既有通水環境下頂管對接施工關鍵技術研究

朱月平

（上海建工集團股份有限公司，上海 200080）

0 引言

在城市水利水務排水管道提標改造過程中，由于新的管網系統未完成，為保證城市管網系統的正常運行，通常要求在保證已建管網系統不斷流通水條件下，進行新的管網施工［1］。而在既有通水環境下進行新老管井連接施工，同時確保新管的施工便利及老管網的運行安全，是今后進行新一輪水利系統改造不可避免的難題和挑戰。

本文以漢陽排水系統二期工程-HY 1.2 標φ3 000 頂管工程管井對接工程實例，詳細介紹了在通水環境下，管井對接施工主要流程和控制要點，對管井對接的關鍵問題進行總結分析。

1 工程案例

1.1 總體概況

漢陽排水系統二期工程-HY 1.2 標范圍為東大名路（新建路～公平路）合流總管、公平路（泵站～東大名路以北聯合頂管井）合流管和截流管，管道長約 1 600 m，以及新漢陽泵站土建改造及設備采購安裝。泵站位于黃浦江北側、公平路西側，雨水設計排水量 18.5 m3/s 排入黃浦江，污水截流設計排水量 0.8 m3/s 提升至新建污水截流管流入市政污水管網。

本工程新建合流總管約 1.6 km，管徑Φ600～4 000× 3 000mm，其中泵站進水管為 4 000 mm×3 000 mm～ 4 000 mm×2 400 mm 箱涵，長度約 193 m，原老合流管位于新建合流管北側，部分新建合流管管位于老合流管，新建合流管頂管施工時需破除部分老合流管，其余老合流管均需保留；新建截污管約 290 m，管徑為 φ1 200；主要采用頂管和開槽埋管施工。

本段頂管位于東大名路公平路上，從東大名路以北 100 m 公平路上的聯合工作井向南至東大名路公平路路口南側公平路上 GP-H-03-03 接收井，頂程全長 109.2 m，管徑為φ3 000，管道中心標高為 -3.60 m～ -3.73 m，覆土深度為 4.5 m 左右，整個頂程為先直線后曲線頂管，直線段長度為 68.84 m，曲線段長度為 40.43 m，曲線半徑為φ800，采用“F”型鋼承口式鋼筋混凝土管。

由于聯合頂管工作井施工區域涉及 7 根電力排管搬遷事宜，且無法進行施工，管線初步搬遷時間定為2018 年 4 月中旬。為達到上級單位要求東大名路及公平段南段管道 5 月 30 日前發揮通水功能，本著達到通水節點目標，經各方領導商量建議東大名路及公平路段先行通水，待φ3 000 頂管有條件施工時采用在通水條件下與接收井進行地下對接。工作井及接收井結構概況如表 1 所示，工程總體平面圖如圖 1 所示。

表1 頂管工作井、接收井情況

圖1 工程井管連接平面示意圖（單位：m）

1.2 工程地質情況

根據勘察資料，擬建施工區潛水水位為地面下0.8～1.6 m，標高為：1.03～2.41 m。主要土層為①雜填土、②1黃～灰黃色粉質黏土、②3灰色砂質粉土、③灰色淤泥質粉質黏土、③T灰色砂質粉土、④灰色淤泥質黏土。頂管主要穿越③T砂質粉土層，底部少量區域穿越③淤泥質粉質黏土層。

2 頂管對接施工重點難點及針對性措施

2.1 主要難點

2.1.1 既有圍護鉆孔樁的鑿除及鄰近結構井的保護

新建頂管和既有老井的連接對接時，由于老井及其圍護已經施工完成，在頂管施工至老井位置需破除既有老井的鉆孔樁圍護及結構。在鉆孔樁圍護破除期間頂管頂進難度大，同時還需做到對老井既有結合的保護及止水措施。

2.1.2 通水條件下頂管的接收連接

在接收井通水條件下進行頂管的接受與連接，在之前工程中從未實施。接收工作難度和風險較大。

2.2 針對措施

針對老井既有圍護鉆孔樁的破除，結合現場實際情況，充分考慮頂管頂磨和人工鑿除的兩種結合方案。施工過程加強對臨近既有結構的成品保護，并事先準備好雙液注漿設備，如在鑿除時發生局部滲漏時立即注漿堵漏。

在通水條件下頂管的接收連接，首次采用變徑式鋼套筒，將鋼套筒澆筑在接收井內襯結構內，并做好端口的悶頭封堵。通水環境下鋼套管接收如圖 2 所示。

圖2 變徑式鋼套筒頂管接收示意圖（單位：cm）

3 頂管對接施工關鍵技術

3.1 對接工藝施工總體流程

頂管對接工工序繁多，結合工程地質特性，前期進行頂管機頭選型及改造。對接主要施工流程如圖 3 所示。

圖3 頂管對接施工主要流程圖

3.2 頂管機頭選型改造［2］

本工程頂管機型采用條幅式土壓平衡掘進機，機頭前方刀盤增加鎢鋼刀與先行刀，殼體預留注漿孔。當遇到管線及障礙物時，便于切削及碾磨障礙物。為了機頭與管材連接牢固，機頭后 3 節管增加環形預埋鐵，與機頭用螺栓聯接。同時整段頂管管節按每隔 1 節設置注漿管，以便隨時進行注漿加固，如圖 4 所示。

圖4 頂管機頭及注漿改造示意圖

主頂系統由油缸組、液壓泵站、鋼后靠、基坑導軌和頂鐵等組成。主頂進系統采用 8 臺 2 節等推力主頂油缸，排架采用雙拼槽鋼及導軌制作而成。導軌定位后必須穩固、正確，在頂進中承受各種負載時不位移、不變形、不沉降。在頂進中必須經常復測調整，以確保頂進軸線的精度。

3.3 機頭管內設備拆除

由于φ3 000 頂管機頭距鋼套凈距為 30 cm，且工程頂管頂進過程中機頭刀盤磨損嚴重，已無法繼續切削鉆孔灌注樁，因此采用人工破樁。在人工破樁前需對機頭及管道內設備陸續拆除，同時位于聯合工作井東側還需對φ1 200 頂管進行施工，因此必須先對聯合工作井內φ3 000 頂管設備事先拆除，給東側 φ1 200 頂管預留施工空間。先后拆除齒輪箱和刀盤如圖 5 所示。

3.4 機頭停靠位置進行二次加固

本工程φ3 000 頂管機頭位處接收井洞口高壓旋噴樁及鉆孔灌注樁（25 cm）內，由于機頭在加固區域及鉆孔灌注樁內磨進，人員又將進入機頭前方進行鉆孔灌注樁鑿除及機頭對接施工，考慮可能會有地下水及泥土涌入機頭內部，因此決定需事先對機頭停滯區域內土體進行二次注漿加固。

圖5 頂管齒輪箱及刀盤拆除順序示意圖

本次機頭停滯區域土體二次注漿加固采用機頭前后兩段預留的 12 只注漿孔及機頭正前方預留注漿孔向管道正前方及管壁外側土體注水泥漿方法，42.5 級新鮮硅酸鹽水泥摻量為 20 %，注漿壓力控制為 0.2 MPa，注漿時采用專業拌漿筒及壓漿泵在管道內施工作業。

注漿加固依次順序為：首先對機頭正面土倉上方預留的注漿孔向刀盤前方注漿加固填充，盡可能使水泥漿液填滿機頭前方空隙，并向機頭側面流入；其次再利用前段機頭預留的 6 個注漿孔（見圖 4）進行機頭側壁向外注漿，注漿時為確保每個注漿孔能夠充分利用，采用跳孔注漿法；最后在利用機頭后段預留的 6 個注漿孔向機殼外側注漿施工。

待所有注漿施工完畢后，為確保土體加固注漿有效時間，停滯 1 周左右再開始進行土倉開洞切除，人工破除鉆孔灌注樁施工。

3.5 鉆孔樁清障

當機頭內所有設備拆除完成后，進行人工鑿除鉆孔樁。首先在鑿除之前在機頭內對灌注樁進行水平人工探孔，觀察水位具體情況，如發現滲漏點水量較大，及時采用雙快水泥、棉花胎進行堵漏，直到無滲漏點。

灌注樁分 3 次粉碎性鑿除，鑿除順序從上往下1→2→3（見圖 6），操作人員利用空壓機進行灌注樁鑿除，由兩邊往中間進行邊緣鑿除作業，操作前需搭設腳手架。

當灌注樁鑿除時，一邊鑿除一邊進行鋼圈燒焊填充（現場準備滿鋼圈長 1 000 mm，外直徑 3 690 mm，厚8 mm 的鋼圈（見圖 7～8）。鋼板大約分 10 塊燒焊連接而成，具體大小根據現場實際鑿樁的位置大小而定。按順序鑿除完成后，則機頭與鋼套筒燒焊連接完成。

圖6 灌注樁鑿除示意圖（單位：mm）

圖7 滿鋼圈效果圖

圖8 對接鋼圈燒焊示意圖

3.6 機頭對接套管連接及內襯制作

與接收井的對接在接收井通水條件下進行，首先在制作接收井井壁時要預留好鋼套筒。鋼套筒加工及悶板制作工藝如下：鋼套筒尺寸制作為總長 73 cm，筒體做成內變徑形式，與機頭連接處為φ3 900，長 45 cm，前端為φ3 200，長 28 cm，端部設有內法蘭及鋼悶板一套（內法蘭螺絲螺帽材質為不銹鋼），如圖 9 所示。外鋼悶板外徑為φ3 200，共 48 個螺孔，螺紋為 M 22，悶板中制作一個寬 1.2 cm、深 0.7 cm 的密封條槽。

圖9 套筒加工圖與機頭與鋼套筒連接效果圖（單位：mm）

套管連接首先確定接收井預留洞口的具體位置，以工作井與接收井頂管軸線進行洞口放樣，然后以洞口中心位置為基礎，放出 DN 3 900 鋼套筒大頭位置。將鋼套筒定位及安裝（灌注樁現鑿除1/3，拔出鉆孔灌注樁鋼筋，將其豎向鋼筋與鋼套筒外側焊接牢固）完成后，在鋼套筒下方制作牛腿支撐，將鋼套筒安裝固定在φ3 000 頂管預留洞口內，最后再將鋼套筒一并澆筑在檢查井內襯中（北側內襯墻身厚度約為 58 cm，其余三側為 40 cm）。

當套管周圍有漏水狀況時，立即從機頭向外注入雙液快凝漿液，漿液配合比如表 2 所示，以便及時填充因機頭磨削土體產生的縫隙，從而阻止土體流失，減少對周圍環境的影響，以及對洞口上方管線起到保護作用。如有滲漏點，采取聚氨酯遇水膨脹液進行快速止水保護措施，確保周圍土體無滲漏點。

表2 漿液配合比

同時，在機頭進入套筒后，利用機頭上預留注漿孔向外注入水泥漿，將機頭與套用間隙填充，根據地面沉降及土倉壓力判斷分析，必要時采用打土泵向機頭外側四周注土填充。

機頭與鋼套管連接燒焊完成形成整體外殼后，其內部按照設計圖紙要求進行鋼筋綁扎及模板制作，在澆筑前對內襯鋼模板進行支架搭設支撐，防止模板變形及澆筑過程中模板塌落，待模板牢固后，最后進行與管節同等級配的混凝土澆筑施工。由于管節內襯為圓形結構，需與后方混凝土管節內壁澆平，本次內襯澆筑分為 3 次澆筑完成。第一次從底部向上澆筑至管道 2/3 部分；第二次依次向上澆筑，留下管頂 40 cm 區域；第三次混凝土澆筑（見圖 10）。每層澆筑后從下至上依此振搗，最后頂部填充混凝土振搗完畢后封模養護。

圖10 連接內襯澆筑示意圖

3.7 頂管段漿套固化

由于本段頂管施工時遇地下木樁，清理障礙并頂進時已造成路面及管線等建（構）筑物有沉降現象發生，同時所穿越公平路通車道路下方土體事先已被擾動過，已造成一定沉降影響。在頂管施工完成后，應及時利用觸變泥漿壓注孔對管道外的觸變泥漿護壁進行純水泥漿置換，從而可有效減少管道的后期沉降。

使用的泥漿置換材料為純水泥。通過管道內部的壓漿孔壓注，本段頂管帶注漿孔管節為 1 節間隔 1 節布設，注漿順序為從機頭前方開始至最后 1 節管道，注漿前需對管道前后洞口縫隙進行封堵，再依此注入水泥漿液，待前節管節注漿時開啟后節管節注漿伐，直至后段管節有水泥漿溢出，前節管節停止繼續注漿，換至后節管節進行注漿，注漿方法依次類推，直到全線完成置換。

3.8 悶板吊出

對接完成后進行悶板吊出，在悶板上設置安裝一個 2～3 寸的放水閥，拆除悶板前有潛水員潛入水中打開放水閥，減少水中的氣壓，使兩側處于平衡狀態，然后進行水下拆卸、切割與吊出。因法蘭悶板尺寸為φ3 200，檢查井井口大小為 1 000 mm×1 000 mm，法蘭悶板需進行切割后方可吊裝。考慮到切割在南段管道已通水的條件下，潛水員下井作業前需對井內空氣進行檢測，檢測合格后潛水員方可下水進行切割作業，分為 5 塊切割吊裝。

4 對接安全控制關鍵技術

4.1 管道通風措施

因管道內部設計機頭切割機大量焊接工程，人工需在機頭前端長時間作業，管道內通風采用軸流風機進行空氣置換，施工過程需加強管道通風措施。本工程選用 11 kW 軸流風機，最大排吸空氣流量為 520 m3/h，設置于井口進行空氣置換。

4.2 氣壓倉應急措施

本工程涉及人工鑿樁及機頭前方切割施工，為確保機頭前方人員作業安全，需現場備用氣壓倉作應急使用，氣壓倉如需使用可設置在工作井洞口內處，現場準備好壓力表、空氣打壓泵等相關輔助設備材料。

4.3 周邊環境監測控制

由于周邊環境復雜，且對接工程難度風險大。在對接施工前，由第三方專業監測單位進行布點監測。對接施工過程做到信息化施工。

5 對接實施效果

通過采用鋼套管接收工藝，過程中對關鍵節點控制，本工程于 2018 年底順利安全地在通水環境下對接施工完成。取得了良好的效果，如圖 11 所示。

圖11 頂管對接現場實施效果圖

6 結語

本文以漢陽排水系統二期工程-HY1.2 標頂管對接工程為背景，結合本工程φ3 000 大直徑管井原位通水對接連接施工技術研究同時兼顧實際施工的工況銜接，做到安全、經濟、合理。主要成果如下：

1）針對大直徑頂管與既有老井原位通水條件下對接連接，采用了對接鋼套管接收連接的工藝與施工方法，確保了在老井正常通水條件下的對接施工，大大縮短了工期節約了成本。

2）針對大直徑管井通水條件下對接施工過程中的清障工藝、加固及止水控制、內襯施工及對接安全控制的關鍵施工要點及難點進行了詳細分析總結，確保了對接施工的安全和質量，為以后類似工程施工提供了一定的借鑒作用。