摘要：通过自主研制改进顶管工具头、优化刀盘，并精确计算管节措施，成功开创了针对无接收井大直径钢管顶管施工的网格式水冲法。其突出技术难点体现在顶管工具头的顶进过程、入海过程及工具头的割取等。该法可成功控制顶管轴线、各地质层对工具头产生的阻力和解决顶管工具头出海过程中重心压载问题，并且具有明显的工期和成本优势。
关键词 网格式水冲法；工具头改进；大直径钢管顶管
1、前言
顶管施工技术是非开挖施工技术之一，顶管施工技术在国内外已使用多年，国内呈现出沿海运用多而内陆较少的布局，而且在施工过程中除了上海地区以机械化掘进为主外，其余地区多以人工掘进为主，机械化顶管以上海地区最为成熟。顶管法施工和地质条件密切相关。
通过多年的工程实践，如今顶管的顶进技术可分为敞开式顶管和封闭式顶管，就顶管设备而言，根据顶管方法的不同可将顶管机分为敞开式顶管机包括手掘式、挤压式和网格式等；封闭式顶管机包括土压平衡式、泥水平衡式以及混合型。机型的选择决定工程的成败，通过技术积累我国已总结出以下经验：
（1）在粘性土或砂性土层，且无地下水影响时，宜采用手掘式或机械挖掘式顶管法；
（2）当土质为砂砾土时，可采用具有支撑的工具管或注浆加固土层的措施；
（3）在软土层且无障碍物的条件下，管顶以上土层较厚时，宜采用挤压式或网格式顶管法；
（4）在粘性土层中必须控制地面隆陷时，宜采用土压平衡顶管法；
（5）在粉砂土层中且需要控制地面隆陷时，宜采用加泥式土压平衡或泥水平衡顶管法；
（6）在顶进长度较短、管径小的金属管时，宜采用一次顶进的挤密土层顶管法。
2、工程概况
2.1 项目情况
宝钢广东湛江钢铁基地项目自备电厂2×350MW机组工程布设4根引水钢管，管外径D=3664 mm，管壁厚h=32 mm，每根长107 m（共18节），相邻顶管中心间距为11.2 m，管的中心标高为-6.75 m，管底标高为-8.55 m。属大直径钢顶管施工。（见图1）
图1 顶管施工布置平面图
2.2 地质情况
根据地质资料显示，该地区地质属中软、软弱场地土层。顶管施工过程需穿越粘土、淤泥质粘土、粉细砂、中粗砂、铁板砂、沉管碎石桩等各类土层。
但主要以粘土为主。（见表1）
表1物理力学指标统计表
3 、工程技术难点
针对本项目大直径钢顶管工程施工不设接收井的特点。施工过程存在较多的不确定因素，现从以下几方面进行分析：
3.1 工具头顶进过程
（1）顶管顶进过程中，工具头穿越不同地质层时，受到的阻力会随着不同地质层的变化而变化。这时顶推力过大有可能造成工具头前端土体塌方或后靠背墙出现断裂的现象。相反，顶推力过小，则管节未能顶进，影响顶管施工。
（2）顶管施工过程中，在顶推力作用下，工具头在不同地质层中的走向存在轴线偏差及沉降方面的问题，且各土层的顶推力各不相同。极难控制顶管轴线偏差及沉降量。
（3）无接收井的情况下，工具头顶进过程中存在透水现象，施工上存在安全隐患。
3.2 工具头出海
（1）在无接收井的情况下，工具头入海后存在海水对其作用产生的浮力，会使工具头产生上浮，使顶管不能准确到达设计位置，影响后续取水口安装，石块堆载施工等一系列问题。
（2）工具头及管节入海后，水面至管顶深度约6 m，工具头及露在水中的管节受到海水作用产生的浮力约150 t。因水作用产生的浮力大于工具头及管节之和的自重，如果管内的压载量不够、管节压载物过轻、压载长度过短以及工具头管节内压载不均匀，将会造成工具头或管节上浮及工具头两头重中间轻等现象，其损失是不可估量的。
（3）管节压载物、压载量及压载长度：因块石外购，需经垂直和洞内运输，工作空间较狭窄，工程成本较大。同时水下切割工具头后，块石需二次处理，极大增加施工难度，难以保证施工质量。
（4）用大水袋作为水的载体，存在密封性不好可能出现漏水现象，会造成工具头压载量不够，管节压载重心不均匀，影响工具头入海的施工质量。且对袋装水极难处理，存在较大的安全隐患。
3.3 工具头割取
（1）工具头入海后，需通过人工在水里进行割取，因水下工具头与管节焊接处难以辨认，存在切割过程中伤害管节，切割处不均匀等现象。
（2）顶管施工过程工具头入海时为全封闭状态。工具头切割完后。需垂直起吊，因海水自重自动下沉，造成工具头内形成真空状态。总重量增加，给起吊带来极大难度。
4、施工工艺确定及顶管设备选型
根据本项目设计及现场地质资料情况，综合考虑，多次方案比选，顶管施工最终采用网格式水冲法施工工艺，并对以下几个方面的顶管设备进行改进。
（1）顶管工具头
选用自主研制加工的钢工具头，具有施工方便，易封闭、易拆卸，海水适应性强等特点。工具头长约4.5 m，其中将工具头加工成前端（长约800 mm）、后端（长约1000 mm）比中间高约10 mm，其作用是减少工具头顶进过程中中间部分与土体的摩擦。且工具头后端另加厚10 mm钢板，为以后切割工具头做预留准备。
（2）刀盘配置
工具头前端刀盘主要作用是人工进行水冲时在主顶推力的作用下对前方土体进行充分切割，掏空前方土体，使管节顺利向前推进。工具头前端刀盘采用厚20 mm的钢板改装成600 mm600 mm网格，
并在中央刀盘位置设置两个切割后的吊取孔，后端
设置冲水闸门（入海时密封）防止海水倒灌。（见图2
图2 顶管工具头加工图
（3）辅助设备
顶管出洞导轨由两道平行的工字钢钢轨固定在钢支架上，工字钢以1:2的坡度与钢支架焊接牢固，在管节顶进过程中稳定管节导向，使管节沿导向进入土体。导轨根据工作井及顶管轴线要求，采购钢材加工成型。
触变泥浆系统由膨润土浆池、渣浆泵、输送管组成。主要作用是在顶进油缸压力过大时，向管壁注入膨润土泥浆，填充管身与周围土体的间隙，达到减阻、防止周围泥土将管身抱死的目的。
排土系统包括高压水泵、高压泥浆泵以及高压防爆管。使用高压泵将经过工具头钢格栅切成块状的泥块稀释成泥浆，再由泥浆泵抽到晒泥区，保证管节顶进。
图3 各土层平均顶推力走势图
5 施工关键措施及效果分析
5.1 各土层平均顶推力值
顶管施工顶进过程中，工具头在不同土层中所受阻力均不相同，采用水冲法起减阻作用，经施工现场实操，水冲法减阻起到很好作用。（见表2、图3）
表2 顶管轴线偏差表
5.2 顶管高程及轴线偏差
（1）施工措施
为保证顶管高程及轴线的准确性，在纠偏节中安装千斤顶进行纠偏，纠偏角度保持1°以内。每次纠偏幅度以5 mm为一个单元，每节管节顶进结束后，及时测量管节中心轴线和标高偏差，并记录。顶进过程中根据顶力变化和偏差情况随时调整顶进速度，速度一般控制在35 mm/min左右，最大不超过50 mm/min。
（2）施工效果
顶管轴线累计偏差满足规范要求。累计高程偏差比规范要求高出25 mm。但实际不影响后续工作。详见下表3、表4及图4
表3 一般情况顶管施工的最大允许偏差值表
注：D为管道直径（mm）
图4 顶管高程、轴线偏差图
表4 顶管轴线偏差表
5.3工具头入海施工
（1）管节内压载物及压载量
为满足抗浮要求，需压载块石。考虑块石需外购。运输需经垂直和狭窄的洞内运输，工程成本较大，同时水下切割工具头后，块石需二次处理，极大地增加了施工的难度，不满足现场实际施工要求，经过组织召开多次专家评审会，最终决定采用水载。
本项目设计管节在海水中的长度为12 m，海水覆盖深度8 m。为满足设计要求、管节内压载物的压载重心及施工安全需进行详细的计算。详见下计算公式：
浮力计算：
管身段浮力：F管身=g =102510126=1292KN
其中：v=R2L=1.831.833.1412=126m3
L=12m，R=1.83m，=1.025 kg/m3
工具头封闭段浮力：
F工具头=g=10251027=276KN
其中：v=R2L=1.851.853.142.5=27m3
L=2.5m，R=1.85m，=1.025 kg/m3
F浮总=：F管身+ F工具头=1568 KN
自重计算：
G总=mg=（G工具头+G管身）10=（37+34）10=710KN
其中：工具头自重37t，管身自重34t
压载量计算：F压=F浮总-G总=1568-710=858KN
压载水量计算：m=F压/g=858/10=85.8t
压载海水体积：V=m/=85.8/1.025=84 m3
图5 管内钢闷板封堵图
（2）水载密封性
水载的密封性最为关键。在顶管即将入海时，停止顶进，在确定的管节压载长度终端，采用10 mm厚钢板作为封堵板与管节焊接，钢板背侧采用500 mm500 mm 10槽钢作为加强纵横肋，确保钢板能够承受密闭箱的水压。同时，在钢板顶部约100 mm位置预留两个直径100 mm孔洞，分别作为注水孔及排气孔。钢板与管节内壁满焊，焊缝位置100 mm范围涂抹改性环氧铝粉耐磨漆，厚度不得小于400 m，待钢闷板焊接完成后进行密水试验，确保钢板无漏水现象。（见图5）
（4）钢闷板水下处理
工具头切割起吊后，潜水员进入管节内，打开钢闷板上的进水阀门，水流入管节内，待闷板内外水压平衡后，水下切除钢闷板，浮吊配合吊取。
（5）实施效果
①经现场实际施工，以海水替代块石作为压载物。在工具头压载位置焊接一块挡水钢闷板，利用高压水枪向工具头内注水，一方面减少外购材料，节约成本，方便运输；另一方面省去对压载物的二次处理，提高施工效率，同时又满足抗浮要求。顶管工具头已准确安全到达设计位置。（见图6）
图6 理论顶管工具头接海水平面图
②增加压载长度、压载量，提高管节抗浮能力，降低工具头入海后管节因周围不均匀土压力及海水作用产生的浮力，保证了顶管轴线的稳定性。
③采用厚10 mm的钢板替代大水袋作为水载密封板。工具头割取后，经现场检查，无漏水、工具头上浮、管节重心压载不均匀等现象。
④经现场实操，钢闷板处理能二次循环利用，切割过程无损伤管节，满足设计及施工要求。
5.4 工具头割取施工
（1）施工措施
工具头入海后需要在水里切割回收利用，故在顶管开顶之前，将一根8 mm圆钢焊接在工具头与第一根管节的焊缝约50 mm处，起到水下切割时定位及辨认作用。并在工具头前端约1900 mm处，割一个50 mm的小孔作为排气孔，起吊过程中消除管内真空。用木塞及碎布封堵，通过挤压覆盖在排气孔上的粘土确保管节顶进过程中密封。待工具头切割完后，敲落即可。
（2）实施效果
通过采取以上技术措施，切割位置极易辨认，切割过程无伤及管节，提高了工具头切割效率。采用在工具头前预留排气孔，管内真空极易消除，减轻工具头总重量的同时，又缩短起吊时间。
6、结语
6.1 技术方面
采用网格式水冲法成功控制顶管轴线，纠偏极易，工具头穿越不同地质层时，很好控制各地质层对工具头产生的阻力，增长管节压载长度很好控制顶管工具头出海过程中重心压载问题。
6.2 社会价值方面
采用网格式水冲法施工进度快，工期短，经济效果明显，施工工艺简单，易掌握，特点明显优于机械顶管施工法。
随着越来越多的应用，国内相关设计逐渐的成熟，运用行业越来越多，水冲法在顶管施工运用方面潜力无限。
参考文献
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论文作者:李廷就
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/17
标签：工具论文; 顶管论文; 土层论文; 轴线论文; 过程中论文; 偏差论文; 海水论文; 《基层建设》2019年第13期论文;