超大斷面矩形頂管的施工及管理要點

嚴 妍

（上海市寶山區政府重大工程建設項目管理中心，上海 201999）

0 引言

頂管施工技術可以有效地減少對交通、周圍環境的干擾，具有施工周期短、綜合成本低以及施工安全等特點。該文以上海市寶山區陸翔路-祁連山路貫通工程Ⅱ標段為例，對超大斷面矩形頂管的施工管理要點進行探討。

1 工程概況

上海市陸翔路-祁連山路貫通工程（Ⅱ標段）位于上海市寶山區顧村鎮、大場鎮，呈南北走向，全長約1.1 km，該工程內容主要包括道路工程、橋梁工程以及地道工程等，其中地道工程段需要穿越顧村公園區域及現狀S20 外環高速線，為減少對公園環境及道路交通的影響，該工程采用頂管法與淺埋暗挖法共同施工，其中采用頂管法施工的地道段長度為445 m。頂管段施工選用9.90 m×8.15 m 的土壓平衡矩形頂管機，單條頂管一次頂進長度為445 m，共有2 條平行頂管，間距約10 m。

2 技術原理

頂管施工前先在預施工管道兩端設置好工作井和接收井，由工作井內驅動系統中的液壓千斤頂進行推進，頂管機頭后方布置有中繼間進行分級頂進與糾偏，使管沿著預定的路線到達接收井內設計好的位置上，最后完成管道的鋪設，頂進過程中切削下來的土體經由螺旋出土機與泥水轉換系統排出后處理。

該工程采用土壓平衡式頂管機，在頂進過程中，利用刀盤后泥土倉內的壓力和螺旋出土機排土來平衡開挖面的水土壓力，頂進時對頂進面的土體進行注漿改良，排出的土為含水量較多的泥漿。土壓平衡頂管施工方法在中、大口徑的管道施工中較為常見，能夠在覆土比較淺的狀態下正常工作，頂進時能保持開挖面的穩定，地面變形小，對于該工程的頂管施工尤為適用。

3 超大斷面矩形頂管風險與對策

3.1 頂管超大斷面、超長距離頂進

該工程頂管斷面尺寸為9.90 m×8.15 m，單條頂進距離為445 m，在全國名列前茅，在世界范圍內也屬于大斷面長距離頂管工程，缺乏可靠的理論指導和技術支持，施工風險與難度較大。為了保證頂管正常頂進和施工安全，該工程采取：1）在頂進過程中，采用自動壓漿系統（同時備有手動壓漿），保證漿液壓注充分，形成減摩泥漿套，降低總頂力。2）設置中繼間。3）匹配進尺及出土量，保證連續頂進。4）實時監控軸線及機頭姿態。

3.2 超淺覆土頂進

頂管段上覆土埋深普遍較淺，最淺位置不足4.0 m，主要位于粉質黏土、黏土層，刀盤擾動下地表沉降較敏感，需要保護的構建筑物較多，頂管頂進較為困難，對于控制周圍環境的位移與沉降要求嚴格。1）土體改良，同時增加頂進段上方覆土厚度或進行堆載壓重。2）沿頂進方向布設監測點，重點保護區域加密監測點。3）嚴格控制頂進參數。4）匹配進尺及出土量，杜絕欠挖超挖。5）頂進中采用“稀漿”及“厚漿”相結合的方式。6）均勻壓漿，充實土體，做到先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿。7）頂進完成后，及時漿液置換，固結周邊土體減少后期沉降[1]。

3.3 下穿現狀外環高速

頂管頂面距離現狀S20 外環高速路面僅3.3 m～3.95 m，施工時要保證交通正常通行，對S20 的沉降控制，以及對道路兩側分布的雨水、給水、燃氣、電信等管線進行保護。該工程采取：①對S20 下方的基礎仔細摸排，對管線分布情況及其標高進行詳細確認；②穿越時加強監測，采用自動測量系統結合人工測量復核保證沉降傳遞的及時性和準確性；③在S20 外環高速和頂管段之間施工鋼管幕，以減小頂管施工對S20 的影響；④穿越前，設立試驗段、控制段，具體摸索、檢驗所設定參數的可靠性，優化確定頂管頂力、頂進速度、出土量、注漿量及注漿壓力等參數；⑤及時進行漿液固化，必要時進行二次補壓漿；⑥做好充足的應急預案，有備無患[2]。

4 施工管理要點

4.1 設備選型

針對該工程9.9 m×8.15 m 超大斷面的特點，以及地質條件、施工環境等，確定采用土壓平衡式6 刀盤矩形頂管機設計方案：1 只直徑4 700 mm 的刀盤和5 只直徑4 200 mm刀盤。通過最大限度地加大頂管機刀盤切削和攪拌的范圍，力求切削、攪拌面積最大化，以盡量減小地面沉降，同時大刀盤能夠平衡頂管機頂進時產生的偏轉扭矩，當頂管機受偏轉扭矩時，可以通過各個大刀盤的正轉或反轉來提供相反力矩，控制頂管機不會側向翻轉。

4.2 工作井設置

根據施工紅線與需要，將頂管始發工作井設置在交通運輸條件便利的頂管段北側，以便于頂管機頭及管節等材料的運輸，主要設施也布置在此側，包括泥漿池、拌漿間、管節材料堆場及一部120 t 的行車等[3]。

4.3 主頂力設定

4.3.1 正面土壓力設定

土壓平衡式頂管機是利用土壓力平衡開挖面土體，達到支護開挖面土體和控制地表沉降的目的，平衡土壓力的設定是頂進施工的關鍵。

土壓力采用Rankine 壓力理論進行計算：

式中：p上為管道頂部的側向土壓力；p下為管道下部的側向土壓力；K0為軟黏土的側向系數（參考《基坑開挖手冊》及該工程詳勘資料），取0.5；γ為土的容重，取加權平均值，取18.0 kN/m3；Z上為上覆土深度。

上述公式所得為理論計算值，只能作為不同覆土情況下的土壓力最初設定值，隨著頂進施工，土壓力值需根據實際頂進參數、地面沉降監測數據作相應的調整。

4.3.2 主頂力的設定

封閉式頂管機的頂力F0估算由頂管機前端的迎面阻力NF和注入觸變泥漿后的管壁外周摩阻力F組成，公式如下：

式中：F0為總頂力標準值，kN；D1為管道的外徑，m；fk為采用注漿工藝的摩阻系數，可通過實際試驗確定，一般取4 kN/m2～7 kN/m2；L為頂進長度，m；NF為頂管機的迎面阻力，kN。

根據理論計算得出，頂管迎面阻力平均值為12 278.21 kN；

周邊摩阻力值為101 549 kN，則平均總頂力

由上述計算可知，頂管理論計算最大頂力約為11 383 t。該工程后頂力系統頂進液壓千斤頂每根頂力為400 t，行程2 500 mm，共40 根，總頂進力為16 000 t，滿足頂進要求，頂力系統剖面圖如圖1 所示。

在正常頂進時，主頂力應隨著頂進距離的增加而緩慢增大。頂管機機頭出洞，在進入原狀土且正面土壓力沒有建立之前，要控制主頂力不能過大。

4.4 中繼間設置

該工程設置的中繼間有糾偏中繼間與頂進中繼間。糾偏中繼間緊靠后殼體，用于對頂管機的姿態進行糾偏及調整頂管機頂進方向；頂進中繼間是在頂管機頂進至一定里程后使用，其前后都是普通管節，通過將中繼間前的管節和頂管機一起向前頂進來達到分段接力頂進、減小摩阻力的作用[4]。

4.5 土體改良設置

該工程所處地層主要為粉質黏土及黏土復合地層，通過在粉質黏土層的頂進中，分別向刀盤面和土倉內注入膨潤土或泡沫；如果正面地下水過于豐富，就會增加對螺旋輸送機內注入的膨潤土；涌水較大時，注入高分子聚合物防止噴涌。土體改良可以優化正面平衡壓力，降低透水性，維持機器頂進或者停止期間的土倉壓力；減少土體的壓力變化；對于多孔性土質，防止地下水侵入過多；減少因為磨損、堵塞、黏附而對頂進工作產生的影響，降低刀盤扭矩，提高頂進速度。另外，機頭切削下來的土體也具有更好的流塑性和稠度。

圖1 后頂進系統剖面示意圖

4.6 注漿設置

4.6.1 漿液配置

在頂進施工中，通過從管節內部的注漿孔向外壓注減摩泥漿，減少土體與管節間摩阻力，使管節四周形成一圈泥漿套，一定程度充實受擾動土體。要求施工時泥漿不失水，不沉淀，不固結，作為頂管施工用的膨潤土選用鈉基膨潤土，由其拌制成的漿液，觸變以后的流動性和靜止下來的膠凝性、固化性都比鈣基膨潤土拌制的漿液要好，對土層的支承和潤滑效果好，同時針對上述特點，頂管施工中采用厚漿和稀漿相結合的注入方式：厚漿起支撐作用，稀漿起潤滑作用。

減摩泥漿（稀漿）配比（按公斤每立方米計）見表1。

表1 減摩泥漿配比

厚漿初步配比為復合膨潤土∶水=1 ∶1，塌落度為14～16。實際施工時，根據現場土層情況，試驗后確定配比。

4.6.2 注漿設置

4.6.2.1 稀漿

采用自動注漿系統+手動控制相結合的注漿方式。自動注漿系統分為2 個獨立的子系統：一路為了改良土體的流塑性，對機頭正前方及土倉內的土體進行注漿；另一路則是為了形成減摩泥漿套，而對管節外進行注漿。機頭環及前5節管節每側各設置一套自動控制壓漿系統，后續管節則采用補漿措施，漿液由地面上的儲漿箱直接注入管節相應注漿孔內。

4.6.2.2 厚漿

厚漿壓注采用單點控制，單邊分別由13.333 cm 總管接入，由手動球閥控制。

4.6.3 漿液置換

頂管施工完成，將頂管機頭吊出接收井后，立即用預加工鋼板將特殊管節上預留的鋼環與洞門鋼洞圈進行焊接，采用最新的漿液固化技術，替代傳統的漿液置換。注入新型可硬性漿液，與管節外壁的觸壁泥漿融合，實現漿液固化，從而提高通道整體性及穩定性。

4.7 連續出土設置

提高連續頂進效率，該工程采用泥水轉換系統出土，該系統可以實現連續出土，減小頂進間歇時間，能有效降低頂進阻力。頂管機內布置兩臺螺旋機，每臺螺旋機后方配備泥水攪拌器，將螺旋機排出來的土與注入的水進行攪拌混合成泥漿，再用泵抽出排入泥漿池[5]。

5 施工監測與控制措施

5.1 頂管監測與糾偏

5.1.1 頂管監測

采用自動導向系統和人工復核兩種方法進行監測，自動導向系統在頂進過程中實時更新頂管姿態精確指導頂進，而人工復核是用傳統的前后標的方式測得頂管姿態對自動導線系統的進行檢核，保證自動導線系統姿態的準確性。

5.1.2 頂管糾偏

頂管施工姿態控制原則為監測指導糾偏，勤糾勤測，微糾勤糾，始終將姿態控制在高精度狀態下。頂管頂進過程糾偏措施有：1）注土糾偏。管節和機頭預留注土孔中注入塑性土，利用反作用力達到糾偏，調整姿態。2）掏土糾偏。底部注漿孔位置采用高壓水沖法取土，必要時配合注土糾偏，達到糾偏。如圖2 所示。3）壓重糾偏。根據頂管頂進過程中，管節旋轉或上浮情況，采取管節內分級壓配重措施，緩解管節偏轉或上浮。分級壓配重時，每次壓配重10 t，然后根據頂進中監測情況再決定配重增減。4）中繼間糾偏。利用放置于頂管機頭后方的糾偏中繼間，控制各區域糾偏油缸的伸縮量，調整前后部分間的夾角，因前半部與頂管機后殼體相固定，從而達到對頂管機姿態糾偏的目的。

圖2 注土掏土旋轉糾偏示意圖

5.2 周邊環境監測與保護

監測范圍一般取頂管深度0～2 h 的地下管線、建筑物等。監測的主要內容及項目4 個部分：1）地表位移沉降監測。2）始發井、接收井圍護體系監測。3）建（構）筑物、路面位移沉降與管線監測。4）巡視監測。

在頂管穿越過程中派專人負責監測信息的即時收集、整理和分析，及時發現問題并采取相應措施保證安全。

6 結語

頂管工程結構形式日益多樣化，斷面尺寸與頂進長度不斷增加，未來將出現更多超大斷面長距離異型頂管，施工要求也會隨之提升。該文對超大斷面矩形頂管施工過程中的管理要點進行探討，為以后大斷面長距離的頂管施工提供參考。