監控，測定地表沉降、土層變形移動和土壓力等，通過參數優化，按測試結果實時調整，修正施工參數，以保持開挖面的穩定。要控制出土量，防止超挖及欠挖，出土控制在理論量的98%左右。控制注漿壓力和注漿量。在頂管掘進的過程中，以適當的壓力、必要的注漿量和合理配比的壓漿工藝，在管道周圍的環形空隙中同步注漿和補漿，控制和減小地面沉降的作用。頂管軸線控制。保證頂管頂進中的軸線定位走向與設計軸線盡可能一致，減小糾偏量，有效控制因糾偏對周圍土層的剪切擠壓擾動，利于控制地層損失。頂進施工參數控制。頂進速度不宜過快，一般初始控制在10mm/min以內，正常控制在20mm/min左右，并根據監測結果進行調整。

3.3 頂管井施工對環境的保護

當頂管井基坑開挖施工時，不可避免對周邊環境造成影響。本工程部分區間的頂管用于過防潮堤，頂管井布置于堤岸兩側。因此，頂管井基坑施工時，需對防潮堤進行計算分析和相應保護。根據土力學理論及相關工程經驗，頂管井施工周邊的土體破壞范圍為，其中L為破壞范圍，H為開挖深度，為土體內摩擦角。因此，可初步確定頂管井與防潮堤的相對距離。在上述初步確定井位距離的基礎上，采用巖土工程有限元軟件作進一步的影響分析，見圖3。土體本構模型采用能反映土體變形的非線性彈塑性模型—硬化土體模型（Hardening soil model），以下僅選取一例分析模型進行說明。圖4中，工作井的深度為15m，海岸由防潮堤構成。通過計算發現，進行堤岸預加固后，頂管井的設置距離超過一倍井深時，即使井周邊土體沉降較大，仍可確保防汛墻的安全，其位移不超過1cm。

圖3 頂管井基坑開挖施工周邊土體位移云圖

圖4 頂管井周地表土體沉降曲線

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