张彬，赵孟伟，韩建设

（1.河南省水利水电工程质量安全中心，河南 郑州 450003；2.河南省豫东水利保障中心，河南 开封 475002；3.开封市引黄灌区事务中心，河南 开封 475002）

0 引言

顶管技术作为一种新型的隧道工程暗挖技术，其因施工扰动小、适应性范围广、安全性高、环保等优点，在大型水利工程、跨河工程、交通繁忙路段、城市建筑密集区、超浅埋及超大断面的隧道工程中得到大量的应用。

引江济淮工程（河南段）是河南省实施的10项重大水利工程之一，以城乡供水为主，具有改善当地水生态环境的作用，能够改变地下水超采的现状。河南段输水线路总长度为195.14 km，途经穿越河道、公路、铁路约150余处，穿越工程是整个工程能否顺利完工的“卡脖子”工程。

1 工程概况

1.1 穿涡河顶管工程概况

穿涡河顶管工程位于周口市鹿邑县穆店乡位桥东北，是后陈楼调蓄水库～七里桥调蓄水库管线穿越涡河的输水建筑物。工程全长314.37 m，双管平行布置，单管设计流量11.45 m3/s。顶管采用内径DN3000的JPPCP管，管材内径3 m，壁厚0.50 m，单节管节长度2.50 m，掘进机采用泥水平衡顶管机，顶管两端分别设工作井和接收井一座，内径同为10.00 m×14.50 m，南岸工作井井深26.09 m，北岸接收井井深26.70 m，采用沉井法施工。根据计算，需要设置2个中继间。穿涡河顶管工程项目两端各设置阀井1座，工作井及接收井上部各设镇墩1座。

为减少施工期间渗水和流沙现象，在沉井轮廓线周围1.50 m 及顶管始末端设置一道高喷防渗墙。防渗墙轴线为矩形，成墙厚度不小于0.40 m，渗透系数不大于1.0×10-4cm/s，防渗墙底高程需要深入不透水层。

1.2 地层岩性

穿涡河顶管所在高度大部分为重粉质壤土，上部及下部局部穿越粉砂层。

岩性主要分为细砂、粉砂、重粉质壤土、砂壤土等几种。①粉砂：浅黄、褐黄色，松散～稍密，干～稍湿，见少量锈黄色浸染。局部为砂壤土。该层层厚一般1.90～4.30 m，在涡河南岸出露于地表。②粉细砂：浅黄、黄褐色，饱和，中密为主，上部稍密状，以细粒为主，少量粉粒，成分主要为长石、石英，局部含钙质结核，多呈薄饼状。涡河南岸层内夹重粉质壤土薄层。该层厚15.30～17.90 m。③细砂：灰黄色，饱和，中密～密实状，以细粒为主，成分主要为石英、长石，少量云母。该层厚9.50～12.20 m。④重粉质壤土：褐黄杂青灰色，可塑～硬塑状，见少量锈黄色浸染，土质不均，干强度高，层内夹有厚1.10～2.60 m的砂壤土透镜体。

1.3 水文地质条件

场区地下水埋深4.40～6.90 m，水位高程35.09～36.50 m，略高于河水。

地下水和河水形成了互为补排的关系，地下水水位高时，地下水补给河水，反之亦然。在勘察区内取地下水、河水水样各1组进行水质分析，水质分析成果表明：河水矿化度0.73 g/L，属淡水；总硬度14.29H°，属微硬水；pH值9.03，属碱性水；侵蚀性CO2 为0 mg/L。地下水矿化度0.64 g/L，属淡水；总硬度19.01H°，属硬水。

2 顶管系统的选择

2.1 顶管掘进机

顶管掘进机采用NPD3600 和3600 泥水平衡顶管掘进机，具有方便维修和操作、高精度，安全性高、速度快等特点。改进、设计、使用双道主轴密封形式解密封难的问题。由于掘进机的灵敏度不仅是设计的重要参数，更是顶管的纠偏影响参考的关键，所以依据顶管穿越相应土层的N值来确定灵敏度数值。

2.2 主顶进系统

穿越涡河主顶进系统主要依靠8 只双冲程等推力油缸进行推进作业，总推力16 000 kN，行程3 000 mm，油缸中心位置要与设计图布设一致，误差要求不大于且不等于10 mm，力求顶进受力点和后座受力维持在一个较为良好状态。

2.3 注浆设备系统

良好触变泥浆套的形成和维护大大减少顶进过程的摩擦力，这对长距离顶管成败起着重要作用。由此工程使用膨润土作为触变泥浆，膨润土泥浆应充分搅拌和发酵后方可使用，搅拌和在储浆箱内的发酵时间应分别大于30 min 和6 h，发酵完成后经过液压注浆泵进入管内。注浆泵站系统由单缸液压注浆泵（型号为SYB50／50-Ⅱ型）及液压动力站组成，注浆压力值0.08～0.10 MPa，注浆量每分钟80 L。

2.4 泥水管路系统

该系统设备选用2台渣浆泵（渣浆泵选用型号为4/3C－AH，电机额定功率30 kW，流量数值160 m3/h，扬程值41.80 m）。泥水系统利用Telemole 管路系统，在泥浆搅拌仓内，将大块土体逐步变为小块状；同时利用双道搅拌轮的搅拌以及泥水的大流量冲刷作用，将土体逐步稀释为泥浆。

2.5 泥浆置换系统

使用水泥加粉煤灰浆（配比为水泥∶粉煤灰∶水=1∶3∶6）把之前注入的膨润土浆置换掉。注浆次数不少于3次，每次间隔时间不大于24 h。泥浆置换完成后，应及时拆除和清洗管内弧形浆管和主通道浆管。

2.6 安全供电系统

用电功率330 kW，现场供电设置变压器总功率为400 kW，分3路分送至各用电部门。第1路为地面泥浆拌制系统、操作间、工具间、维修加工系统及现场照明。第2 路为井内后座顶进油缸系统和接管焊接用电。第3 路供管内设备用电主要为顶管掘进机，出泥机、中继环及管内照明采用36 V低压防爆行灯。选用在施工现场配备一台500 kW柴油发电机作为应急电源，确保在管道内断电等应急情况下，安全照明、管道通风、顶管施工等操作的正常进行。

3 施工工艺流程

3.1 沉井制作流程

穿涡河沉井：顶管工程两端设长方形工作井和接收井各一座，均为沉井施工，沉井结构尺寸。沉井浇筑时需注意在井壁处为顶管预留洞口位置，预留孔直径大于管道外径10～20 cm。

工作井：总高度26.09 m，上部9.29 m 井壁厚度1.20 m，下部（含刃脚）16.80 m井壁厚度1.40 m，底板厚1.30 m，井壁及底板采用C30钢筋混凝土，接收井总高度26.70 m，上部9.90 m井壁厚度1.20 m，下部（含刃脚）16.80 m井壁厚度1.40 m，底板厚1.30 m，井壁及底板采用C30钢筋混凝土。

工艺流程：场地平整→施工放线→上部基坑开挖→铺设砂垫层→浇筑素混凝土垫层→定井边线→刃角砌筑→第一节井壁制作→沉井第一次下沉→第二节井壁制作→沉井二次下沉→……第N 节井壁制作→沉井N 次下沉→清除井底虚土→抛石→封底→底板。穿涡河顶管工程沉井计划分4段施工，第一节7.32 m，第二节7.32 m，第三节7.32 m，第四节4.74 m。

为了满足沉井稳定性及施工浇筑要求，通过回填土或灌砂等有关措施确保刃脚下土体密实。工程井内取土选取高压水泵与人工相结合的方式进行。在沉井下沉前，需要在沉井顶部设置沉降及位移等观测点位，通过及时观测数据，及时纠偏保证沉井能够均衡下沉。沉井下沉至设计标高后，并通过观测数据反馈其接近稳定工况时，再进行混凝土封底作业。应严格按照沉井施工及验收规范要求，确保沉井施工质量可控。

3.2 顶管施工流程

顶管施工工艺流程见图1。

图1 顶管施工工艺流程图

4 监测

4.1 沉井监测

首先布设沉降点位，竖井沉降点位布置在竖井四角，分别在井顶、井中、井底布点，管线在管中两侧均匀设置沉降点位。沉降点位的设置可以通过打入不小于1.20 m 长度的钢钎的方法进行。工程采用在设计管线中线的垂直上方每5 m 的位置布设1个点，在中线点两侧，每2.50 m布设1个点，沉降点数不少于4个，待沉降点稳定后才能进行观测。

4.2 顶管监测

激光测量数据作为判断前端顶管机高程及中线误差的主要依据，每隔1 m 记录一次，依据反馈的观测数据对比顶管机的轴线和旋转量偏差数值，研判偏差情况。若发生偏差需要纠偏的工况，应增加观测的频次，每顶进0.50 m距离观测1次。

纠偏时，应第一时间调整刀盘旋转走向，消除小转角操作，纠正机头纠偏油缸的伸缩数值，纠偏过程中要做到“勤、缓、慢”。顶进作业施工中持续绘制三种曲线，主要涉及中线、高程和顶力曲线，作为顶进施工中可能发生的纠偏作业可靠的数据参照。

5 顶管质量控制措施

5.1 初始顶进

首先破除预留洞口处结构物，然后开始初始顶进作业（顶进距离控制在10 m 范围）。为避免洞口土体出现涌水、流沙，甚至塌方现象，顶进施工作业前要复核洞口土体加固情况。达到施工顶进要求后，方可拆除洞口临时加固设施，采用低速掘进方式，及时检查盾构系统运行状况，并依据施工现场情况制定初始顶进相关参数、泥浆压力数值。初始顶进作业前要加大顶管机与顶管管线的监测频次，严格把控顶管施工掘进方向。

5.2 到达掘进

当泥水平衡顶管施工至距接收井10 m 时，应暂停施工。首先查看接收井洞口加固程度，如不满足顶管施工需要，则应第一时间开展补浆加固作业；充分校核盾构掘进方向与设计轴线位置及高程偏差数值，确保偏差控制在可控范围内，如未满足要求，则应及时采取纠偏施工作业。到达掘进应视现场情况，采取适当降低注浆压力、低速低压钻进的措施顶进。当顶管机进入接收工作井，最后一节顶管施工完成后，应及时对管口缝隙进行封堵，采取注浆加固措施，控制地层变形。

5.3 注浆控制

采用全过程注浆作业能够令注浆产生的效果更好，但是最大注浆压力的数值应确保在0.60 MPa以内，随距离的增加，注浆压力适当增加。同时要注意注浆主管和支管要用硬管，注浆混凝土管下井时，要保证始终有1个注浆孔垂直向上。

6 工程重、难点分析

重难点1：穿涡河顶管工程设置的沉井下沉深度较深，且地下水丰富，降水问题的好坏严重制约沉井下沉效果及安全。解决方案：①严格保证沉井四周防渗墙施工质量，严格过程控制，选择专业性强、施工经验丰富、评价良好的作业队伍。②采取在沉井四角布设降水井的措施，来进一步保证施工期间渗水和流沙现象减少。

重难点2：穿涡河顶管工程沉井下沉深度较深，下半部分沉井内部土方开挖方式选择至关重要，且施工难度较大。解决方案：选择成熟的开挖方式，采用空气吸泥机出土下沉，必要时考虑专业潜水员配合设备进行出土。

重难点3：沉井深度较深，地下水丰富，封底施工难度较大，容易造成漏水，封底不彻底，后期处理麻烦。解决方案：①提高设计封底混凝土标号，设计为C20，采用不小于C40混凝土。②封底前对底部“锅底”进行虚浮泥浆处理，再采用抛石或者大块混凝土建筑碎块方式，必要时，可由专业潜水员配合进行。

7 结语

顶管是一种非明挖式的施工方法，它可以在不破坏地面上的建筑物、公路、铁路的情况下完成穿越工程，其在应用穿越河道工程具有众多优势如：施工速度快、技术成熟、安全度高、对防汛影响小、不影响航运、对周边环境扰动小等有着广阔的应用前景。结合涡河穿越工程实际情况，工程方案、顶管关键技术、施工方法、注意事项等多方面控制取得了工程建设圆满的成功。这为当前顶管技术国内顶管技术的推广应用和关键问题的解决提供一定的参考和借鉴。