过河管道施工方案对比分析

部分民生基础和工业材料需穿越河道来供给和排放，如自来水供给、石油和天然气供给及工业废水排放等。沈阳市使用大口径PCCP管道穿越河流来进行居民供水。柳州市阳和污水处理厂使用深水过河管道来进行污水排放。西气东输郑州-驻马店支线奎旺河段天然气管道设置为过河管道。未来城市中，类似利用过河管道进行运输会变得更普及。

唐兴装备深耕非开挖设备设计制造近二十年，接下来将针对某工程的过河管道施工进行方案对比与选择，并对所选方案进行工艺优化，针对优化后的方案提出施工的注意事项。

1方案比选

1.1施工方案

过河管道的施工方法主要有倒虹管式和架空管式两种。倒虹管式的过河管道设置于河床底部，其施工方法有顶管法、围堰法和浮沉管法三种。顶管法是将需要过河的管道直接在河床下部顶入，适用于河床地质构造均匀、土质柔软的河流；围堰法是堵水或改道河流后旱地施工的方法，适用于水流量小的河流；沉浮管法是通过漂浮过河管道到预定位置，焊接后使其下沉的方法。架空管式是将管道在河水上架空从而通过河流，其施工方法有拱管过河施工法、沿路桥敷设法和水平管梁式管架桥施工法三种。

倒虹管式施工方法与架空管式施工方法相比有以下优点：

1）过河管道建成后不影响河道的航运；

2）寒冷地区的水下过河管道不需考虑冻结问题；

3）水下过河管道对管径、地质条件、河宽等的适应性较强。

本文主要对倒虹管式常用施工方法进行分析。表1为倒虹管式施工方法。

1.2方案对比

1.2.1围堰法

围堰法中围堰过程是重点，一般围堰分为四个阶段，以确保围堰不产生漏水。第一阶段是使用装满土的编织袋堆叠成梯形状，堆叠完成后在无水一侧打桩加固，防止装土编织袋被水冲走。第二阶段是土工膜的铺设，将土工膜铺设在装土编制袋的有水一侧，可防止部分水从编织袋间隙漏出，并在上游水的水压下土工膜会更贴紧编织袋。第三阶段是使用推土机弃土，弃土后土工膜与编制袋贴得更紧密，使得围堰漏水量更小。第四阶段是将基坑开挖剩余的土堆积到编织袋后方，增加围堰的稳定性。

1）围堰法施工的核心技术要点是导流方式，导流方式有三种：

①明渠导流是适用于平原河流、河床坡度较缓地区的导流方式，通过对河床与河谷的挖掘实现导流。

②全段导流一般在水流小、施工周期短的工程中通过一次性隔断河水来阻隔水流量。

③分段导流是将河床的一侧围住，河水流经河床时适当节流，从而达到良好的施工效果。

2）围堰法施工注意事项包括：

①围堰结构要稳定和防渗，足以防止冲刷。

②围堰布置要合理均匀，不能让水流发生局部冲刷。

③围堰接头要有足够的牢固性，防止接口处局部破坏后导致围堰工程全部失效。

④围堰方案要便于施工，且管道安装完成后要便于拆除。

⑤围堰地点选取在工程经济合理的流域。

表2为围堰方法具体要求。

1.2.2沉浮管法

沉浮管法是在管道运至施工现场后进行焊接，焊接后对焊接接口进行检验，检验合格后对焊接接口进行防腐处理，处理后对管道试压，最后进行管道的起吊沉放。

1）沉浮管法在河底挖管沟的工艺：

①管道底部需铺设碎石，碎石的颗粒级配应较均匀。

②编织袋中填入水下砂料，沉至河底后由潜水员堆叠，需堆叠平稳和紧密。

③在袋装砂上层进行抛石，且抛石质量需在35kg以上，抛石粒径在0.4m以上。

2）沉管的连接工作是在漂浮状态下进行的，对管道精确位置的标定是整个沉浮管法的重要技术之一。一般来讲，沉管在漂浮状态下的标定方法分别是GNSS同步标定法、全站仪浮态标定法、全站仪同步标定法、空间距离交汇测量法和双目视觉立体成像技术标定法：

①GNSS同步标定法是利用GNSSRTK同步现测，之后利用坐标转换进行浮态标定。

②全站仪浮态标定法是一种直接标定成果的检验方法。

③全站仪同步标定法是在岸上设置全站仪，同步标定测量塔进行浮态定位。

④空间距离交汇测量法是利用测量边交汇至一起，反算出坐标的一种方法。

⑤双目视觉立体成像技术标定法是通过在岸边架设2台照相机对水中漂浮的管节进行测量，获得管节及测量塔顶特征点在像空间坐标系下的三维坐标，进而解算特征点的空间关系。

五种测量方法的测量精度和优缺点见表3。

1.2.3顶管法

1）顶管设备吊装。顶管设备的吊装施工是将顶管设备通过吊车转移至工作井中，之后进行安装拼接。吊装过程需注意查看工作井的排水问题是否解决、工作井坑壁是否支护牢靠、工作井基坑边缘土体是否产生滑落等。

2）工作井内设备拼装完成后开凿工作面，顶管进行顶人工作。顶管初始顶入过程中可能产生的工程问题是由于工作面的开凿导致止水帷幕破坏，坑壁渗透泥浆和水进入工作井内部。因此，在顶管初次顶入前需检查止水帷幕是否有漏水现象，是否到达止水要求。

3）实际工程中还可能出现顶管在顶入过程受障碍物阻挡，无法继续顶入。因此，在规划顶管路线时，需做详细的地质勘察，避免无法处理的障碍物存在于顶管线路中。

1.2.4比选结果

依据工程勘察资料，河道地层分布自上而下是粉质黏土、中砂、卵石，卵石层的一般粒径为20~40mm，最大粒径60mm。要求管道坐落于卵石层中，埋深在4.4~15.7m。表4为渭河近年的水流量、泥沙量情况。

上述三种方案在该工程中均可使用。但是，渭河水流量及泥砂流量大，若使用围堰法，土方量大，且有泥石堵塞围堰区域的风险。沉浮管法在施工过程中需在河床底部挖沟，渭河输沙量大，河道中挖沟不易产生较大埋深，对施工技术要求较高。而顶管法能更好满足渭河段过河管道的要求。

2工程问题及解决方案

2.1顶管卵石层顶进受阻问题及解决

该工程于卵石层进行顶管施工。卵石层以砂岩、石英岩为主，填充为中粗砂，一般粒径40-80mm，最大粒径在150mm以上，20mm以上卵石在卵石层颗粒总重量占比超过50%，可见卵石层粒径较大，会对顶管推进过程产生过大阻力，且卵石不易清除。解决方法是选取可二次破碎的泥水平衡式HRC-1500A型岩石顶管机进行顶管施工，该机无中心轴，可供维修和挖掘人员在管中出入，能解决卵石粒径过大的不利情况。

2.2顶管顶进受复杂力失稳问题及解决

顶管受力包括顶管端部所受土的阻力、顶管管周所受土摩擦力、顶管管周所受水压力与土压力、千斤顶的顶力等。随着千斤顶不断推移顶管，顶管端部远离工作井，顶管所受摩擦力也不断增加，导致顶管需受更大的千斤顶的顶力。顶管推进过程中受力的环环相扣使得顶管受力复杂化，因此，顶管的整体和局部失稳问题愈发明显。顶管失稳问题威胁施工人员生命，影响工程质量。解决方法是采用更合理的加肋形式。局部屈曲采用正交加肋，顶管大变形部分采用环形肋和竖向支撑结合，未顶进段也采用环形肋加固。

2.3顶管受腐蚀问题及解决

过河管道的腐蚀主要由冲刷腐蚀、原电池腐蚀和化学腐蚀引起。冲刷腐蚀是河流自身挟裹泥石的冲击力作用于过河管道导致管道受损。原电池腐蚀是管道内部杂质与金属管道发生电解反应。化学腐蚀是水中腐蚀性物质对管道的腐蚀，常见的是钢中的铁原子氧化后与酸性物质的反应。过河管道受腐蚀通常由上述三种情况共同作用导致。解决方法是在顶管外围增加一层钢套保护管，可减少冲刷腐蚀的影响，并在该钢套管的内外均刷防腐涂料，以减少化学腐蚀，解决原电池腐蚀的办法是在施工完成后及时清理残留在过河管道内的杂质。

2.4工作井施工问题

该工程初期预定工作井施工为地下连续墙模式，但是面临地下连续墙机械进场困难、施工费用高等问题。因此，工作井由地下连续墙支护改为排桩支护和高压旋喷桩止水帷幕的共同使用（图1）。

3结论

比较了顶管法、围堰法和沉浮管法，说明了施工方法和核心技术。围堰法需注意围堰导流技术。沉浮管法的技术核心是对水面上的浮管进行精确的位置标定。结合渭河甘肃段实际情况，发现顶管法更适用于本工程，阐述了顶管施工中遇到的问题，并给出了相应的解决方案：顶管在卵石层推进受阻，采用可二次破碎的泥水平衡式HRC-1500A型岩石顶管机进行推进；针对顶管在推进中受复杂力导致失稳，可使用加筋肋；可采用增加钢套保护层、涂刷防腐涂料的方法来降低顶管的受侵蚀程度。

 

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