城市管廊工程頂管施工技術研究

陳朝文（上海建工集團股份有限公司， 上海 200023）

1 工程背景

1.1 工程概況

某科技智慧城綜合管廊二標段項目位于上海市普陀區，沿敦煌路、景泰路和永登路敷設，全長 2.29 km。本工程在景泰路段為單艙管廊，在與永登路的交叉口位置需下穿 3.5 kV 變電站，考慮到頂管施工法在一定的條件下具有優越的技術經濟性能[1]，該段采用頂管施工方案。

頂管直線頂進長度為 165.50 m，內徑為 3.50 m，壁厚為 0.32 m。選用Φ4 160 mm 泥水平衡頂管掘進機，自北向南頂進，北側為工作井，南側為接收井。頂管覆土厚度為8.6～9.6 m，頂管頂進區間主要穿越 ④1淤泥質黏土層。

1.2 地質情況

本工程地質情況如表 1 所示。地下水屬潛水類型，其補給來源主要為大氣降水和地表徑流。勘探實測鉆孔穩定地下水位埋深為 0～1.80 m。工作井與接收井位置無承壓水層，基坑無突涌風險。

表1 工程地質情況

1.3 工作井和接收井概況

工作井和接收井長 8 m，寬 10 m，采用地下連續墻，墻厚 800 mm，內襯墻墻厚 400 mm，混凝土設計強度為C 35，抗滲設計等級為 P 10。墻縫外側采用Φ2 200 mm的 MJS 工法（全方位高壓噴射法）進行止水補強，樁長 24 m，水泥摻量 40%，28 d 無側限抗壓強度 ≥ 1.2 MPa。基坑共設 4 道水平支撐，其中第 1、2 道為鋼筋混凝土支撐，第 3、4 道為鋼支撐。

坑內采用Φ800 mm @ 600 mm 高壓旋噴樁滿堂加固，加固范圍為坑底以下 4 m，三重管工藝，水泥摻量25%，28 d 無側限抗壓強度 ≥ 1.0 MPa。頂管洞口采用高壓旋噴樁加固，共 7 排Φ800 mm @ 600 mm 高壓旋噴樁。其中，涉及 2 處墻縫各 4 根旋噴樁加長至 24 m，其余加固范圍為洞口及上 4 m、下 5 m，總長 13.5 m，三重管工藝，水泥摻量 25%，28 d 無側限抗壓強度 ≥ 1.0 MPa。

工作井和接收井圍護采用現澆地下連續墻，基坑開挖區域坑底以下均采用高壓旋噴樁作滿堂坑內加固、封底。

1.4 周邊構筑物沉降要求

與路政部門溝通，頂管橫穿永登路道路，需保證路面允許變形量控制在 20 mm。

在開工前，項目部與各大管線單位明確施工范圍內管線搬遷和保護措施，頂管施工過程中加強影響范圍內的管線監測工作。監測要求為單次變化 ≤ 2 mm，累計變化 ≤ 20 mm。

3.5 kV 變電站為筏板基礎、框架結構建筑。經項目部與電力單位溝通，變電站允許變形量控制在 20 mm。

1.5 沉降估算

本工程對變電站、路面和電力管線的施工沉降采用Peck 公式進行估算。Peck 在分析了大量地表沉降數據后，認為地表沉降是由地層損失引起的，由此假定地表沉降槽體積等于地層損失體積。估算公式如式（1）所示。

式中：Smax—計算深度處土層的最大沉降量，mm；

i—地面沉降槽寬度系數；

x—沉降曲線中心線至沉降計算點的水平距離，m；

Vs—每米的超挖量，按每米出土量的 2% 計，m2；

H—計算深度處土層與管頂之間最大覆土厚度，m；

φ—土層的內摩擦角（°）（頂管所處地層為淤泥質黏土，φ=12°）；

V0—管道每米的出土量， m2；

D—管道直徑， m。

在估算路面沉降時，H取 9.6 m。將相關量的取值代入式（1）得到計算結果為：

由此可知，路面最大沉降量滿足路政部門提出的沉降限值要求。

在估算電力管線沉降時，由于管線埋深 0.9 m，H取8.7 m，同理計算出，管線最大沉降量滿足電力公司提出的沉降限值要求。

在估算 3.5 kV 變電站沉降時，由于基礎埋深為 2.0 m，H取 7.6 m，同理計算出，變電站的最大沉降量超過了限值要求，需采取加固措施。

1.6 頂管頂力估算及中繼間設置

頂管總頂力F按式（2）計算。

其中：F0=π/4×d2×p設；f=f1πd

式中：F0—封閉式工具管迎面阻力，kN；

f—每延長米管外壁摩阻力，kN/m；

f1—單位面積管外壁摩阻力，本段頂管為直線頂管，摩阻力f1取 2.5 kN/m2；

L—管道長度，m，L取 165 m；

p設—設計土壓力，kPa，p設取 105 kPa；

d—管道外徑，m，d取 4.14 m；

由式（2）得到計算結果為：

根據頂力估算，總頂力需 6 693 kN，該頂力小于工作井的設計允許最大頂力 7 000 kN，因此該段頂管不需要設置中繼間。

2 施工流程

施工流程如圖 1 所示。

圖1 施工流程圖

3 主要施工技術

3.1 頂管機的就位

（1）頂管機的吊放。頂管機總重量為 65 t，選用徐工XCA350 型 350 t 汽車吊吊放及回收。根據現場工況，作業回轉半徑控制在 11 m，主臂長度控制在 25.3 m。

（2）頂管機調試以及頂進參數的設定。頂管機下井之前的調試工作由專業工程師負責，調試完畢后列出實際頂進時頂管機各部位的參數。參數如表 2 所示。

3.2 進出洞洞口的加固及鑿除

（1）洞口注漿加固。洞口加固采用 7 排Φ800 mm@600 mm 高壓旋噴樁加固，加固范圍為洞口上 4 m、下 5 m范圍，總長 13.5 m。加固采用三重管高壓旋噴工藝進行，水泥摻量 25%，28 d 無側限抗壓強度 ≥1.0 MPa。注漿采用雙液漿注漿工藝，水泥漿水玻璃體積比為 3∶1，水泥漿的水灰質量比為 0.7∶1，水泥等級采用 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。

（2）洞口鑿除。頂管進出洞口加固的土體達到設計所要求的強度，并且保證自立性和滲透性等技術指標符合要求后，方可進行洞口鑿除工作。首先，在洞門周圍打設 8 個深度為 100 cm 的孔洞，觀察是否出現滲漏狀況。洞口槽壁的混凝土采用粉碎性鑿除，分層進行。先鑿除外層，遵循“先下部，后上部”的原則，將鋼筋及預埋件徹底割除，以保證預留門洞的尺寸。洞門鑿除作業由 5 名有經驗的工人負責，嚴格按照施工方案中規定的洞門鑿除施工流程執行，確保施工的質量和效率。

3.3 頂管機出洞施工

（1）初始頂進。出洞前，要確保基座達到規定的抗偏壓強度，并安排專人對導軌順直度、標高、中心軸線偏位等進行檢查。最后，在基座軌道上涂抹減少推進阻力的潤滑油。將頂管機出洞后的 20 m 作為頂進試驗段，收集地表隆陷和地中位移等數據，并根據數據分析頂管在各種推進參數下的地層位移規律，以便及時調整施工參數。在機頭接觸正面土體后，應立即開啟切削系統。如開啟不及時，頂管機會對正面土體產生過度擠壓，造成地面隆起和刀盤損傷。出洞段頂進施工過程中，對頂管機姿態要“勤測量、微糾偏”，做好軸線控制。頂進速度宜緩慢，頂進速度 ≤ 0.5 cm/min。

為防止頂管機上飄、旋轉，在頂管機出洞時，要加強頂管機姿態測量。如果頂管機出現較大轉角，則采用刀盤正反轉的措施進行調整糾偏。刀盤切削土體時，可通過加水來降低機頭的正面壓力，防止其上飄。與此同時，加強對后背支撐的觀測，盡快完成后背支撐。

（2）止退措施。使管節能夠可靠地固定在千斤頂油缸收縮前的位置，便于在基座上焊接鋼板。在每個管節頂進完成后，焊接鋼板使管節固定于基座上，起到止退的作用。

（3）頂進操作及注意事項。施工期間，需保證管道內的動力和照明系統可靠。各種管線應分門別類，固定牢固。在工具管處應安裝足量的應急照明燈，保證管道內的施工人員能在斷電或停電等突發情況下順利撤出。頂進過程中，需嚴格控制頂進造成的地層擾動，密切關注頂進至不同土質和覆土厚度位置的實時監測數據變化，以及地面構筑物的監測數據變化，認真分析數據，調整各項頂進參數。

3.4 機頭跟進測量

（1）控制測量方法。在頂管內，頂進姿態測量控制系統由接收激光束的光靶傳感器和數據處理系統組成。該系統用來測量以激光導向點為參照的切削艙測量板的垂直和水平位移、激光入射水平角及切削艙仰角及滾動角。

（2）測量頻率。利用經緯儀將其調到與設計軸線完全一致的角度，在操縱臺上的顯示屏直接觀察機頭中心與設計軸線的偏離值。動中糾偏，使機頭的軌跡與設計軸線始終一致。 頂進 150 m 以后，由于隨著距離的增加，激光點越來越弱，加上管道內上部與下部的空氣密度不完全相同，激光發生折射會導致測量產生較大誤差。因此，頂進 150 m以后必須改為人工測量。正常情況下，每頂進 3 m 測量一次，如測量成果與設計軸線有偏差時，適當加大測量密度。頂進里程距離接收井 20 m 以內，測量頻率改為每頂進 1.5 m一次。

（3）精度控制。選擇在陰天或溫差不大的時候，進行地面導線與臨時水準控制點的測量；臨時水準點測量采用往返測量，閉合差控制在 ± 40 mm 以內；地面導線測量采用閉合導線測量，閉合差控制在 1/2 000 以內。

3.5 觸變泥漿減摩

注漿工藝順序如圖 2 所示。

圖2 注漿工藝順序

（1）注漿原則。要合理布置注漿孔，注漿后在管道外壁形成一層均勻的泥漿套。壓漿時遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”十二字方針，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

（2）注漿質量控制措施。保證潤滑泥漿在施工期間不固結、不失水、不沉淀；嚴格按壓漿工藝流程和操作規程施工；盡可能保持連續頂進施工，縮短中斷時間。

3.6 變電站沉降控制措施

為減少變電站建筑物的沉降，在頂管施工中，利用管內的注漿系統，對管外壁壓入填充物。填充物采用水泥粉煤灰漿液，漿液配比：水泥∶粉煤灰∶水=3∶7∶3。使用壓漿泵將漿液壓至頂管外壁，加固范圍為建筑物下方 60 m 內。每天注漿 1 次，每天注漿噸位為 10～15 t，以將頂管頂進過程中的土體流失逐步填充加固。注漿加固的同時配合進行沉降觀測，注漿施工在頂管貫通后持續 20 d，具體結合后期沉降變化情況確定何時停止注漿。

3.7 頂管機進洞施工

（1）接收排架。洞口鑿除之前，接收井內接收排架應安裝完成。由于泥水平衡機頭 2/3 的重量都處于機頭前端，為防止進洞時機頭前傾導致 1 號、2 號混凝土管脫節，在機頭前端進入洞口 50 cm 時，前方必須要有托架托住機頭。

（2）進洞口變形控制。頂管機前端靠近洞門時，為避免頂管機正面頂力過大而造成洞門變形，進而產生水土涌入井內的后果，在頂管機距離洞門約 3 m 時，立即打開預先設置在洞門上的 2 個應力釋放孔，以此釋放頂進引起的擠壓應力。

（3）軸線復測。在機頭切口到達接收井前 60 m 左右時，進行一次頂管軸線復測，以達到以下目的：測定頂管機的里程，計算出刀盤與洞門之間的距離，在刀具接近洞門時采取相應的措施；校核頂管機的姿態，以便及時調整。

4 沉降預防措施

（1）對管道頂進軸線的偏差，采用勤糾微調的方法進行糾偏，避免糾偏幅度過大造成土層擾動。

（2）地表沉降監控方法可采用地表觀測和深層雷達物探。監測數據每天進行更新和統計分析。沉降監測數據作為頂管機的重要糾偏依據，在實際施工中根據地面的沉降情況合理地調整坡度。

（3）加強對洞口注漿、初期注漿、二級注漿和工后注漿的管理。應確保注漿設備和管路具有良好的耐壓和密封性能。采用水硬性注漿材料，達到迅速控制地表沉降的目的。

5 結 語

經過實測，頂管穿越段的市政道路最大沉降量為 15.3 mm，電力管線最大沉降量為 16.9 mm，與采用 Peck 公式估算的結果接近。變電站的累計沉降量為 19.2 mm，采取的沉降控制措施取得了良好的效果。在頂進過程中，通過對開挖面的土壓力與出土量的控制、注漿壓力與注漿量的控制、軸線糾偏的控制、施工參數的控制，確保道路、管線、變電站的沉降量在允許范圍內。如發現沉降監控數據異常，應立即按施工應急預案進行處置，確保周邊構筑物和管線的正常運行。在施工過程中，通過加強施工管理，特別注意進出洞施工，保證施工質量。