西江引水工程穿越平沙立交段 顶管施工风险谭估分析 ■朱翰森 ＤＮ２４００管道顶管穿越高速公路大型立交桥，由于顶管 距离长，与桥梁桩柱距离比较近，地下土质复杂，因此在 施工前从勘察设计风险、施工风险和水管运营过程中的风 险进行分析。 １．工程背景 广州市西江引水工程为亚运会配套工程，引西江水供 给广州市北部各水厂，是一项大型水利和市政项目。西江 引水工程中的江村支线，通过管道输水至广州市西部地区 的江村水厂（４Ｏ万ｍ ），从广州与佛山交界附近的鸦岗 泵站开始，线路向东沿鸦岗大道至机场高速公路，再沿机 场高速公路西侧向北接入江村二厂，管线长约１ ２．９０ｋｍ，单 管管径ＤＮ２４００，主管材为钢管。 江村支线有近４８００米长的输水线路与机场高速平行， 其中有一段管道顶管穿越机场高速平沙立交段，先后穿越 Ａ匝道、Ｂ匝道、Ｓ匝道、Ｃ匝道、Ｄ匝道和Ｔ—Ｄ匝道。 该段管道与桥桩最近１．４米，最远２５．８米。顶管采用 ＤＮ２４００钢管，管材采用Ｑ２３５Ｂ，其中Ｊ６井至Ｊ７井为穿越机 场高速立交顶管段，采用ＤＮ２８００套管（顶管），内穿 ＤＮ２４００钢管。 图２管道穿越平沙立交桥墩 ２．安全风险分析 ２．１勘察设计风险分析 该设计针对各种风险采取的针对性措施： ①为了有效避开立交桥桩基，经过与机场高速有关管 理部门多次协商，选择了避开所有桩基的线路； ②采用了非开挖的顶管工法，避免了大开挖对机场高 速的不利影响： ③在穿越机场高速平沙立交段采用双层套管，内管 ＤＮ２４００钢管承受内水压，外管ＤＮ２８００钢管承受外地下水 压和土压： ④对管材增加了安全储备，加强水管壁厚度，内管壁 厚为２４ｍｍ，外管壁厚为２８ｍｍ，焊缝采取了极其严格的检 查措施： ⑤设置了排气阀，控制了水锤的发生，降低了水管故 障概率。 从设计的角度分析，该段管道的设计已经充分考虑到 管道的安全性及对桥梁的保护。 ３。工程施工风险分析 对于本顶管工程，安全风险控制的重点是围绕保证安 全、防止地层失稳塌方展开的，分析内容包括 ３．１顶管机械的选型风险 泥水平衡式顶管选用的是一种具有破碎能力的泥水平 衡的顶管机，切削下来的泥土在泥土仓内形成塑性体，以 平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力１０～ ２０ＫＰａ的泥水、泥浆，以平衡地下水压力。通过把进水添加 粘土等成份的比重调整到一定范围内，即使挖掘面是砂的 图１机场高速平沙立交 土质，也可形成一层结实的不透水泥膜，同时平衡地下水 压力和土压力。 在顶管顶进过程中采用管外壁注触变泥浆的措施从而 降低顶进时的摩阻力，施工工程中严格控制膨润土的浓度来 达到最好的减阻效果，在顶进过程中设置中继站，将整段管 道分段推进，减少主推顶力。 根据施工现场的地质和地下水情况，使用泥水平衡式 顶管风险较低。 ３．２顶管始发、到达和开洞过程中洞门失稳风险 洞ｆ－ｊ－加固是顶管始发、到达技术的一个重要组成部 分，是指顶管机进出顶管工作井部位的地层加固。洞门塌 方在顶管施工事故中最为常见，洞门加固的成功与失败直 接影响到顶管能否安全始发、到达，也对周边建筑物产生 了重大的影响，必须十分重视加固方案的研究和加固质量 的控制。 顶管进出站前首先要将洞门打开，为了保证进出站的 安全，采用了“快进慢出”的方法： ａ．“快进”：出￣３Ｂ，－Ｊ，一挖完洞门，顶管即刻顶进： ｂ．“慢出”：进站时，顶管机慢行到洞门，待打开洞门 后再进井。 ３．３顶管正常段施工中地表沉降的风险 由于在平沙立交段，顶管通过河涌和高速公路的排水 系统，如果控制不当，可能造成地表失稳从而影响到高速 公路安全。该段的施工要点为纵断面加大结构埋深和选择 先进成熟的施工方法。保证顶管隧道有足够的覆土，满足 隧道施工安全和抗浮需要。 ３．４顶管施工中偏离轴线和顶偏风险 由于本工程顶进距离长，一次顶进达￣ＥＪ５００米以上，离 桩基较近，必须严格控制施工精度，否则会对桥桩造成影 响。 本工程的测量系统的主要设备由激光经纬仪、测量靶 和监视器组成。 测量系统主要监测顶管施工过程中顶管机推进的轴线 偏差。顶管机安放在工作井内的道轨上，调整测量靶中心 与管道中心线基本一致，与管道中心线垂直。调整激光经 纬仪座的高度，使激光经纬仪激光束的高度基本与管道中 心线标高一致。根据测量定位点调整激光束，使得激光束 基本与管道轴线重合。调整测量靶激光束点的大小，根据 测量靶激光斑点的位置，调整测量靶的位置，使激光点与 靶中心点重合。如果发生偏移，可以通过顶管头后的４组千 斤顶进行纠偏。 ３．５顶管过程中对桥桩影响的风险 从理论上讲，顶管施工对前期已建高速立交的影响主 要是管线周围地层位移引起的被动桩问题。 为了更好地保护桥梁的安全，除了做好管道顶进的各 项措施和加强监测外，还对管道横穿高架桥部分的土体进 行袖阀管注浆加固。 袖阀管注浆加固工艺流程为： 机具就位——成孔——插袖阀管——填筑套壳料—— 注浆——清洗——二次注浆（若有需要）。钻孔布设按梅 花形孔布置＠１ ｍ，孔径ｄ＝７６ｍｍ，孔底标高一３．３ｍ（管底 下２Ｄ），孔深约１５ｍ。注浆材料为普通硅酸盐水泥，水泥 浆的水灰比为０．５～１，可在水泥浆液中加入速凝剂、早强 剂、膨胀剂等不同种类的外掺剂，予以改善浆液性能以满 足工程的特定要求，掺入量不大于３％。进行注浆加固时采 用多孔间隔注浆和缩短浆液凝固时间，防止或减少既有建 筑物因注浆而产生附加沉降。 采取该项措施后，顶管施工基本不会对桥梁桩柱发生 扰动。 ４．水管运营过程中风险分析 （１）在正常的设计施工保障下，水管在设计有效期 内，由于输水自身原因突发性爆管概率较低，发生内外管 同时爆管概率微乎其微。 （２）即使发生内管爆管，外管起到保护作用，保证有 足够抢险时间和应急反应时间。 水管正常运营是不会对桥梁产生不利影响，只有水管 发生了泄露才会对周边场地产生不利影响。水管的风险程 度主要取决于发生泄露的可能性，由于在设计中已经采取 了针对性的计算和措施，在此可以对钢管可以承受的压力 作一个简要的计算复核。 按材料力学原理，对承受内压作用的钢管，其内表面 上各点的应力分别为： ｃ｜ｌ ｐＤ ａｊ。 ＤＤ 一Ｐ — 式中，ｐ为为壁压强，Ｄ为管径，６为壁厚。 由于 远大于１，即 的绝对值远小于ａｌ和ａ２，故认为 ０，及内壁各点处于平面应力状态。对承受内压作用的钢 管进行计算时，可采用第三强度理论： 一 嘲，【ａ】为材料的许用拉应力。 此工程中，为Ｑ２３５Ｂ管材，取许用拉应力为２３０ＭＰａ， 直径２４００ｍｍ，壁厚２４ｍｍ，代入得： ｏ１一仃暑 ｐＤ 【ａ】 ２占 则Ｐ 三二 一＝４．６ＭＰ， 即内壁可承受的压强为４．６ＭＰａ。 管道正常运行压力为Ｏｌ２～０．４ＭＰａ，由此可见钢管承受 的压力远远大于水管正常运营压力，而且管路还采取了泄 压阀等安全措施，由此可见，在正常的施工控制过程中， 水管发生直接爆管事故的概率较低。 ５．结语 广州市西江引水工程江村支线ＤＮ２４００管道穿越平沙立 交段，由于顶管距离长，与桥梁桩柱距离比较近，地下土 质复杂，因此在施工前从三个方面进行了风险分析和制订 了足够的安全措施。 通过对勘察设计风险分析，对工程施工风险分析和水 管运营过程风险分析，最终认为西江引水工程江村支线平 沙立交段采取的一系列保护措施是安全可行的，相关方案 在施工和运行过程中切实落实后将能保证桥梁的安全正常 运营。 该项工程在实际施工中严格按照各项安全施工措施执 行，完全达到预期效果。于２０１０年４月竣工验收，并于 ２０１ ０年９月正式通水安全运行至今。 （作者单位：广州市自来水公司）
