尚恒

（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙410004）

1 工程概况

马来西亚凯德隆火电项目，位于马来西亚砂捞越州民都鲁市。本项目采用海水直冷方式，冷却循环水系统共设置3根引水管和1根排水管。由于引水管和排水管需要穿越天然气管道及岸堤段的管道，所以引水管和排水管的部分管道采用顶管方式进行施工。

引水管和排水管顶管材料均为钢筋加强钢筒混凝土管（RCCP管）。引水管顶管直径DN 2 400 mm（外径2 880 mm），单根管道长度4 m，顶管位置设计进洞轴线高程为-6.0 m，最外端覆土厚度为1.3 m，顶管末端至取水头的高密度聚乙烯（HDPE）管道采用埋管法施工。排水管顶管直径DN 3 600 mm(外径4 320 mm)，单根管道长度3 m，顶管设计进洞轴线高程为-4.65 m，末端覆土厚度为1.35 m，管轴线呈i=0.1的下行坡度，末端与玻璃钢（GRP）排放口段连接。引水管和排水管顶管均不设置接收井，待顶管施工结束后，采用开挖方式将机头挖出后再进行切割拆除。

2 顶管施工工艺和RCCP管

2.1 顶管施工工艺介绍

在顶管施工中最为流行的有3种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和土压平衡[1]。顶管施工的管材主要有钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢管等，管道直径为标准尺寸，且一般小于3 m。顶管穿越区域一般为土质地基，管道埋深较深，地下水较深，管顶覆土厚，顶管施工难度和危险性较小。

本项目采用泥水平衡顶管施工技术，是利用泥水压力来平衡土压力和地下水压力的一种顶管施工方法。其基本原理是顶进机头前端刀盘旋转全断面切削土体，尾端受控顶进，先前掘进，在此过程中利用顶管机泥水仓内的泥水压力来平衡顶管机所处土层中的土压力和地下水压力，同时利用排出的泥水来输送弃土的一种顶管施工工艺。

顶管机头泥水仓内的压力平衡是工艺控制的关键。泥水平衡顶管机在顶进中，须实时关注泥水仓中的压力，将泥水压力控制在主动和被动土压力之间。通常采用控制顶进速度与排泥速率来实现对泥仓中泥水压力的控制，从而把对土体扰动的影响减小到最低程度。顶进过程中，通过设置在泥仓中的土压传感器实时采集泥水仓中的压力数据并传输到监控系统中，经控制计算机处理后，输出各个子系统的动作参数，进行顶管作业，自动化程度较高。其控制原理主要是通过调节进浆管流量、排泥管流量和顶进速度等来调节泥水仓压力，从而达到泥水压力平衡的效果。

2.2 RCCP管介绍

RCCP是类似于钢筋混凝土管（RCP）的一种，主要的区别就是用钢筒替代了一层钢筋笼。RCCP是按照美标AWWAC300《Reinforced Concrete Pressure Pipe，Steel-cylinder Type》（预应力混凝土钢筒管）进行设计生产，单根尺寸最长为60.96 cm(24 in)，直径最大为304.8 cm（120 in）。与钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢管相比，RCCP管的特点如下：

1）强度比钢筋混凝土管、玻璃钢管高，比钢管耐腐蚀；

2）可以预制成型，采用承插式连接方式，连接处采用橡胶密封垫和止水O形圈；

3）工厂预制，可以严格控制各项尺寸偏差、保证成品的产品质量；

4）管道内外承压能力强；

5）内壁钢套管厚度较钢筋混凝土管管道厚（＞10 mm）,可以直接用于顶管施工。

3 本工程工艺难点

与常规顶管相比，本项目顶管具有以下难点：（1）管材为RCCP管，且尺寸为非标准尺寸管道；（2）顶管所处区域地质为中密实砂层，极易出现坍塌情况；（3）顶管顶进过程中需下穿地面上部现有的炼油厂的主天然气管道；（4）顶管从岸上向海里进行顶管。

4 解决方案

4.1 RCCP管道非标尺寸问题

本次顶管专门定制4台泥水切削气压平衡工具管作为顶管工具管，其中3台用于DN2 400 mm引水管顶管施工，1台用于DN3 600 mm排水管顶管施工。泥水切削气压平衡工具管分开挖舱和操作舱2部分。中间有钢板密封隔离，开挖舱设有挡土搁栅、泥土搅拌器、防爆照明灯、高压水枪、加气孔，底部为吸泥口。操作舱内有4组纠偏系统、加压装置、出泥控制阀，尾部是1道气闸门，门中央为测量觇标。

为增加顶管工具管刀盘的耐磨性，防止刀盘磨损过快，需要对顶管工具管刀盘进行合金堆焊。同时为减小土体进入泥水仓的速度，防止顶管工具管顶部坍塌，对工具管泥水进口进行了适应性改造并取得了实用新型专利。经过专门定制和改造的顶管工具管具有以下特点：

1）在工具头部正面遇障碍物时，可以启动刀盘进行切削，遇到难以切削的障碍物时，可以在对气压舱加压的情况下，实行人员进仓的方法完成障碍物的清理或处理。其处理能力为可处理直径400～500 mm或更大的硬物。

2）结构实用，适用性及可操作性强，施工速度快。在砂地层顶进时，利用泥水注浆系统能有效形成封闭的泥浆环，有效地防止塌陷、流沙现象产生，并可用局部气压来疏干沙土中的含水量。

3）开挖面与操作仓相互隔离，作业安全有保障，施工人员不易受地下沼气等可燃气体的影响。

4）开挖面土体形式及土质变化情况可通过观察窗直接观察，便于施工参数根据实际情况调整。

4.2 中密实砂层地质出现坍塌问题

在施工前采用地质钻孔与地质雷达预报相结合来确定前方土体情况，对不良地质采取加固措施，注意控制施工质量,提高管道纠偏效果。在施工过程中，分别在地表及临近建筑物与顶进管线上布点，以形成具有一定数量测点覆盖率的监测网，用来监测施工期间的变形。在顶管掘进过程中，以适当的压力、合适的注浆量和合理配比的压浆工艺，在管道周围的环形空隙中进行同步注浆和补浆，既能减小摩擦阻力，又起到控制或减小地面沉降的作用。

如果在顶进过程中局部出现坍塌或地面变化情况，可以通过调控顶管掘进时的取土量及增加注浆保护，对出现的塌陷或地面变化区域，及时进行回填加固处理。顶管结束后，为确保所有顶管稳定、安全，在顶管管线上布置一定数量的钻探孔，用于初步检查顶管顶部土层是否存在空洞，如发现空洞，则需要进一步采用多频道表面波分析法（MASW）对顶管管线的顶部土层进行空洞探测。根据勘测情况，如果顶管管线上方存在空洞，则所有空洞都需要进行灌浆处理。灌浆孔直径应≥50 mm，灌浆材料采用水灰比为0.5∶1的水泥净浆。

4.3 顶管管线上部的天然气管道问题

管线上部的天然气管道由于正在运行中，为防止天然气管道基础出现沉降，确保天然气管道支撑牢固和运行安全，采用型钢在穿越天然气管道轴线的两侧进行水平加固支撑。支撑结构为预制混凝土块和工字钢。

在顶管穿越天然气管道时，重中之重是一定要控制好差异沉降，差异沉降较大时，必须有针对性地进行加固处理。在顶管穿越天然气管道过程中，当检测沉降接近警戒值时，要增加监测频率，以获得相关数据来指导顶管作业的操控，如果出现沉降超标现象时，要及时会同其运营管理部门做好预防措施，同时，要配备足够的机动设备，一旦发生意外情况，在第一时间投入工作。顶管穿越天然气管线后，必须对天然气管道继续进行跟踪监测，直至其变形趋于稳定。同时根据监测数据从管道内对该区域进行管道外注浆，如若发现后期沉降、通过管道内注浆不能得到很好控制时，可以考虑采取地面加固措施，如分层注浆等。

4.4 顶管从岸上向海里进行顶管的问题

由于没有接收井，顶管管道前端有可能直接脱落入海，因为开挖顶管工具管时会对前端管道造成一定扰动，向外拉出顶管工具管时也会对前端管道产生向外的拖拽。所以，在顶管前端60 m的每节管道之间采用拉杆连接为一体，工具管和第1节顶管之间也采用拉杆连接。此外，前端60 m的管节之间需要进行焊接处理，焊接完成后才能拆除拉杆。由于向海里顶管，顶管机头必须在水下进行切割，顶管接头切割打捞出水后，由于机头的去除，管道外端呈开放性状态处在开挖好的基坑中，风浪季节的涌浪很可能会将管口的泥沙推进管内。

为了避免这种情况发生，在机头切割后，管口需要采用特制的半合临时堵头进行封堵，这样，即使管口在风浪季节被埋入泥沙下，管内也不会有泥沙进入。此外，在顶管内未注满水的情况下，进行顶管工具管拆除，海水将会突然灌入顶管内，在顶管端口产生巨大吸附力和漩涡，存在非常大的安全隐患和危害。所以，在拆除顶管工具管前，需要提前将顶管管道内注满水。通过顶管末端封板上带闸阀的注水管进行注水，封堵板的顶部设置φ100 mm的排气管，在注水时排气。

4.5 外端浅覆盖层的问题

顶管覆盖层厚度不足，一旦控制不好，很容易造成管道上浮。为消除这种上浮力，避免顶管段出现上浮、翘曲等现象，保证顶管段管道的稳定，采取以下措施进行顶管浅覆盖层抗浮处理：（1）适当降低顶管顶进速度；（2）在管道内增加配重，提高管道的整体重量，以抵消浮力。根据现场实际施工情况，考虑到搬运问题，现场制作简易运输小车，用于配重材料的装运。配重材料采用螺纹钢，螺纹钢单根长度≤3 m，直径≤32 mm。

根据相关计算，在现有海底覆盖层厚度情况下，管内压载的配重只需达到0.71 t/m即可满足抗浮要求。如果出现极限地质，即顶管上部覆盖层极其薄弱，则需加大管内配重，使得管道一直保持满足抗浮要求的状态，完成最终顶管。

5 其他问题

本项目在顶管过程中还遇到了以下一些未预见的问题。

5.1 顶管布置角度问题

根据设计图纸，排水管顶管从跌水井往海中方向呈坡比为10%的下坡布置状态。该情况下，顶管前端内容易积水，造成顶管内施工环境恶化，增加顶管施工难度。另外，由于顶管下坡布置，需要斜向下进行顶管施工。由于顶管工具管和顶管管节重量重，在斜向下顶管的情况下，顶管工具管和顶管管节产生平行于顶管轴线斜向下的重力分力，使顶管工具管和顶管管节处于斜向下外脱和下坠的状态，不容易对顶管工具管和顶管管节进行控制，造成顶管轴线控制难度加大，也使得顶管纠偏工作变得复杂和困难。建议：在后续类似工程中，尽量将顶管设计为水平或斜向上布置。

5.2 顶管吊点问题

顶管管节为圆筒状光面结构，管节上未设置吊点。现场主要采用单根吊带穿过顶管管节或2根吊带箍住顶管管节的方法进行顶管吊装。这种方法在吊装过程中不容易对顶管进行控制，存在安全隐患。建议：在后续类似工程中，配备管节的专用吊具，提高安全保障与保证施工质量，或者在顶管关节外部预留2个吊点。吊点部位应设计为凹槽型式，避免吊点外凸而影响顶管顶进施工。待顶管吊装完毕后，采用砂浆（其强度不低于顶管混凝土强度）或填缝材料将吊点处的凹槽填抹平整。

5.3 顶管工作井吊装空间问题

顶管工作井区域空间较小，净宽度5.45 m。单根顶管包括承插段长度4.14 m，顶管工具管长度4.5 m，吊装空间富余量较小，造成吊装作业难度较大。建议：在后续类似工程中，对顶管工作井的设计应结合顶管和工具管的尺寸，适当加大顶管工作井操作空间的尺寸，以减小顶管管节和顶管工具管吊装作业难度。

5.4 排水管顶进到前端遇到枯木问题

在排水管顶管顶进施工过程中，顶进至前端靠近海边区域，地层中发现大量枯木。由于顶管工具管刀盘不具备削碎大块状有韧性硬物的功能，所以，顶管施工受到很大影响，无法继续向前顶进。现场只能暂停顶管施工，采用挖机将枯木挖出后，方能继续向前顶管。建议：在后续类似工程中，加强对近岸处的地质调查，在正式顶管前对障碍物进行清理，避免影响施工工期。

5.5 末节管道问题

由于最后一节管道顶入后，要进行孔板封堵，为避免封闭孔板和末节管道受灌水压力发生脱离情况，建议：对顶管末节设置永久性固定装置。同时，在封闭孔板上预留φ100 mm的排气阀，以保证在顶管管道注水时能够将顶管管道中集结的空气排出，进而减小因灌水对封闭孔板造成的压力。

6 结语

通过对马来西亚凯德隆火电项目RCCP顶管工艺研究，分析本项目顶管工作的特点及难点，并给出各个难点的解决方案。同时，也分析了在整个顶管过程中所遇到的其他一些问题，并提出了相关建议。通对该项目RCCP顶管工艺的分析，对今后其他类似工程具有一定的借鉴意义，特别是面向远海进行顶管且不设置接收井的顶管工艺有很重要的参考价值。通过对顶管工艺的分析，有助于顶管工艺的完善，可进一步开拓此类项目的国内外市场。