城市供水输配套改造中的管网顶管施工技术应用.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER130第 40卷第 4期0 引言随着经济快速发展，城市发展对供水需求也逐渐增大，供水管网的建设问题也越来越多。由于城市周边建筑的复杂环境导致管道开挖埋设越来困难。近年来，顶管技术作为一种新的施工技术，被广泛应用到了很多城市的供水管网建设中1。顶管施工是指在未开挖或开挖不足的区域铺设水管或污水管等管道，方法是使用铺管机按计划坡度将管道推入地下2。以南水水库供水工程输水管线的部分高速公路交叉处顶管施工为例，进行施工技术研究。1 工程概况乳源瑶族自治县南水水库的建设旨在为当地居民提供优质的水源，通过引水、输水管道等技术手段，将水源引入乳源和韶关市区，为当地居民提供安全、舒适的饮用水，以及满足当地经济发展的需求。工程的供水任务主要有 2 个方面，一是提供乳源县城及其东部少数民族和石灰岩地区乡镇的生活和工业用水，具体包括乳城镇、一六镇、游溪镇、桂头镇；二是提供韶关市区的生活和工业用水。工程建设主要内容包括新建南水水库到韶关市区的输水主管、乳源县配水主管以及新建二狮城市供水输配套改造中的管网顶管施工技术应用林泽奇（广东粤海韶投水务有限责任公司，广东 韶关 512000）摘要：针对乳源瑶族自治县存在的供水保证率低、用水安全缺乏保障等问题，建设南水水库的供水管网，解决居民用水问题。近年来在管网施工的过程中，长距离顶管技术应用最为广泛。以南水水库供水工程中涉高速公路段的顶管施工段为例，主要对工程建设顶管施工技术中顶进施工过程的顶管施工方案布置、施工原理和顶管机的选型、顶力计算和设备安装等施工工艺进行详细介绍，并提出应对沉降的预案。关键词：供水管网；顶管施工；顶管机；施工沉降中图分类号：TV674；TU821.3文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)04-0130-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.031Application of Pipe Jacking Construction Technology in Urban Water Supply and Transportation Supporting RenovationLIN Zeqi(Guangdong Yuehai Shaotou Water Service Co.,Ltd,Shaoguan 512000,China)Abstract:In response to the problems of low water supply guarantee rate and lack of guarantee for water safety in Ruyuan Yao Autonomous County,a water supply network for Nanshui Reservoir will be constructed to solve the water use problem for residents.In recent years,long-distance pipe jacking technology has been widely used in the construction of pipeline networks.Taking the top pipe construction section of the expressway section in Nanshui Reservoir water supply project as an example,this paper provides a detailed introduction to the layout of the top pipe construction plan,construction principle,selection of the top pipe machine,top force calculation,and equipment installation in the top pipe construction process of the engineering construction top pipe construction technology,and proposes contingency plans to deal with settlement.Keywords:water supply network;pipe jacking;push bench;construction settlement收稿日期：2023-08-10作者简介：林泽奇（1990-），男，广东普宁人，工程师，主要从事施工现场管理、安全管理、设备管理等工作。*林泽奇 城市供水输配套改造中的管网顶管施工技术应用131岭水厂（25104 m3/d）和扩建西河二水厂（从现状 10104 m3/d 扩建到 35104 m3/d）。一期工程主要包括新建南水水库到韶关市区的输水主管、乳源县配水主管。一期输水管线与 G4 京港澳高速交叉 1 次，桩 号 为 K26+000 K26+095，因 不 允 许 大 开挖，故采用顶管方案，顶 DN2 40030SP 后内套DN1 80020SP，顶管段长度为 82.516 m。输水管线合计 8 次与 G323 国道交叉，因不允许大开挖，且G323 国道一侧均存在国防光缆，故采用顶管方案。2 施工地质条件埋管线路先后 9 次穿过 G323 国道、G4 高速公路、坪乳公路等道路。设计拟采用顶管的方法下穿道路。各顶管段工程地质条件评价如下。K0+846 K0+898：人工素填土层中局部含有碎石，如遇到较大的块石，会给施工带来一定的困难。地下水位较高，泥质中粗砂、碎石土等透水性较强，施工期间须做好止水，并采取适当的措施防止涌砂3。管顶路堤高达 10 m 左右，施工期间应进行沉降观测，并采取措施，防止过量沉降。K9+938 K10+003：地下水位略高于管底，施工期间须做好止水。管顶道路过往车辆较多，顶管施工需注意对路面影响，采取措施防止产生沉降。K37+287K37+327：全风化带顶管较易通过，但强风化炭质灰岩，岩体较破碎，裂隙发育，顶管施工具有一定难度。地下水位较高，施工期间须做好止水。管顶道路过往车辆较多，顶管施工需注意对路面的影响，采取措施防止产生沉降。3 工程总布置3.1 输水方式及输水管道方案在南水电站引水隧洞 4 号施工支洞处、南水电站引水管上游通过扩大原有管道并设置分水岔管作为取水口，接 1 DN2 000 管道，沿 G323 国道布置，在 26+000 桩号到达二狮岭水厂分水口，二狮岭水厂配水池水面标高 138 m。26+000 桩号之后主管管径缩小，采用 1 DN1 800 管道，沿 G323国道布置，在 27+129 桩号处沿沐溪工业园规划道路布置，在36+040交叉口处沿G323国道西侧布置，从37+287桩号处穿越G323国道，向东北方向延伸，在 37+948 桩号处进入扩建西河二水厂配水池，配水池水面标高 128 m。在南水电站引水隧洞 4 号施工支洞处、南源电站引水管上游通过扩大原有管道并设置分水岔管作为取水口，接 1 个 DN2 000 管道，沿 G323 国道布置，在 26+000 桩号到达二狮岭水厂分水口，二狮岭水厂配水池水面标高 138 m。26+000 桩号之后主管管径缩小，采用 1 个 DN1 800 管道，沿G323 国道布置，在 27+129 桩号处沿沐溪工业园规划道路布置，在 36+040 交叉口处沿 G323 国道西侧布置，从 37+287 桩号处穿越 G323 国道，向东北方向延伸，在 37+948 桩号处进入扩建西河二水厂配水池，配水池水面标高 128 m。管道工作压力 1.8 MPa。3.2 顶管段布置方案穿 G4 京港澳高速。输水管线与 G4 京港澳高速交叉 1 次，桩号为 K26+000 K26+095，因不允许大开挖，故采用顶管方案，顶 DN2 40030SP后内套 DN1 80020SP，顶管段长度为 82.516 m。预管路线为改 K25+688.673 改 K26+106.353，出发井与接收井均采用800 mm1 000 mm 钻孔灌注桩支护，基坑支护采用 C30 钢筋混凝土内撑和逆作法施工。顶管机采用泥水平衡式，千斤顶顶2 600 mm 钢套管，顶进过程采用压注减阻泥浆减少管壁摩阻力。在顶管施工过程中，应对路面进行沉降监测，且沉降值不大于 20 mm。穿 G323 国道。输水管线合计 8 次与 G323 国道交叉，因不允许大开挖，且 G323 国道一侧均存在国防光缆，故采用顶管方案。对于穿越G323国道，按照交通行业规范，必须采用套管内铺管型式，两端分别设矩形出发井和接收井，采用连续墙型式。顶管路线为改K24+055.438 改K23+950.303，出发井与接收井均采用800 mm1 000 mm 钻孔灌注桩支护，基坑支护采用 C30 钢筋混凝土内撑和逆作法施工。4 顶管施工技术4.1 顶管施工原理和顶管机优点顶管施工是通过使用顶管机的前端的刀片来对土壤进行切割，然后通过后端的顶入设备来把整个设备和支撑物移动到预定的位置。最终，通过水流输送设备把这些切割下来的碎片输送到地表，这就是所谓的泥水式顶管。132云南水力发电2024 年第 4 期NPD 型多边形偏心破碎泥水平衡顶管机具有多种口径、多种土质的特点，其顶升效率极高，施工完毕后，地表沉降极低，操作简单，主轴紧固耐久，使用寿命极其延长。此外，该机器的多边形刀盘在旋转过程中，会产生第一次的破碎效果，并且多边形的边缘会形成一种双重破碎效果4，从而达到最佳的破碎效果。另外，在多边形泥土仓设有数个高压水喷嘴，高压水可对粘土进行切割、粉碎。所以，它能适用于一般水泥平衡顶管机所不能适用的内聚力很大的固结性黏土，顶管工作井布置见图 1。工具头正面泥水压力：F1=D2/4P （2）式中：D顶管外径，m；P顶管泥水最大压力，t/m。P 与土层密实度、土层含水量、地下水位状况有关。根据有关工程统计资料和该工程的分析，估算工具头正面泥水压力为 35 t/m2左右，F1=D2/4P=1.22/435=57 t。4.3 顶进设备安装为了确保安全，千斤顶最好安装在支撑结构的底部，且要保持和管道的水平方向一致，以确保它的承载能力；当千斤顶多于1台时，宜取偶数，且其规格宜相同；当规格不同时，其行程应同步，并应将同规格的千斤顶对称布置；千斤顶的油路应并联，每台千斤顶应有进油、退油的控制系统6。为了确保油泵的可靠性，建议将其放置于千斤顶的附近，同时保证油管的垂直性，减小旋转的角度。此外，为了确保油泵的可靠性，建议将其与千斤顶的结构相匹配，同时还要准备好 1 台备用的油泵。当油泵被安装好之后，需要对其进行试运转。如果在加工过程中发现油压急剧上升，请立刻停下加工，仔细排除故障，确保安全之后再继续加工。4.4 顶管顶进工艺所有设备都必须在吊装前进行检查和调试，工具管的轴线、倾斜度和导轨的高度必须符合规格要求。顶进工艺分为以下几个步骤。1）初始穿墙顶进。井壁开孔在钢筋混凝土底板施工完后用机械切割。该项目建议在钻好的注水井中安装 1 个可拆卸的水密钢环，然后在钢环上安装 1 个水密橡胶圈，以形成水密密封。水封钢圈安装到井中后，井口悬挂起来，取下驱动支架，钢圈顶部对准井口，然后将井口缓慢插入井中。安装所有软管（给料管、指示管、油管和触变泥浆管），钻头旋转，将一些泥浆泵入工作储层，启动驱动装置，开始正常钻井作业。为防止工具管脱落，应将其穿过墙壁。由于墙壁前部的地面较低，工具管的重量只靠两点：一点在导向装置上，一点在平坦的地面上。因此，当工具管末端穿墙时，一侧必须加大起始角度，另一侧必须支撑穿墙管的下部，并加强管段与工具管之间以及管段与管段之间的连接。工具管也应快速向前移动，以避免地面与穿透管壁过度接触。暴露时间越长，风险越大7。?图 1 顶管施工及顶管工作并布置图顶进参数见表 1。表 1 顶管施工顶进参数表序号技术参数数值1顶进速度/（mm/min）0 2002切削刀盘转速/rpm0 2.5（可调）额定转矩/kNm96对抗土压/（T/m）504.2 顶力计算及控制顶力封闭式顶管机的顶进摩擦力由管壁外周摩擦力、刀盘旋转时产生的迎风摩擦力以及它们的相互作用力共同构成，而为了获得最佳的顶进性能，必须将它们的力量综合起来。为此，该研究基于多次试验的结果，采用了考虑到土体拱形的方法来估算顶进的总力5。工程计划顶进长度不大于 120 m，以顶进长度120 m，最大管径 1.2 m 为例。计算公式如下：F=F1+F2 （1）式中：F1工具头正面泥水压力，t；F2管壁摩擦阻力，t。林泽奇 城市供水输配套改造中的管网顶管施工技术应用1332）正常顶进。提升时应注入触变泥浆；禁止在未注入泥浆的情况下提升。如果清淤作业中断，或由于管道连接或发现缺陷而导致清淤作业短期或长期中断，则应在工具头处积聚足够的泥土或注入泥浆，以补偿地面压力。恢复疏浚时，应将整个管道灌满灌浆。管段吊起后，断开千斤顶，断开水、电、气、通风口和泥浆连接，吊起下一段管道，对齐并对中，安装接头和密封件、重新安装顶部框架，重新连接管道，将污水泵连接到千斤顶上，测量并调整挠度，调整千斤顶提升管段，直到管道畅通为止，然后重复上述步骤。最后，测量工具头的偏差，注意偏差并进行调整。4.5 膨润土注浆润滑措施为了满足这项工程的要求，采用了膨润土触变泥浆。这种泥浆需要通过地面注浆系统进行混合，并进行充分的搅拌和发酵。然后，使用液压注浆泵将泥浆压入管路中。为了确保泥浆的质量，需要将泥浆的搅拌时间保持在30 min左右。此外，还需要重新混合储浆箱中的泥浆，以降低压浆管路的阻力7。两个单独的管路系统均使用了液压注浆泵来注浆。这两种注浆泵使用的浆液有 A 浆和 B 浆，参数见表 2。表 2 浆液参数表配方膨润土/%纯碱/%CMC/%漏斗粘度/s视粘度CP失水量/ml比重A浆15624232.561.073B浆1211.53630.591.063随着顶进的深入，摩擦力也会不断加强，要想获得更佳的注浆质量，必须确保整个操作流程的顺利完成。其中，机头和尾部的注浆均使用了先进的自动化技术，而且还使用了本土的注浆设备。机头的 3 节管被安装成了 1 条，其余的 2 节则各安装了 1 条，分布位置如 1、2、3、6、9、12、。在注浆混凝土管下井时，必须确保注浆孔垂直于地面，并且注浆主管和支管必须采用坚固的材料，以确保它们不会出现过长的弯曲，从而达到最佳的注浆效果。工程每段顶管距离约 125 m，注浆压力应到达23Yh，取Y=18 kN/m3，h=4.5 m（管顶覆土深度），即 0.15 MPa 0.4 MPa。5 顶管工程施工沉降预案为了提高施工效率，需要定期检查工作现场。特别是在初始施工时，需要认真安排工作，并且在施工区域的中央安装沉降控制桩。这样，就可以根据施工区域的实际情况，调整施工区域的施工参数，包括施工速度、开挖面土压力、泥水压力值和出泥浓度等，能够更好地指挥施工，保证施工质量。为确保安全运输，不仅需要在开展工作时调整推力系统的参数，还需要在运输的整个过程中采取多种方法来保证安全。其中，最重要的就是选择具备良好触变性能的膨润土作为填充剂8。为了确保精确的结果，必须对纠正的角度加以严格的限定，通常将其限定在 0.2以内。如果发现纠正的角度高出 0.5，甚至超出 3 cm，则必须立即发出警告。经过设计改造，当顶管完成安装之后，应当及时采取有效的措施来替代膨润土泥浆，其中，水泥浆的水灰比应当控制在 0.45，P 值应当控制在0.2 MPa 0.5 MPa，Q 值应当控制在 0.3 m3/m。6 结束语随着顶管施工技术的发展越来越成熟，其在城市管道网建设中发挥着越来越重要的作用，以南水水库供水工程输水管线的部分高速公路交叉处顶管施工为例，对顶管施工中的施工步骤及方法、相关设备的选择做了详细介绍与说明。与传统的给管网施工技术相比，顶管施工具有很大的优势。首先，不开挖或减少开挖工作，提高了施工效率，减少了施工人员的使用，降低了施工成本；其次，与传统施工技术相比，顶管施工可以减少土方工程、建筑物拆除、土壤破坏、交通影响、环境破坏等问题，使施工不必依赖当地的气候和环境，可以省时、高效、安全地完成给排水管网的施工。参考文献：1邹建，戚双星，杨成海，等.某污水管网改造工程穿越不良地层顶管施工技术J.人民黄河，2023,45（S1）:116-117+122.2闫普阳.污水管网顶管施工过程中问题及解决方法探究J.低碳世界，2023,13（5）:52-54.3杜磊.水利工程顶管施工工期影响因素及保证措施J.河南水利与南水北调，2023,52（4）:87-88.4孟宪翚，庞德刚，杨敏，等.复杂地质条件下污水管道顶管施工技术的选择与应用J.中国给水排水，2016,32（8）:134-138.5张进东.水泥搅拌桩在仁义排涝站的应用J.黑龙江水利科技，2023,51（5）:148-149+153.6王文杰，薛丽敏，郑凯，等.城市排水管涵工程顶管施工方案对地道的影响分析研究J.水利技术监督，2023,（1）:273-276.7黄海.景德镇城市供水源顶管工程对防洪堤影响分析J.陕西水利，2022,（10）:58-59.