1、沉井和顶管施工技术在鹊山水库输水穿黄工程中的应用研究摘要:本文根据鹊山水库输水穿黄工程中存在的主要工程地质问题,着重介绍了沉井和顶管施工的具体技术措施 关键词:输水管道;穿黄工程;工程地质;沉井;顶管 中图分类号: K826.16 文献标识码:A 文章编号: 济南市鹊山水库输水穿黄工程位于济南市泺口上游约 6KM 处,是鹊山引黄供水调蓄水库工程的重要组成部分,工程主要由工作井、接收井及输水穿黄管线组成,工作井、接收井均采用沉井施工工艺,输水穿黄管线采用顶管施工工艺,穿黄管道为内径 1.8m,壁厚 20mm 的直缝焊接钢管,顶管长度为 1115m,这是目前国内穿黄河最长的地下管道不开槽施工工艺,
2、是黄河流域第一项大口径、超长距离超深顶管工程。 按工程施工要求,采用顶进法敷设地下管道,需要有相对稳定的地质构造,并能适应黄河防洪特点与防洪要求,根据本工程地质勘察报告,黄河历史最大冲刷深度大致在 7.55m 高程,其下为地质构造较为稳定的第四系上更新统河流冲积层(AIQ30)壤土层,为避免与河道行洪的相互影响,输水管道在该壤土层内顶进敷设,坡度为 0.3%,工作井处管道中心高程 4.50m,接收井处管道中心高程 7.83M。 1、主要工程地质问题 1.1 工作井和接收井的工程地质问题 经勘探揭露,工作井和接收井地层上部为第四系全新统的河流冲积层(AIQ4) ,下部为第四系上更新统河流冲积层(
3、AIQ3)下部各土层均含大小不等的钙质结核,经计算,工作井施工下沉对周围影响距离为 60m,接收井约为 40m,两井各距黄河大堤淤背区约 10m,施工时很容易影响淤背区,同时淤背区对工作井场区地下土应力分布也会产生影响,此外接收井第层粘土厚度较大(深度 6.48.3m)及呈硬塑状,具有较高的物理力学性质,对施工的影响较大,场区地下水埋藏浅,地下水位下存在第层粉细砂,在施工时易发生流砂现象,同时第层砾砂、第 13 层壤土中钙质结核的存在都会对施工产生较大影响。 作者简介:张兴鹏(1969- ),男,山东济南人,高级工程师,主要从事水利、公路工程的勘察和检测工作。 李祥(1965- ),男,山东济
4、南人,高级工程师,主要从事水利、公路工程的施工和管理工作。 1.2、输入穿黄管线的工程地质问题 穿黄管线处地层岩性为典型的黄河冲积地层,具结构复杂、相变大的特点,在勘探深度内揭露地层为 Q4 和 Q3,Q4 在横向上变化大,分为此岸的决口口门沉积、大堤内的河床沉积帮南岸的一般冲积沉积地层,Q3 相对比较稳定。 过黄处河道主流线从上游王家窑险工 SE 指向老徐庄闸附近,再转向NE 指向大王庙附近,平怖上主流线位置与钻孔揭露河床层最大埋深位置一致,过黄处 Q3 含有较多钙质结核,其中第层分布鞋不均,不成层分布,粒径一般 3-5cm,最大 7cm,含量一般 5%-10%,最多达 20%,设计穿黄管道
5、所处地层为第层含钙质结核壤土或粘土及中粗砂夹层,呈硬塑-坚硬或密实状态,具有较高的物理力学性质,钙质结核及中粗砂层的存在增大了施工难度。 2、施工技术措施 工作井在施工过程中采用水力机械和机械挖掘 2 种取土方法,由于工作井位于黄河大堤淤背堤坡脚下,离边坡仅 10m 左右,为确保工作井下沉不影响淤背安全,在下沉过程中采用井壁外注浆助流技术,在阻止地面塌方及控制工作井偏差方面取得良好效果,使沉井施工较顺利完成。在接收井施工过程中,当接收井下沉到距标高还有 4.5m 时,由于第层粉细砂的影响,造成砂涌入井内,井外土体塌方,下沉效果极差;另外由于井内第层粘土厚度较大(深度 6.48.3m)及呈硬塑状
6、,该层无法用高压水打碎,只能由潜水员水下人工清理;由于第 13 层壤土钙质结核较多,水下空气吸泥无法带出钙结核,也只能由潜水员水下人工清理,工作效率不高,后经分析,我们采取了以下有效措施;在井外四周压入减阻泥浆,减小下沉阻力;在井顶压重 1500kn,增加下沉系数,使刃脚插入土体内,再清除锅底到刃脚土体,再抽水,经过三次重复,才使接收井下沉到设计高程,保证了顶管工程正常进行。 钢管顶进是工程的主体,根据设计,从黄河南岸工作井向北岸接收井顶进,管顶覆土厚度 23M 左右;沿管线主要为第层含钙质结核壤土或粘土及中粗砂夹层,且含有大量钙质结核,施工中,根据实际工程地质情况,为使土中的大多数钙质结核能
7、从水力机械吸管中吸走,将水力机械吸管从通常的 75mm 改为 100mm,结果 60%以上的钙质结核都能由水力机械排除,钢管顶进 700m 以后,由于水力机械出泥量达到了极限,我们又使用了第二套水力机械,排成串联,并使用 180KW 高压泵与 65kw 增压泵串联供水,解决了管内出土问题。 在以往长距离顶管工程中,中继环布置一般按粘性土 5-8kn/m2,砂性土 10-12kn/m2 考虑其摩阻力,但本次施工中,从开始到顶进 1000m,顶进速度正常,平均每天顶进 10m 左右,但整个管段总顶力 9000kn 左右,在顶进 1000m 以后,下面进入第层中粗砂夹层,下面阻力明显增加,整个管段总压顶力 1300mn 左右,顶进速度由原来每天顶进 10M 减少到每天 5m 左右,砂层中摩阻力达到 10kn/m2,在使用中继环时,顶力越大,管段压缩量也越大,而有效顶进长度则越短,所以在钢管顶进时,中继环的顶力必须按不超过管段的压缩量加以控制。 3、结语 针对鹊山水库输水穿黄工程中存在的主要工程地质问题,我们在施工过程中采取了积极有效的措施,目前该工程已成功实施,并已投入运行,运行情况表明,该工程达到了预期目标,取得了显著的经济效益和社会效益。