中铁十局集团第四工程有限公司 宁合高速项目部 江苏南京 211800
摘要：龙潭水厂一期工程取水泵房引水管道为钢管，设计方案采用泥水平衡顶管施工，项目位于长江防洪大堤外的长江江边，土体稳定性差。其中顶管机头收取最为困难，若仍采用常规的接收井方式，施工风险高、工期长、成本高。经过充分分析、比选，确定选用将顶管机头顶进长江内的施工方案。机头入江后由挖泥船水下挖出，潜水员水下切割、分离钢管与机头，顶管机头用钢丝绳捆绑后用浮吊吊装上岸。
关键词：顶管；水下切割；水下取机头
顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，是一项普遍用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术。伴随着我国城镇化步伐进一步加快，城市建设进入快车道，大量的城市给水设施开始兴建，其中的取水设施大部分位于江河湖泊岸边。而江河湖泊沿岸地质情况复杂、土体稳定性较差，因此顶管法施工被广泛应用于取水口取水管道施工。目前，机头出洞型式仍广泛采用接收坑或接收井的常规方式，而取水管道往往需要铺设至水体内，在滩涂岸边修建沉井的施工方法已不太适应工程特点，因此部分施工企业已开始尝试优化施工方法，探索水下取机头的新型施工工艺。
一、工程概况
龙潭水厂一期工程总规模80万m³/d，一期为40万m³/d，包括取水泵房及取水头部建设、取水管敷设等工程。取水泵房采用沉井施工，平面最大尺寸：29.04m*26.7m，取水泵房沉井深度为18.55m；
本工程引水管道采用2根DN2200取水管，总长度640m，其中顶管长度534m，采用钢管；其中，顶管施工引水管道平行布置，水平中心距为11.5m，管底高程-3.4m。施工期间，长江高水位约5.0m，处于枯水水位。顶管穿越的地层主要为②-2淤泥质粉质黏土层，顶管最浅覆土深度4.4米。
二、水下取机头关键技术
（一）工作原理
1.水下取机头原理
在顶管施工之前，将地面控制网引入沉井内，复核工作井洞口中心坐标与高程。由于沉井下沉施工无法准确按照设计位置进行定位，因此工作井洞口中心坐标与高程会与设计坐标存在偏差。顶管施工需根据实测的洞口中心位置，对原设计线型进行。顶管机头按照调整后线型顶进至设定位置，准确测量出机头位置，引导挖泥船进行水下取土挖出机头。然后由潜水员在水下对管道进行切割，机头与管道分离完成后通过浮吊吊装上岸。
2.水下氧弧切割原理
水下氧弧切割是一种水下热切割方法，就是利用水下电弧产生的高温和氧气同被切割金属元素产生的化学反应热，加热和熔化被切割金属并借助氧气流的冲力将切割缝中的熔融金属及氧化熔渣吹除，从而形成割缝。随着水下电弧的不断移动和氧气的不断供给获得所需要的切割长度，达到切割被割金属材料的目的。
（二）水下取机头施工方法
1.施工工艺流程
施工前期准备→挖泥船水下土方开挖→吊装钢丝绳水下固定→潜水员水下切割钢管→顶管机头吊装上案。
2.施工准备工作
（1）现场施工测量
由于顶管伸入长江河道内，因此在顶管施工前，技术人员利用水上船只，在江面上采用测绳量测河床顶面标高。根据现场实际测量数据，在满足顶管机头4.4m覆土厚度要求的前提下，同时在顶进过程中时刻观察机头上下摆动情况，确定机头取出的位置。
顶管施工完成后，将地面测量控制网引入工作井内。测量人员进入管道，通过管道到达顶管机头位置并测量出机头的坐标及高程，作为控制顶管机头取出位置的定位依据。
（2）顶管机头闷板封堵
为了确保机头在钢管切割的过程中不进泥水，需在顶管端头部位焊接一块顶管封板，从而保证机头内的设备完好，确保顶管机头的循环使用。
顶管施工前，在第一节管节内确定封板的具体位置。通过测量在钢管外对应位置沿管壁焊接一圈6mm的钢筋。钢筋的作用是作为一道探摸标记，潜水员能通过探摸标记准确的确定具体切割位置，快速完成水下切割作业。
封板施工完成后，确保封板焊接紧密无缝隙，作业人员与进水、出泥管道等辅助设备同时撤出管道，在顶管管道的沉井端安装DN2200闸板阀，同时保证阀门处于关闭状态。
（3）顶管管道内注水
在闸板阀与沉井间管道上加装DN200钢管（钢管带法兰盘），作为注水口。焊接完成后向顶管内注水，注水过程中技术人员对管内水位勤加测量，观测管内水位有无异常上涨现象，以推测封板焊接质量是否满足要求，待管道内注水完成后将注水口用闷板封堵严密。
3.水下土方开挖
顶管完成后，挖泥船及潜水员做好前期准备工作，进入施工区域准备作业。根据顶管位置在地面上每50m插1道彩旗，用来引导挖泥船探测顶管机头位置。
挖泥船根据引导彩旗指引确定机头大致方位进行定位放锚，采用双锚四缆定位法布置前八字锚、后八字锚及尾锚。挖泥船沿着引导彩旗的方向，逐渐向岸边探测，由测量人员采用测绳测量水深及河床标高，以此来推算顶管顶部的覆土厚度，从而确定挖泥深度，防止挖到机头或管道，造成设备损坏。
确定机头位置后，采用由机头两侧外围逐渐向机头靠拢的方式进行开挖。挖土过程中安排测量人员随挖随测，确定开挖深度，避免出现超挖现象。外围土体挖完将要开挖机头位置前，为便于挖泥船操作员知晓机头位置，由潜水员在机头首尾绑上浮标，挖泥船放缓挖泥速度，防止抓斗触及机头。抓斗根据浮标位置在机头两侧挖土，开挖标高控制在机头下方1m。机头两侧土体挖空后，底部土体将会向两侧坑内滑移，机头底部土体完成挖除。
4.吊装钢丝绳水下固定
由于抓斗挖泥船的工作特性，机头底部的土体无法完全清挖，因此还需潜水员下水进行二次清土。若发现机头底部泥土仍较多，不方便穿钢丝绳，则用水枪冲扫机头底部土体，冲出两条可穿过钢丝绳的沟槽。钢丝绳一端挂在浮吊吊钩上，另一端由两名潜水员配合，从沟槽中穿过将机头捆绑牢固，完成切割管道前机头的固定工作。
5.潜水员水下钢管切割
切割潜水员下潜至机头位置，探摸到钢管上的切割标记，潜水员将切割条装入切割炬钳口内，手握切割炬并将切割条置于切割点上，通知潜水员副手供电同时开启氧气，开始水下切割钢管。
顶管管道直径为DN2200，切割工程量较大，潜水员水下作业一个班次内无法全部切割完成，因此需要采用分次切割的方法，先切割钢管底部，然后切割管道左右两侧，最后切割剩余部分。
水下作业消耗体力快，潜水员人身安全风险较大，因此每位潜水员每班次水下持续作业时间不超过2小时，由两名潜水员轮换作业。
6.机头吊装
管道切割完成，顶管机头与管道完成分离，采用浮吊吊装出水。吊装前，潜水员与设备均需离水回到船上。
浮吊将机头吊装出水面后，通过收紧缆绳缓缓将船身向岸边移动，浮吊吊臂前倾将顶管机头放置于岸边。
三、工程应用
“泥水平衡顶管水下无支护取机头施工技术”在龙潭水厂一期项目成功应用。取水管道顶管顶进至距岸边18m处。由于天气原因挖泥船未能连续作业，前后共清挖三天，2名潜水员水下轮换进行水下切割作业3个班次，历时6小时完成钢管切割，成功将机头与钢管分离，并顺利吊装上岸。在5天的施工过程中，无任何异常状况出现，平稳、安全的将机头打捞上岸。
四、结语
施工实践证明，“泥水平衡顶管水下无支护取机头施工技术”打破了顶管以接收坑或接收井为接收设施进行取机头的常规施工方式，在技术创新、成本节约、缩短工期方面有了较大提升。该技术的成功应用，可作为类似顶管工程施工的参考依据。
参考文献：
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[3]贝全荣.水下氧弧切割技术及其应用[J].大坝与安全，2007，01（1）：70-70.
作者简介：
刘东升（1989年8月），男，汉族，江苏睢宁人，工程师。