長(zhǎng)江灘涂進(jìn)江頂管水下取機(jī)頭施工技術(shù)

周飛 ，劉義 ，徐向陽(yáng) ，徐哲

（中鐵十局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京 210039）

0 前言

頂管施工是一種不開(kāi)挖或者少開(kāi)挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)。頂管法施工就是在工作坑內(nèi)借助頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，并將土方運(yùn)走。一節(jié)管子完成頂入土層之后，再下第二節(jié)管子繼續(xù)頂進(jìn)。其原理是借助主頂油缸及管道間、中繼間等推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作坑內(nèi)穿過(guò)土層一直推進(jìn)到接收坑內(nèi)吊起。管道緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后，埋設(shè)在兩坑之間。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，頂管技術(shù)應(yīng)用在我國(guó)大量的實(shí)際工程中，且保持著高速的增長(zhǎng)勢(shì)頭，無(wú)論在技術(shù)、頂管設(shè)備還是施工工藝上取得了很大的進(jìn)步。伴隨著城市新一輪擴(kuò)容，各地大量興建城市取水工程，而沿江湖泊地質(zhì)情況復(fù)雜土層自穩(wěn)能力差，取水工程管道鋪設(shè)普遍采用頂管施工。機(jī)頭出洞目前仍廣泛使用沉井作為接收井，而此類頂管管道往往需要進(jìn)江入湖，具有工程的個(gè)體特點(diǎn)，部分企業(yè)開(kāi)始探索采用水下取機(jī)頭的方式。

1 工程概況

南京市某水源廠擴(kuò)建一期工程總規(guī)模45萬(wàn)m3/d，本期取水管等設(shè)備規(guī)模為45萬(wàn)m3/d，包括取水口及取水管、吸水井及取水泵房、綜合樓及門衛(wèi)(與取水泵房合建)、平臺(tái)和棧橋等。水源廠地坪標(biāo)高7.50m。擴(kuò)建工程總用地面積約0.273hm2。取水泵房下部采用沉井結(jié)構(gòu)，沉井平面尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為：48m×28.18m×14.5m，壁厚分別為1.4m。

取水頭部單體工程位于南京長(zhǎng)江水道現(xiàn)有水源廠取水頭旁，主要工程量是鋪設(shè)2根Φ1800×20取水鋼管，頂管段鋼管總長(zhǎng)159m，埋管段鋼管總長(zhǎng)度120.26m，樁架段鋼管總長(zhǎng)度55.6m。管底標(biāo)高-1.7m，長(zhǎng)江枯水期，水位處于3.5～4.5m之間，汛期長(zhǎng)江水位7.5～8.5m。

頂管穿越土層為②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，頂管穿越岸坡最高處標(biāo)高為9.89m，最低處標(biāo)高為5.0m，頂管最低處覆土深度4.9m。

2 施工技術(shù)方案比選

中鐵十局針對(duì)該頂管機(jī)頭取過(guò)程中的技術(shù)難度、安全性、經(jīng)濟(jì)性、工期等指標(biāo)，進(jìn)行了技術(shù)方案的比選論證。

①方案一(工作坑法)：通過(guò)非汛期放坡開(kāi)挖接收坑，并根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行支護(hù)，對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。存在的缺點(diǎn)：施工地質(zhì)條件差，開(kāi)挖深度達(dá)8m，易產(chǎn)生坍塌事故；進(jìn)行大開(kāi)挖接收坑，因投入支護(hù)、便道等各類安全措施費(fèi)用較大；進(jìn)行便道修筑、基坑開(kāi)挖、支護(hù)措施等工期較長(zhǎng)；長(zhǎng)江灘涂進(jìn)行深基坑開(kāi)挖技術(shù)難度較大。

②方案二(接收井法)：在頂管出洞的位置，地面上制作沉井下沉到位后封底，頂管機(jī)頂進(jìn)入接收井內(nèi)，在接收井內(nèi)進(jìn)行頂管機(jī)的切割及與埋管段焊接。存在的缺點(diǎn)：接收井造價(jià)高且沉井制作、下沉及封底等工期較長(zhǎng)。

③方案三(水下取機(jī)頭法)：頂管直接頂進(jìn)長(zhǎng)江內(nèi)減少覆土深度，通過(guò)水下挖泥開(kāi)挖出頂管機(jī)，進(jìn)行水下切割、水上吊裝將頂管機(jī)吊裝上岸。存在的缺點(diǎn)：水下作業(yè)具有各類不確定因素，具有一定的危險(xiǎn)性；在水下進(jìn)行作業(yè)，技術(shù)難度大。

綜合考慮施工安全、技術(shù)難度、施工投入及工期等指標(biāo)因素，最終決定采取方案三：水下取機(jī)頭。

3 水下取機(jī)頭關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主要原理

3.1.1 水下取機(jī)頭原理

頂管頂進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行全程測(cè)量，頂管機(jī)頭按照設(shè)計(jì)坐標(biāo)線路推進(jìn)至設(shè)定的坐標(biāo)位置及標(biāo)高，通過(guò)定位測(cè)量及對(duì)水上船只的精細(xì)操控，對(duì)機(jī)頭位置范圍內(nèi)的覆土進(jìn)行水下精確取土，機(jī)頭及水下作業(yè)坑挖出后由潛水員探摸機(jī)頭與頂管連接處的切割標(biāo)記箍筋切定切割位置，并沿探摸標(biāo)記在水下對(duì)機(jī)頭進(jìn)行切割，機(jī)頭切割后通過(guò)浮吊吊裝上岸。

方案對(duì)比分析表表1

3.1.2 水下氧弧切割原理

水下氧弧切割工作原理，就是利用水下電弧產(chǎn)生的高熱和氧氣同被切割金屬元素產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱，加熱和熔化被切割金屬并借助氧氣流的沖力將切割縫中的熔融金屬及氧化熔渣吹除，從而形成割縫。隨著水下電弧的不斷移動(dòng)和氧氣的不斷供給獲得所需要的切割長(zhǎng)度，達(dá)到切割金屬材料的目的。

由于氧弧切割中，能夠獲得大量的化學(xué)反應(yīng)熱，從而可以利用較小的切割電流進(jìn)行切割，同時(shí)在切割過(guò)程中不斷供給具有一定壓力和流量的氧氣，使割縫中的熔化金屬和熔渣不斷被吹除，所以氧弧切割可以獲得較高的切割速度。

3.2 水下取機(jī)頭作業(yè)技術(shù)

3.2.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備（頂管機(jī)頭悶板封堵機(jī)管道注水、水上船只進(jìn)場(chǎng)、施工測(cè)量）→挖泥船開(kāi)挖水下土方→吊裝繩索水下固定→潛水員水下切割頂管機(jī)頭→頂管機(jī)頭吊裝上案。

3.2.2 施工準(zhǔn)備工作

①現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量

施工測(cè)量主要分為兩個(gè)方面：頂進(jìn)機(jī)頭的停止位置和機(jī)頭覆土測(cè)量。

工程施工前，施工技術(shù)人員利用水上船只，測(cè)量既有河床標(biāo)高，將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，根據(jù)既有長(zhǎng)江水位標(biāo)高計(jì)算河床的頂面標(biāo)高，在保證頂管機(jī)頭頂面覆土厚度的前提下將頂管機(jī)頭按照設(shè)計(jì)坐標(biāo)頂進(jìn)預(yù)定的位置。

頂管頂進(jìn)結(jié)束后，將坐標(biāo)控制點(diǎn)及標(biāo)高控制點(diǎn)引入沉井（工作井）內(nèi)，進(jìn)入管道機(jī)頭位置測(cè)量機(jī)頭的坐標(biāo)及高程。并通過(guò)機(jī)頭與泵房沉井之間的水平間距，復(fù)核測(cè)量數(shù)據(jù)，作為控制頂管工具頭取出位置定位施工的依據(jù)。

②頂管機(jī)頭悶板封堵

頂管封板的作用是在工具管切割的過(guò)程中，保護(hù)頂進(jìn)機(jī)頭不進(jìn)泥水，從而保證機(jī)頭內(nèi)的設(shè)備完好，確保下段頂管能順利作業(yè)。

在未頂進(jìn)前，頂管在第一節(jié)管節(jié)處，確定管內(nèi)封板的預(yù)定位置，同時(shí)在工具管外沿著管壁四周焊接一圈6mm的鋼筋，以便水下切割工作人員能通過(guò)探摸順利確定頂管機(jī)頭具體的切割位置，確保切割快速準(zhǔn)確。同時(shí)在管節(jié)內(nèi)部用紅油漆明顯標(biāo)記鋼封板的焊接位置。

圖1 頂管水下切割探摸標(biāo)記圖

待頂管頂進(jìn)預(yù)定位置后，撤出頂管設(shè)備的輔助管道：進(jìn)水管道、出泥管道等管線，開(kāi)啟空壓機(jī)，不間斷的向管內(nèi)注入新鮮空氣，作業(yè)人員牽引空壓機(jī)出氣管進(jìn)入頂管管道內(nèi)進(jìn)行頂管封板焊接，頂管封板采用分次焊接的方式。

③頂管管道內(nèi)注水

頂管機(jī)頭的悶板焊接完成后，作業(yè)人員撤出頂管管道，在頂管管道的沉井端安裝蝶閥（按照管道規(guī)劃及設(shè)計(jì)要求選擇閥門），同時(shí)在沉井內(nèi)管道上焊接帶有法蘭片的DN200注水管（短管長(zhǎng)20cm），焊接完成后關(guān)閉閥門往管道內(nèi)注水，待頂管內(nèi)灌滿水后用法蘭悶板將DN200注水孔封堵嚴(yán)密。

圖2 管道注水管位置圖

3.2.3 水下土方開(kāi)挖

頂管頂進(jìn)至預(yù)定位置后，由挖泥船操作人員配合潛水員進(jìn)行水下挖泥作業(yè)。

頂管機(jī)頭及沉井內(nèi)的端口均封閉后，在頂管段開(kāi)孔并將頂管段注滿水，確保水下切割安全穩(wěn)定。頂管完成時(shí)，水上的挖泥船進(jìn)入施工區(qū)域做好準(zhǔn)備工作。

挖泥船只根據(jù)水下切割工具管位置及工程船前進(jìn)方向（引導(dǎo)彩旗）對(duì)船只布置前八字錨、后八字錨及尾錨。拋錨過(guò)程中不得影響正常航道內(nèi)的船只。

作業(yè)船只沿著引導(dǎo)彩旗的方向，探測(cè)水深及河床標(biāo)高，推算頂管實(shí)際覆土厚度，從而進(jìn)行水下土體的開(kāi)挖，開(kāi)挖時(shí)先沿著頂管機(jī)頭的外圍開(kāi)始作業(yè)，逐漸向機(jī)頭處開(kāi)挖河床土體。

開(kāi)挖過(guò)程中，隨時(shí)測(cè)量水下的開(kāi)挖深度，避免發(fā)生超挖。當(dāng)開(kāi)挖位置進(jìn)入頂進(jìn)機(jī)頭的位置時(shí)，開(kāi)挖速度減緩，開(kāi)挖過(guò)程中避免觸及頂進(jìn)機(jī)頭。當(dāng)挖出機(jī)頭頂部時(shí)潛水員下水在機(jī)頭吊裝位置綁上浮標(biāo)，為后續(xù)的精確挖泥提供導(dǎo)引。浮標(biāo)安裝后在機(jī)頭兩側(cè)（即浮標(biāo)兩側(cè)）進(jìn)行垂直土體開(kāi)挖，開(kāi)挖深度達(dá)到機(jī)頭以下1m，由于形成坡度機(jī)頭底部土體自然往兩側(cè)傾倒，從而完成對(duì)機(jī)頭底部土體的開(kāi)挖。

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告及設(shè)計(jì)文件的要求，水下土體的放坡系數(shù)控制在1∶2～1∶2.5。

圖3 頂管機(jī)頭區(qū)域水下挖泥圖

3.2.4 吊裝繩索水下固定

管道切割前，先做好水下機(jī)頭的固定工作，將打撈船只的吊裝繩索在機(jī)頭吊裝點(diǎn)上固定，鋼絲繩一端由水上船只勾住，另一端由潛水員從頂進(jìn)機(jī)頭底部繞過(guò)。吊裝機(jī)頭采用兩根鋼絲繩進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)機(jī)頭浮力大于機(jī)頭自重則需掛配重。

潛水員水下清土至頂進(jìn)機(jī)頭底部時(shí)，用水槍在機(jī)頭底部沖刷出兩條鋼絲繩捆綁的溝槽，便于鋼絲繩穿越頂進(jìn)機(jī)頭底部。潛水員將鋼絲繩從沖刷的溝槽下穿過(guò)，將頂進(jìn)機(jī)頭捆綁牢固。

水下作業(yè)的過(guò)程中，水下潛水員與船上人員保持默契配合，過(guò)程中用對(duì)講機(jī)進(jìn)行水下溝通。

3.2.5 潛水員水下工具管切割

圖4 吊裝繩索潛水員水下固定圖

潛水員下水前，對(duì)潛水設(shè)備進(jìn)行密閉性和安全性的檢查。檢查完潛水設(shè)備后，在指定區(qū)域下潛作業(yè)。

潛水員下潛至指定區(qū)域后，先用高壓水槍沖刷頂管機(jī)頭及工具管頂面的覆土和周邊土體。機(jī)頭及工具管沖洗干凈后，潛水員水下探摸到工具管外圍的探摸標(biāo)記（環(huán)筋），將水下割把準(zhǔn)備就緒，通知潛水員副手打開(kāi)氧氣和電源，開(kāi)始水下切割工具管。

水下切割設(shè)備為ZX7-1000逆變式直流電弧焊機(jī)，采用T304鋼管割條。

切割前潛水員用水槍將切割部位的管底土體沖刷后再切割作業(yè)，確保水下邊坡安全、切割部位無(wú)土體粘連。由于頂管管道直徑較大，潛水員水下作業(yè)不能一次性切割完成，故在水下切割時(shí)，采用分次切割的方法，具體步驟如下。

第一步：通過(guò)潛水員探摸標(biāo)記切割位置，先切割工具管底部；第二步：切割管道左右兩側(cè)；第三步：切割最后剩下的管頂部分。切割作業(yè)順序即為圖示①→②→③→④。

潛水員水下作業(yè)持續(xù)時(shí)間不超過(guò)2h，配備兩名潛水員換班作業(yè)，保證水下潛水員的人身安全。

圖5 水下頂管姿態(tài)模擬圖

3.2.6 機(jī)頭吊裝

機(jī)頭吊裝采用浮吊進(jìn)行吊裝作業(yè)，吊裝過(guò)程中，潛水員回到船上，離開(kāi)施工區(qū)域。

圖6 頂管機(jī)頭吊裝出水圖

當(dāng)機(jī)頭吊裝出水面后，由吊裝船只緩緩的移動(dòng)船身，靠近岸邊，將船頭的吊臂前傾，使機(jī)頭能穩(wěn)穩(wěn)的放置于岸邊。岸邊另行安排汽車吊和拖運(yùn)貨車，將機(jī)頭吊裝運(yùn)輸。

4 工程應(yīng)用

“長(zhǎng)江灘涂進(jìn)江頂管水下取機(jī)頭施工技術(shù)”在南京市某水源廠項(xiàng)目成功應(yīng)用。水源廠進(jìn)水管道頂管頂進(jìn)至江底后，根據(jù)河床高度推算頂管在江底覆土高度，在覆土厚度允許的情況下向江心頂進(jìn)，最后頂進(jìn)距岸邊15m處，在管道內(nèi)部進(jìn)行位置測(cè)量，并進(jìn)行管道注水等準(zhǔn)備工作。挖泥船斷續(xù)挖泥兩天，潛水員潛下兩個(gè)班次，歷時(shí)約4h將機(jī)頭成功在水下切割下來(lái)，通過(guò)浮吊將機(jī)頭吊裝上岸。整個(gè)取機(jī)頭作業(yè)有效工作時(shí)間僅5天。施工過(guò)程中未出現(xiàn)任何突發(fā)狀況。

5 結(jié)語(yǔ)

“長(zhǎng)江灘涂進(jìn)江頂管水下取機(jī)頭施工技術(shù)”打破了頂管接收井取機(jī)頭的常規(guī)思路，在技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新，在成本上得到了節(jié)約，在工期上進(jìn)行了縮短。該技術(shù)可為以后類似取水口工程施工提供參考，同時(shí)該技術(shù)可用于水下頂管遇險(xiǎn)撤離作業(yè)。