淺覆土曲線(xiàn)頂管軸線(xiàn)控制關(guān)鍵技術(shù)研究

孔 雷

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433）

0 引 言

淺覆土曲線(xiàn)頂管施工是在兩種特殊條件下的頂管施工技術(shù)，任何一項(xiàng)因素都會(huì)導(dǎo)致一定的施工難度。而同時(shí)具備淺層覆土及短距離曲線(xiàn)環(huán)境下的頂管掘進(jìn)施工，其難度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通條件下的頂管工程。曲線(xiàn)頂管在施工過(guò)程中對(duì)于機(jī)頭位置的確定至關(guān)重要，并且淺覆土層對(duì)軸線(xiàn)控制的影響較大，例如上層覆土深度過(guò)小，容易導(dǎo)致管道上浮、局部管道軸線(xiàn)偏移等多種質(zhì)量事故。

近幾年來(lái)，業(yè)內(nèi)學(xué)者針對(duì)“淺覆土曲線(xiàn)”頂管有著諸多研究。在“淺覆土”頂管工程方面，顧文剛[1]以上海市中心繁華地段某一排水頂管工程為例，介紹淺覆土頂管對(duì)于控制周邊環(huán)境地層沉降的各項(xiàng)措施。工程結(jié)果表明，采用三段式頂進(jìn)方法，并使用雙液注漿法加固施工周?chē)馏w，能夠有效控制周?chē)貙映两怠＠铐慬2]以鄭州市污水處理廠工程為例，闡述了大管徑淺覆土的頂管施工各項(xiàng)問(wèn)題，包括頂管軸線(xiàn)控制，周?chē)乇沓两狄约案黜?xiàng)防控措施。

在“曲線(xiàn)”頂管方面，張鵬等[3]通過(guò)分析拱北隧道管幕工程曲線(xiàn)頂管現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出曲線(xiàn)頂管地表沉降槽的偏移曲線(xiàn)，在現(xiàn)有的Peck和Loganathan地表沉降公式基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，得出更符合工程實(shí)際的預(yù)測(cè)計(jì)算公式。談立昕等[4]以港珠澳大橋珠海連接線(xiàn)拱北隧道工程口岸為依托，采用兩種不同的計(jì)算方式對(duì)頂力進(jìn)行估算，并與實(shí)際頂力進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，經(jīng)驗(yàn)公式中的摩阻力計(jì)算在埋深較大時(shí)比較符合實(shí)際情況,在淺層的淤泥質(zhì)地層中則偏大。保軍強(qiáng)等[5]利用有限元分析的方法對(duì)大直徑矩形頂管的頂進(jìn)過(guò)程中周?chē)馏w的擾動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)出周?chē)馏w在頂管施工的影響下產(chǎn)生的應(yīng)力和位移的規(guī)律。陳思甜等[6]以杭州半山超淺層曲線(xiàn)頂管工程為基礎(chǔ)，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，用以進(jìn)一步探求超淺層小半徑曲線(xiàn)頂管在不同頂推速度下的地面變形規(guī)律，并提出頂進(jìn)速度建議值。

本文主要分析兩種條件對(duì)頂管施工的綜合影響，以及如何通過(guò)施工進(jìn)行過(guò)程控制，克服超淺層覆土和短距離兩大不利因素，為后續(xù)類(lèi)似工程提供切實(shí)的參考依據(jù)。

1 頂進(jìn)環(huán)境分析

1.1 淺層覆土

頂管施工頂進(jìn)過(guò)程中，管道外壁結(jié)構(gòu)主要與土層發(fā)生相互作用。考慮到綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等因素，管道對(duì)管頂覆土有一定的要求，通常頂管施工要求管頂覆土H≥1.5D。而管頂覆土≤1.5D條件下屬于淺層覆土施工，淺層覆土環(huán)境不利于頂管的正常施工。由于覆土不足，機(jī)頭前部刀盤(pán)與土體不易建立起平衡，土層自重應(yīng)力不足，上層覆土不足以平衡下部應(yīng)力，機(jī)頭容易上浮，機(jī)頭前部土體容易產(chǎn)生沉降；同時(shí)土層無(wú)法為曲線(xiàn)頂管提供足夠的糾偏反力，糾偏力在砂土環(huán)境下產(chǎn)生偏散，進(jìn)入切點(diǎn)，切出切點(diǎn)軸線(xiàn)施加效應(yīng)緩慢，不利于短距離條件下的頂進(jìn)施工。本案（鄭州新區(qū)污水干管WB3～WB2頂管區(qū)間）所依托工程覆土厚度1.8～2.0 m，管道外徑D=3.78 m，H=（0.47～0.52）D，為超淺層覆土環(huán)境（如圖1所示）。

圖1 淺層覆土管道厚度

曲線(xiàn)頂管在由直線(xiàn)進(jìn)入曲線(xiàn)過(guò)程中，機(jī)頭部位需施加單向力，單向糾偏力施加于管道，通過(guò)力的傳遞于土層，土層為糾偏提供反向作用力，保證管道沿曲線(xiàn)方向頂進(jìn)。超淺層覆土環(huán)境下，土的自重應(yīng)力σc不足，土層無(wú)法為糾偏提供及時(shí)有效的反力，力在砂性土中產(chǎn)生暫時(shí)性擴(kuò)散，施加糾偏力一側(cè)土層呈曲線(xiàn)弧度發(fā)生變化，容易產(chǎn)生土層擾動(dòng)，如圖2所示；由于砂性土的特征，土層經(jīng)過(guò)壓縮后，在后續(xù)施工中將慢慢為曲線(xiàn)段建立起反力支持，但由于工作井至接收井距離過(guò)短，曲線(xiàn)段沒(méi)有足夠的距離緩慢建立起趨勢(shì)，解決辦法之一為地面加載，使糾偏動(dòng)作得到有效的反力支持，迅速按設(shè)計(jì)軸線(xiàn)建立趨勢(shì)；解決辦法之二為提前進(jìn)入曲線(xiàn)段，為緩和曲線(xiàn)預(yù)留足夠的距離。

圖2 曲線(xiàn)管道受力情況

1.2 短距離曲線(xiàn)頂管

曲線(xiàn)頂管依靠調(diào)整機(jī)頭角度在地層中走出一條緩和曲線(xiàn)，以達(dá)到規(guī)避障礙物的目的。曲線(xiàn)頂管存在著諸多限制條件及不利因素，由于采用鋼筋混凝土管道，接口形式為柔性接口，考慮管道材料的受力性能，管材的控制允許轉(zhuǎn)角、鋼套環(huán)的承受能力、相鄰管道接口之間的允許最大縫隙都對(duì)管道的質(zhì)量產(chǎn)生著重大影響；管道里程越長(zhǎng)，曲率半徑越大，曲線(xiàn)越緩和，轉(zhuǎn)角越小，管道受力越均勻，鋼套環(huán)受力越小，管道接口縫隙控制在允許范圍以?xún)?nèi)；曲率半徑過(guò)小，管道各部位受力過(guò)大，管道縫隙偏大，造成管道事故，曲線(xiàn)頂管頂進(jìn)失敗。

本次頂進(jìn)距離243 m，管道外徑3.78 m，單節(jié)管道長(zhǎng)度2 m，曲線(xiàn)頂管在軸線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮最小曲率半徑，按以下公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：α為曲線(xiàn)頂管時(shí)相鄰管節(jié)之間接口的控制允許轉(zhuǎn)角，一般取管節(jié)接口最大允許轉(zhuǎn)角的1/2，F(xiàn)型承插口的管節(jié)宜小于0.3°，取0.3°；Rmin為最小曲率半徑，m；L為管節(jié)長(zhǎng)度，m；D0為管道外徑，m；△S為相鄰管節(jié)之間接口允許的最大間隙與最小間隙之差。

通過(guò)調(diào)整始發(fā)井位與接收井位洞口角度，該區(qū)間段可獲得791 m曲率半徑，滿(mǎn)足最小計(jì)算最小曲率半徑763 m要求。

2 難點(diǎn)分析

超淺層覆土短距離曲線(xiàn)頂進(jìn)施工面臨著諸多不利條件，在頂進(jìn)過(guò)程中需要克服的難點(diǎn)如下：

（1）測(cè)量是曲線(xiàn)頂管能否成功的關(guān)鍵，如何確保機(jī)頭精確地進(jìn)入接收井洞口是曲線(xiàn)頂管首先應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

（2）根據(jù)土層應(yīng)力分布規(guī)律，同時(shí)考慮到超淺層覆土的不利條件，機(jī)頭存在上浮的可能，頂進(jìn)過(guò)程中需隨時(shí)注意機(jī)頭高程姿態(tài)，防止機(jī)頭上飄。

（3）由于覆土太淺，地層將產(chǎn)生隆起及沉降，對(duì)于有地面沉降嚴(yán)格要求的地區(qū)，如何最大限度地控制沉降是需要解決的問(wèn)題。

（4）土層覆土過(guò)淺將導(dǎo)致減阻泥漿流失，不利于泥漿套的形成，頂進(jìn)阻力將增大，施工中需有科學(xué)合理的注漿方案,控制頂進(jìn)摩阻力。

（5）短距離曲線(xiàn)頂管的曲線(xiàn)在形成過(guò)程中，需要提供足夠的地層反力以盡快形成緩和曲線(xiàn)，力的施加效應(yīng)緩慢將增加軸線(xiàn)形成的難度，實(shí)際軸線(xiàn)無(wú)法按要求與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)重合，如圖3所示。

圖3 曲線(xiàn)頂管軸線(xiàn)控制

（6）曲線(xiàn)段對(duì)管材的性能提出了更高的要求，鋼套環(huán)在管節(jié)持續(xù)轉(zhuǎn)彎力的疊加效應(yīng)下，與主管材接合部位容易崩裂，發(fā)生管道裂縫質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)管道安全產(chǎn)生一定影響。

（7）管道縫隙過(guò)大，管道止水橡膠圈擠出，管道止水性受到影響，將對(duì)管道后期運(yùn)行及地面產(chǎn)生一定影響。

3 頂進(jìn)的軌跡控制技術(shù)

定點(diǎn)、放樣、測(cè)量技術(shù)是曲線(xiàn)頂管施工的關(guān)鍵，即施工準(zhǔn)備階段方案策劃：定軸線(xiàn)、定切點(diǎn)、計(jì)算圓曲率半徑、驗(yàn)算匹配管節(jié)允許轉(zhuǎn)角及管節(jié)縫隙；施工階段重點(diǎn)測(cè)量，保證機(jī)頭始終與設(shè)計(jì)曲線(xiàn)重合，直至進(jìn)入接收井。

曲線(xiàn)頂管軸線(xiàn)分為三個(gè)部分：出洞口直線(xiàn)段、曲線(xiàn)段、進(jìn)洞前直線(xiàn)段。機(jī)頭出洞后沿直線(xiàn)段直線(xiàn)頂進(jìn)，進(jìn)入切入點(diǎn)后機(jī)頭一側(cè)施加偏轉(zhuǎn)力，機(jī)頭逐步形成曲線(xiàn)，后續(xù)管節(jié)跟隨機(jī)頭一節(jié)一節(jié)形成曲線(xiàn)管道，機(jī)頭接近切出點(diǎn)后，反向施加作用力，機(jī)頭進(jìn)入進(jìn)洞前直線(xiàn)段，管道沿直線(xiàn)段頂進(jìn)直至進(jìn)入接收井。施工前先通過(guò)放樣放出第一切點(diǎn)及第二切點(diǎn)，計(jì)算出圓曲線(xiàn)曲率半徑，驗(yàn)算曲線(xiàn)管道是否可行，明確機(jī)頭何時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)向，在什么部位進(jìn)行轉(zhuǎn)向，何時(shí)施加反向作用力，使機(jī)頭由曲線(xiàn)段回到直線(xiàn)段。

由于淺層覆土土層不能及時(shí)有效地提供土層反力，進(jìn)入切點(diǎn)時(shí)糾偏油缸施加力時(shí)力在土層會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，機(jī)頭無(wú)法按照設(shè)計(jì)的時(shí)間進(jìn)入曲線(xiàn)，因此，頂管在進(jìn)入切入點(diǎn)前應(yīng)提前施加糾偏壓力，保證機(jī)頭按照預(yù)定坐標(biāo)進(jìn)入曲線(xiàn)。

管道在直線(xiàn)段時(shí)依靠激光點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，進(jìn)入曲線(xiàn)段后，由于管道呈弧線(xiàn)，因此此時(shí)改成人工測(cè)量，測(cè)量頻率為1次/根，及時(shí)將坐標(biāo)點(diǎn)輸入電腦，標(biāo)記出機(jī)頭所處位置，與設(shè)計(jì)圓曲線(xiàn)弧線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，判斷機(jī)頭的走勢(shì)及曲線(xiàn)趨勢(shì)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整糾偏角度及采取措施。每一根管節(jié)的偏差量都需精確測(cè)量后輸入電腦，通過(guò)前后對(duì)比，準(zhǔn)確判斷出下幾節(jié)管道的走勢(shì)，做出增加糾偏力或減小糾偏力的指令，同時(shí)防止管節(jié)縫隙過(guò)大，造成管道質(zhì)量事故。由此可見(jiàn)，測(cè)量的重點(diǎn)是掌握以下信息：機(jī)頭位置、機(jī)頭趨勢(shì)、管節(jié)縫隙。

4 增加土體強(qiáng)度及注漿減摩技術(shù)

砂性土滲透性高，漿液進(jìn)入土層后容易流失，無(wú)法形成有效的泥漿套，頂進(jìn)阻力增大。根據(jù)力的傳遞機(jī)理，在阻力增大的情況下，頂距越長(zhǎng)，管節(jié)越容易失穩(wěn)，圓曲線(xiàn)無(wú)法按照預(yù)先的趨勢(shì)形成，往往危及頂進(jìn)安全，特別是在超淺層覆土環(huán)境下，漿液流失情況更為嚴(yán)重。如何有效建立泥漿套，降低頂進(jìn)阻力，不僅關(guān)系著曲線(xiàn)管道能否成行、管道是否因力的偏移造成管節(jié)縫隙增大而造成管節(jié)質(zhì)量事故，還關(guān)系著地表是否發(fā)生沉降，頂進(jìn)設(shè)備的承載能力等諸多問(wèn)題。因此，注漿減摩技術(shù)是淺覆土曲線(xiàn)頂管施工的關(guān)鍵技術(shù)。圖4為頂管注漿技術(shù)示意圖。

圖4 頂管注漿技術(shù)

遇水后的砂土壓縮性低，承載力高，鄭州地區(qū)為黃泛區(qū)，表層及深層土壤全部為砂土，且地下水缺乏，因此，在頂進(jìn)前，在機(jī)頭部位及機(jī)頭管跟蹤高壓注水，使管道經(jīng)過(guò)區(qū)域土層富含水分，提高土體的強(qiáng)度，減少壓縮性，為管道糾偏提供支撐。

之后，根據(jù)土壓力平衡及地下水頭水壓力，合理確定注漿壓力及注漿量，洞口設(shè)雙道止水橡膠圈，施工中通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)注漿壓力及注漿量進(jìn)行調(diào)整，漿液的比例、添加劑應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配比。根據(jù)過(guò)程中頂力的大小，在現(xiàn)有漿液減阻效果不理想的情況下，改用注厚漿，選用優(yōu)質(zhì)黏土球。

普通漿液配比見(jiàn)表1。

表1 普通漿液配比

經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)配合比后的泥漿在砂性土層內(nèi)的保水性明顯增加，能有效地建立起在砂性、巖土顆粒地層中的減摩系統(tǒng)，頂力在地層未發(fā)生突變的情況下表現(xiàn)平穩(wěn)，未發(fā)生明顯波動(dòng)。

泥漿比重5%～7%，黏度35”～38”，CMS、高分子材料效果明顯。頂進(jìn)結(jié)果顯示，泥漿系統(tǒng)適合在砂性土、鈣質(zhì)巖土層內(nèi)頂進(jìn)。

漿液在超淺層覆土砂性土環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生流失，通過(guò)壓力與數(shù)量的互補(bǔ)，合理控制頂力、頂速，頂進(jìn)摩阻力能得到有效控制，初期摩阻力會(huì)隨著頂進(jìn)距離的增加有所降低，后期阻力逐步減小。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最小摩阻力可達(dá)0.43 kN/m3。

5 地面沉降控制技術(shù)

超淺層覆土環(huán)境下地層必然產(chǎn)生擾動(dòng)，所要解決的問(wèn)題是如何通過(guò)設(shè)計(jì)、施工來(lái)減小土層擾動(dòng)，從而降低地面沉降帶來(lái)的影響。在進(jìn)行裝備改進(jìn)時(shí)，為減小糾偏帶土，機(jī)頭的裝備應(yīng)性能可靠，以利于糾偏動(dòng)作的完成；在曲線(xiàn)設(shè)計(jì)階段，宜將曲線(xiàn)段設(shè)置在頂進(jìn)方向的末端，其起始直線(xiàn)段應(yīng)在條件允許的前提下盡可能長(zhǎng)，以減小曲線(xiàn)管節(jié)對(duì)土層的擾動(dòng)；在施工階段，應(yīng)建立地面沉降監(jiān)測(cè)機(jī)制，隨時(shí)對(duì)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)注漿的控制，通過(guò)監(jiān)控技術(shù)數(shù)據(jù)反饋，及時(shí)對(duì)頂進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化施工參數(shù)，減小地面沉降的發(fā)生。

6 結(jié) 語(yǔ)

淺層覆土曲線(xiàn)頂管匯聚了頂管施工中的多種不利條件，其施工本身存在著一定的技術(shù)難度，對(duì)施工方技術(shù)及管理能力有較高要求。在環(huán)境日益復(fù)雜的城市化發(fā)展建設(shè)中，也必然存在著一定的應(yīng)用空間。在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，需要克服砂性土土層自重應(yīng)力不足所帶來(lái)的軸線(xiàn)控制及注漿減摩問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量來(lái)把控頂管軸線(xiàn)變化趨勢(shì)，保證曲線(xiàn)沿預(yù)設(shè)軌跡行進(jìn)，精確進(jìn)入接收井洞口內(nèi)，同時(shí)確保地面及構(gòu)筑物的安全。本文詳細(xì)介紹了針對(duì)淺覆土曲線(xiàn)頂管的各項(xiàng)防控措施，可為后續(xù)相似工程提供切實(shí)的依據(jù)和參考。