中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 41004
摘要：本文以马来西亚凯德隆火电项目顶管施工的实践经验，对在粉质砂性土条件下泥水平衡法顶管施工关键技术进行了深入分析，细化了相关施工技术内容，为东南亚沿海地区的顶管施工提供了可借鉴的经验。
关键词：顶管施工 火电 联合循环
1概述
马来西亚凯德隆火电项目地处马来西亚砂捞越州民都鲁市凯德隆工业区，距市区约18公里，项目设计装机总容量净出力为420×2 MW， 为两套GE公司的F级GT-26燃机联合循环机组及先关辅助设备组成的双燃料多轴联合循环机组电厂。该项目循环水取水系统由三根直径2500mm，长度1.45km的取水管道组成，顶管区域300m，为RCCP管道；明挖段1.15km为HDPE管道。顶管位置设计出洞轴线在-5.5m位置，外倾坡度为1.42‰，采用RCCP（预应力钢筒混凝土管）顶进，最外端覆土厚度为4.0m。
1顶管施工
2.1顶管掘进机选型
本工程选用一台泥水切削气压平衡工具管进行施工。选用泥水切削气压平衡工具管主要的优点在于：在粉质砂性土或砂中顶进时，可加入局部气压以防止流砂现象的产生，确保管内施工人员的安全。
泥水切削气压平衡工具管的工作原理是：正面的土体经网络分割挤压后进入泥水仓，被泥水仓内的高压水枪破碎冲成泥水，然后经出排渣管排至地面沉浆池沉淀处理，顶进时选用头部开挖仓内局部气压来稳定挤压面的土体。
2.2顶力计算
已知：玻璃钢管外径D＝2.614m；单根顶进长度L＝300m；采用局部气压三段双铰型工具管；主站顶力为Pˊ＝10000KN；管道在粉质细砂层中顶进，采用触变泥浆减阻，取平均摩阻力为f＝5.5KN／m2；轴线处最大水柱压力为8.60m，则施加的局部气压为Pn＝100KN／m2。
①工具管正面阻力：F1＝1／4πD2（αR＋Pn）
其中，
D ——管道外径，为2.614m；
Pn ——局部气压力，取100 KN／m2；
R ——挤压阻力，取500KN/㎡；
α ——网格截面系数，取0.8；
则，F1＝2915.98 KN。
②管道单位摩阻力：f2＝πDf
其中，
f ——平均摩阻力，取5.5KN／m2
则，f2＝45.577 KN／m。
③全程最大阻力：F=f2*L+F1
其中，
L ——顶管长度，取300m。
则，F=16589.08 KN。
④计算结果单次顶进定力无法满足施工要求，因此在实际施工时，顶进时需要增设中继顶进间。如果采用中继千斤顶进行顶进时，中继间间隔距离控制在120m～ 130m左右可以满足施工顶力的总体要求。
⑤中继环安装位置验算：L1＝（Pˊk－F1）/f2
其中，
Pˊ——主站顶力，取10000 KN;
k ——工作系数，取0.8;
则，L1＝110.08 m。
据计算，中继间设置距离可以满足要求。
⑥顶管设置中继顶的数量根据施工计算要求，采用长度为300m顶管时，距离顶管工具管约75m处设置第一组中继间，在距离工具管约200m位置设置第二组中继间。全程顶管中布置中继间后，实际产生的总顶力，也是最大顶力：P总＝10000+2*500*16×0.5=18000KN,大于全程最大阻力16589.08KN，因此，每根管线按照300m顶管长度进行施工时，设2组中继环即有足够的富余顶力保障顶管施工的顺利。
2.3组合密封中继间
本工程中继间采用组合式密封中继间，其主要特点是密封装置可调节、可组合，满足了各种复杂地质条件下特别是砂质土条件和高水头压力下的长距离顶管的工艺要求。
本工程中在工具管顶进75m、180-200m处各设一道中继间。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆每道中继间安装16只500KN油缸，合计顶力8000KN；中继间可通过经向调节螺旋丝自由调节，在圆心角方向可根据需要局部或整体调节，具有良好止水性能。
2.4通风系统
在长距离顶管中，通风是一个不容忽视的问题，它直接影响至管内工作人员的健康。为获得理想的通风效果，本工程采用6m3空压机向管内供气，并在管道中间配置若干处轴流风扇，向井外排出浑浊空气，整个顶管过程中的通风、供气合理布置。
泵房井内有两套装置，单套主顶装置共有四只千斤顶，总行程为3.50m，主顶千斤顶每只最大顶力为4000KN，最大顶力可达16000KN。实际施工时应控制油压。四只油缸有其独立的油路控制系统，可根据施工需要通过调整主顶装置的合力中心来进行辅助纠偏。
2.5出泥系统
出泥系统采用TSWA150×9级高压水泵抽水用6寸管输送高压水。送至工具管尾部后，一路输送至顶管掘进机头部高压水枪。高压水枪将正面土体破碎形成泥浆，由水力机械将泥浆吸出并水平输送排放到泥水沉淀池。在施工时随顶进距离增加时，如遇出泥效率较差时，可先将泥浆排入工作井泥浆箱中，然后再启动渣浆泵或备用水力机械进行二级提升。
2.6泥浆系统
2.6.1泥浆减阻
用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要环节之一。在顶管施工过程中，如果注入的润滑泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，则其减摩效果将是十分令人满意的，一般情况摩阻力可由12～30KN/m2减至3～8KN/m2。本工程采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后跟管段补浆两种方式进行减阻。
补浆管一般布置于中继环后面第二节管段、中继环与后座之间的中间位置、中继环与中继环之间的中间位置或工具头与后座之间中间位置，补浆孔按900设置。每道补浆环有独立的阀门控制。润滑泥浆材料主要脂用钠基彭润土，纯碱、CMC、物理性能指标：比重1.05～1.08g/m3，粘度30～40S，泥皮厚3～5mm。施工时按具体情况设置。
2.6.2泥浆置换
顶进结束，对有足够覆盖厚度的管道部分形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压注。压浆体凝结后（一般为24小时）拆除管路换上封盖，将孔口封堵好。
2.6.3注浆设备
符合物理性能要求的润滑泥浆用BW-200压浆泵通过总管、支管、球阀、管节上的预留注浆孔压到管子与外管土体之间，包住管道。
2.7测量系统
2.7.1管道轴向测量
施工管道轴向测量采用高精度激光经纬仪进行测量，测量主要用导线测量法，测量平台设在顶管后座处。测量光靶的位置并根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。
2.7.2顶管水准测量
施工管道水准高程测量采用水准仪进行，水准仪安装在测量平台上，同时在沉井井壁上设置水准高程复核点，管道在顶进过程中要经常复核。
2.8施工参数控制措施
2.8.1初始顶进
a土压力设定
实际土压力的设定值介于上限值下限值之间，为了有效地控制轴线，初出洞时，宜将土压力值适当提高，同时加强动态管理，及时调整。
b、顶进速度
初始顶进速度不宜过快，一般控制在10mm/min左右。
c、出土量
加固区一般控制在105%左右，非加固区一般控制在95%左右。
2.8.2正常顶进
a、土压力设定
结合实际施工经验，实际土地压力的设定值应介于上限值与下限值之间。
b、顶进速度
一般情况下，顶进速度控制在20～30mm/min，如遇正面障碍物，应控制在10mm/min以内。
c出土量
严格控制出土量，防止超挖及欠挖，正常情况下出土量控制在理论出土量的10%～98%。
2.9顶管施工完成后引水管道工具管水下割除、转场
泵房内引水管顶至设计位置后立即清理管道内垃圾，并在井内管端部加封闷板及灌水，然后由潜水员配合海上挖泥船进行顶管机头部位的水下挖泥清理，采用水下电割割除工具管。
3顶管施工技术质量保证措施
3.1洞口加固及顶管掘进穿墙措施
顶进前所有顶进设备及顶管掘进机必须全部安装就位，设备需试运行。为确保出洞时的绝对安全，在拆除闷板前，先开几个观察孔，如发现意外情况应先由闷板向外压浆，确保出洞安全后，才能拆除闷板。闷板拆除后，马上将顶管掘进顶顶进沉井井壁，随即安装穿墙止水橡胶板，既能平面止水（闷板与法兰间），又能轴向止水（管段与墙管间）。当工具管穿墙时，闷板开启，工具管进入穿墙管即能达到止水目的。
3.2掘进机出洞防磕头措施
掘进机出洞时由于泵房井下沉阶段周围土体被破坏或在出洞时洞外泥水流失过多，造成出洞时掘进机因自重太重而下磕，为防止这一现象产生，采取以下措施：
掘进机就位后，将机头垫高5mm，保持出洞时掘进机有一向上的趋势。
调整后座主推千斤顶的合力中心，出洞时观察掘进机的状态，一旦发现下磕趋势，立即用后座千斤顶进行纠偏。由于初始顶进距离较短。这一方法效果会非常明显。
3.3初始顶进防止管道后退措施
由于出洞口深度较深，在初始顶进阶段正面水土压力远大于管周围的摩擦阻力。拼接管道时主推千斤顶在缩回前必须对已顶进的部分与井壁进行固定，否则管道发生后退会导致洞口止水装置受损及发生人员的生命危险，因此需在主推千斤顶退回前将管道与沉井壁相连，直至管道外壁摩阻力大于掘进机正面水土压力为止。
3.4管道抗扭转措施
顶进过程中由于周围土质的变化，纠偏的影响及管内设备的不均匀性会造成推进时管道发生不同程度的扭转，直接影响到施工质量。因此主要采用以下措施：
①在管内设备及管道安装时，根据重量平衡原理，在安装设备及管材的另一侧配以相同重量的配重，使管道顶进时左右重量保持平衡。消除人为造成管道扭转的因素。
②顶进时在掘进机及每个中继环处设有管道扭转指示针。一旦发现微小的扭转即用单侧加压配重的方法进行纠扭。
3.5顶管轴线控制措施
提高顶管设备安装质量,预防管道发生扭转,主要是从提高顶管设备安装工艺精度入手,尽量避免 或减少顶管设备的各部分安装偏差,如主油缸固定牢 固,尽量与管道轴线平行等。
严格按照施工程序施工,减小纠偏造成的扭转。首先是管内设备布置重量要对称,尽量避免由施工程序造成的扭转。在纠偏过程中认真执行“增加纠偏次数,减小纠偏角度”原则,减小因纠偏方法不当造成的管道扭转。另外,可以通过施加外力进行管道扭转,如采用在扭转方向的反方向施加外力(可以通过配重的方式解决) ,使管道产生相反扭转,从而平衡原先存在的扭转力。
4结语
本文以马来西亚凯德隆火电项目顶管施工实践经验为基础，详细叙述了粉质砂性土地质条件下长距离大直径管道顶管施工技术内容，为在沿海地区进行顶管施工作业提供了可借鉴的经验。此外，在顶管法施工过程中，必须根据土质条件和设计要求，认真选型、合理配套，施工过程中严格按照技术规程实施，精心操作，才能确保施工质量，创造良好的效益。
参考文献
[1]刘钇，朱俊辉，陈勇.大口径长距离多曲线泥水平衡顶管技术在电力管道工程中的应用[J].河南科技.2015（18）
[2]林琛.大口径泥水平衡顶管技术在高地下水位地区的应用[J].福建建筑.2014（12）.
论文作者:张磊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/22
标签：管道论文; 顶管论文; 泥浆论文; 泥水论文; 阻力论文; 工具论文; 测量论文; 《建筑学研究前沿》2018年第3期论文;