近海岸復雜地質下RCCP頂管工藝研究

尚恒

（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙410004）

1 工程概況

馬來西亞凱德隆火電項目，位于馬來西亞砂撈越州民都魯市。本項目采用海水直冷方式，冷卻循環水系統共設置3根引水管和1根排水管。由于引水管和排水管需要穿越天然氣管道及岸堤段的管道，所以引水管和排水管的部分管道采用頂管方式進行施工。

引水管和排水管頂管材料均為鋼筋加強鋼筒混凝土管（RCCP管）。引水管頂管直徑DN 2 400 mm（外徑2 880 mm），單根管道長度4 m，頂管位置設計進洞軸線高程為-6.0 m，最外端覆土厚度為1.3 m，頂管末端至取水頭的高密度聚乙烯（HDPE）管道采用埋管法施工。排水管頂管直徑DN 3 600 mm(外徑4 320 mm)，單根管道長度3 m，頂管設計進洞軸線高程為-4.65 m，末端覆土厚度為1.35 m，管軸線呈i=0.1的下行坡度，末端與玻璃鋼（GRP）排放口段連接。引水管和排水管頂管均不設置接收井，待頂管施工結束后，采用開挖方式將機頭挖出后再進行切割拆除。

2 頂管施工工藝和RCCP管

2.1 頂管施工工藝介紹

在頂管施工中最為流行的有3種平衡理論：氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡[1]。頂管施工的管材主要有鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼管等，管道直徑為標準尺寸，且一般小于3 m。頂管穿越區域一般為土質地基，管道埋深較深，地下水較深，管頂覆土厚，頂管施工難度和危險性較小。

本項目采用泥水平衡頂管施工技術，是利用泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力的一種頂管施工方法。其基本原理是頂進機頭前端刀盤旋轉全斷面切削土體，尾端受控頂進，先前掘進，在此過程中利用頂管機泥水倉內的泥水壓力來平衡頂管機所處土層中的土壓力和地下水壓力，同時利用排出的泥水來輸送棄土的一種頂管施工工藝。

頂管機頭泥水倉內的壓力平衡是工藝控制的關鍵。泥水平衡頂管機在頂進中，須實時關注泥水倉中的壓力，將泥水壓力控制在主動和被動土壓力之間。通常采用控制頂進速度與排泥速率來實現對泥倉中泥水壓力的控制，從而把對土體擾動的影響減小到最低程度。頂進過程中，通過設置在泥倉中的土壓傳感器實時采集泥水倉中的壓力數據并傳輸到監控系統中，經控制計算機處理后，輸出各個子系統的動作參數，進行頂管作業，自動化程度較高。其控制原理主要是通過調節進漿管流量、排泥管流量和頂進速度等來調節泥水倉壓力，從而達到泥水壓力平衡的效果。

2.2 RCCP管介紹

RCCP是類似于鋼筋混凝土管（RCP）的一種，主要的區別就是用鋼筒替代了一層鋼筋籠。RCCP是按照美標AWWAC300《Reinforced Concrete Pressure Pipe，Steel-cylinder Type》（預應力混凝土鋼筒管）進行設計生產，單根尺寸最長為60.96 cm(24 in)，直徑最大為304.8 cm（120 in）。與鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼管相比，RCCP管的特點如下：

1）強度比鋼筋混凝土管、玻璃鋼管高，比鋼管耐腐蝕；

2）可以預制成型，采用承插式連接方式，連接處采用橡膠密封墊和止水O形圈；

3）工廠預制，可以嚴格控制各項尺寸偏差、保證成品的產品質量；

4）管道內外承壓能力強；

5）內壁鋼套管厚度較鋼筋混凝土管管道厚（＞10 mm）,可以直接用于頂管施工。

3 本工程工藝難點

與常規頂管相比，本項目頂管具有以下難點：（1）管材為RCCP管，且尺寸為非標準尺寸管道；（2）頂管所處區域地質為中密實砂層，極易出現坍塌情況；（3）頂管頂進過程中需下穿地面上部現有的煉油廠的主天然氣管道；（4）頂管從岸上向海里進行頂管。

4 解決方案

4.1 RCCP管道非標尺寸問題

本次頂管專門定制4臺泥水切削氣壓平衡工具管作為頂管工具管，其中3臺用于DN2 400 mm引水管頂管施工，1臺用于DN3 600 mm排水管頂管施工。泥水切削氣壓平衡工具管分開挖艙和操作艙2部分。中間有鋼板密封隔離，開挖艙設有擋土擱柵、泥土攪拌器、防爆照明燈、高壓水槍、加氣孔，底部為吸泥口。操作艙內有4組糾偏系統、加壓裝置、出泥控制閥，尾部是1道氣閘門，門中央為測量覘標。

為增加頂管工具管刀盤的耐磨性，防止刀盤磨損過快，需要對頂管工具管刀盤進行合金堆焊。同時為減小土體進入泥水倉的速度，防止頂管工具管頂部坍塌，對工具管泥水進口進行了適應性改造并取得了實用新型專利。經過專門定制和改造的頂管工具管具有以下特點：

1）在工具頭部正面遇障礙物時，可以啟動刀盤進行切削，遇到難以切削的障礙物時，可以在對氣壓艙加壓的情況下，實行人員進倉的方法完成障礙物的清理或處理。其處理能力為可處理直徑400～500 mm或更大的硬物。

2）結構實用，適用性及可操作性強，施工速度快。在砂地層頂進時，利用泥水注漿系統能有效形成封閉的泥漿環，有效地防止塌陷、流沙現象產生，并可用局部氣壓來疏干沙土中的含水量。

3）開挖面與操作倉相互隔離，作業安全有保障，施工人員不易受地下沼氣等可燃氣體的影響。

4）開挖面土體形式及土質變化情況可通過觀察窗直接觀察，便于施工參數根據實際情況調整。

4.2 中密實砂層地質出現坍塌問題

在施工前采用地質鉆孔與地質雷達預報相結合來確定前方土體情況，對不良地質采取加固措施，注意控制施工質量,提高管道糾偏效果。在施工過程中，分別在地表及臨近建筑物與頂進管線上布點，以形成具有一定數量測點覆蓋率的監測網，用來監測施工期間的變形。在頂管掘進過程中，以適當的壓力、合適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進行同步注漿和補漿，既能減小摩擦阻力，又起到控制或減小地面沉降的作用。

如果在頂進過程中局部出現坍塌或地面變化情況，可以通過調控頂管掘進時的取土量及增加注漿保護，對出現的塌陷或地面變化區域，及時進行回填加固處理。頂管結束后，為確保所有頂管穩定、安全，在頂管管線上布置一定數量的鉆探孔，用于初步檢查頂管頂部土層是否存在空洞，如發現空洞，則需要進一步采用多頻道表面波分析法（MASW）對頂管管線的頂部土層進行空洞探測。根據勘測情況，如果頂管管線上方存在空洞，則所有空洞都需要進行灌漿處理。灌漿孔直徑應≥50 mm，灌漿材料采用水灰比為0.5∶1的水泥凈漿。

4.3 頂管管線上部的天然氣管道問題

管線上部的天然氣管道由于正在運行中，為防止天然氣管道基礎出現沉降，確保天然氣管道支撐牢固和運行安全，采用型鋼在穿越天然氣管道軸線的兩側進行水平加固支撐。支撐結構為預制混凝土塊和工字鋼。

在頂管穿越天然氣管道時，重中之重是一定要控制好差異沉降，差異沉降較大時，必須有針對性地進行加固處理。在頂管穿越天然氣管道過程中，當檢測沉降接近警戒值時，要增加監測頻率，以獲得相關數據來指導頂管作業的操控，如果出現沉降超標現象時，要及時會同其運營管理部門做好預防措施，同時，要配備足夠的機動設備，一旦發生意外情況，在第一時間投入工作。頂管穿越天然氣管線后，必須對天然氣管道繼續進行跟蹤監測，直至其變形趨于穩定。同時根據監測數據從管道內對該區域進行管道外注漿，如若發現后期沉降、通過管道內注漿不能得到很好控制時，可以考慮采取地面加固措施，如分層注漿等。

4.4 頂管從岸上向海里進行頂管的問題

由于沒有接收井，頂管管道前端有可能直接脫落入海，因為開挖頂管工具管時會對前端管道造成一定擾動，向外拉出頂管工具管時也會對前端管道產生向外的拖拽。所以，在頂管前端60 m的每節管道之間采用拉桿連接為一體，工具管和第1節頂管之間也采用拉桿連接。此外，前端60 m的管節之間需要進行焊接處理，焊接完成后才能拆除拉桿。由于向海里頂管，頂管機頭必須在水下進行切割，頂管接頭切割打撈出水后，由于機頭的去除，管道外端呈開放性狀態處在開挖好的基坑中，風浪季節的涌浪很可能會將管口的泥沙推進管內。

為了避免這種情況發生，在機頭切割后，管口需要采用特制的半合臨時堵頭進行封堵，這樣，即使管口在風浪季節被埋入泥沙下，管內也不會有泥沙進入。此外，在頂管內未注滿水的情況下，進行頂管工具管拆除，海水將會突然灌入頂管內，在頂管端口產生巨大吸附力和漩渦，存在非常大的安全隱患和危害。所以，在拆除頂管工具管前，需要提前將頂管管道內注滿水。通過頂管末端封板上帶閘閥的注水管進行注水，封堵板的頂部設置φ100 mm的排氣管，在注水時排氣。

4.5 外端淺覆蓋層的問題

頂管覆蓋層厚度不足，一旦控制不好，很容易造成管道上浮。為消除這種上浮力，避免頂管段出現上浮、翹曲等現象，保證頂管段管道的穩定，采取以下措施進行頂管淺覆蓋層抗浮處理：（1）適當降低頂管頂進速度；（2）在管道內增加配重，提高管道的整體重量，以抵消浮力。根據現場實際施工情況，考慮到搬運問題，現場制作簡易運輸小車，用于配重材料的裝運。配重材料采用螺紋鋼，螺紋鋼單根長度≤3 m，直徑≤32 mm。

根據相關計算，在現有海底覆蓋層厚度情況下，管內壓載的配重只需達到0.71 t/m即可滿足抗浮要求。如果出現極限地質，即頂管上部覆蓋層極其薄弱，則需加大管內配重，使得管道一直保持滿足抗浮要求的狀態，完成最終頂管。

5 其他問題

本項目在頂管過程中還遇到了以下一些未預見的問題。

5.1 頂管布置角度問題

根據設計圖紙，排水管頂管從跌水井往海中方向呈坡比為10%的下坡布置狀態。該情況下，頂管前端內容易積水，造成頂管內施工環境惡化，增加頂管施工難度。另外，由于頂管下坡布置，需要斜向下進行頂管施工。由于頂管工具管和頂管管節重量重，在斜向下頂管的情況下，頂管工具管和頂管管節產生平行于頂管軸線斜向下的重力分力，使頂管工具管和頂管管節處于斜向下外脫和下墜的狀態，不容易對頂管工具管和頂管管節進行控制，造成頂管軸線控制難度加大，也使得頂管糾偏工作變得復雜和困難。建議：在后續類似工程中，盡量將頂管設計為水平或斜向上布置。

5.2 頂管吊點問題

頂管管節為圓筒狀光面結構，管節上未設置吊點。現場主要采用單根吊帶穿過頂管管節或2根吊帶箍住頂管管節的方法進行頂管吊裝。這種方法在吊裝過程中不容易對頂管進行控制，存在安全隱患。建議：在后續類似工程中，配備管節的專用吊具，提高安全保障與保證施工質量，或者在頂管關節外部預留2個吊點。吊點部位應設計為凹槽型式，避免吊點外凸而影響頂管頂進施工。待頂管吊裝完畢后，采用砂漿（其強度不低于頂管混凝土強度）或填縫材料將吊點處的凹槽填抹平整。

5.3 頂管工作井吊裝空間問題

頂管工作井區域空間較小，凈寬度5.45 m。單根頂管包括承插段長度4.14 m，頂管工具管長度4.5 m，吊裝空間富余量較小，造成吊裝作業難度較大。建議：在后續類似工程中，對頂管工作井的設計應結合頂管和工具管的尺寸，適當加大頂管工作井操作空間的尺寸，以減小頂管管節和頂管工具管吊裝作業難度。

5.4 排水管頂進到前端遇到枯木問題

在排水管頂管頂進施工過程中，頂進至前端靠近海邊區域，地層中發現大量枯木。由于頂管工具管刀盤不具備削碎大塊狀有韌性硬物的功能，所以，頂管施工受到很大影響，無法繼續向前頂進。現場只能暫停頂管施工，采用挖機將枯木挖出后，方能繼續向前頂管。建議：在后續類似工程中，加強對近岸處的地質調查，在正式頂管前對障礙物進行清理，避免影響施工工期。

5.5 末節管道問題

由于最后一節管道頂入后，要進行孔板封堵，為避免封閉孔板和末節管道受灌水壓力發生脫離情況，建議：對頂管末節設置永久性固定裝置。同時，在封閉孔板上預留φ100 mm的排氣閥，以保證在頂管管道注水時能夠將頂管管道中集結的空氣排出，進而減小因灌水對封閉孔板造成的壓力。

6 結語

通過對馬來西亞凱德隆火電項目RCCP頂管工藝研究，分析本項目頂管工作的特點及難點，并給出各個難點的解決方案。同時，也分析了在整個頂管過程中所遇到的其他一些問題，并提出了相關建議。通對該項目RCCP頂管工藝的分析，對今后其他類似工程具有一定的借鑒意義，特別是面向遠海進行頂管且不設置接收井的頂管工藝有很重要的參考價值。通過對頂管工藝的分析，有助于頂管工藝的完善，可進一步開拓此類項目的國內外市場。