大直徑超長距離頂管在軟土中頂進關鍵技術研究

鹿森剛

(上海市合流工程監理有限公司,上海 200120)

0 引言

在長江下游入?？谲浲林惺┕ご笾睆匠L距離曲線頂管,根據設計要求頂管需穿越④灰色淤泥質黏土及⑤1-1灰色黏土層,呈流塑狀具有壓縮性高、頂進阻力較小,強度低、滲透性小、含水量高等特性,屬于上海地層軟弱黏性土層,靈敏度高,具有觸變性和流變性,受擾動容易導致開挖面失穩,且沿線穿越暗浜及障礙物、重要管線較多、周邊建筑密集對沉降控制要求非常嚴格,通過竹園污水處理廠四期廠外管道工程2號—4號頂程使用泥水平衡頂管工藝的成功貫通,質量優良安全可控取得社會一致好評,具有很大應用前景,本文重點研究了在軟土中使用泥水平衡頂管工藝作業大直徑超長距離曲線頂管時各種關鍵技術參數要點控制,為以后同類型施工提供技術參考和借鑒。

1 工程概況

竹園污水處理廠四期工程1.1標為廠外管道工程,位于上海浦東新區高東鎮,新建3 m及4 m口徑的進出水總管總計12段,總長約6.4 km,其中2號—4號頂程全長1 168 m,頂管沿外環線東側綠化帶下穿越,有重點保護市政各類管線,φ273 mm石腦油/φ610 mm工業原油管、竹園三廠直徑3.5 m混凝土進水總管、航津路重載道路、沿江通道浦東高架橋墩基礎、市政人非天橋、各種企事業單位大樓、加油站、七處暗浜等,沿途管線復雜、各種建構筑物多,暗浜較多、頂管距離個別重要基礎僅有0.29 m～2 m,技術復雜難度高,沿線土層⑤2層為微承壓含水層,⑦1層、⑦1t層為承壓水含水層。(微)承壓水位年呈季節性變化;微承壓含水層水位埋深一般在3 m～11 m左右,承壓水含水層水位埋深一般在3 m～12 m。

2號工作井(如圖1所示),深度21.9 m,內徑尺寸12 m圓井,圍護結構采用直徑1.2 m鉆孔咬合樁,坑底土層⑤1-1灰色黏土;4號接送井,深度22.2 m,內徑尺寸8 m圓井,坑底土層⑤1-1灰色黏土。

2 頂管參數

2號—4號頂程總長1 168 m,線形分為5段,第1段(出洞)直線長度212 m、第2段曲線長度146 m曲率半徑1 450 m、第3段直線長度397 m、第4段曲線長度205 m曲率半徑4 550 m、第5段(進洞)直線長度208 m;管道內底標高-15.140 m～-16.080 m,坡度-0.8‰,覆土深度15.9 m,穿越土層為④灰色淤泥質黏土、⑤1-1灰色黏土;管道結構設計使用年限為50 a,管節為DN4 000鋼筋混凝土管,壁厚320 mm,長2.5 m,單管質量28.9 t;混凝土強度等級C50,抗滲P10;鋼筋為CRB550冷軋帶肋鋼筋,fstk≥550 MPa;設計裂縫荷載為350 kN/m,破壞荷載為432 kN/m,管道工作內水壓力為0.25 MPa。

3 泥水平衡頂進工藝

3.1 頂管機選型

本段頂程主要穿越④灰色淤泥質黏土及⑤1-1灰色黏土層,呈流塑狀具有壓縮性高、頂進阻力較小,強度低、滲透性小、含水量高等特性,屬于上海地層軟弱黏性土層,靈敏度高,具有觸變性和流變性,易受擾動容易導致開挖面失穩,且沿線穿越暗浜及障礙物、重要管線較多、周邊建筑密集沉降控制要求嚴格,且距離長線形曲線,故選用平衡性能較好的SPB-4000Y泥水平衡頂管機,該機采用了目前先進的泥水平衡原理,具有長距離曲線掘進,對開挖面周邊土體的干擾少、地面沉降量的控制精度高、出土由泥水管道輸送、速度快而連續、頂進速度可控、施工可靠性好等特點。

3.2 泥水平衡頂管工藝簡介

頂管機的工作機理是把具有壓力的泥水混合體施加于開挖面上,從而在刀盤開挖面處形成泥漿套層,用泥水混合體的壓力平衡開挖面上的水、土壓力,從而確保機頭刀盤處土層不會發生坍塌與沉降,泥水混合體壓力根據土層的滲透系數、空隙比狀況、滲水量等決定;如果加壓過大會造成開挖面隆起,過小則會造成開挖面水土流失沉降過大;頂進過程中泥漿是通過地面上的循環泥漿箱進行外運沉淀循環利用,性能滿足要求,泥漿使用泥漿泵加壓通過進泥管送至開挖面,通過調整排泥管管徑、進泥泵功率及閥門開啟度來調整機頭泥水倉壓力,根據不同埋深土層等變化確保此壓力與開挖面上的水、土壓力保持平衡,保證開挖面穩定,泥水平衡頂管工藝如圖2所示,頂管機刀盤如圖3所示。

4 技術控制要點

4.1 后靠背設置

4.1.1 后靠背結構簡介

大直徑超長距離頂管頂力超大,對于工作井后靠背穩定要求高,必須能承受頂管反力影響穩定堅固,后靠背基礎采用厚5 m高9.8 m寬9.8 m,直徑800 mm高壓旋噴樁加固,緊靠直徑1.2 m,強度等級為C35鋼筋混凝土咬合樁,靠背墻采用鋼筋混凝土結構,外觀尺寸高8 m、寬6 m、厚度2.2 m,混凝土強度等級C35,鋼筋采用HRB400直徑20 mm螺紋筋雙網片,間距15 cm,在澆筑鋼筋混凝土靠背時,靠背整個正面采用厚30 mm鋼板作為模板,此鋼板不拆模頂管期間與靠背混凝土一起受主頂反力,使主頂反力分散均勻確保后靠背穩定。

4.1.2 后靠背穩定性計算

1)計算基本參數。后靠背穩定性計算基本參數見表1,表2為頂管工作井鉆孔地質信息一覽表。

表1 頂管基本參數

表2 頂管工作井鉆孔地質信息一覽表

2)后靠背穩定計算。2號工作井后靠背穩定計算如下：

后靠背允許頂力：

上式中系數α=2,后靠背寬度B=6,后座墻高度H=8,被動土壓系數Kp=tg2(45°+φ/2)=1.466,主動土壓系數Ka=tg2(45°-φ/2)=0.44,地面到后座墻頂部土體高度h=10.86。

土體容重γ：

γ=(19×0.98+18.6×2+17.9×1+18.7×0.5+18.8×2.5+17.9×2.5+17×2.8+17.8×3.5+17.7×6.2+18.3×3.7+18.7×3+19.4×3+18.7×0.8+19.6×3.3+18.8×7.7)÷(0.98+2+1+0.5+2.5+2.5+2.8+3.5+6.2+3.7+3+3+0.8+3.3+7.7)=18.3 kN/m3。

土的內聚力c：

c=(8×0.98+11×2+13×1+5×0.5+8×2.5+9×2.5+10×2.8+17×3.5+16×6.2+17×3.7+17×3+44×3+20×0.8+22×3.3+21×7.7)÷(0.98+2+1+0.5+2.5+2.5+2.8+3.5+6.2+3.7+3+3+0.8+3.3+7.7)=17.6 kPa。

等值內摩擦角φ：

φ=(8×0.98+13.6×2+17.6×1+32.3×0.5+26.5×2.5+19.2×2.5+11.8×2.8+12.5×3.5+12.5×6.2+13.3×3.7+13.3×3+17.5×3+18.2×0.8+21.5×3.3+18.9×7.7)÷(0.98+2+1+0.5+2.5+2.5+2.8+3.5+6.2+3.7+3+3+0.8+3.3+7.7)=16.2°。

σ=2×(18.3×0.5+8.1×36)/3=200.5 kN/m3。

主動土壓力：

Ea=1/2γH2Ka=0.5×18.3×15.9×15.9×0.44=1 017.813 kN/m。

被動土壓力：

Ep=1/2γH2Kp=0.5×18.3×15.9×15.9×1.466=3 391.168 kN/m。

后靠背允許頂力：

R=2×6×(18.3×8×8×1.466/2+2×17.6×10.86×1.211+18.3×10.86×8×1.466)=12×(849.107+399.278+2 305.326)=43 826.643 kN>單根管節最大允許頂力34 118 kN,滿足要求。

4.2 中繼間設置

4.2.1 總頂力值估算

3.14×4.64×1 168×3+3.14×4.662×18×15.9/4=51 051+4 878=55 930 kN。

4.2.2 管節承受最大推力

本工程管徑4 m壁厚32 cm,單管長2.5 m,根據CECS 246—2008給水排水工程頂管技術規程單根管節可以承受的最大推力如下：

其中,fc為選取混凝土圓柱體軸心抗壓設計強度,MPa,C50級混凝土取26.5 MPa。

綜合考慮估算總頂力、單管最大推力、工作井后靠背理論允許頂力等參數,最終確定現場最大頂力Fmax絕不能大于34 000 kN,為確保工程質量頂管管件安全,根據經驗控制現場主頂控制頂力F3控制在34 000 kN的95%內,在此推力下管件及后靠背均滿足要求。

則主頂控制頂力F3≤Fmax95%=34 000×95%=32 300 kN,取整數32 000 kN。

4.2.3 中繼間設計

經計算本段總頂力需55 930 kN,大于單根管節最大允許頂力34 118 kN,所以過程中需中繼間,每套中繼間至少需提供23 930 kN推力(55 930-32 000),為提高操作的可靠性,每套中繼間有30只小千斤頂,每只千斤頂的推力為80 t,每套中繼間裝備頂力24 000 kN,油缸行程為500 mm。

超長距離頂管,為了保證密封可靠,中繼間密封裝置采用兩道橡膠圈,密封裝置可調節補償,并可更換。中繼間動作時,僅左側的密封圈密封工作。密封圈磨損后,徑向可通過螺釘調節來補償磨損。如密封圈失效,擰緊右側密封圈的徑向螺釘,使其產生密封作用,即可更換左側密封圈。

根據CECS 246—2008給水排水工程頂管技術規程中繼間數量n計算如下：

此處的管道外壁與土的平均摩阻力fk,因關乎中繼間設置數量,如果中繼間數量偏少后期很可能導致機頭無法繼續頂進的嚴重損失后果,故而摩阻力應按實際地質土層情況取保守高值,參考上海市DG/TJ 08-2049—2016 頂管工程施工規程[2]第7.5.3條取6 kN/m2。

n=π×D1×fk×(L+50)/(0.7×f0)-1=5.4(確保安全取整數6),設置6個中繼間。

第一套中繼間位置通過機頭處的迎面阻力和預估摩阻力考慮,通過綜合考慮設置在機頭后40 m處 。

后續中繼間距離計算根據DG/TJ 08-2049—2016頂管工程施工規程。

S′=k(F3-F2)/(πDfk)=0.5×(32 000-4 878)/(3.14×4.64×6)=155 m。

為設置制作方便取整數160 m。

根據上述計算本段中繼間具體布置為第一個中繼間第16節里程40 m處,第二個中繼間第64節里程160 m處,第三個中繼間第128節里程320 m處,第四個中繼間第192節里程480 m處,第五個中繼間第256節里程640 m處,第六個中繼間第320節里程800 m處[3]。

4.3 注漿系統

減阻泥漿的運用是減少頂進阻力的主要措施,頂進時通過管節上的壓漿孔,向管道外壁注入一定量的減阻泥漿,在管道外圍形成一個泥漿環套,減小管節外壁和土層間的摩擦力,從而減小頂進時的頂力,泥漿套的好壞,直接關系到減阻的效果,同時還能起到控制沉降的作用,注漿系統分為機頭同步注漿和管道補漿。

4.3.1 漿液布置

在機頭管環向均勻地布置了6只壓漿孔,用于頂進時注漿。機頭管同步注漿由地面螺桿泵通過φ48 mm管路壓送到機頭管外,在機頭處應安裝隔膜式壓力表,以檢驗漿液是否到達指定位置;管節上環形布置5只壓漿孔,其后每節布置一排注漿孔,注漿孔在管節預制時放好,每排注漿孔設置一個一寸的總球閥,使注漿孔既可單獨注漿,亦可同時注漿。并且每五節管節設置一個漿液壓力監察孔,安裝壓力表,以控制漿液壓力,控制壓力平衡。由于頂進距離長,注漿壓力泵壓力不夠,在距離頂管機頭45 m處設置一只儲漿筒和一只注漿泵,用于機頭的跟蹤注漿和向后的補漿,管內注漿布置示意圖見圖4。

4.3.2 漿液配制

同步壓漿A漿要滿足稠度大失水量小,補漿材料B漿要黏度稍小流動性大。兩種漿液參數如表3所示。

表3 漿液配置技術指標參數

制漿時增稠劑、增黏劑、催化劑等要攪拌均勻,使之均勻化開,膨潤土加入后要充分攪拌,使其充分水化,現場制備漿液時,攪拌池和發酵池必須單獨設置,兩個池子必須都配備攪拌設備,泥漿拌好后要在發酵池放置一定的時間才能使用,最少不能小于8 h,攪拌均勻保證潤滑泥漿的穩定。

4.3.3 注漿量的計算

壓漿是通過儲漿池處的螺桿壓漿泵將泥漿壓至管道內的壓漿總管,然后經由壓漿孔壓至管壁外,在壓漿支管處的漿液壓力一般應略高于土體靜止土壓力,頂進施工中,減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍空隙的大小及周圍土層的特征,一般按管壁空隙的3倍計算理論壓漿量。

理論注漿量=理論地層空隙×500%。

機頭外徑4 660 mm,管材外徑為4 640 mm,單邊空隙10 mm,管節長度2.5 m。

φ4 000 mm單節管節理論注漿量為：

V4 000=2.5×3.14× (2.33×2.33-2.32×2.32)≈0.37 m3。

本頂管主要位于黏土層,漿液實際壓注量一般為理論注漿量2倍～3倍,因此φ4 000 mm每頂進一節壓漿量為：V=0.37×(2～3)=0.73～1.10 m3。

壓注壓力根據埋設深度和土的天然重度而定,為2γsHs～3γsHs(γs為土的重度,Hs為覆土深度),在頂進過程中要按地面變形的測試資料適當調整壓漿量及壓力,注漿壓力根據壓力表讀數進行補漿。

4.4 測量系統

4.4.1 頂管軸線控制、糾偏措施

平面測量標志必須采用強制對中,因受施工條件的限制,工作井的內凈尺寸12 m,長距離頂管時會出現短邊測長邊的情況,此時對中誤差對角度影響特別明顯,采用強制對中后,可有效消除對中誤差,同時為提高測量精度,利用固定轉點測站進行引測,防止測點在測量過程中移動影響測量精度。

4.4.2 軸線放樣

軸線放樣采用AUTO CAD軟件(內業)和全站儀(外業)進行。首先,將軸線點坐標和井中心坐標載入AUTO CAD軟件中,然后以井中心為中心畫一圓(略大于工作井半徑),再將軸線延長,與圓相交。其次,利用全站儀將2點坐標放樣出來即可,將點放出來后,利用鉛垂原理將軸線中心引至設計標高即可。

4.4.3 頂進測量

1)測臺設置。為便于管道頂進時測量,在工作井內布置一固定測量臺,測量臺支架用型鋼制作,用膨脹螺栓固定在工作井底板上,用測量專用對中盤配銅螺絲強制對中,避免測量時的對中誤差,安裝時用錘球將洞門中心和后靠背標記的連線精確投到對中盤中心,安裝完畢后,利用以上導線測量的方法對中盤中心進行復測,使之精確位于工作井和接收井中心連線的延長線上[4-5]。

2)管道內測站布置。本段頂管長1 186 m,其中小曲線曲率半徑R=1 450 m,在曲線位置全站儀在工作坑內無法一直與機頭保持通視,必須在管內設測站,通過計算可以確定曲線段最大通視距離。

當D=4.0 m時,測量有效范圍在D0/2-0.1 m以內,圖5中的x由施工現場確定,現在取為0.1 m,則有：

通過公式計算得：

當R=1 450 m時,L=212.7 m,因此曲線段最大測站距離為212 m。

4.4.4 糾偏

在實際頂進中,頂進軸線和設計軸線經常發生偏差,因此要采取糾偏措施,減小頂進軸線和設計軸線間的偏差值,使之盡量趨于一致。本段頂管糾偏主要從頂管機頭、機頭特制管節[6-7]。

1)機頭的糾偏控制：機頭姿態糾偏措施有機頭糾偏油缸、滾動糾偏、水平方向糾偏三種：

a.根據頂管機內安裝的儀態儀,動態了解頂管機當前姿態,結合頂管軸線的偏差情況,通過機頭設計自帶的糾偏油缸進行調整,見圖6。

b.滾動糾偏：通過反轉頂管機刀盤方向,從而糾正滾動偏差,本機帶有滾動偏差小于1.50時自動控制系統報警,提示機手切換刀盤旋轉方向反轉糾偏。

c.豎直方向糾偏：當頂管機出現下俯時,可加大下側糾偏油缸行程;當頂管機出現上仰時,可加大上側糾偏油缸行程來進行糾偏。

2)特殊管節糾偏：為確保軸線受控,機頭工具管后三節管節在預制時預先設置,可以放置小油頂凹槽,見圖7,共計6個槽口,用于出現過大偏差時放置小油頂進行的糾偏。

4.5 洞門設置

本工程在洞門上面及左右提前預留3個打土孔,當洞口加固體研磨完成管道外壁進入洞內,通過配置 STB100/5黏土輸送泵,直接將加一定水的黃土濃漿由地面上通過預留孔洞壓入洞門里面孔隙及管節外壁。

由于埋深很深、頂程長,在洞口墻面整體貼2 cm鋼板一塊,鋼板四周使用L型間距30 cm直徑20 mm螺紋筋植入洞門混凝土里并與鋼板焊接拉住,然后在鋼板中間預留洞處再安裝一道環形橡膠板止水圈外壓條形鋼壓板通過單道法蘭固定,可防止出洞時洞口處的水土沿頂管機外壁與洞門的間隙涌入工作井,還可在頂進施工過程中防止減阻泥漿從此處流失,保證泥漿套的完整,以達到減少頂進阻力的效果,進出洞口安裝單道橡膠(厚度20 mm)止水裝置密封洞圈見圖8[8]。

4.6 頂進控制

4.6.1 頂進施工

為克服頂管穿越重要構筑物附近沉降過大問題,在相關位置管件中間設置一寸打土孔,管節頂進時通過STB100/5黏土輸送泵,通過此孔打入黃土與水的漿液彌補流失水土,確保此處沉降可控,注意打土不能太多,一節管最多3袋～5袋黃土且時間不能過長,必須嚴格控制頂進速度,確保勻速慢速頂進,頂進宜每天5節管子總量控制或速度控制在15 mm/min,并控制出土量和地層變形的信息數據,從而將軸線和地層變形控制在最佳狀態[9]。

4.6.2 機頭特殊管

在機頭后設置三節特殊管節,在管壁內側設置30 cm寬、1.5 cm厚的鋼板,用于安裝機頭連接裝置,機頭特殊管節具備拉開一定張縫的能力,起到一定輔助機頭糾偏的作用,能將較大的糾偏軌跡通過剛性整體的滑動延伸為相對緩和軌跡,從而使得后續管節間張縫減小,曲線頂管時注意調節控制開口量,將所加鋼套的錨固筋與管子內鋼套焊接,以免被拔出。曲線頂管施工時,為了確保管節的張口量均勻、曲線線型良好,通過調整千斤頂的伸縮量帶動機頭來進行控制。同時為了更好地控制機頭姿態,防止“磕頭”、旋轉等狀況發生;設置三節機頭管節,管節上預埋鋼板,用螺桿拉結見圖9[10]。

4.6.3 泥水系統

泥水系統由控制排泥管的泥水流量來間接控制開挖面的地下水壓力,從而避免開挖面的地下水干擾施工。在頂管施工中要根據不同土質、覆土厚度及地面建筑物等,配合監測信息的分析,及時調整泥水平衡值,一般情況保持進泥壓力、出泥壓力、泥倉壓力三壓相等,用離心泵接力將泥漿送往泥漿池沉淀,出渣并循環利用漿液泥水。

4.6.4 吊裝及通風

大直徑頂管不但管節重且機頭上下井屬于超過一定規模的危險性較大分部分項工程,作業前要對起重機械及吊索吊具謹慎選擇,驗算按照國家法規要求程序進行,并在作業過程中加強安全檢查,深覆土長距離頂管作業中通風是不可缺少的一項非常重要的安全措施,否則可能發生有限空間安全事故,為了確保管道內的工人安全生產,要對管道進行強制通風,采用軸流式空氣壓縮機進行強送風排氣。

4.7 監測與沉降控制

4.7.1 監測

在頂管作業期間,通過對頂管軸線上方地表豎向位移監測、頂管施工影響范圍內的管線豎向位移監測、周邊建(構)筑物水平及豎向位移監測、周邊建(構)筑物傾斜監測、周邊建(構)筑物及地表的裂縫監測,工作井接受井支撐軸力、圍護結構測斜位移、基坑水位等監測,獲取頂管作業對以上的影響信息以指導作業,及時調整優化頂管技術參數,保證作業過程中以上各種變形及沉降保持在設計及規范允許的范圍之內,頂進區間變形控制總要求：地表面允許隆陷值應控制為+10 mm/-20 mm;管線沉降允許值按小于10 mm控制;構筑物沉降允許值按小于20 mm控制;建筑物最大沉降按小于40 mm,建筑物最大傾斜按小于4‰控制,各單次監測數據的允許變化值也不能超過允許值,否則就要分析原因優化頂進參數,如果監測數據超過總控要求就要立即進行各方分析會議,必要時暫停作業幾個小時,等原因明確措施得當方可重新作業。

4.7.2 沉降控制

1)工藝控制。本段頂管穿越構建筑物及管線較多,作業時控制頂進速度勻速頂進,保持每天6節,進水泥管直徑不可過大采用13.33 cm即可,嚴格泥漿配制及同步注漿補漿工藝確保泥漿套形成,且不可帶土頂進,機頭附近頂進時沉降過大,則采取增大機頭管漿液濃度,膨潤土與水比例1∶0.1～0.3,如頂力劇增沉降過大則近乎干膨潤土,由于濃度過大需把螺桿注漿泵拉入跟前方可操作,此舉立竿見影可使頂力降低沉降變小。

2)打土防沉。為防止頂管穿越重要構建筑物及管線時沉降過大問題,在管節預制時在每節管相應位置中上部設置3.33 cm打土孔,見圖10,機頭過此處后在相應位置管子里面使用STB100/5黏土輸送泵,通過此孔向管外打入黃土與水的漿液彌補流失水土,壓力3 MPa通過高壓力將黃土漿液通過此孔打入此處土孔隙中,彌補流失水土,確保此處沉降可控,注意一次打土不能太多,一節管最多3袋～5袋土且時間不能過長。

3)跟蹤注漿。在頂管過程中根據變形情況,在頂管和構建筑物之間布置跟蹤注漿孔,進行雙液快凝注漿,及時填充因結構變形而產生的縫隙,從而阻止了側向變形向外圍擴散,減少了對周圍環境的影響,起到保護作用,對于地下管線可通過注漿糾正變形,進而保護地下管線。FB漿水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶水=1∶0.5∶0.25∶7.2,CB漿水泥∶粉煤灰∶水∶水玻璃=1∶0.6∶0.65∶0.025;注漿量：一般每延米注漿200 L左右,注漿壓力：控制在0.3 MPa～0.5 MPa之間。

5 結語

通過以上在軟土中頂進大直徑超長距離曲線管節使用泥水平衡工藝技術要點及質量控制,本段頂管成功貫通,最大頂力第455節2 800 t、最小頂力第5節400 t,沿線建筑物豎向位移累計最大變化量-6.43 mm,跨上海外環線的人行天橋累計最大變化量-9.63 mm,航油管累計最大變化量-17.91 mm,河堤沉降最大變化量-17.43 mm,頂管軸線地表豎向位移累計最大變化量-19.53 mm,經第三方資質單位貫通測量結果符合設計軸線及高程要求,本段頂管通水至今未發現任何質量問題,說明在軟土中作業大直徑超長距離曲線管節使用泥水平衡頂管工藝,具有可操作性強,頂力穩定沉降可控、技術可行,質量優良,安全可控,節約成本的優點,同時具有很好工程經濟性,適合大面積推廣應用。