超大口徑鋼頂管關鍵技術研究

張 龍

1.上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2.上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

鋼頂管技術作為一種綠色非開挖技術，在我國供水領域應用廣泛并得到快速發展。隨著我國經濟持續穩定的增長，為應對與日俱增的飲用水需求，利用超大口徑城市輸水管道來解決城市水資源匱乏難題已經逐漸成為城市建設熱點[1-5]。頂管技術已經發展了超百年時間，國內頂管技術也已經相當成熟，但是管徑超4 m的大口徑鋼頂管工程在國內實例甚少，對環境微擾動、安全可靠的超大口徑鋼頂管關鍵施工技術更是無經驗可循，因此，亟待對其進行深入研究以形成相關技術，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

黃浦江水源地連通管C2標段工程是解決城市水資源匱乏的大型引調水工程，該標段采用的即是DN4 000 mm超大口徑鋼管（壁厚38、40 mm）頂管。工程自JA11井至JA15井、青浦分水點段、JB01至JB03，包括8座沉井、7個頂管區間、2段埋管以及青浦分水點土建結構，其中頂管線路長度4 476.96 m（圖1）。

圖1 工程平面示意

2 地質條件

本工程頂管主要穿越⑥1層粉質黏土、⑥2-1砂質粉土、⑥3粉質黏土夾粉性土。其中：⑥1層粉質黏土強度較高，處于可塑狀態，工程性質良好；⑥2-1砂質粉土土層易產生坍塌、流沙、管涌現象，對頂管施工有較大影響；⑥3粉質黏土夾粉性土土層層位起伏大，呈軟塑-可塑狀態，工程性質一般。綜上所述，本工程地質條件較復雜。

3 焊接工藝研究

依托工程為輸水壓力管道，管道運行壓力0.65 MPa，試驗壓力達1.10 MPa，對管道強度提出了很高要求。同時，本工程鋼頂管管徑較大，壁厚達到38～40 mm，焊接周長達12.8 m，焊接難度大。考慮到管道敷設長度較長，因此焊接工藝的效率對工期影響顯著，必須通過焊接試驗確定焊接參數，確保施工質量及工藝效率。

3.1 焊接試驗研究

本工程擬采用CO2氣體保護焊焊接，焊絲牌號為ER50-6，規格為φ1.2 mm。

1）坡口形式確定：研究和對比各種焊接方法和坡口形式后，確定采用單邊V形管道坡口進行焊接。

2）焊接效果評定：試驗后需要經過無損探傷，檢測結果須符合要求，焊接工藝評定按照GB 50683—2011《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》標準執行。評定內容包括化學成分分析、力學性能等檢驗。

經試驗，所得焊接參數均符合實際工程要求，故按照焊接試驗指導工程實踐，具體參數由試驗確定。

3.2 焊接施工操作研究

3.2.1 冷裂紋控制研究

長沙市共六區二縣一市，分別為芙蓉區、天心區、岳麓區、開福區、雨花區、望城區、長沙縣、寧鄉縣及瀏陽市，行政面積、人口分布等社會經濟資料來自湖南省統信息網站。

焊前預熱是焊接中防止含碳鋼材產生冷裂紋的主要手段。根據有關資料結合實際鋼材屬性，確定焊接預熱溫度為180 ℃。預熱方法采用微機溫控電加熱，預熱區域為坡口兩側至少100 mm范圍。焊接時應同時對稱施焊。

3.2.2 CO2氣體保護焊操作技術研究

1）焊前清理與裝配定位：CO2半自動焊在焊前應對焊件、焊絲表面的油、銹、水及污物進行仔細清理。定位焊直接采用CO2半自動焊進行，定位焊的長度和間距要根據板厚和焊件結構形式而定。一般定位焊縫長度為30～250 mm，間距以100～300 mm為宜。

2）引弧與熄弧：在CO2半自動焊中，常用直接短路接觸法引弧，引弧時要把焊絲長度調整好，焊絲與焊件保持2～3 mm的距離。如果焊絲端部有球狀頭，應當剪掉。為了消除未焊透、氣孔等引弧的缺陷，對接焊縫應采用引弧板，或在距焊縫端部2～4 mm處引弧，然后再緩慢地將電弧引向焊縫起始端，待焊縫金屬熔合后，再以正常焊接速度前進。焊縫結尾熄弧時應填滿弧坑。在熄弧時要在弧坑處停留片刻，然后緩慢抬起焊槍，在熔池凝固前仍要繼續送氣。

3）左焊法和右焊法：CO2半自動焊根據焊絲的運動方向分為左焊法和右焊法。左焊法電弧對焊件有預熱作用，熔深大，焊縫成形較美觀，能清楚地掌握焊道方向，不易焊偏，一般CO2氣體焊都采用左焊法。采用右焊法時，氣體對熔池的保護效果好，電弧的吹力作用可將熔池的熔化金屬推向后方，使焊縫成形飽滿，但焊道方向不易掌控。

3.3 超大口徑鋼頂管焊接施工

3.3.1 拼裝

1）在預拼裝管口內壁處均布焊接6～8塊拼裝導向板，借助頂管后座油缸頂力將鋼管推進，預留焊縫間隙3～5 mm。

2）在焊縫背面粘貼陶瓷襯墊，并點焊牢固，點焊間距一般為300～500 mm，管壁不平度應≤2 mm。

3）檢查合格后，粘貼陶瓷襯墊，進入下一道工序。

3.3.2 焊接

焊接施工時安排焊工每班4人，2內2外。檢查陶瓷襯墊粘貼牢固后，開始實施焊接，具體操作如下：

1）管外焊接：管外焊接應從3點、9點鐘方向向上爬坡焊接（圖2），一般需焊6層，層間焊渣用φ125 mm角向磨光機打磨清理。兩焊工焊縫接頭應層間相互交叉、錯開。

圖2 鋼管焊接區域示意

2）管內焊接：為了防止雜物落入焊縫，應從底部開始打底焊接，同時向兩邊延伸，在3點、9點鐘方向與管外焊接接頭處，必須采用碳弧氣刨逐層清根后，方可焊接。其他要求同管外焊接。

3）焊縫質量要求：焊縫不得有氣孔、夾渣、咬邊、弧坑等現象；焊縫外觀要寬窄均勻，中間凸出部位高度2～3 mm；焊縫背面陶瓷襯墊拆除后，檢查焊縫應均勻、成直線。

3.3.3 收尾

待所有焊接完成后，應拆除導向板，清理陶瓷襯墊，自檢、互檢焊縫外觀質量，磨除焊疤，最后申請質量檢測。若檢測不合格，則應現場返工，直至檢測合格。

3.3.4 對接焊質量檢驗

1）現場焊接外觀等級為二級，所完成的焊縫按照相關規范規定進行外觀檢查，焊縫和熱影響區表面不得有裂紋、氣孔、斷弧、弧坑和灰渣等缺陷。

2）焊縫余高、咬邊、相鄰管節錯位等偏差應滿足規范要求，不允許出現未焊滿和未焊透現象。

3）無損檢測要求：外觀質量檢測合格后，在重要焊縫附近打上焊工代號，再全數進行超聲波檢測。超聲波檢測由有資質的第三方根據GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測超聲監測技術、檢測等級和評定》中Ⅱ級標準進行，并且進行5%的X光檢測。

4 超大口徑鋼頂管微擾動施工技術研究

4.1 超大口徑鋼頂管擾動作用影響要素分析

1）開挖面穩定：在頂管施工過程中，作用于機頭正前方開挖面的支護壓力是影響開挖面穩定性與開挖面前方土體擾動的主要因素。開挖面支護壓力的大小理論上必須介于開挖面所在處主動土壓力與被動土壓力之間，否則容易出現土層塌陷或隆起現象。

2）泥漿套控制：在頂管施工過程中，由于機頭與管片外徑差異，難免會在頂管與開挖后的土體之間形成空隙，如果空隙不能得到良好的填充，周圍的土體會向頂管外壁塌落，對周圍土體產生較大的擾動作用。

3）姿態偏差及調整：當頂管施工過程中存在曲線頂進或者頂進過程中需要進行糾偏時，頂管的姿態控制將極為重要。姿態偏差會對土層產生不同程度的擠壓擾動，從而引起地表變形。

4.2 超大口徑鋼頂管掘進機選型

在頂管掘進中，開挖面的穩定控制至關重要。依托工程穿越魚塘、橋梁、燃氣管線等重要部位，對周邊環境及地表沉降控制要求高，因此要求頂管設備在頂進過程中能精確控制開挖面的平衡。

考慮到工程土層特點，在超大口徑管道頂進時，同一斷面所切削的土體面積更大，因此采用耐磨性和耐沖擊性優越的材質作為先行刀盤。同時考慮地層對刀盤的摩擦力較大，在刀盤外圈易磨損部位堆焊了大量的網狀耐磨硬質合金。刀盤驅動采用變頻調速形式，驅動功率配置設計有較大富余，可以更好地穩定開挖面的水土壓力。在工程背景中，當穿越⑥1黏性硬土層時，針對土體包鉆引起扭矩增大的問題，在刀盤上設置了超前高壓噴水裝置，可有效起到破碎土體、降低扭矩、潤滑刀盤、防止土體包鉆等作用，保證頂管穩定地掘進。

4.3 超大口徑鋼頂管微擾動泥漿施工

經分析，超大口徑鋼頂管頂進施工時，對管兩側及管上方均有較大的擾動，會對周邊環境產生影響，尤其是對管兩側產生的擾動更大。因此需要根據實測分析，在該范圍內及時采用注漿工藝形成有效的泥漿環套，以減少土體的擾動。根據受力分析，管道兩側土壓、孔壓變化較大，因此對于管兩側的措施應加強。補漿孔環形布置（圖3），每環6個壓漿孔，間隔60°布置，每側3個壓漿孔對兩側均有壓漿效果，能夠及時有效地進行注漿，避免產生擾動。

4.4 超大口徑鋼頂管穿越控制技術

在管道穿越重要構筑物時，采用預加固措施，對重要構筑物、管線進行保護。

1）合理使用泥水平衡控制工藝，設定與環境地層調節相匹配的泥水壓值等關鍵參數，控制頂進速度，利用頂管智能出土調節系統，使泥水壓能自動平衡調節，保證頂管在穿越敏感區域過程中開挖面的穩定。

圖3 超大口徑鋼頂管壓漿孔布置示意

2）做好同步注漿工序，確保形成完整有效的泥漿環套，起到支持和潤滑作用，從而有效地控制地面沉降，減少對建（構）筑物的影響。

3）提高測量精度，減小糾偏角度。

4）對于穿越特殊敏感區域的預埋注漿管，穿越過程中建（構）筑物及管線若發生較大沉降，首先應進行跟蹤注漿，通過監測數據指導注漿頻率及注漿量，直至穿越后沉降控制穩定。漿液可根據情況采用水泥漿或雙液混合漿液。當注漿控制沉降效果不良時，可采用高壓旋噴、隔離樁等其他加固措施。

5 結語

依托黃浦江水源地連通管工程，對超大口徑鋼頂管焊接技術及微擾動施工關鍵技術進行了闡述。通過焊接試驗，驗證了參數的可行性，以此指導焊接施工，有效地保證了焊接質量。同時結合超大口徑鋼頂管擾動機理分析，研發了超大口徑鋼頂管掘進工藝、泥漿工藝以及穿越控制工藝，形成了一套系統的微擾動施工技術，保證了工程的順利實施并大幅降低對周邊環境的擾動，社會與經濟效益顯著。