頂管技術在引江濟淮渦河穿越工程的應用

張彬，趙孟偉，韓建設

（1.河南省水利水電工程質量安全中心，河南 鄭州 450003；2.河南省豫東水利保障中心，河南 開封 475002；3.開封市引黃灌區事務中心，河南 開封 475002）

0 引言

頂管技術作為一種新型的隧道工程暗挖技術，其因施工擾動小、適應性范圍廣、安全性高、環保等優點，在大型水利工程、跨河工程、交通繁忙路段、城市建筑密集區、超淺埋及超大斷面的隧道工程中得到大量的應用。

引江濟淮工程（河南段）是河南省實施的10項重大水利工程之一，以城鄉供水為主，具有改善當地水生態環境的作用，能夠改變地下水超采的現狀。河南段輸水線路總長度為195.14 km，途經穿越河道、公路、鐵路約150余處，穿越工程是整個工程能否順利完工的“卡脖子”工程。

1 工程概況

1.1 穿渦河頂管工程概況

穿渦河頂管工程位于周口市鹿邑縣穆店鄉位橋東北，是后陳樓調蓄水庫～七里橋調蓄水庫管線穿越渦河的輸水建筑物。工程全長314.37 m，雙管平行布置，單管設計流量11.45 m3/s。頂管采用內徑DN3000的JPPCP管，管材內徑3 m，壁厚0.50 m，單節管節長度2.50 m，掘進機采用泥水平衡頂管機，頂管兩端分別設工作井和接收井一座，內徑同為10.00 m×14.50 m，南岸工作井井深26.09 m，北岸接收井井深26.70 m，采用沉井法施工。根據計算，需要設置2個中繼間。穿渦河頂管工程項目兩端各設置閥井1座，工作井及接收井上部各設鎮墩1座。

為減少施工期間滲水和流沙現象，在沉井輪廓線周圍1.50 m 及頂管始末端設置一道高噴防滲墻。防滲墻軸線為矩形，成墻厚度不小于0.40 m，滲透系數不大于1.0×10-4cm/s，防滲墻底高程需要深入不透水層。

1.2 地層巖性

穿渦河頂管所在高度大部分為重粉質壤土，上部及下部局部穿越粉砂層。

巖性主要分為細砂、粉砂、重粉質壤土、砂壤土等幾種。①粉砂：淺黃、褐黃色，松散～稍密，干～稍濕，見少量銹黃色浸染。局部為砂壤土。該層層厚一般1.90～4.30 m，在渦河南岸出露于地表。②粉細砂：淺黃、黃褐色，飽和，中密為主，上部稍密狀，以細粒為主，少量粉粒，成分主要為長石、石英，局部含鈣質結核，多呈薄餅狀。渦河南岸層內夾重粉質壤土薄層。該層厚15.30～17.90 m。③細砂：灰黃色，飽和，中密～密實狀，以細粒為主，成分主要為石英、長石，少量云母。該層厚9.50～12.20 m。④重粉質壤土：褐黃雜青灰色，可塑～硬塑狀，見少量銹黃色浸染，土質不均，干強度高，層內夾有厚1.10～2.60 m的砂壤土透鏡體。

1.3 水文地質條件

場區地下水埋深4.40～6.90 m，水位高程35.09～36.50 m，略高于河水。

地下水和河水形成了互為補排的關系，地下水水位高時，地下水補給河水，反之亦然。在勘察區內取地下水、河水水樣各1組進行水質分析，水質分析成果表明：河水礦化度0.73 g/L，屬淡水；總硬度14.29H°，屬微硬水；pH值9.03，屬堿性水；侵蝕性CO2 為0 mg/L。地下水礦化度0.64 g/L，屬淡水；總硬度19.01H°，屬硬水。

2 頂管系統的選擇

2.1 頂管掘進機

頂管掘進機采用NPD3600 和3600 泥水平衡頂管掘進機，具有方便維修和操作、高精度，安全性高、速度快等特點。改進、設計、使用雙道主軸密封形式解密封難的問題。由于掘進機的靈敏度不僅是設計的重要參數，更是頂管的糾偏影響參考的關鍵，所以依據頂管穿越相應土層的N值來確定靈敏度數值。

2.2 主頂進系統

穿越渦河主頂進系統主要依靠8 只雙沖程等推力油缸進行推進作業，總推力16 000 kN，行程3 000 mm，油缸中心位置要與設計圖布設一致，誤差要求不大于且不等于10 mm，力求頂進受力點和后座受力維持在一個較為良好狀態。

2.3 注漿設備系統

良好觸變泥漿套的形成和維護大大減少頂進過程的摩擦力，這對長距離頂管成敗起著重要作用。由此工程使用膨潤土作為觸變泥漿，膨潤土泥漿應充分攪拌和發酵后方可使用，攪拌和在儲漿箱內的發酵時間應分別大于30 min 和6 h，發酵完成后經過液壓注漿泵進入管內。注漿泵站系統由單缸液壓注漿泵（型號為SYB50／50-Ⅱ型）及液壓動力站組成，注漿壓力值0.08～0.10 MPa，注漿量每分鐘80 L。

2.4 泥水管路系統

該系統設備選用2臺渣漿泵（渣漿泵選用型號為4/3C－AH，電機額定功率30 kW，流量數值160 m3/h，揚程值41.80 m）。泥水系統利用Telemole 管路系統，在泥漿攪拌倉內，將大塊土體逐步變為小塊狀；同時利用雙道攪拌輪的攪拌以及泥水的大流量沖刷作用，將土體逐步稀釋為泥漿。

2.5 泥漿置換系統

使用水泥加粉煤灰漿（配比為水泥∶粉煤灰∶水=1∶3∶6）把之前注入的膨潤土漿置換掉。注漿次數不少于3次，每次間隔時間不大于24 h。泥漿置換完成后，應及時拆除和清洗管內弧形漿管和主通道漿管。

2.6 安全供電系統

用電功率330 kW，現場供電設置變壓器總功率為400 kW，分3路分送至各用電部門。第1路為地面泥漿拌制系統、操作間、工具間、維修加工系統及現場照明。第2 路為井內后座頂進油缸系統和接管焊接用電。第3 路供管內設備用電主要為頂管掘進機，出泥機、中繼環及管內照明采用36 V低壓防爆行燈。選用在施工現場配備一臺500 kW柴油發電機作為應急電源，確保在管道內斷電等應急情況下，安全照明、管道通風、頂管施工等操作的正常進行。

3 施工工藝流程

3.1 沉井制作流程

穿渦河沉井：頂管工程兩端設長方形工作井和接收井各一座，均為沉井施工，沉井結構尺寸。沉井澆筑時需注意在井壁處為頂管預留洞口位置，預留孔直徑大于管道外徑10～20 cm。

工作井：總高度26.09 m，上部9.29 m 井壁厚度1.20 m，下部（含刃腳）16.80 m井壁厚度1.40 m，底板厚1.30 m，井壁及底板采用C30鋼筋混凝土，接收井總高度26.70 m，上部9.90 m井壁厚度1.20 m，下部（含刃腳）16.80 m井壁厚度1.40 m，底板厚1.30 m，井壁及底板采用C30鋼筋混凝土。

工藝流程：場地平整→施工放線→上部基坑開挖→鋪設砂墊層→澆筑素混凝土墊層→定井邊線→刃角砌筑→第一節井壁制作→沉井第一次下沉→第二節井壁制作→沉井二次下沉→……第N 節井壁制作→沉井N 次下沉→清除井底虛土→拋石→封底→底板。穿渦河頂管工程沉井計劃分4段施工，第一節7.32 m，第二節7.32 m，第三節7.32 m，第四節4.74 m。

為了滿足沉井穩定性及施工澆筑要求，通過回填土或灌砂等有關措施確保刃腳下土體密實。工程井內取土選取高壓水泵與人工相結合的方式進行。在沉井下沉前，需要在沉井頂部設置沉降及位移等觀測點位，通過及時觀測數據，及時糾偏保證沉井能夠均衡下沉。沉井下沉至設計標高后，并通過觀測數據反饋其接近穩定工況時，再進行混凝土封底作業。應嚴格按照沉井施工及驗收規范要求，確保沉井施工質量可控。

3.2 頂管施工流程

頂管施工工藝流程見圖1。

圖1 頂管施工工藝流程圖

4 監測

4.1 沉井監測

首先布設沉降點位，豎井沉降點位布置在豎井四角，分別在井頂、井中、井底布點，管線在管中兩側均勻設置沉降點位。沉降點位的設置可以通過打入不小于1.20 m 長度的鋼釬的方法進行。工程采用在設計管線中線的垂直上方每5 m 的位置布設1個點，在中線點兩側，每2.50 m布設1個點，沉降點數不少于4個，待沉降點穩定后才能進行觀測。

4.2 頂管監測

激光測量數據作為判斷前端頂管機高程及中線誤差的主要依據，每隔1 m 記錄一次，依據反饋的觀測數據對比頂管機的軸線和旋轉量偏差數值，研判偏差情況。若發生偏差需要糾偏的工況，應增加觀測的頻次，每頂進0.50 m距離觀測1次。

糾偏時，應第一時間調整刀盤旋轉走向，消除小轉角操作，糾正機頭糾偏油缸的伸縮數值，糾偏過程中要做到“勤、緩、慢”。頂進作業施工中持續繪制三種曲線，主要涉及中線、高程和頂力曲線，作為頂進施工中可能發生的糾偏作業可靠的數據參照。

5 頂管質量控制措施

5.1 初始頂進

首先破除預留洞口處結構物，然后開始初始頂進作業（頂進距離控制在10 m 范圍）。為避免洞口土體出現涌水、流沙，甚至塌方現象，頂進施工作業前要復核洞口土體加固情況。達到施工頂進要求后，方可拆除洞口臨時加固設施，采用低速掘進方式，及時檢查盾構系統運行狀況，并依據施工現場情況制定初始頂進相關參數、泥漿壓力數值。初始頂進作業前要加大頂管機與頂管管線的監測頻次，嚴格把控頂管施工掘進方向。

5.2 到達掘進

當泥水平衡頂管施工至距接收井10 m 時，應暫停施工。首先查看接收井洞口加固程度，如不滿足頂管施工需要，則應第一時間開展補漿加固作業；充分校核盾構掘進方向與設計軸線位置及高程偏差數值，確保偏差控制在可控范圍內，如未滿足要求，則應及時采取糾偏施工作業。到達掘進應視現場情況，采取適當降低注漿壓力、低速低壓鉆進的措施頂進。當頂管機進入接收工作井，最后一節頂管施工完成后，應及時對管口縫隙進行封堵，采取注漿加固措施，控制地層變形。

5.3 注漿控制

采用全過程注漿作業能夠令注漿產生的效果更好，但是最大注漿壓力的數值應確保在0.60 MPa以內，隨距離的增加，注漿壓力適當增加。同時要注意注漿主管和支管要用硬管，注漿混凝土管下井時，要保證始終有1個注漿孔垂直向上。

6 工程重、難點分析

重難點1：穿渦河頂管工程設置的沉井下沉深度較深，且地下水豐富，降水問題的好壞嚴重制約沉井下沉效果及安全。解決方案：①嚴格保證沉井四周防滲墻施工質量，嚴格過程控制，選擇專業性強、施工經驗豐富、評價良好的作業隊伍。②采取在沉井四角布設降水井的措施，來進一步保證施工期間滲水和流沙現象減少。

重難點2：穿渦河頂管工程沉井下沉深度較深，下半部分沉井內部土方開挖方式選擇至關重要，且施工難度較大。解決方案：選擇成熟的開挖方式，采用空氣吸泥機出土下沉，必要時考慮專業潛水員配合設備進行出土。

重難點3：沉井深度較深，地下水豐富，封底施工難度較大，容易造成漏水，封底不徹底，后期處理麻煩。解決方案：①提高設計封底混凝土標號，設計為C20，采用不小于C40混凝土。②封底前對底部“鍋底”進行虛浮泥漿處理，再采用拋石或者大塊混凝土建筑碎塊方式，必要時，可由專業潛水員配合進行。

7 結語

頂管是一種非明挖式的施工方法，它可以在不破壞地面上的建筑物、公路、鐵路的情況下完成穿越工程，其在應用穿越河道工程具有眾多優勢如：施工速度快、技術成熟、安全度高、對防汛影響小、不影響航運、對周邊環境擾動小等有著廣闊的應用前景。結合渦河穿越工程實際情況，工程方案、頂管關鍵技術、施工方法、注意事項等多方面控制取得了工程建設圓滿的成功。這為當前頂管技術國內頂管技術的推廣應用和關鍵問題的解決提供一定的參考和借鑒。