長江灘涂進江頂管水下取機頭施工技術

周飛 ，劉義 ，徐向陽 ，徐哲

（中鐵十局集團第四工程有限公司，江蘇 南京 210039）

0 前言

頂管施工是一種不開挖或者少開挖的管道埋設施工技術。頂管法施工就是在工作坑內借助頂進設備產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設計的坡度頂入土中，并將土方運走。一節管子完成頂入土層之后，再下第二節管子繼續頂進。其原理是借助主頂油缸及管道間、中繼間等推力，把工具管或掘進機從工作坑內穿過土層一直推進到接收坑內吊起。管道緊隨工具管或掘進機后，埋設在兩坑之間。

經過多年的發展，頂管技術應用在我國大量的實際工程中，且保持著高速的增長勢頭，無論在技術、頂管設備還是施工工藝上取得了很大的進步。伴隨著城市新一輪擴容，各地大量興建城市取水工程，而沿江湖泊地質情況復雜土層自穩能力差，取水工程管道鋪設普遍采用頂管施工。機頭出洞目前仍廣泛使用沉井作為接收井，而此類頂管管道往往需要進江入湖，具有工程的個體特點，部分企業開始探索采用水下取機頭的方式。

1 工程概況

南京市某水源廠擴建一期工程總規模45萬m3/d，本期取水管等設備規模為45萬m3/d，包括取水口及取水管、吸水井及取水泵房、綜合樓及門衛(與取水泵房合建)、平臺和棧橋等。水源廠地坪標高7.50m。擴建工程總用地面積約0.273hm2。取水泵房下部采用沉井結構，沉井平面尺寸（長×寬×高）為：48m×28.18m×14.5m，壁厚分別為1.4m。

取水頭部單體工程位于南京長江水道現有水源廠取水頭旁，主要工程量是鋪設2根Φ1800×20取水鋼管，頂管段鋼管總長159m，埋管段鋼管總長度120.26m，樁架段鋼管總長度55.6m。管底標高-1.7m，長江枯水期，水位處于3.5～4.5m之間，汛期長江水位7.5～8.5m。

頂管穿越土層為②-2淤泥質粉質粘土層，頂管穿越岸坡最高處標高為9.89m，最低處標高為5.0m，頂管最低處覆土深度4.9m。

2 施工技術方案比選

中鐵十局針對該頂管機頭取過程中的技術難度、安全性、經濟性、工期等指標，進行了技術方案的比選論證。

①方案一(工作坑法)：通過非汛期放坡開挖接收坑，并根據地質情況進行支護，對維護結構進行驗算。存在的缺點：施工地質條件差，開挖深度達8m，易產生坍塌事故；進行大開挖接收坑，因投入支護、便道等各類安全措施費用較大；進行便道修筑、基坑開挖、支護措施等工期較長；長江灘涂進行深基坑開挖技術難度較大。

②方案二(接收井法)：在頂管出洞的位置，地面上制作沉井下沉到位后封底，頂管機頂進入接收井內，在接收井內進行頂管機的切割及與埋管段焊接。存在的缺點：接收井造價高且沉井制作、下沉及封底等工期較長。

③方案三(水下取機頭法)：頂管直接頂進長江內減少覆土深度，通過水下挖泥開挖出頂管機，進行水下切割、水上吊裝將頂管機吊裝上岸。存在的缺點：水下作業具有各類不確定因素，具有一定的危險性；在水下進行作業，技術難度大。

綜合考慮施工安全、技術難度、施工投入及工期等指標因素，最終決定采取方案三：水下取機頭。

3 水下取機頭關鍵技術

3.1 主要原理

3.1.1 水下取機頭原理

頂管頂進過程中進行全程測量，頂管機頭按照設計坐標線路推進至設定的坐標位置及標高，通過定位測量及對水上船只的精細操控，對機頭位置范圍內的覆土進行水下精確取土，機頭及水下作業坑挖出后由潛水員探摸機頭與頂管連接處的切割標記箍筋切定切割位置，并沿探摸標記在水下對機頭進行切割，機頭切割后通過浮吊吊裝上岸。

方案對比分析表表1

3.1.2 水下氧弧切割原理

水下氧弧切割工作原理，就是利用水下電弧產生的高熱和氧氣同被切割金屬元素產生的化學反應熱，加熱和熔化被切割金屬并借助氧氣流的沖力將切割縫中的熔融金屬及氧化熔渣吹除，從而形成割縫。隨著水下電弧的不斷移動和氧氣的不斷供給獲得所需要的切割長度，達到切割金屬材料的目的。

由于氧弧切割中，能夠獲得大量的化學反應熱，從而可以利用較小的切割電流進行切割，同時在切割過程中不斷供給具有一定壓力和流量的氧氣，使割縫中的熔化金屬和熔渣不斷被吹除，所以氧弧切割可以獲得較高的切割速度。

3.2 水下取機頭作業技術

3.2.1 施工工藝流程

施工準備（頂管機頭悶板封堵機管道注水、水上船只進場、施工測量）→挖泥船開挖水下土方→吊裝繩索水下固定→潛水員水下切割頂管機頭→頂管機頭吊裝上案。

3.2.2 施工準備工作

①現場施工測量

施工測量主要分為兩個方面：頂進機頭的停止位置和機頭覆土測量。

工程施工前，施工技術人員利用水上船只，測量既有河床標高，將測量的數據進行匯總，根據既有長江水位標高計算河床的頂面標高，在保證頂管機頭頂面覆土厚度的前提下將頂管機頭按照設計坐標頂進預定的位置。

頂管頂進結束后，將坐標控制點及標高控制點引入沉井（工作井）內，進入管道機頭位置測量機頭的坐標及高程。并通過機頭與泵房沉井之間的水平間距，復核測量數據，作為控制頂管工具頭取出位置定位施工的依據。

②頂管機頭悶板封堵

頂管封板的作用是在工具管切割的過程中，保護頂進機頭不進泥水，從而保證機頭內的設備完好，確保下段頂管能順利作業。

在未頂進前，頂管在第一節管節處，確定管內封板的預定位置，同時在工具管外沿著管壁四周焊接一圈6mm的鋼筋，以便水下切割工作人員能通過探摸順利確定頂管機頭具體的切割位置，確保切割快速準確。同時在管節內部用紅油漆明顯標記鋼封板的焊接位置。

圖1 頂管水下切割探摸標記圖

待頂管頂進預定位置后，撤出頂管設備的輔助管道：進水管道、出泥管道等管線，開啟空壓機，不間斷的向管內注入新鮮空氣，作業人員牽引空壓機出氣管進入頂管管道內進行頂管封板焊接，頂管封板采用分次焊接的方式。

③頂管管道內注水

頂管機頭的悶板焊接完成后，作業人員撤出頂管管道，在頂管管道的沉井端安裝蝶閥（按照管道規劃及設計要求選擇閥門），同時在沉井內管道上焊接帶有法蘭片的DN200注水管（短管長20cm），焊接完成后關閉閥門往管道內注水，待頂管內灌滿水后用法蘭悶板將DN200注水孔封堵嚴密。

圖2 管道注水管位置圖

3.2.3 水下土方開挖

頂管頂進至預定位置后，由挖泥船操作人員配合潛水員進行水下挖泥作業。

頂管機頭及沉井內的端口均封閉后，在頂管段開孔并將頂管段注滿水，確保水下切割安全穩定。頂管完成時，水上的挖泥船進入施工區域做好準備工作。

挖泥船只根據水下切割工具管位置及工程船前進方向（引導彩旗）對船只布置前八字錨、后八字錨及尾錨。拋錨過程中不得影響正常航道內的船只。

作業船只沿著引導彩旗的方向，探測水深及河床標高，推算頂管實際覆土厚度，從而進行水下土體的開挖，開挖時先沿著頂管機頭的外圍開始作業，逐漸向機頭處開挖河床土體。

開挖過程中，隨時測量水下的開挖深度，避免發生超挖。當開挖位置進入頂進機頭的位置時，開挖速度減緩，開挖過程中避免觸及頂進機頭。當挖出機頭頂部時潛水員下水在機頭吊裝位置綁上浮標，為后續的精確挖泥提供導引。浮標安裝后在機頭兩側（即浮標兩側）進行垂直土體開挖，開挖深度達到機頭以下1m，由于形成坡度機頭底部土體自然往兩側傾倒，從而完成對機頭底部土體的開挖。

根據地質勘探報告及設計文件的要求，水下土體的放坡系數控制在1∶2～1∶2.5。

圖3 頂管機頭區域水下挖泥圖

3.2.4 吊裝繩索水下固定

管道切割前，先做好水下機頭的固定工作，將打撈船只的吊裝繩索在機頭吊裝點上固定，鋼絲繩一端由水上船只勾住，另一端由潛水員從頂進機頭底部繞過。吊裝機頭采用兩根鋼絲繩進行作業。當機頭浮力大于機頭自重則需掛配重。

潛水員水下清土至頂進機頭底部時，用水槍在機頭底部沖刷出兩條鋼絲繩捆綁的溝槽，便于鋼絲繩穿越頂進機頭底部。潛水員將鋼絲繩從沖刷的溝槽下穿過，將頂進機頭捆綁牢固。

水下作業的過程中，水下潛水員與船上人員保持默契配合，過程中用對講機進行水下溝通。

3.2.5 潛水員水下工具管切割

圖4 吊裝繩索潛水員水下固定圖

潛水員下水前，對潛水設備進行密閉性和安全性的檢查。檢查完潛水設備后，在指定區域下潛作業。

潛水員下潛至指定區域后，先用高壓水槍沖刷頂管機頭及工具管頂面的覆土和周邊土體。機頭及工具管沖洗干凈后，潛水員水下探摸到工具管外圍的探摸標記（環筋），將水下割把準備就緒，通知潛水員副手打開氧氣和電源，開始水下切割工具管。

水下切割設備為ZX7-1000逆變式直流電弧焊機，采用T304鋼管割條。

切割前潛水員用水槍將切割部位的管底土體沖刷后再切割作業，確保水下邊坡安全、切割部位無土體粘連。由于頂管管道直徑較大，潛水員水下作業不能一次性切割完成，故在水下切割時，采用分次切割的方法，具體步驟如下。

第一步：通過潛水員探摸標記切割位置，先切割工具管底部；第二步：切割管道左右兩側；第三步：切割最后剩下的管頂部分。切割作業順序即為圖示①→②→③→④。

潛水員水下作業持續時間不超過2h，配備兩名潛水員換班作業，保證水下潛水員的人身安全。

圖5 水下頂管姿態模擬圖

3.2.6 機頭吊裝

機頭吊裝采用浮吊進行吊裝作業，吊裝過程中，潛水員回到船上，離開施工區域。

圖6 頂管機頭吊裝出水圖

當機頭吊裝出水面后，由吊裝船只緩緩的移動船身，靠近岸邊，將船頭的吊臂前傾，使機頭能穩穩的放置于岸邊。岸邊另行安排汽車吊和拖運貨車，將機頭吊裝運輸。

4 工程應用

“長江灘涂進江頂管水下取機頭施工技術”在南京市某水源廠項目成功應用。水源廠進水管道頂管頂進至江底后，根據河床高度推算頂管在江底覆土高度，在覆土厚度允許的情況下向江心頂進，最后頂進距岸邊15m處，在管道內部進行位置測量，并進行管道注水等準備工作。挖泥船斷續挖泥兩天，潛水員潛下兩個班次，歷時約4h將機頭成功在水下切割下來，通過浮吊將機頭吊裝上岸。整個取機頭作業有效工作時間僅5天。施工過程中未出現任何突發狀況。

5 結語

“長江灘涂進江頂管水下取機頭施工技術”打破了頂管接收井取機頭的常規思路，在技術上進行了創新，在成本上得到了節約，在工期上進行了縮短。該技術可為以后類似取水口工程施工提供參考，同時該技術可用于水下頂管遇險撤離作業。