大東湖核心區污水傳輸支隧工程頂管施工關鍵技術研究與應用

孫 慶，馮文強，王志云，朱曉冬，李永峰，楊圣虎

(1. 中建三局工程技術研究院，湖北 武漢 430000； 2. 武漢大學，湖北 武漢 430000； 3. 中建三局安裝工程有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

近年來，隨著城市建設的快速發展，對城市地下空間建設的需求和要求在不斷提高。為保證城市地面交通順暢，在盡量減少開挖的背景下，傳統地下管道和人行通道施工技術逐漸無法滿足工程建設的需求，取而代之的是非開挖技術，其中就包括頂管技術。目前長距離深埋頂管隧道施工技術在國內運用較少，在國外歐洲、日本、新加坡等城市有少量運用。

國內外關于掘進機刀盤的選型研究主要集中在盾構刀盤選型方面，而關于頂管機刀盤選型的研究相對較少，并且大多數都是結合具體的工程項目和地層條件進行的應用性研究。如李建斌等[1]認為進行刀盤設計時，分別考慮刀盤的結構形式、刀盤開口率、刀具的布置等因素對地質的適應性，對確保開挖面穩定、提高掘進速度具有重要參考價值； 陳曉武等[2]結合刀盤、刀具的工作原理,分析確定了泥水平衡式頂管施工工藝中頂管機的刀盤形式、刀具布置方式,并將其應用于石井河截污工程。

在頂進力計算方面： 馮凌溪等[3]對頂進力計算公式進行分類和對比，并結合工程實例對各公式的適用范圍進行探討，得出了未考慮土拱效應的公式計算結果大于考慮土拱效應的計算結果的結論； 王雙等[4]認為泥漿套的不同形態對注漿減阻的效果有較大影響，并根據不同的泥漿套形態，提出不同的摩阻力計算公式。

在頂管注漿減阻方面： 丁文其等[5]認為泥漿套在注入、泥膜形成以及整體發揮作用的過程中具備填充、支承、隔阻、潤滑等作用； 喻軍等[6]通過室內微觀分析了泥漿套的結構，認為頂進期間擾動會降低膨潤土泥漿的剪切力，即解釋了頂管泥漿的觸變性。

在長距離曲線頂管導向測控及姿態控制技術方面： 董建[7]認為現有的頂管導向測量大多是基于傳統的人工導線測量技術，且整個管道是動態的，管內無固定點，每次導向測量都要從工作井起始點開始，形成測量時間長，總的導向測量次數少，這些因素大大影響了工程的施工進度和貫通精度。

長距離深埋頂管隧道施工技術在國內運用較少，且以上學者的研究均是基于常規的頂管隧道施工項目或盾構項目，而對于超深長距離曲線雙管巖石頂管施工中的頂管機設計選型、注漿減阻、泥漿系統、長距離曲線頂管導向等頂管施工關鍵技術的研究較少。

本文針對頂管施工中頂進距離長、曲線半徑小、雙管凈間距小、地質復雜等施工難點，從泥水平衡式頂管機研發、超深長距離曲線雙管巖石頂管施工2個方面的關鍵技術進行針對性研究，并在施工過程中進行應用。

1 工程概況

1.1 項目簡介

大東湖核心區污水傳輸支隧工程主要是收集落步咀預處理站的來水后傳輸至主隧，本工程起于落步咀預處理站止于主隧4#匯流井，總長約1.7 km。隧道為并排雙管，每根管內徑為1 650 mm。工程收集落步咀預處理站來水后向南下穿團結大道，在三環線青化立交處接入主隧4#匯流井。支隧隧道采用頂管法施工，10#、11#施工豎井采用明挖法施工。

頂管隧道單線全長3 380.56 m，單頂頂進長度分別為763.39 m和927.46 m，共計4段。采用內徑為1 650 mm，壁厚為200 mm的F型鋼筒混凝土管。管節長度為2.5 m，雙管平行布置，凈間距為2.5 m。平面為曲線，曲率半徑為600 m和10 800 m，縱斷面坡度為0.5‰。

1.2 地質條件

1.2.1 工程地質條件

根據勘察結果，擬建隧道場址區無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質作用，特殊性巖土主要為人工填土、軟土、混合土、膨脹土、風化巖及擠壓破碎帶。

本工程管道埋深為20.62～33.28 m，全斷面穿越中風化含礫砂巖、泥巖，夾強風化和破碎巖層組成的復合地層。11#施工豎井至主隧4#匯流井地質斷面如圖1所示。

圖1 地質斷面圖

1.2.2 水文地質條件

根據勘察結果，場地下伏白堊—下第三系基巖節理、裂隙不發育，志留系基巖節理、裂隙較發育—發育，但多呈閉合狀，為泥質充填或泥質膠結。由于節理、裂隙的存在，致使裂隙水的分布具有一定的不均勻性，裂隙水多沿裂(縫)隙、節理面呈點狀、線狀滲出，水量一般較小，對擬建工程基坑及隧道施工影響小。

2 鋼筒鋼筋混凝土頂管管節介紹

本頂管工程為污水隧道，后期運營時需要承受較高的內水壓，且由于單次頂進距離長，穿越地層地質條件復雜等原因，設計的管節需要具有較高的強度和良好的防滲性能。頂管頂進曲線最小曲率半徑僅為600 m，管節偏轉角較大，因此管節設計時還需要考慮管節接頭處的不均勻受力以及密封防水性能。

1)選用預制的C50高強度鋼筒鋼筋混凝土管作為頂進管節，管節斷面可承載最大頂力為8 500 kN，外力破壞性試驗承壓2 300 kN。施工過程中通過采取減阻及增設中繼間的措施，管節的最大承受頂力約為3 000 kN，該設計管節滿足施工頂力要求。

2)選用的高強度抗滲預制鋼筒混凝土管節，內置3 mm厚鋼板制成的鋼筒，抗滲等級為P12，根據相關規范要求，滿足深覆土富含水復合地層頂管施工的抗滲要求。

3)管節接縫處采用雙道止水膠圈，外圍10 mm厚鋼套環，鋼套環加長以增強管節接縫處強度，管節間灌注聚氨酯密封膠嵌縫，管節拼接面采用膠合板，在小半徑曲線段，采用雙層膠合板(厚12 mm)，防止曲線頂進時張角過大而產生漏水漏漿現象。每節管接頭分別按120°布置3個DN25 mm減阻注漿孔和DN12.5 mm接頭封堵注環氧樹脂孔。管節接頭防水示意如圖2所示。

圖2 管節接頭防水示意圖

3 長距離大埋深曲線施工的泥水平衡式頂管機的研發及應用

3.1 頂管機主要技術參數

該項目頂管機依托大東湖深隧工程支線頂管掘進距離長、埋深大、直徑小、地層條件復雜等特點研制而成。頂管機主要技術參數見表1。

表1 頂管機主要技術參數

3.2 長距離大埋深曲線施工的泥水平衡式頂管機技術

泥水平衡式頂管機的地質適應廣泛，地表沉降少；施工總推力小，適宜于長距離頂管施工；泥水出土量連續，掘進速度快，安全性高；隧道區間以巖層為主。根據以上工況進行泥水平衡式頂管機的針對性研發。

1)刀盤采用混合型結構，刀盤上布置有重型單刃和雙刃盤型滾刀,以及鑲嵌優質硬質合金刀頭的單向主切割刀、邊緣刮刀，具有較高的強度、剛度、耐磨性和使用壽命。頂管機刀盤布置如圖3所示。

圖3 頂管機刀盤布置圖

2)刀盤驅動采用大功率變頻器進行調速控制，一是機器長距離頂進時，可有效提高刀盤的啟動性能，提高整機的可靠性；二是根據土質情況的變化，不僅可以實現刀盤恒轉矩輸出，還可以調整刀盤轉速，適應穿越巖石與強風化類軟土地層的變化和要求以及洞口加固區等復雜地質條件，并有利于實現地面沉降控制。

3)刀盤采用周邊支撐式結構，中心的通道空間比較方便人員進入，在長距離施工工程中便于更換磨損的滾刀。

4)頂管機設計二次破碎功能及高壓噴水孔，可以將巖石、卵石、礫石等有效破碎成20～30 mm的顆粒，以利于排渣泵及時排出。遇到含泥量較大地層時可及時將刀盤割下的黏土分離和破碎，順利通過排渣泵排出，有效提高頂管機在黏土地質條件下的適應性能。頂管機前盾布置如圖4所示。

圖4 頂管機前盾布置圖

5)頂管機配置有二級主動糾偏系統和防翻滾系統，可以有效控制頂管機的頂進姿態，同時底部設計了2個高壓水沖洗管道，可處理長距離巖層施工中的底部巖屑堆積問題。頂管機殼體布置如圖5所示。

圖5 頂管機殼體布置圖

6)采用遙控操作方式在地面進行系統控制，電控系統包括數據采集顯示系統，以及數據實時無線網絡傳輸系統?？商岣邫C器的操作性能以及長距離施工的適應性，同時提高項目管理層的遠距離監控和管理作用。并開發遠程監控系統及遠程監控手機APP，以便實時監控頂管機的運行狀態。開發遠程調試系統，技術人員可進行遠程調試，當設備出現問題時可在第一時間解決。

4 超深長距離曲線雙管巖石頂管施工技術研究

4.1 復合地層長距離曲線頂管施工注漿減阻技術

4.1.1 注漿形式

4.1.1.1 常規泥漿

配置優質泥漿一般通過濾失量、黏度、觸變性等參數的大小，確定泥漿的最優配方，并根據工況調整注漿量。注漿量將導致管段-泥漿-土體的相互作用狀態發生改變，進而改變泥漿套的形態[8]。

當注漿量增加，管節重力與漿套產生的浮力相等時，頂管可能完全處于懸浮狀態，此時管土之間的接觸狀態完全轉變為“固—液—固”狀態，此時管壁所受摩阻力大幅度減小，注漿減摩措施達到最佳效果[9]。

4.1.1.2 膏漿技術

膏狀漿液是指抗剪屈服強度大于20 Pa，塑性黏度較大的混合漿液，其基本特征是抗剪切屈服強度值大于其重力，其狀態類似牙膏。具有遇水不分散、抗水流沖釋能力強、流動性小等特性，在透水砂卵礫石層灌漿堵漏防滲效果好。

本項目地層較為復雜，多為中風化—強風化泥質粉砂巖，部分地層含泥量、含砂量較大，頂進距離長。因管道直徑較小注漿不便，對注漿帶來多種不利因素，在機頭前部同步注入膏漿有助于解決上述不利因素。

通過對比發現，膏漿技術在保水性、耐久性、支護性、成套性能方面均優于傳統的注漿工藝。雖然單次注漿成本高，但是注漿頻率遠小于常規的注漿工藝，總體成本相差不大。啟動頂力、摩阻力均比較小，且相對穩定。常規漿液/膏漿對比分析如表2所示。

表2 常規漿液/膏漿對比分析表

在JB06～JB05頂進過程中，注入常規觸變泥漿，正常頂進時啟動頂力和頂進頂力最大分別為19 000 kN和16 000 kN，頂力浮動較大。在JB06～JB07頂進過程中，通過更改注漿措施，正常頂進時啟動和頂進最大摩阻力分別為1.1 kN/m2和0.9 kN/m2。頂進過程中比較穩定。膏漿及常規注漿摩阻力對比如圖6所示。

圖6 膏漿及常規注漿摩阻力對比圖

4.1.2 注漿工藝參數選擇

4.1.2.1 注漿量

注漿量是保證觸變泥漿套完好性的重要指標之一[10]。本項目機頭設計刀盤外徑為2 120 mm，鋼管外徑為2 050 mm，單邊空隙為35 mm，管節長度為2.5 m。

理論注漿量=理論地層空隙×5，理論注漿量≈2.86 m3。

本案例頂管主要位于強風化—中風化泥質粉砂巖，漿液實際壓注量一般為理論注漿量的1.5～3倍，因此每頂進1節壓漿量為4.3～8.6 m3。

4.1.2.2 注漿壓力的控制

合適的注漿壓力應使觸變泥漿能順利地注入管節外壁，又不嚴重擾動地層。注漿壓力根據管道深度H和土的天然重度γ而定，經驗為(2～3)γH。本工程為雙管頂進，過大的注漿壓力將導致雙線竄漿，影響注漿效果[11]。

本工程注漿壓力為0.2～0.3 MPa，并在注漿管沿線布置壓力表，嚴密監視注漿壓力，保持注漿壓力穩定，避免出現過大或過小情況。當出現竄漿現象時，及時雙線同時注漿，以保證注漿效果。

4.1.3 分段注漿

該頂管工程單次頂進距離長，穿越地層地質條件復雜。針對觸變泥漿減摩技術存在的不足，采用高壓膏漿減阻配合常規觸變泥漿分段注漿對頂管進行減阻，即在機尾管及前100 m同步注入膏漿，其余后部管節注入常規觸變泥漿漿液補漿。在實際工程中，成功補充了原有技術的不足，取得了良好的應用效果。

同步注漿時在注漿孔后部焊接止漿條，注漿孔外側焊接導漿槽，使膏漿均勻向后部注入，并防止漿液向前進入土艙。同步注漿導流槽如圖7所示。

圖7 同步注漿導流槽

現場采用的優質觸變泥漿配比如表3所示，高濃度泥漿配比如表4所示。

表3 現場采用的優質觸變泥漿配比表

表4 現場采用的高濃度泥漿配比表

4.1.4 頂力及減阻效果分析

頂管機總推力

F=F1+F2。

式中：F1為頂進阻力；F2為迎面阻力。

頂進阻力

F1=πDlfk。

式中：D為管道外徑，2.05 m；l為管道長度，750 m；fk為管外壁與土單位面積平均摩阻力，3～5 kN/m2，計算時取5 kN/m2。

迎面阻力

式中：Dg為頂管機外徑，2.05 m；γg為土的重度,18.45 kN/m3；Hg為覆土層厚度,30 m[12]。

總推力F=F1+F2=24 139 kN+2 610 kN =26 749 kN。

中繼間是長距離和超長距離頂管施工的關鍵設置，它是分段克服摩阻力的一種施工技術，通過將管道分成數段，分段向前推頂，使主千斤頂的頂力分散，總頂力等于各分頂力之和，并使每段管道的頂力降低到允許頂力范圍內。

本項目第1個中繼間放置在機頭后50 m，后每150～200 m布置1個。中繼間可提供8 000 kN頂力，由16支油缸提供推力，油缸行程為300 mm。

根據計算可知，中繼間布置方式及中繼間頂力滿足使用要求。

根據項目實測頂力，采取了高壓膏漿減阻配合常規觸變泥漿分段注漿對頂管進行減阻，實際頂力僅為理論頂力的60%左右。在750 m的頂進區間內，在機頭后50 m處啟用1個中繼間。頂進長度與頂力關系如圖8所示。

圖8 頂進長度與頂力關系圖

4.2 長距離曲線頂管頂進測控及姿態控制技術

4.2.1 主要控制措施

1)自動導向測量系統。本工程采用全自動、高精度自動導向測量系統。由軟件實現依次驅動3～8臺全站儀進行數據采集、傳輸與處理。在工作井安置全站儀且設站定向。從井口依次向頂管機位置測量支導線，在靠近頂管機位置的點測量頂管機，計算頂管機位置偏差。

通過數據計算處理獲得頂管前端中心上測點的三維數據，并與設計數據比較得出上、下、左、右的偏差，軟件界面顯示頂管前端中心測點的三維偏差以及頂進過程中的偏差變化軌跡。自動測量傳輸系統如圖9所示。

圖9 自動測量傳輸系統

2)人工復測。為了保證姿態控制精度，采用自動導向控制系統結合人工復測程序，每50 m進行一次人工復測，采集的數據與導向控制系統數據進行復核，及時糾正系統誤差，防止偏差累積。

3)糾偏系統。根據自動導向測量系統及人工復測數據，發現頂進姿態與管道軸線推進位置、方向存在偏差，利用頂進糾偏系統及時進行糾偏。糾偏系統主要由糾偏千斤頂、油泵站、位移傳感器和傾斜儀等設備組成[13]。本項目采用2級糾偏系統，能夠很好地適應小轉彎半徑工況。

4.2.2 直線變曲線頂進姿態與測控技術

1)曲線段的管節拼接面采用雙層膠合板(厚12 mm)，防止曲線頂進時張角過大而產生漏水、漏漿現象。

2)在滾刀超挖范圍內(單邊35 mm)采用糾偏油缸進行曲線的調整，放慢頂進速度，勻速緩和地通過曲線段。

3)增加人工測量的頻率，及時糾正糾偏數據。

4.3 長距離超深曲線進排漿系統技術

4.3.1 進/排漿泵選用

本項目頂管管道直徑較小，隧道內無法放置大功率中繼排漿泵，在機頭后部及隧道中部放置2臺30 kW離心式中繼排漿泵，在井下放置75 kW離心式排漿泵。進水泵采用1臺 45 kW離心式渣漿泵。泥漿泵參數如表5所示。

表5 泥漿泵參數表

進/排漿管采用DN125 mm鍍鋅管，單根泥水管的長度應不小于 2 m ，否則接頭會增多，但也不要長于3 m[14]，本項目單根泥水管長度為3 m。

排漿泵總揚程為102 m，排漿泵總功率為135 kW。

井下75 kW排漿泵以及45 kW進水泵采用變頻控制，可以隨意調節進/排漿速度?？赏ㄟ^調節進水泵、排漿泵的轉速來調節排泥艙壓力，進行挖掘面上的泥水管理。排漿泵變頻器可設置較長的加速、減速時間，使排漿流量平緩變化，降低水錘效應。泥漿循環系統如圖10所示。

圖10 泥漿循環系統

本項目頂進過程中，可通過調節進/排漿泵轉速，較為便利且精確地調節排泥艙壓力，渣土可順利排出，未出現堵管現象。

4.3.2 泥水作業管理

在掘進時進行嚴格的泥水作業管理，針對不同的地層選用不同的進漿比重。在含砂量較大、含泥量較少、巖土較硬的地層時可采用濃度較大的進水；當遇到含砂量較大的地層時可減少進漿比重；在遇到擠壓破碎帶或挖掘面自穩性較差的地層時，可根據排泥艙保壓壓力調節進水泵、井下排泥泵轉速，使排泥艙保持一定壓力，保持掌子面穩定[15]。本項目頂管線路中會遇到擠壓破碎帶，該類巖體透水性相對較好，浸水后易軟化、崩解，施工中掌子面易發生坍塌，需要在挖掘面上進行嚴格的泥水管理。

進漿比重及排泥艙壓力根據進漿比重及排泥艙壓力表(見表6)進行調整。

表6 進漿比重及排泥艙壓力表

本項目采用嚴格的泥水管理，在復雜的地層中，克服較硬巖石、含泥量大、擠壓破碎帶等多種困難，使項目順利實施。

5 結論與討論

1)為該項目研制的泥水平衡式頂管機及智能化控制系統滿足長距離曲線頂管施工，并使設備操作及項目管理更為便捷。

2)采取高壓膏漿減阻配合常規觸變泥漿分段注漿對頂管進行減阻，實際頂力僅為理論頂力的60%左右。在750 m的頂進區間內，在機頭后50 m處啟用1個中繼間。

3)采用全自動、高精度自動導向測量系統，實時監測頂管機姿態，進行連續小角度、小范圍地糾偏，并在直線變曲線段，采取一系列針對性的措施，使頂管機能夠按照設定的設計軸線進行長距離及曲線掘進。

4)采用高效的泥水循環系統，并根據地層及時調整進漿比重，密切關注排泥艙壓力、出渣量等，克服復雜地層、小凈距雙管帶來的困難，使項目順利實施。

本項目地層中水量一般較小，對擬建工程基坑及隧道施工影響小，頂管機始發、接收均為常規方式，對深埋地層、高水頭情況下承壓水的影響還需要進一步研究。