某大型煤电一体化电厂取水泵房紧临淮河大堤背水面,泵房引水管从取水泵房处穿越淮河大堤、再斜向穿越一条淮河支流后伸入淮河内进行取水,引水管管径为1 400 mm,采用顶管施工。顶管采用1 400×20 mm、1 400×24 mm两种规格的钢管,管道中心标高为10.50~11.50m(淮河大堤顶标高为23.2m)。顶管与淮河支流交叉处埋深为2m左右;其他区域埋深11~16m。

　　 根据钻孔所揭露的地层特征、埋藏条件及物理力学性质指标,同时结合静力触探试验成果,在勘探深度范围内将场地地基土划分为8个主要工程地质层,其中顶管穿越的2、31、32土层情况如下:

　　 2粉土:灰黄~ 黄褐色,很湿,稍密,夹粉质粘土、粉砂,含氧化铁、云母。层顶埋深3.30 m(平均值,以下同),层厚6.34m。沿引水管线分布。

　　 31淤泥质粘土:深灰色,很湿~湿,软塑~可塑,夹粉土薄层,单层厚度5~10cm,局部夹粉细砂。该层局部相变为粉质粘土与粉土互层状或相变为粉土夹粉质粘土。层顶埋深10.04m,层厚5.00m。局部分布。

　　 32粉质粘土:深灰、灰绿、灰黄~ 黄褐色,湿,可塑,夹粉土薄层,局部夹粉细砂及硬砂层。层顶埋深9.25m,层厚7.25m。局部分布。

　　 (1)顶管管径过小。 在顶管施工中,直径为1 400mm的进人顶管施工一直是顶管施工的难点。1 400的钢管内部除了进泥管、排泥管、通风管及供电电缆、照明等所占的空间外,管内空间仅为1m左右,不可能设置轨道,因此,所有交通、运输都是靠人力,在这种条件下施工难度很大,特别是在顶进距离超过600m之后,人员徒手进出都非常困难,携带材料设备的难度更大。

　　 (2)一次顶进距离长。目前国内对于1 400管道一次顶进距离最大为760m。本工程一次顶进距离长达1 125m,这是小口径进人顶管施工的一个突破。这对主顶推力和后靠结构要求很高,系统很难满足要求,如何合理设置中继环和接力注浆系统极为重要,一旦设置不当,极易导致顶管失败。

　　 (3)管道长细比过大,顶进时管道稳定性差。顶管的轴线控制和纠偏工作难度大。

　　 (4)测量控制难度大。目前激光测量仪器有效发射距离只有500 m,500 m以上顶进只能依靠测量人员到1 400的管内转站测量,增加了测量难度和纠偏难度,影响顶进速度。

　　 (5)地质情况复杂。根据地质勘查提供报告,顶管在淮河大堤及河滩下穿越32层和31层土,此类土层具有高压缩性,两个土层存在渗透性和固结速率的差异;另外,在顶管路径上,还存在硬砂层、古窑迹、姜结石等复杂土层。

　　 (6)顶管斜向穿越淮河的一条支流,穿越处覆土厚度仅2m,如果采取措施不当,极易造成顶管头部上浮,甚至穿透顶部,造成事故。

　　 根据相关工程的施工经验,结合复杂的地质状况,确定顶管掘进机选型为1 200遥控式泥水平衡顶管掘进机头。泥水平衡式顶管机是以在机械掘削式顶管前部的刀盘附近安装隔板,形成泥水压力仓,将加压的泥水送入泥水压力仓,来保证开挖面的稳定,同时将旋转刀盘切削下来的泥砂以泥水形式输送到地面为特征的顶管工法^[1]。1 200遥控式泥水平衡顶管掘进机,前方筒由两段组成,后方筒为设备动力与控制段,总长度4.5 m,其后为两节活络管,管段与管段,管段与顶管机尾部均采用高强螺栓连接。操纵系统由可编程序控制,在地面控制台遥控操纵。该机型对稳定土体、控制地表隆沉量以及对恶劣地质条件有较好效果。

　　 顶管主顶系统由4 根推力为2 000kN、行程为3.5 m的双级等推力油缸与可调速的液压泵站组成。 由于本工程一次顶进距离长达1 125 m,仅靠主顶装置是无法完成顶进工作的,拟采用中继环进行接力顶进。 根据工程地质情况,经初步测算,共需设置6 只中继环。 根据类似工程的经验,一般靠近顶管机的中继环启动难度及不确定性最大,因此6 只中继环设置间距逐渐变大,分别位于顶管机尾部后30 m、180 m、360 m、540 m、720 m、900 m处,中继环采用500kN油缸10 只,总顶力为5 000kN。 顶力计算、分析及校核过程如下:

　　 顶管机正面摩阻力计算见式(1):

　　 式中F_ｆ———顶管机正面摩阻力,kN;

　　 D———顶管机外径,本工程取1.448m;

　　 f₁———顶管机正面与土层摩阻力,本工程取500kN/m²。

　　 则F_f=π(D²/4)f₁=3.14×(1.448²/4)×500=822.96(kN)。

　　 顶管机管外壁摩阻力计算见式(2):

　　 式中F_ｈ———顶管机外壁与土层摩阻力,kN;

　　 L_ｈ———顶管机长度,本工程取4.5m;

　　 f_２———顶管机外壁与土层摩阻力,粉质粘土15~25kN/m^２,本工程取20kN/m^２。

　　 则F_ｈ=L_ｈDπf_２=4.5×1.448×3.14×20=409.20(kN)。

　　 钢管外壁采用触变泥浆减阻后与土层摩阻力计算见式(3):

　　 式中F_ｏ———钢管外壁与土层摩阻力,kN;

　　 L_ｏ———钢管长度,本工程取1 125m;

　　 f₃———钢管外壁采用注触变泥浆后与土层摩阻力,本工程取6kN/m²。

　　 钢管外壁与土层间总阻力计算见式(4):

　　 式中F_ｔ———钢管外壁与土层间总阻力,kN。

　　 则F₁= 822.96 + 409.20 + 30 690.36 =31 922.52(kN)。

　　 #1中继环设置在顶管机后30 m,由式(3)可得:F₁=30×1.448×3.14×6=818.41(kN)。

　　 #2中继环设置在#1 中继环后150 m,由式(3)可得:F_２=150×1.448×3.14×6=4 092.05(kN)。

　　 #3~#6中继环间隔180 m依次设置,由式(3)可得:F₃(F₄、F₅、F₆)=180×1.448×3.14×6=4 910.46(kN)。

　　 第一个中继环启动时,总阻力(包括头部阻力)为:822.96+409.20+818.41=2 050.57(kN)<5 000kN,满足要求。

　　 #2~#6 中继环阻力F_２~ F_６均小于5 000kN,满足要求。

　　 #6 中继环后尚余225 m钢管,需顶力6 138.07kN,此顶力由后座主顶油泵8 000kN承担,满足要求。

　　 设备总顶力为200×4+5 000×6=38 000(kN)> F_ｔ=31 922.52kN。

　　 经以上计算分析,总体设计方案合理、可行。

　　 使用触变泥浆是长距离顶管减少摩擦力的重要技术措施。合理使用触变泥浆,还可以保持土体稳定,减少地面沉降等作用。本工程采用机头压浆和全管段补浆相结合的方式,边顶进边压浆,顶进和压浆同时进行。在机头尾部环向均匀地布置了4只压浆孔,顶进时及时进行压浆。机头后的3节钢管管节上均设置压浆孔,以后每隔2个管节设置1个压浆孔。管节上环向设4只压浆孔,呈90°交叉布置。压浆总管用Ø50镀锌管,除机头及随后的3节钢管节外,压浆总管上每隔6m装1只三通,再用压浆软管接至压浆孔处,压浆孔内设装单向阀,以避免注浆孔堵塞。压浆配比(质量比)为膨润土∶CMC∶纯碱∶水=400∶2.5∶6∶850。

　　 长距离顶管要解决的最大问题是克服顶进过程中的阻力问题,而顶力控制的关键是轴线、注浆系统及停顿时间的控制。另外,应详细了解顶管路径上的地质情况,并制订可靠的应对措施。

　　 施工误差引起的管道轴线弯曲是影响土体与管壁产生摩阻力大小的主要因素,管道轴线弯曲,可使摩阻力成倍增长。施工时应严格控制轴线波动的幅度,纠编时应控制轴线平滑过渡,尤其要控制好出洞后的前100m的轴线,坚持“勤测、勤纠”的原则。施工过程中,即时掌握机头的趋势对纠偏十分有利。可以通过顶进趋势测定装置来指导纠偏。施工过程应确保出泥量和顶进速度相匹配,也就是泥水平衡要控制好,这样对顶力和轴线控制都有利。

　　 顶进时,机头尾部的压浆要及时,确保形成完整、有效的泥浆套。补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况确定。

　　 由于顶进距离长,一次压浆无法到位,需要接力输送,因此在管道内共设置3 只压浆接力站,分别负责机头至200 m、200 m至600 m及600m以后压浆,井上设置一套高扬程压浆泵负责向管内蓄浆池送浆,压浆时注意观察和控制浆泵的压力。减摩泥浆采用触变泥浆,该泥浆性能稳定,具有良好的触变性,又有一定的稠度。 施工中,泥浆应保持不失水,不沉淀,不固结。 其配比应根据穿越土层的不同作出相应的调整,使泥浆适应不同的土质特性,起到预期的减摩效果。为了减少摩阻力和填充管外壁的间隙,压浆必须坚持“先压后顶,随顶随压,及时补浆”的原则。

　　 压浆时,储浆池内的触变泥浆由地面的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆总管,并达到各压浆孔的软管内,只要压浆孔处的球阀打开,即可向管壁外压浆。

　　 顶管长度超过800m之后,管壁摩阻力、顶进的方向控制都非常困难。如果顶管机停顿,则恢复顶进时的阻力大幅增加,停顿时间超过12h,则阻力几乎增加一半以上,所以要严格控制停顿时间。施工中可以通过加强对设备的维修保养及改进测量方法等措施,减少设备故障及测量时间,避免顶进长时间停顿。

　　 根据勘测资料,顶管局部地段为硬砂层,为了降低顶管阻力,在顶管穿越该土层时,采取35 MPa高压水旋喷的方式,来破坏轴线上、下60cm范围内砂层以降低阻力。

　　 在顶管机进入237.6m处硬砂层时,顶进压力升至25 MPa,电流达32kW,排出泥浆主要为粉细砂和少量粘土,这时开始采取旋喷措施,但旋喷后顶进压力反而升至35~40 MPa,电流达到35kW,顶力达到极限。后经研究分析,主要是旋喷过早,顶管不能及时跟随顶进,旋喷打碎的砂层重新沉积,阻力反而加大。于是调整方案,采取旋喷与注浆同步实施,严格控制旋喷与顶管头部的距离和旋喷时间,经过调整,顶力降至正常范围内,顺利穿过约46m的硬砂层,取得了预期的效果。

　　 在达到淮河之前,顶管要从一条淮河的支流下方穿过,该条河河底标高仅比顶管顶高出2m,不满足规范要求,容易引起顶管“抬头”,在施工中采取两项措施,一是在顶管上方的河床上采取抛石和抛砂袋的预压措施,将顶管上方的覆盖层厚度增加到3.5m,另外,在顶进到河底时,在垂直方向增加一个向下的俯角,俯角角度经过详细的计算,并进行严格控制。上述措施采取后,顶管顺利穿过河底,未出现异常情况。

　　 本顶管工程在整个施工过程未发生任何安全、质量事故,顶管头部水平方向偏差为51 mm,垂直方向偏差为22 mm,均满足《电力建设施工质量验收及评价规程》的规定(顶管直径<1 500mm时,轴线位移<100 mm,高程允许误差-40~30 mm)。但在施工过程中仍存在一些问题,如施工前仅根据详勘(点孔间距30~50m)资料进行相关方案设计,导致对土层中出现的大量陶片和姜结石层等问题的应对措施不足,影响了工程进度。为了更详细地掌握顶管路径上地质情况,建议类似工程在确定施工方案前,进行施工加密勘测,间距以8~10m为宜,并根据地质情况制订相应的施工方案,如增加顶管机的破碎功能等措施,只有这样才能保证顶管的顺利进行。