套管法豎向管道施工技術探討

王 濤

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

1 試點工程概況

試點工程為DN1 800 mm鋼頂管工程，頂管區間橫穿水道，頂管長588 m，埋深22～30 m。按原設計方案，頂管終端設接收井，在接收井內進行豎向連通管施工，而后與井外埋管段相連。接收井采用沉井方式構筑，沉井內徑6 m，壁厚1.3 m，下沉深度達35 m。 接收井位于澳門市中心，周邊管線較多。井位西側為數根淺埋高壓電纜，距接收井外側高壓旋噴樁凈距僅0.9 m，井位東側部分管線已侵入接收井外側高壓旋噴樁施工區域（圖1）。

圖1 接收井周邊環境平面示意

試點工程接收井采取沉井法施工，存在如下難點[1-2]：

1）接收井周邊存在大量重要管線，管線搬遷、改排困難。

2）原設計沉井法施工接收井，包含高壓旋噴樁止水帷幕、石灰攪拌樁土體改良加固、沉井制作、沉井下沉、內部結構制作等分部分項工程，工序繁瑣、工期長。

3）沉井下沉深度達35 m，下沉過程中對周邊環境影響大。

4）沉井制作及下沉施工階段，需要臨時占用較大的施工場地，嚴重影響周邊環境與交通。

2 替代方案比選

考慮到此處構建接收井的主要目的是為了滿足地下暗挖管道與地面淺埋管道的豎向工藝連接，鑒于接收井施工過程中客觀存在的難點，以滿足設計工藝用途為目的，以減小對周邊環境的影響為出發點，施工方提出了2種替代方案。

2.1 垂直頂升方案

頂管頂至設計位置后，管內采用小型豎管垂直頂升至地面，而后通過構筑地表淺基坑與地面埋管進行連接（圖2）。

圖2 垂直頂升與地面埋管連通工藝示意

1）方案優點：地面埋管與垂直頂升豎管的連接在地面淺基坑內進行，施工期間臨時占地相對較小；豎管頂升在頂管管道內進行，結合對頂升區域的地面預處理，施工期間對周邊環境影響較小。

2）方案缺點：首先，受頂管直徑及管道結構穩定性影響，單根頂升豎管口徑較小，需頂升多根方能滿足設計通水截面的要求，施工工期略長；其次，由于豎管頂升采取不出土“悶頂”工藝，對于大埋深頂管，豎管頂升施工難度較大；最后，豎管頂升管節焊接量較大，對于長距離頂管，管道內通風措施費用高。

2.2 套管法豎向管道施工

首先沉放底部設U形槽的大口徑鋼套管，通過精準施工使其騎放在頂管外部，與頂管形成有效嵌固，形成小型豎井。隨后在大口徑套管內下放豎管（內套管，最大口徑可同頂管口徑），內套管通過底部設U形槽騎放在頂管上部。在2層套管之間進行必要的加固止水措施后，施工人員進入內套管底部，進行內套管與頂管相貫處的焊接與開孔，形成豎向通水通道，最后與地面埋管連通（圖3）。

圖3 套管法豎向管道施工工藝示意

該方案僅需設置1根與頂管同口徑鋼管即可滿足設計流量要求，相較于垂直頂升豎管工藝，工序少，施工工期短。施工過程中，只需在外套管沉放過程中做好泥漿管理工作，即可有效規避對周邊環境的影響。另外，該方案進一步縮小了施工用地范圍，極大地降低了相關征地拆遷的難度。

綜合比較上述2種方案，最終確定采用套管法豎向管道施工工藝替代原接收井方案[3-4]。

3 套管法豎向管道施工技術要點

3.1 總體施工工藝流程

套管法豎向管道施工工藝流程如下：頂管到位后機頭內設備拆除→定位放樣、標高測量→地面澆筑施工平臺→與套管相貫區域頂管管節加固→外套管搓管法施工→內套管吊裝→內外套管間清孔及水下混凝土澆筑→內套管內積水抽排→頂管與內套管相貫處焊接及開洞→與地面埋管連接→場地恢復。

3.2 關鍵工序技術要點

3.2.1 地面澆筑施工平臺

在頂管頂進到位后，將頂管軸線、標高引至地面，定出內外套管的中心位置，澆筑混凝土施工平臺。在外套管施工時，施工平臺能保證搓管機的水平，便于外套管垂直度控制及標高量測。

3.2.2 與套管相貫區域頂管管節加固

外套管通過固定在施工平臺上承受其結構自重，而內套管通過底部的U形槽騎放在頂管上部，頂管會承受部分內套管自重。為避免頂管管段受力變形，該段管節采用環形鋼板及槽鋼進行加固，同時，通過預留的注漿孔，對頂管管節底部進行注漿加固。

3.2.3 外套管搓管法施工

本工程頂管直徑為DN1 800 mm，為便于與頂管形成有效嵌固，大口徑外套管直徑選用DN3 000 mm，管底設厚管靴，端部開U形槽口（圖4）。

圖4 外套管端部細節實物

外套管采用搓管機分節沉放，安裝套管和成孔同時進行。外套管節間采取焊接連接，采用150 t履帶吊機與抓斗配合施工。工序主要控制要點為：

1）在外套管U形口頂部沿管道軸線畫白線，以便于在沉放過程中控制白線位置與頂管軸線重合，同時在管節上標高度刻度以控制沉放深度。

2）搓管機將底節套管對位后，驅動搓管機，使套管緩慢旋轉下沉。當套管下沉阻力較大、進尺緩慢時，用抓斗進行套管內取土，輔助下沉。抓斗取土時，套管內同步注入泥漿，防止管底管涌和坍孔。

3）套筒下口到達頂管頂部約0.5 m時，下沉過程中不旋轉套筒（此時應確保套管上的U形口標記連線投影與頂管軸線一致），進入終沉階段。終沉階段用小抓斗清除頂管上部和兩側的土體，氣舉反循環排除渣土，利用管道自重及搓管機下壓力將套管壓入至預定位置。

4）外套管沉放過程中，需嚴格控制好垂直度及軸線位置（圖5）。

3.2.4 內套管吊裝

巖土地質勘察工程主要是通過鉆探技術了解工程現場的地質情況并獲得地質的巖土層結構和各項巖土的工程系數，最后的勘察結果直接決定著工程實施計劃，對工程的經濟投入和安全性起著很重要的影響。因此必須對勘察工作投入十二分的重視，且嚴格按照國家對勘探技術的規范流程執行。近年來，我國國力有顯著的提升，對巖土工程勘察技術的發展有了更高的要求，加大對勘探工程鉆探技術的研究力度，將有利于為建設工程提供完整且準確的巖土層數據，從而制定有效的施工計劃，同時也會減少勘察成本，提高建設工程的利潤。

1）內套管采取DN1 800 mm鋼管，節間采取法蘭連接，底部設置U形槽口，弧形口端安裝防水密封橡膠圈（圖6）。

圖5 外套管搓管法施工現場

圖6 內套管端部細節實物

2）為防止DN1 800 mm鋼管在外套管內晃動及扭轉，在其外側焊接限位鋼板，以控制管道的位置。

3）內套管拼接結束后，測量人員在管兩端標示中心控制線。下放過程中控制好管道的軸線位置，保證管道的垂直度，防止管道扭轉，確保止水橡膠圈與水平管道間的貼合。

4）管道下放到位后，進行檢查復核，待準確無誤后與DN3 000 mm外套筒固定牢固。

3.2.5 內、外套管間清孔及水下混凝土澆筑

內套管下放完畢后，內外套管之間的空隙約600 mm，滿足水下混凝土澆筑空間。此時下放導管，在內外套管之間澆筑水下混凝土。水下混凝土應確保流動性，以便充滿內外套管區域，形成有效的隔水層。同時，也對內套管形成了有效的保護層，對內套管長期通水安全有著較好的保證。

針對內套管與頂管外壁仍可能存在少量縫隙，導致水下混凝土澆筑時存在滲漏的可能，對此考慮了以下幾項針對性措施[5-7]：

1）內套管下放后，如有一定偏差，可讓潛水員下至內套管內，對縫隙進行人工封堵。

3）必要時，在內套管內采取全氣壓手段平衡地下水，施工人員在氣壓狀態下進行初步焊接封堵止水。

3.2.6 頂管與內套管相貫處焊接及開洞

在水下混凝土達到設計強度后，將內套管里的積水排凈，如套管內仍有較明顯的滲漏現象，則采取在套管外反復壓漿進行縫隙處加固的措施，或采取全氣壓方式進行內套管處的焊接止水。若套管內無明顯滲漏，則讓施工人員下至內套管底部，進行該區域頂管頂板的割除及與內套管的焊接連接作業。其中，應特別注意頂管與套管連接處的焊接質量控制。

豎管連接段施工完畢后，拆除機頭設備并注意做好端部永久封堵工作。

3.3 施工控制要點

1）由于內、外套管下放的目的是要與頂管管節形成較精確的嵌固，因此對頂管頂進結束后的實際標高應精確測量，現場套管施工時應注意精確定位。

2）頂管開口處由于擾動較大，故應在頂管內部的相應區域及下部土體區域做好預加固措施，確保后期套管施工、開孔施工過程中頂管管道的結構穩定。

3）由于本工程頂管標高位于隔水性較好的③2淤泥質粉質黏土中，因此未在頂管外圍采取特別的加固措施。若在透水性較強的砂性土中進行該項工藝的施工，則需考慮在頂管頭部進行必要的加固措施，以增強外部土體的不透水性。

4 總體施工效益

1）與原設計沉井法施工接收井方案相比，該工藝節約了近2/3的施工用地，極大地減少了管線、綠化搬遷量，以及施工對周邊交通的影響。

2）相較于其他工藝，套管法豎向管道施工只需在外套管沉放過程中做好護壁泥漿管理，即可將對周邊環境的影響風險降至可接受范圍。

3）套管法豎向管道施工工序少，可節約大量工期。

4）外套管對具有使用功能的內套管可起到保護、支撐作用，延長管道的使用壽命。

5 結語

本文提出了一種新型豎向管道施工工藝，通過采用大口徑套管與頂管管道形成有效嵌固，形成臨時小型豎井，而后在此套管內進行永久豎向管道與頂管的連接。該工藝施工占地面積小，施工周期短，極大地減小了常規豎井施工對周邊環境的影響，為市區大體量頂管、盾構隧道工作井的施工提供了參考與借鑒。