在顶管工程施工中的止水与防渗漏技术

1 工程概述

广州市西江引水工程是为迎接亚运会、保障供水水源安全并提高供水水质的重点工程，设计规模 350万m³/d，自佛山市三水区西江思贤滘下陈村附近的西江取水，经下陈村取水泵站增压后，通过2DN3600管道输至鸦岗配水泵站。原水在鸦岗配水泵站分配提升，通过DN2400钢管输送至广州市西部白云区的江村水厂（40万m³/d、石门水厂（80万m³/d）和西村水厂（100万m³/d）。

江村支线自广州市白云区鸦岗村鸦岗路东侧至机场高速公路平沙立交西侧石井西岸止，管线采用开挖埋管、顶管以及过河倒虹管等方式敷设，长5140 m，采用DN2400 钢管，其中穿越广清高速路段266.1 m（KJ0+757.62-KJ1+023.72），采用DN2800套管顶管后内敷DN2400钢管方案。

场区土层主要为现代的人工填土层①、粉质黏土和淤泥质土层②、粉细砂、中砂、粗砂层③、淤泥质土、（粉质）黏土层④、粉细砂、粗砂、砾砂层⑤、粉质黏土层⑥、残积层⑦、下伏基岩为早石炭系测水组泥质粉砂岩及炭质页岩，早石炭系石磴子组灰岩、中晚石灰世壶天群灰岩等。该工程顶管所穿越的砂层为场地的第1个含水层，水量丰富，位于粉质黏土和淤泥质土层②之下，按颗粒大小可分为粉细砂③-1、中砂③-2、粗砂③-3等3个亚层。

我们在该工程中对工作井与接收井采用沉井施工方法，并采取泥水式顶管施工工艺。在施工过程中，为了顶管操作人员能在工作井与接收井内进行干作业，为了使井内顶管仪器设备不泡水受损，避免井内积水，工作井与接收井的底板与井壁必须具有一定的防水抗渗能力。在顶管过程中，无论是钢管从工作井中出洞，还是在接收井中进洞，管道与洞口之间都有一定的间隙。如果没有把这些间隙封住，地下水和泥砂就会从这些间隙流到工作井或接收井中，轻者会影响工作井的作业，严重的会造成洞口上部地表的塌陷，甚至造成事故，殃及周围建筑物和道路管线的安全。对此，我们在该工程的工作井与接收井的施工中以及在管线顶进施工过程中，采取了止水、防渗技术。

2 工作井与接收井的防水抗渗

该工程的工作井和接收井都设计为钢筋混凝土矩形探井，工作井净空11m×7m×8.8m，井壁厚1.3m、底板厚1.3m；接收井净空为9.5m×5.3m×8.65m，井壁厚1.3m、底板厚 1.0m，混凝土均为C30、S6。工作井封底混凝土厚2.0m，接收井封底混凝土厚1.45m，强度等级C20。

由于沉井施工时低于地面，下沉时应砌筑370mm厚挡土墙防止雨水、杂物进入井中。工作井和接收井施工采用组合式定型钢模板，由U型卡连接。在预留洞、井壁底板位置等特殊部位采用木模，在沉井插筋部位用木板间隔拼装，拼装的木模表面应进行刨光，拼缝严密平整不漏浆。围擦立筋采用Ф50mm钢管或8^#槽钢，拉杆螺栓采用Φ16mm圆钢，中间设置50mm×50mm，δ=3mm的止水片，周边焊，拉杆螺丝设置水平间距75cm，垂直间距60cm。为防止浇筑混凝土时爆模板，应加强支撑及模板接缝处检查，所有拼缝及模板接缝处要逐个检查嵌实。

该工程采用商品混凝土，由搅拌车送至施工点。混凝土浇筑时自由倾落高度不大于2m，对称平衡进行，采用分层平铺法，分层厚度30cm左右，振捣时防止漏振和过振现象，以确保混凝土的质量。每次浇筑混凝土前应充分做好准备工作，搅拌车到达现场及时测试混凝土坍落度，每次浇混凝土时，根据规范做好抗渗、抗压的试验工作。施工中严格控制层差，杜绝冷缝出现，混凝土振捣时振捣器插入下层混凝土10cm左右，注意不漏振、过振，钢筋密集处加强振捣，分区分界交接处要延伸振捣1.5m左右，确保混凝土外光内实。

施工缝处理：在沉井上、下节井壁间设置施工缝，施工缝表面混凝土凿除松散部分，并用水冲洗，充分湿润，但不得有积水，在井壁宽度内设置凸槽作为施工缝，宽度约为井壁厚度的1/3。沉井接高前，施工缝进行凿毛冲洗干净，使骨料外露，先灌注10mm厚 1：2 水泥砂浆或水泥浆。新混凝土要在砂浆初凝前浇注，浇完后要注意保养，经常洒水保证表面潮湿，养护时间不少于14d。

该工程沉井均采用不排水下沉法，沉井下沉至设计标高经过观测在8h内累计下沉量不大于10mm 或沉降率在允许范围内，沉井下沉已经稳定时，可进行沉井封底。工作井与接收井分别采用2000 mm与1450mm 厚C20水下混凝土封底。

封底时，要求将井底浮泥清除干净，新老混凝土接触面用水冲刷干净，并铺碎石垫层。封底混凝土用导管法水下封底混凝土。在封底混凝土达到所需要的强度后（一般养护7d，方可从沉井中抽水，按干封底法施工上部钢筋混凝土底板。封底混凝土达到一定强度后，可从沉井中抽水，进行底板施工。在浇筑钢筋混凝土底板前，应将新旧混凝土接触面凿毛，并洗刷干净，钢筋混凝土底板钢筋与井壁予留钢筋宜采用电焊接头，沉井底板应对称一次浇筑完成。混凝土浇筑前 24h内对垫层进行洒水湿润，采用“一个坡度、分层浇筑、循序推进、一次到顶”的斜面分层法浇筑。混凝土浇注要连续，一气呵成，不留冷缝。为了控制板面标高及平整度，在内衬壁的预留钢筋上要做好板面标高标记，并焊上十字筋。振捣密实后用刮尺修平，初凝后为了防止板面出现收缩裂缝，再用灰匙压抹表面，底板养护不少于14d。

3管线顶进中的止水防渗

3.1 穿堵进出洞

顶管进出洞是整个施工过程中的关键环节之一，进出洞成功相当于整个顶管工程成功了一半。该工程是采用地下预埋钢盒作为预留进出洞口，在进出洞口安装可拆式止水钢环，再在钢圈上安装止水胶圈（见图1），达到止水效果，并在洞口前方挨着顶进方向的沉井墙的外边线做3排搅拌桩止水幕墙，搅拌桩为Φ600 mm，深度与开挖深度一致。

 

在出洞前先割掉预埋钢盒外侧钢板，并将止水钢环焊接到预埋钢盒的外侧，再将止水橡胶圈安装在止水钢环上。在准备出洞时，在将钢盒内侧挡土钢板割掉，清理预留孔内的杂物后立即将工具头推进预留孔，缩短停顿时间，这时止水橡胶圈紧抱工具头外壳，发挥止水作用。

顶管出洞的施工环节相当关键，顶管穿墙时要防止工具头下跌，在穿墙的初期，因入土较小，工具头的自重仅由2点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。因此，工具头穿墙时，要带一个向上的初始角（约5°），且穿墙管下部要有支托，并且加强管段与工具管、管段与管段之间的联结。此外，工具管的推进一定要迅速，穿墙管内的土体暴露时间不宜太长。

3.2 正常顶进

顶管机的作用是切削土体并搅拌均匀和控制顶进的方向。穿墙止水环具有防止地下水、泥砂和触变泥浆从管节与止水环之间的间隙流到工作井。穿墙止水圈的组成部分为预埋钢板环、橡胶圈、钢压板、钢压环、螺栓。止水环结构采用钢法兰加压板，中间夹装20mm厚的橡胶止水环（见图2）。该橡胶环具有较高的延伸率（大于300%）和耐磨性，硬度为45~55，永久性变形不大于10%，借助管道顶进带动安装好的橡胶板形成逆向止水装置。安装固定后，预埋钢环板与混凝土墙接触面处采用水泥砂浆堵缝止水。

 

3.3 顶入接收井

顶管机顶入接收井是一项关键的施工环节。在顶进接近接收井前，先将接收井施工好等待顶管机的接收。当顶进到接收井边3排搅拌桩时，须放慢顶进速度，等顶管机慢慢切削搅拌桩体，形成一个较完整的止水孔，否则会因推进过快使预留孔前的搅拌桩体破坏，不能形成止水孔，严重时损坏顶管机或顶力剧增，使管节破裂而无法完成接收顶管机。必须先复测本段管道的长度与设计长度相符，然后通过测量得知顶管机出口的具体位置，将接收井工具头出洞位置的混凝土护壁凿除。当顶管机进入接收井边时，顶管机要快速顶进，直至顶管机完全顶出接收井。如遇地下水丰富时，用棉纱堵塞住管和洞口间的空隙，等顶管机完全出洞后即用水玻璃或水泥浆压住止水。

管道埋深较深时，水压力大，而且洞口周边是流塑状淤泥，承载力低，在深层做水泥搅拌桩出洞止水效果不是很理想，费用高。针对此情况，我们改进穿墙止水环的结构，在接收井施工时，先预埋喇叭形钢盒（见图3），上圆（背土）直径比管径大20 cm，下圆（靠土）直径比管径大60 cm，采用单边封板（上圆口），内填质量比为1:5 的水泥黄黏土拌和料。为了增加钢盒内填充物与环向钢板的粘结力，在环向钢板用钢筋焊上2道竹片压板，为达到止水防流砂效果，在压竹片的同时也压上稻草和膨胀土，然后与拌和料一起填充。当顶管机穿越预留孔时，顶管机外壳带到穿墙钢合内的土体及周边的土体往喇叭口挤压，使管壁与预留口间的缝隙挤实土体，防止泥水从缝隙喷涌。穿墙是顶管施工中的一道重要工序，要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流砂，因此必须做好洞口止水环节。首先在预埋钢盒上焊接钢套环（法兰），然后在套环上安装25 mm厚橡胶法兰，用10 mm厚钢压板通过M20 螺栓压紧。当发现有地下水和泥砂流入工作井内时，可以收紧橡胶法兰和压板上的螺栓，达到止水效果。

 

4结语

该项目顶管工程钢管直径大，穿越地层主要为中砂层，地下水丰富，具有一定的施工难度。在工作井与接收井的沉井施工中以及在管线顶进施工过程中采取止水、防渗技术措施，确保了工程施工的顺利进行。该工程的止水、防渗技术可为其它同类工程的设计与施工提供参考。

 

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