泥水平衡式顶管施工工艺

泥水平衡式顶管施工工艺在阿曼马斯喀特污水管网收集工程中的应用盛玉明刘庆福摘要泥水平衡式顶管施工工艺和玻璃钢夹砂管（GRP）顶管，在阿曼还是第一次使用，本文通过DN2000和DN1200顶管在马斯喀特(Muscat)污水管网工程(wastewatercollectionsystem)的施工顶进，探索和研究泥水平衡式顶管施工工艺和玻璃钢夹砂管在该地区应用的可行性。关键词泥水平衡玻璃钢夹砂管顶管施工1.工程简介阿曼苏丹国（SultanateofOman）位于中东阿拉伯半岛东南部，人口约300万，大部分人信奉伊斯兰教，面积约31万平方公里。马斯喀特（Muscat）是阿曼的首都，人口约100万，是世界上少有的几个环境优美，安静祥和以及治安条件良好的城市之一。中国水利水电建设集团公司于2004年12月中标阿曼马斯喀特污水管网工程，合同额1.5亿美元，原工期3年。中标后由于工程师不能按时提供施工图纸，众多的不可预见的地下设施，高标准的施工要求以及烦琐的来自于政府各部门的施工前批准（称NOC）等原因，致使本工程成为名副其实的“三边”工程，即边勘察，边设计，边施工，从而导致施工进度缓慢和工期延长，施工和管理成本成倍增加。为了最大限度地保护企业的利益，在施工期间利用合同条款曾经两次终止合同，给业主、工程师施加压力，以期从工期和费用方面获得索赔补偿，在2007年9月和阿曼财政部举行的合同谈判中，财政部长代表业主同意给予我方2860万美元的补偿，基本上平衡了两年来阿曼项目的亏损额，同时答应工期延长，后三个区域重新进行价格谈判和协商。目前，阿曼项目正在紧锣密鼓地重新组织进场。本工程以重力式（自流式）管道收集为主，局部山区采用小泵站将局部收集的污水输送至QURUM泵站，经该泵站将污水输送至污水主干管，通过主干管污水以自流方式汇集到中心泵站，最后由中心泵站将污水提升到污水处理厂，进行净化处理，然后经过灌溉管线将净化的中性水输送到市区进行灌溉。管线总长度约820km，原设计顶管约11～12km，目前中心泵站西侧污水主管线2.0km明挖改为顶管施工，再包括施工过程中不断增加的顶管，预计顶管总顶进长度可达17km以上。2.阿曼顶管施工阶段性成果顶管施工是阿曼污水项目重要组成之一，从2006年7月底开始顶进到2007年6月初（6月6日热带风暴阿曼项目停工前），DN2000，DN1200和DN500三种顶管施工顶进完成1.6km，经过一年来的施工阿曼项目部基本上掌握了泥水平衡式顶管施工工艺。阿曼顶管施工，是我局乃至集团公司首次独立完成的非开挖地下管网工程，不仅填补了我局乃至集团公司在非开挖铺设地下管线施工史上的空白，也为我局非开挖施工技术的推广和应用奠定了基础。顶管施工一直是阿曼项目施工的一个亮点，在举步维艰的阿曼项目施工过程中，也给阿曼项目增添了不少色彩，给了大家干好阿曼项目的勇气！顶管施工也曾多次受到市政府和业主的好评，尤其是工程师在多次会议上给市政府和业主讲到SINOHYDRO的顶管施工很好（excellent）!因为这样大规模的顶管施工在阿曼也是第一次，尤其是顶管施工的组织以及顶进成功能够受到百般挑剔的工程师的认可和赞赏也是难能可贵的。2.1顶管管线和工作井确定顶管管线定线和施工图设计由我方负责，在设计过程中主要考虑如下几个方面：1)要遵循整个管网系统的总体定线设计；2)工作井位置的确定：沿管线中心线方向，通常是按照所顶进管子长度加木垫圈的整倍数来确定，同时要考虑侧向支管线的连接；3)要考虑机械顶进附属设备所需场地等因素；4)在定位时要尽量避开地下和地面上（包括高低压电线）设施，尤其是地下设施往往是最为头疼的事情，难以探测具有不可预见性，在确定井位前在两个方向务必要挖足够深度和足够长度的探坑。2.2顶管管材选用根据顶管技术规范，承包商可以使用玻璃钢夹砂管（简称GRP管）和带有玻璃钢夹砂管内衬的砼管（或者称砼外包管）。2005年初我们就对管材选型和供应进行了大量的调研工作，以既要满足技术规范要求，同时还要考虑成本，经过多方案比较最终确定选用GRP管。本工程顶管直径从250mm到2000mm共16种规格，为了经济有效地选用GRP顶管和配套顶管机，将16种顶管分为5大类，即DN500,DN1200,DN1400,DN1600和DN2000，根据顶进距离和压力等级又把同一管径分成不同厚度的顶管。GRP顶管管接头选用“F”型连接型式，GRP连接管箍带橡胶密封圈。为了减少顶进摩擦力，对于直径大于1200mm每三节设置一节带有注浆孔顶管，注浆孔设置在顶管中间，同一断面3个注浆孔，相互间隔120°，注浆孔由外套管、单向阀和丝堵所组成。2.3顶管机选型顶管机的选型是至关重要的，机型一旦选择失误，那就前功尽弃，所以在初期选择顶管机的机型要倍加小心。根据本工程地质特点以及各种顶管机适应范围我们选择了泥水平衡式顶管机系统。参加设备竞争报价的厂家有德国海瑞克公司，德国wirth公司，日本伊势机以及日本Rasa等公司，经过性能、价格和售后服务等综合性比较，先期的四套顶管机全部选用了日本伊势机公司产品，即：TCSOD546型、TCSOD1250型、TCM-SOD2190型、TCCID1620型等四台顶管机。2007年9月，我们还采购了一套日本RASA公司的DN1530顶管机，专门用于中心泵站西线2km顶管施工。2.4顶进力计算以及液压系统选型在泥水平衡式顶管中，为了便于计算，顶进力F采用如下方法进行计算：F=F。+f。L（kN）式中：F。—初始顶进力（kN），f。—每米顶进管的综合阻力（kN/m），L—最大顶进长度（m），L=150mF。＝（P1+P2+△P）x3.14xDxD/4式中：P1—挖掘面前土压力，P1=150kPa；P2—地下水压力，P2=90kPa；△P―附加压力，一般取20kPa；D—GRP顶管外径，D＝2.16m；则：F。＝（150+90+20）x3.14x2.16x2.16/4=952.25(kN)f。=RS+wf(kN/m)式中：R―综合摩擦阻力（kPa），对于砂砾石一般为8～20，考虑到本项目采用注浆减摩措施和地质特点，取R=8kPa；S―顶进管的外周长（m），S=3.14x2.16=6.78m；W—每米顶进管的重力（kN/m），根据GRP厂家提供的资料：W＝12.92kN；f―管子重力在土中的摩擦系数，f＝0.2；则：f。＝8x6.78+12.92x0.2=56.82(kN)即：5.682t/m（设计顶进4～4.5t/m）最大顶进力为：DN2000顶管机F=952.25+56.82x150=9475.25(kN)由于该工程顶管线路长，区域跨度大，地质条件复杂，地下设施多，有很多不可预见的因素，要准确地计算最大顶进力是一件非常困难的事情，故在选用液压缸和液压系统时备有一定的富裕量，以防止在顶进过程中遭遇地质突变，纠偏等引起的顶进力异常增大的情况，三种顶管机液压系统选型配置见表1。表1三种顶管机液压系统选型配置表产品名称规格型号单位数量/总顶进力液压千斤顶DN2000:250tⅹ1850mmDN1200:250tⅹ1850mmDN500:120tⅹ1650mm根根根6/1500(t)2/500(t)2/240(t)液压动力站34.3MPa,64L/min,45kw34.3MPa,36L/min,30kw34.3MPa,10.4L/min,11kw台台台111液压操作盘2m顶管机1.2m顶管机0.5m顶管机台台台1112.5降排水系统在施工前经过多次方案和成本比较，深井降水应该是最为经济的一种方案。对于DN1400～2000顶管工作井和接收井施工，主要以深井联合降水方案为主，每个工作井和接收井周围打2~5口井，井深18～24m。根据中心泵站以及AZAIBAH区1~10号，GHUBRA区1~2号工作/接收井降排水情况来看，深井降水方案适合于阿曼马斯喀特地质情况，而且使得工作/接收井施工速度快，成本低。2.6工作井和接收井尺寸确定，施工方法选择一旦顶管管材以及长度、顶管机、液压顶进系统、顶铁等附属设备确定，永久HDPE检查井的尺寸确定后，设计人员就可以计算工作井和接收井的尺寸。确定原则是在满足顶进和检查井安装要求的前提下，尽量缩小尺寸以减少土建施工工程量。顶管工作井的平面尺寸见表2。表2阿曼项目顶管工作井的平面尺寸（单位：mm）顶管机密封圈厚度工作间隙顶管机长度顶铁长度千斤顶长度钢结构后背长度工作井长度宽度DN50025030028815002275300750675000003500DN120025030035405002655400864587000005500DN200025030037245002655400902990000007500传统的工作井和接收井施工方法有灌注桩法，沉井法，现浇砼法，高压旋喷桩，钢板桩以及明挖等方法。灌注桩法在中东广泛应用，但是成本最贵；沉井法，由于工作井尺寸大，再加上大量沙砾石，尤其是挖深超过5m以上密实的沙砾层就象石头一样坚硬，给水下沉井施工带来很大困难；高压旋喷桩一是水泥消耗量大，成本高，二是旋喷不均匀性，安全性较差。经过分析比较，对于阿曼项目较为适合的还是采用深井降水→反铲开挖→现浇砼，对于没有地下水或者水位较浅的工作井采用明挖施工。由于阿曼顶管工作井和接收井数量多（近200个），尺寸和深度也不相同，故根据不同位置，不同的地质条件采取不同的施工方法。2.7顶管施工顶进顶管施工顶进主要包括设备的安装、顶进、顶管机头回收、灌浆和测量验收等工序。顶进操作包括调偏全部在地面中控室来完成。当工作井准备就绪后，就可以移交顶管工区进行设备安装。首先根据顶管管线设计图进行测量放线，检查验收土建移交工作面是否满足顶管安装的要求。接着依次安装密封圈、轨道和后顶进系统，再次测量对中心线进行核对确保无误后方可加固支撑轨道。此后，再进行顶管机头吊装和顶铁安装，接着进行顶管工作，首先是机头“出洞”，即机头穿过砼墙，大部分机头顶入之后，停止前进，液压缸回缩，把后方筒吊入井内和顶管机头连接上，如果没有后方筒，直接吊入3m长GRP顶管，进行顶进，依此类推，用同样的方法把顶管一节一节地顶进到设计位置上。顶管机头到最后从接收井里破土顶出来的过程叫“进洞”，机头从接收井里吊上来，随后进行中心线测量，灌浆和复测，这样就完成了一个顶段的顶管施工工作。在顶进过程中，机头调偏和泥水系统管理是十分重要的，要不断地通过实际顶进去摸索总结。尤其是泥水系统，不同的地质条件泥水浓度也不一样。在顶进过程中，我们对已经顶进的顶段的顶力进行了统计和分析，发现实际顶进力要比理论计算值小一些，主要原因是由于顶进层密实，顶进后形成一个比GRP直径大的圆形隧洞，土壤并不抱管，再加上在GRP管和土壤之间进行膨润土注浆，这样使摩擦力大大减小。另外，GRP管外表光滑，重量轻也是顶进力减小的原因之一。从2006年7月底顶管施工开始到2007年3月底，DN2000、DN1200和DN500三种机型累计顶进1.38km，到2007年6月初，累计顶进1.6km。3.阿曼顶管施工特点和难点由于特殊的地质条件，再加上大量不可预见的地下和地上设施、繁忙的地面交通、优美的市容和高标准要求的环保、烦琐的施工许可（NOC）报批手续使得该项目顶管施工远远不同于国内和世界上其它国家类似工程的施工。3.1地质条件和特点根据地质调查报告和勘探，DN500和DN1200少数管段局部位于强风化灰岩地层中，而多数管段位于非常密实的砂砾石层和中细砂岩层中，地下水位很高，管线距海边较近（400～500m），地层透水系数大，最大可达1.43x10-3m/s，最小为6.76x10-6m/s。根据DN2000顶管1～10号工作井施工降水情况综合分析，单井出水量在300m3/h左右，排水所形成的降水漏斗半径达1000m，深层沙砾坚硬密实，开挖时就象石头一样！而且砾石含量多，向这样的地质条件在国内很少碰到，在国外也不多见。3.2施工图设计关于顶管管线施工图设计，按理说应该是咨询工程师的工作范畴，但是由于顶管管线设计不但要考虑顶进管节的