軟土地質條件下超長距離鋼頂管關鍵技術★

鄒 峰

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200433)

隨著城市規模的急劇擴展，飲用水的規模也不斷擴大，城市輸水管網需要不斷的升級改善，以適應城市發展的要求。現如今城市大型引調水工程需要橫跨距離較長的江、河、湖、海兩岸，一般的短距離管道建設工藝已經不能滿足工程建設需求。頂管技術作為城市引調水管道主要建設手段，得到了廣泛應用，工藝成熟度逐漸提升。但面對單次頂進距離達2 000 m級以上的頂管工程，還需在江底軟弱地質條件下進行掘進，其施工難度凸顯，對原有技術提出了挑戰，亟待研發相應的關鍵技術以突破施工技術瓶頸。本文以平崗泵站—廣昌泵站輸水管工程35號井～36號井區間頂管施工為背景，從工程難特點出發，針對性研發適用于2 000 m級超長距離鋼頂管成套技術，為工程的順利實施提供技術支撐。

1 工程背景

平崗泵站—廣昌泵站輸水管工程35號井～36號井區間頂管為單線施工，頂管長度為2 329.6 m，如圖1所示，管外徑2 420 mm，壁厚24 mm，屬超長距離鋼頂管。頂管位于第③層淤泥質黏土，該土層土質較差，呈流塑狀,高壓縮性，高靈敏度，承載力特征值60 kPa。區間內將穿越瀝江兩岸的防汛大堤，覆土約22 m。

2 工程難點

1)工程管材口徑相對較大，頂進中糾偏及后續跟進管對土體擾動大，導致頂管容易產生沉降，特別是區間需穿越磨刀門河道兩岸的防汛大堤，對環境影響控制要求高。

2)頂管距離超長，且管線處于江底軟弱土層中地質情況復雜，未知風險頗多，頂管頂進過程中軸線控制的難度大，涉及頂管泥水平衡及走向控制、超長距離頂進對土體擾動控制等關鍵技術。

3)工程35號井～36號井區間頂管單次頂進距離2 329.6 m，屬超長距離頂管工程，隨著頂進距離的增長，工程安全風險加大，相應的配套工藝包括長距離管道通風、用電、進排泥等存在工藝升級的需求。

3 超長距離鋼頂管施工技術研究

3.1 超長距離鋼頂管江底穿越技術

1)頂管穿越防汛堤壩沉降分析。頂管掘進主要穿越磨刀門河道兩岸防汛大堤，對大堤的保護是施工的難點之一。因此，針對實際工況結合土層參數，采用PLXIS有限元模擬軟件進行數值分析，分析了管道穿越過程引起防汛大堤的沉降影響，如圖2，圖3所示。

頂管穿越堤壩過程中沉降趨勢如圖4所示，穿越過程前期沉降幅度較大，直至頂進至1倍埋深距離時趨于穩定達到28 mm，符合環境影響要求。

2)開挖面穩定控制技術。泥水艙壓力直接關系到外部土體的平衡狀態，因此泥水艙壓力的設定極為重要。開挖面的管理壓力考慮并設定地下水壓(孔隙水壓力)、土壓力及預備壓力。按照下述公式計算：

Pe=PA+Pw+ΔP。

其中，Pe為泥水倉內的壓力，kPa；PA為掘進機處土層的主動土壓力，kPa；Pw為掘進機處土層的水壓力，kPa；ΔP為土倉施加的預加壓力，kPa，一般情況下取20 kPa。

開挖面的管理壓力是對適當間距的開挖斷面的土質，計算管理上限值及下限值，考慮施工條件的同時，設定這一范圍內的管理值。上限值：Pmax=地下水壓力+靜止+壓力+預備壓力；下限值：Pmin=地下水壓力+(主動土壓力或松動土壓力)+預備壓力。結合實際土層通過計算得到，在施工中泥水倉壓力控制在200 kPa～220 kPa，停止時控制在200 kPa。

具體采用的控制措施：當泥水倉壓力值較小，可快速頂進時，需要同步提高排泥速度；當泥水倉壓力值超過設定值，后座頂力值上升較快，需將頂進速度放慢，同時提高排泥速度，將泥水倉清空，把壓力值調整至設定值以下，然后再將減緩排泥速度[1]。

3.2 超長距離鋼頂管軸線控制技術

軟土地質條件下2 000 m以上超長距離頂管軸線控制主要依靠工具頭頭部測量與糾偏的相互配合，在掘進過程中減少軸線測量偏差尤為重要。

運用頂管自動測量導向系統，合理布置中轉站進行接力測設，同時考慮在江底施工，溫差及水氣影響測量精度，采用硅油微壓差計測量系統，保證了精度與準度，實現實時高精度工具頭姿態控制測量，如圖5所示。

由于水底土層情況復雜，因勘察局限在實際施工中發生突遇間斷式土洞情況，沒有土體反作用力給予平衡，給軸線控制帶來了極大困難，超長距離頂管尤其如此。針對挑戰，施工首先通過原位測試方法，利用船只在工具頭頭部范圍至設計沿線前方按照一定距離逐點探測，了解土洞長度范圍后進行糾偏施工。過程控制先降低頂力，然后通過全階段測量，實時確定工具頭偏離位置，并反向旋轉刀盤，配合以緩慢頂推，逐步穿越土洞。在此過程中所施加的力或者糾偏幅度均要控制較小，較大的反作用力會導致工具頭發生較大幅度偏離。在工具頭穿過土洞進入前方土層時，后座頂力不能大幅度提高，此時工具頭處于游離狀態與約束狀態臨界，環向土層約束較小，應緩慢小幅提高，避免工具頭發生大的偏移。通過測量、頂力控制配合以小幅度有限糾偏，順利穿越多個間斷的土洞，效果顯著。

3.3 超長距離鋼頂管配套施工技術

1)超長距離鋼頂管通風。頂進距離超長，采用常規通風設備無法滿足管內通風要求，但通風直接影響管內工作人員的健康。采用多組通風保障系統：第一組采用大功率軸流風機，通過高壓風管送至頂管機頭部，保障頂管管道內空氣質量；同時在頂管機頭后設置一臺備用軸流風機作為接力通風設備備用；第二組呼吸空氣保障系統，系統采用壓縮空氣供應，地面采用空壓機通過6.67 cm鋼管送至工具頭部，并分出一路供通風，經頭部除濕、降噪過濾設備，以改善頭部的空氣質量。

2)超長距離鋼頂管用電。為保證超長距離頂管管內施工用電，避免產生嚴重的電壓降，影響管道內各種用電設備的正常使用，采用高壓電變電系統向管內供電。高壓用電則由常規箱式變電柜從380 V升壓至3.3 kV，引入井下高壓控制柜，管內配置一條35平方高壓電輸送線路，以3.3 kV送至管內布置的5臺降壓變壓器(間隔500 m布置)，降壓輸出常規400 V/230 V動力和照明電，如圖6所示。

3)超長距離進水及排泥系統。頂管距離超長，施工供水排泥隨著推進距離增加，水頭差損失越來越大，采用常規設備，難以滿足施工對供水、排泥壓力的要求。自主研發了球閥液壓驅動、PLC控制開合度、進出泥可根據需要互換的進排泥系統，如圖7所示，有效保證了施工順暢。

4)超長距離頂管自動控制系統。采用PLC軟件自主研發了適用于超長距離頂管施工自動控制系統，集合了工具頭監控系統、頂進系統、注漿系統、進排泥系統等，并實時顯示測量數據、統計信息與預警報警信息，如圖8所示，實現了全自動可視化控制[2]。

3.4 工程實施效果分析

在頂管施工過程中對于施工的基本情況進行了實時記錄，通過數據整理，對關鍵技術應用實施進行質量效果分析，驗證工藝的有效性。

根據累計頂進距離2 330 m隨時間變化如圖9所示，分析得到頂進距離與時間基本呈線性關系，施工過程一切正常，關鍵技術應用保證了工程的正常推進。

統計分析得到總推力與累計頂進距離關系如圖10所示，隨著累計頂進距離增長，施加頂力整體呈增長趨勢，從圖10中反映也存在遇到特殊地層突加頂力并最終恢復正常情況以及在較為軟弱土層在增加頂力較小情況下也能順利推進的情況。

同樣統計分析了刀盤在高程以及水平方向偏移數據，如圖11,圖12所示，由圖11，圖12可知大部分的豎向以及水平位移值均控制在20 mm之內，極少數時刻出現的最大偏移也控制在40 mm之內。通過分析實測曲線，可認為在頂管的施工過程中，頂管的偏轉不是很明顯，說明在施工過程中糾偏以及頂進方向的控制良好。

4 結語

通過關鍵技術的研發與應用，背景工程超長距離鋼頂管橫跨磨刀門江域并順利貫通，實現單次頂進距離達2 330 m頂管施工，頂管軸線偏差在允許范圍內。施工過程中對周邊環境進行了跟蹤測量和沉降監測，均符合規范要求[3]。工程的順利實施，為2 000 m級長距離鋼頂管施工領域提供了寶貴的借鑒，具有良好的社會和經濟效益，值得廣泛推廣并進一步研究與運用。