大口徑曲線頂管關(guān)鍵施工技術(shù)

蔡文彪

（上海公路橋梁（集體）有限公司，上海市 200433）

0 引言

為了減少在軟土地區(qū)大開挖時(shí)對(duì)鄰近建筑、管線和道路交通的影響，往往采用頂管法施工。頂管法施工從過去的簡單化、單一性發(fā)展到現(xiàn)在的專業(yè)化、多樣性。頂管掘進(jìn)機(jī)也從敞開式機(jī)械化程度低的手掘式、網(wǎng)格擠壓式發(fā)展到封閉式、機(jī)械化程度高的土壓平衡式、氣壓平衡式和泥水平衡式[1]。目前，長距離、大口徑、小曲線頂管施工技術(shù)正得到不斷應(yīng)用和發(fā)展。曲線頂管形狀也由平曲線、豎曲線，發(fā)展到水平與豎向兼而有之的空間曲線。曲線頂管技術(shù)在日本和歐美國家早已開始使用，并有了一些成功經(jīng)驗(yàn)[2]。日本的曲線頂管技術(shù)開始于1965年熊本市直徑1 200mm下水道的施工，并取得了成功，20世紀(jì)80年代開始廣泛應(yīng)用。法國曾成功完成曲率半徑為200m，M型曲線的鋼筋混凝土頂管施工。我國在20世紀(jì)末也陸續(xù)開始使用曲線頂管施工技術(shù)，并取得了較快的發(fā)展和較為廣泛的應(yīng)用，例如上海蘇州河綜合整治工程、上海合流污水治理二期工程、上海市區(qū)地下排水管線工程等等都是采用曲線頂管技術(shù)。以下淺析潘廣路～逸仙路電力隧道工程一標(biāo)大口徑曲線頂管關(guān)鍵施工技術(shù)的成功應(yīng)用及施工要領(lǐng)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

潘廣路-逸仙路電力隧道是聯(lián)系500 k V楊行變電站～500 k V虹楊變電站的電力電纜的關(guān)鍵通道，線路全長約14.36 km，全線共設(shè)15座工作井。

本標(biāo)段井位施工范圍為1號(hào)井～7號(hào)井，均采用地下連續(xù)墻圍護(hù)施工（出入口：S M W工法樁圍護(hù)）；隧道區(qū)間施工范圍為1號(hào)井～8號(hào)井，隧道采用單管頂管施工，隧道內(nèi)徑為D N3 500mm，本標(biāo)段頂進(jìn)距離全長約6 351m。

本標(biāo)段工程頂程最長段6號(hào)井～5號(hào)井（江楊北路寶楊路～江楊北路友誼西路）為1 199.34m，頂管段內(nèi)共4段曲線頂管，曲率半徑均為R=650m，管材采用鋼筋混凝土管，外徑4 140mm，管節(jié)長度為2.5m。

1.2 地質(zhì)情況

工程沿線除局部受古河道切割影響，上海市標(biāo)志性硬土層⑥層暗綠～草黃色黏性土缺失，并沉積有較厚的⑤層外；大部分地段均有⑥層發(fā)布，屬上海地區(qū)正常沉積區(qū)。各土層的土性描述見表1。

本工程6號(hào)井～5號(hào)井頂管管頂覆土在13.6～30.8m之間，頂管頂進(jìn)穿越⑦、⑧1號(hào)土層，穿越地層含水量大，透水性強(qiáng)。

2 難點(diǎn)分析

2.1 頂管在⑦、⑧1號(hào)土層內(nèi)頂進(jìn)，頂管施工難度大風(fēng)險(xiǎn)高

本工程6號(hào)井～5號(hào)井頂管管頂覆土在13.6～30.8m之間，頂管頂進(jìn)穿越⑦、⑧1號(hào)土層，穿越地層含水量大，透水性強(qiáng)。由于頂進(jìn)距離長，頂管頂進(jìn)中管節(jié)接口處橡膠圈及密封膠磨損相當(dāng)厲害，以及中繼間密封圈磨損較大。必須加強(qiáng)對(duì)管節(jié)接口處橡膠圈及密封膠、中繼間等薄弱環(huán)節(jié)的密封處理，以便解決好管節(jié)的密封防水問題，以確?；炷另敼軆?nèi)的施工作業(yè)安全。

表1 地層特性表

2.2 頂管軸線測量控制難度大

由于本工程6號(hào)井～5號(hào)井頂管頂程為1 199.34m，管材采用鋼筋混凝土管，外徑4 140mm，管節(jié)長度為2.5m，管徑大糾偏較為困難。在實(shí)際頂進(jìn)中，由于土層性質(zhì)變化、注漿效果等會(huì)造成頂進(jìn)阻力變化，頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致[3]。

2.3 平面線形復(fù)雜

6號(hào)井～5號(hào)井整個(gè)頂程中就有4段平面曲線，曲率半徑均為R=650m，曲線間的過渡直線比較短。對(duì)于外徑4 140mm、長度2.5m的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)來說，R=650m的平面曲線半徑已經(jīng)很小。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 頂管機(jī)頭的選型和頂力分析

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本工程6號(hào)井～5號(hào)井頂管管頂覆土在13.6m～30.8m之間，頂管頂進(jìn)穿越⑦、⑧1號(hào)土層，穿越地層含水量大，透水性強(qiáng)。

上海地區(qū)對(duì)直線頂管頂力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，常簡化為主要考慮機(jī)頭迎面阻力與機(jī)頭管道與土的摩阻力。其它阻力可忽略不計(jì)[4]。

3.1.1 總頂力估算

管道的總頂力按照式（1）估算：

式中：F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；D1為管道外徑（m），取 4.14m；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度（m）；fk為管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2），取3.5 kN/m2；NF為頂管機(jī)的迎面阻力（kN）。

式中：D為頂管機(jī)外徑（m），取 4.18m；γs為土的重度 （kN/m3），取 18.0 kN/m3；Hs為覆蓋土層厚度（m）。

6號(hào)井～5號(hào)井頂管區(qū)間段：

管徑（mm）：?3 500；頂管頂程（m）：1 199.34；管頂覆土（m）：13.6～30.8；迎面阻力NF（kN）：4 320；總頂力F0（kN）：58 681；中繼間數(shù)量（個(gè)）：5。

3.1.2 土壓力設(shè)定

（1）被動(dòng)土壓力P p

當(dāng)土為粘性土?xí)r，

式中：γ 為土的容重（kN/m3）取 18.0 kN/m3；h為地面至頂管機(jī)中心高度（m）；?為土的內(nèi)摩擦角（°）；C為土的內(nèi)聚力（kPa）。

（2）主動(dòng)土壓力Pa

當(dāng)土為粘性土?xí)r，

式中：γ為土的容重（kN/m3）；h為地面至頂管機(jī)中心高度（m）；?為土的內(nèi)摩擦角（°）；C為土的內(nèi)聚力（kPa）。

（3）靜止土壓力Po

式中：Ko為靜止土壓系數(shù)；γ為土的容重（kN/m3）；h為地面至頂管機(jī)中心高度（m）。

（4）控制土壓力P

式中：Pa為主動(dòng)土壓力（kPa）；Pw為頂管機(jī)所處土層水壓力（kPa），粘性土中不考慮；ΔP為土倉施加的預(yù)加壓力（kPa），一般取 20 kPa。

6號(hào)井～5號(hào)井頂管區(qū)間段土壓力控制值匯總：

管徑（mm）：?3 500；土的容重 γ（kN/m3）：18；地面至頂管機(jī)中心高度h（m）：15.7～32.9；土的內(nèi)摩擦角 ?（°）：8.5；土的內(nèi)聚力C（kPa）：15；靜止土壓系數(shù)Ko：0.56；被動(dòng)土壓力Pp：382～477；主動(dòng)土壓力Pa：207～260；靜止土壓力Po：150～187。

3.1.2 土壓力控制

頂管掘進(jìn)機(jī)在頂進(jìn)過程中，其刀盤的壓力P如果小于掘進(jìn)機(jī)所處土層的主動(dòng)土壓力Pa時(shí)，即P＜Pa時(shí)，地面就會(huì)產(chǎn)生沉降。反之，如果在頂管機(jī)掘進(jìn)過程中，其刀盤的壓力P如果大于掘進(jìn)機(jī)所處土層的被動(dòng)土壓力Pp時(shí)，即P＜Pp時(shí)，地面就會(huì)產(chǎn)生隆起。且施工過程中的沉降是一個(gè)逐漸演變的過程，尤其在粘性土中，要達(dá)到最終的沉降所經(jīng)歷的時(shí)間會(huì)比較長。但是，隆起卻是一個(gè)立即會(huì)反映出來的迅速變化的過程，隆起的最高點(diǎn)是沿土體的滑裂面上升，最終反映到距頂管機(jī)前方一定距離的地面上。

頂進(jìn)中，務(wù)必要控制好刀盤的壓力P，要求做到主動(dòng)土壓力Pa＜P被動(dòng)土壓力Pp，主動(dòng)土壓力Pa、被動(dòng)土壓力Pp變化范圍較大，再加上理論計(jì)算與實(shí)際施工時(shí)會(huì)存在一定的誤差，一般將控制土壓力P設(shè)置在靜止土壓力Po±20 kPa范圍內(nèi)。頂進(jìn)過程中，根據(jù)土層變化、覆土深度變化、地表沉降監(jiān)測等情況等隨時(shí)調(diào)整壓力。

3.2 “組合密封中繼間”技術(shù)

本工程采用“組合密封中繼間”技術(shù)，中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式結(jié)構(gòu)，在鉸接處設(shè)置二道可徑向調(diào)節(jié)密封間隙的密封裝置。其中第一道密封裝置設(shè)計(jì)成可拆卸形式。

中繼環(huán)的結(jié)構(gòu)形式是采用特殊管的形式，其主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）采用徑向可調(diào)止水裝置，如果橡膠止水圈磨損，仍可以通過調(diào)節(jié)徑內(nèi)向六角螺栓，重新滿足密封性能。即使橡膠止水圈被嚴(yán)重磨損，無法繼續(xù)使用，也能夠先對(duì)應(yīng)急止水圈充氣，再更換被磨損的橡膠止水圈，恢復(fù)良好的密封性能。

（2）由于密封裝置的鋼法蘭是經(jīng)大型車床加工而成，又與成品管制成一體，尺寸精度高，剛性好，密封性能容易保證。

（3）頂管施工后，拆除中繼間油缸，割除抱箍并磨平后，中繼環(huán)可以合攏，無需在此空檔內(nèi)澆筑混凝土，質(zhì)量可靠，操作簡便。

3.3 頂管軸線測量控制措施

頂管頂進(jìn)軸線發(fā)生偏差時(shí)，通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量、調(diào)節(jié)注漿量使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計(jì)軸線位置。

測量采用G P S技術(shù)測放控制網(wǎng)，頂管機(jī)頭頂進(jìn)方向由激光導(dǎo)向儀提供，過程中使用全站儀導(dǎo)向，每200m使用精密陀螺儀糾偏。

3.4 觸變泥漿減摩

頂進(jìn)施工中，減阻泥漿的運(yùn)用是減少頂進(jìn)阻力的主要措施，頂進(jìn)時(shí)通過管節(jié)上的壓漿孔，向管道外壁注入一定量的減阻泥漿，在管道外圍形成一個(gè)泥漿環(huán)套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩擦力，從而減小頂進(jìn)時(shí)的頂力，泥漿套的好壞，直接關(guān)系到減阻的效果。本工程采用大刀盤土壓平衡頂管機(jī)注漿系統(tǒng)，頂管注漿系統(tǒng)分為機(jī)頭同步注漿和管道補(bǔ)漿。

為了做好壓漿工作，頂進(jìn)施工時(shí)采用優(yōu)質(zhì)膨潤土進(jìn)行減摩注漿施工。由于本次頂管部分涉及軟硬土層頂進(jìn)，且機(jī)頭外徑較大，為保證注漿效果，在頂管機(jī)頭設(shè)計(jì)時(shí)，在頂管機(jī)尾部環(huán)向均勻地布置了十只壓漿孔，用于頂進(jìn)時(shí)跟蹤注漿。

機(jī)頭同步注漿由地面液壓注漿泵通過 ?50管路壓送到機(jī)頭處儲(chǔ)箱內(nèi)，再由螺桿泵定量壓入機(jī)頭殼體外，在機(jī)頭處應(yīng)安裝隔膜式壓力表，以檢驗(yàn)是否到達(dá)指定位置，在所有注漿孔內(nèi)要設(shè)置單向閥和球閥，軟管和接頭的耐壓力等級(jí)為6MPa，支管通徑為 ?25。

為保證頂管出洞初期注漿效果，在工作井洞口止水裝置前的建筑空隙處設(shè)置5個(gè)注漿孔，當(dāng)管道外壁進(jìn)入洞內(nèi)，未與土體磨擦之前就先浸滿漿液。觸變泥漿隨管外壁向土體滲入。

3.5 頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整

3.5.1 滾動(dòng)糾偏

由于刀盤正反向均可以出土，因此通過反轉(zhuǎn)頂管機(jī)刀盤，就可以糾正滾動(dòng)偏差。允許滾動(dòng)偏差小于等于1.5°，當(dāng)超過1.5°時(shí)頂管機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提示操作者切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。

3.5.2 豎直方向糾偏

控制頂進(jìn)方向的主要方法是改變單側(cè)千斤頂?shù)捻斄Α５c頂管機(jī)姿態(tài)變化量間的關(guān)系沒有固定規(guī)律，需要靠人的經(jīng)驗(yàn)靈活掌握。

當(dāng)頂管機(jī)頭出現(xiàn)下俯時(shí)，可加大下側(cè)千斤頂?shù)捻斄?，?dāng)頂管機(jī)機(jī)出現(xiàn)上仰時(shí)，可加大千斤頂?shù)捻斄?，來進(jìn)行糾偏。

3.5.3 水平方向糾偏

與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時(shí)加大左側(cè)千斤頂?shù)捻斄Γ移珪r(shí)則加大右側(cè)千斤頂?shù)捻斄Α?/p>

3.5.4 糾偏注意事項(xiàng)

（1）切換刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，先讓刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，間隔一段時(shí)間后，再改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以保持開挖面的穩(wěn)定。

（2）要隨時(shí)根據(jù)開挖面地層情況及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，修正頂進(jìn)方向，避免偏差越來越大。

（3）頂進(jìn)時(shí)要及時(shí)進(jìn)行糾偏，削除偏差后，再繼續(xù)向前頂進(jìn)。

4 結(jié) 語

大口徑曲線頂管施工技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，潘廣路-逸仙路電力隧道工程一標(biāo)6號(hào)井～5號(hào)井頂管區(qū)段最終監(jiān)測結(jié)果顯示，通過針對(duì)性運(yùn)用上述各項(xiàng)施工技術(shù)措施后，最終順利頂進(jìn)到位，對(duì)周邊道路、管線等構(gòu)筑物無影響，沉降控制好，該大口徑曲線頂管施工順利完成。本文從案例、理論、實(shí)施等層面總結(jié)與分析幾項(xiàng)關(guān)鍵施工技術(shù)，希望為類似大口徑曲線頂管工程提供參考。