大直徑長距離鋼頂管施工風險及控制

顧利軍

(上海城建市政工程（集團）有限公司，上海200065)

0 引言

青草沙水源地原水工程的陸域管道都是采用頂管法施工，而且多為大直徑長距離鋼頂管。其中，嚴橋支線全長27km雙線，管徑DN3600，分為12個標段，最長一次頂進距離為1 960 m，最大埋設深度22m；金海支線全長8.6 km雙線，管徑DN2800，分為4個標段。

由于施工點多、線路長、施工單位多，加上沿線的環境比較復雜，頂管要穿越許多重要的節點，如地鐵隧道、磁懸浮軌道線、合流污水總管、電力隧道、建筑群等。這些對地面沉降控制提出了非常高的要求。如何有效地加強全線的工程質量管理，規避工程的質量風險，對下一步工程的順利實施至關重要。

本文針對頂管工作井出洞施工、鋼頂管的姿態控制、地面沉降控制、頂力控制等施工風險，通過部分工程案例進行了分析。

1 頂管機出洞施工

該工程工作井數量多，如果出洞處的地質是黏土層，出洞的風險比較小；但是，如果出洞處含有粉砂透水層，出洞的風險非常大，主要表現為：

(1)在打開洞門的過程中，前方的流砂不斷涌入井內，以至于根本無法將頂管機推進到洞門內。

(2)在出洞過程中，盡管頂管機已經推進到洞門內，但是由于各種原因使得前方水土從洞口止水裝置流入到工作井內。這不僅會引起機頭磕頭，頂管姿態失去控制，而且還會造成出洞處地面出現較大沉降。

上述的出洞風險不僅會嚴重影響施工的工期目標，而且對下一步的正常頂管帶來很大的困難。下面舉兩個案例。

1.1 案例一

某標段的工作井圍護結構為鉆孔灌注樁，外側采用三軸攪拌樁隔水帷幕，在鉆孔樁與攪拌樁之間用壓密注漿填充。該處管道的中心以上是8m厚的粉砂透水層，當頂管一切準備就序，在鉆孔樁上鉆小孔的時候，發現孔內有流砂涌入，后立即封堵小孔。對出洞口的鉆孔樁與攪拌樁之間增加高壓旋噴樁加固措施。但是，大量的高壓旋噴樁的水泥漿液從許多鉆孔樁之間的空隙中噴入井內，后不得不在井內對較大范圍鉆孔樁進行掛網錨噴，再對夾縫層空隙進行雙液注漿加固，同時又在出洞口增加了二口深井疏干井。最后雖然得以勉強出洞，但是嚴重影響了工期，增加了工程的成本。

原因分析及措施建議：

(1)對于粉砂透水層的頂管出洞，工作井的結構應該優先考慮沉井、三軸攪拌樁和連續墻的形式，對鉆孔樁圍護則應該慎用。應當指出的是，目前三軸攪拌樁的設備已經能夠滿足該工程挖土深度的要求，工程費用比鉆孔樁圍護結構低。

(2)如果必須采用鉆孔樁圍護形式的工作井，對外側的隔水帷幕則建議采用雙排高壓旋噴樁加固措施。在基坑挖土之前，必須針對粉砂地層的特點對鉆孔樁的質量和高壓旋噴樁的加固質量嚴格控制。因為一旦基坑開挖以后，再去處理補強加固的難度就非常大了。該項目在鉆孔樁與攪拌樁之間的空隙采用壓密注漿法，在透水層中很難起到隔水效果。

(3)該工程在管道中心以下是黏土層，降水井點布置較高，完全依靠降水解決頂管出洞的漏水是比較困難的。但是，只要成井質量好，還是可以減小地下水水頭，對保證出洞安全也是十分必要的。如果出洞處為全斷面的粉砂層并且基坑較深，做好出洞處的深井降水工作是保證出洞安全的主要環節。原因主要是，在這種情況下，注漿加固的質量往往得不到保證，而降水的質量卻是可控的。

1.2 案例二

某標段的工作井圍護結構為鉆孔灌注樁，外側采用高壓旋噴樁隔水帷幕，在出洞口的兩側打了兩口深井降水。出洞口的地層為粉質黏土。當破墻以后，正面加固土體非常穩定。頂管采用泥水平衡掘進機施工。頂管機在切削加固體的過程中，較多的水泥塊進入D100排泥管道，產生排泥管的堵管現象。排泥管的堵管引起了正面泥水艙的泥水壓力劇增，由于這時的機頭刀盤距離洞口較近，所以大量的泥水從機頭殼體的外壁并經過止水裝置流到井內，這一現象還使得洞口橡膠止水法蘭向井內翻轉，進一步加劇了向工作井內的水土流失。洞口的水土的流失導致出洞口的地面出現較大的沉降，還使得機頭的姿態出現下沉。當頂管機推出加固區以后，正好是第一節鋼管的焊接拍片環節，較長時間的停頓，又進一步增加了機頭姿態的下沉。后經過啟用二節糾偏系統，機頭姿態逐漸恢復正常。

原因分析及措施建議：

(1)泥水平衡頂管機面板上的開口大小和切削刀的寬度應該與排泥管路的口徑相匹配，以避免進入泥水艙內的加固碎塊堵管。有可能的話，將泥水管路改為D150，堵管的可能性就更小了。

(2)在初始頂進過程中，應該適當減小頂管機泥水艙的泥水壓力，防止正面泥水壓力對洞口止水裝置造成過大的壓力。

(3)引起出洞段地面沉降和機頭磕頭的根本原因是水土從洞口流失。所以，洞口止水裝置的設計應能夠滿足較好的水密性要求，必要時采用組合密封形式和防止橡膠法蘭反轉的措施。由于機頭殼體的外徑一般要比焊接鋼管的外徑大，一般為20 mm左右，所以，止水裝置的設計和安裝都應該充分考慮二個不同工況，滿足有效的止水要求。

(4)在機頭出洞過程中，盡可能地縮短停止頂進的時間，也是保持機頭姿態的重要措施。

2 鋼頂管的姿態控制

鋼頂管與混凝土頂管施工有相似的地方，也確實存在不同點，主要就是姿態控制。因為混凝土管是由許多柔性的F型接口的鉸組成，比較容易滿足糾偏的要求；而鋼頂管是由一根整體剛性較大的焊接鋼管道組成的，而且，一般都是直線頂進。這樣，一旦發生較大的偏差，糾偏的難度比較大。

目前，對于鋼頂管的糾偏，各施工單位的做法不一。有的在機頭后面直接就是焊接鋼管，依靠機頭的一組糾偏裝置糾偏；也有的在機頭后面緊跟一到二套F型鋼管，鋼管之間用法蘭連接，在接口之間還設置了糾偏裝置，以備應急糾偏之用；還有的在機頭后面跟一套中繼間來滿足輔助糾偏的目的。

如果頂管的姿態控制是有效的，包括機頭糾偏液壓系統的可靠性，開挖面的穩定控制，施工測量數據的準確和機頭糾偏操作的合理性等。在這些基礎上，上述各單位的做法都是可行的。對直線鋼管的頂進，依靠機頭的一組糾偏裝置也是能夠滿足姿態控制要求的。但是，對于異常的施工情況，采用多組糾偏導向的可靠性可能更好。關于鋼頂管的姿態控制，更加重要的問題是應該充分認識鋼管的整體剛性特點。所以，凡是對管道中的柔性接口，或者說是可以活動的鉸，往往是應力集中的點，應該倍加重視，比如機頭后的過渡管的接口，中繼間的伸縮部位。除了必須滿足接口的密封要求以外，還應該具有足夠的連接強度和剛度。另外，鋼頂管對出洞段的姿態控制要求比較高，一般應控制在3 cm以內。下面舉一個工程案例進行分析。

某標段平行兩根頂管，頂進長度為684 m，一根頂進到280 m，機頭水平偏差70 cm，高程偏差20 cm。其中，機頭與過渡管的7.2m長度范圍的水平偏差56 cm，高程偏差24 cm（見圖1）。在過渡管的前后接口處張開量達到20 cm以上時，施工被迫暫時停止。無獨有偶，在邊上的另一根管道頂進到480 m時，水平偏差超過1 m，也不得不停止頂進。頂管的姿態如圖1所示。該區間頂管的地層為粉質黏土，并沒有流砂現象。為什么會出現頂管姿態嚴重失控的現象呢？

原因分析及措施建議：

(1)該頂管采用土壓平衡頂管機施工，在機頭后面的管道中用鋼板筑了二道壩，作為開天窗的泥水艙，螺旋機排出的土體進入泥水艙，用水槍破泥，然后由泥水管路輸送到地面。由于泥水艙內的泥水將過渡管的下部接口淹沒了，施工中根本無法知道過渡管接口的異常變化情況，加之機頭處的施工環境非常惡劣，無疑給工程的質量控制管理帶來了隱患。

圖1 頂管姿態曲線圖

(2)在機頭后的一節過渡管設計為二端都是插口，沒有經過立車加工，尺寸精度差，不能滿足基本的密封要求。更加危險的是該過渡管與機頭尾套和首節鋼管的連接沒有采用法蘭形式，而是僅用4根拉桿連接。該鉸接處的連接強度和剛度都遠遠滿足不了鋼頂管的要求。如前所述，由于機頭后面焊接鋼管整體性特點，全部的應力往往都會集中在柔性接口處。在過去的鋼頂管工程中也曾經發生多次類似嚴重工程失敗教訓，即使采用法蘭連接的方式，如果忽視這一問題，也會出現接口張開量過大，流砂涌入管內，進而釀成嚴重工程事故的情況。

(3)頂管的偏差應該有報警值。出現如此大的偏差才反映出來，說明在偏差發生異常變化的過程中，始終抱有僥幸的心理。總以為通過自己的努力能夠把偏差糾正過來，沒有從根本上找出原因給予解決。換言之，如果偏差達到10 cm，過渡管還沒有出現較大的張開量的時候，及時地將過渡管二端焊接固定，僅依靠機頭的一組糾偏裝置導向糾偏，頂管的姿態還是可以控制的。

3 地面沉降控制

鋼頂管與混凝土頂管的地面沉降控制措施基本相同，不同的是混凝土頂管基本可以做到連續施工，而鋼頂管的現場焊接時間比較長，頻繁發生的較長時間停止和重新啟動頂進過程對沉降的控制可能會造成不利的影響。

在正常的頂進過程中，頂管的地面沉降取決于兩個方面；一是開挖面穩定控制，需要減少超挖和欠挖現象。對土壓平衡頂管機，理論上應該通過PLC建立泥土艙的土壓力、螺旋機轉速和頂進速度三者之間的自動平衡關系。實際施工中可以通過信息化施工手段優化施工參數，以指導施工；對泥水平衡頂管機，通過嚴格控制泥水艙的泥水壓力，將這一壓力控制在比所處的地下水壓力高0.01 MPa，即使在較長的停止頂進過程中，也必須采取措施使得泥水艙的壓力維持在穩定的壓力范圍內。二是管外壁完整的觸變泥漿潤滑套的建立，可以及時填充各種原因引起的建筑空隙，并防止管外壁背土對土體的擾動。施工經驗表明，在上述施工技術措施的支持下，頂管總的土體損失率可以控制在1%左右，對周邊環境影響很小。但是，在出洞段頂進過程中，往往沉降量比較大，主要原因一是洞口的土體流失，二是出洞段的泥漿潤滑套不易建立，三是出洞段的開挖面的穩定壓力也比較難以建立。所以應對出洞段的地面沉降引起足夠的重視。下面舉一個工程案例進行分析。

某標段頂管長度940 m。管道穿越地層為砂質粉土，該透水層的厚度約8 m。管頂覆土厚度約8.7 m。工程采用泥水平衡掘進機施工。頂管的周邊環境比較復雜；沿頂管軸線北側有一條小河。在頂進到380 m處，有一條與頂管軸線正交的大河，河面寬度約30 m，過大河以后是一幢緊貼大河邊無樁基的廠房。頂管穿越該廠房以后引起了較大的沉降量，沉降值為40 mm。建筑物測點平面圖及沉降曲線如圖2所示。在穿越周邊無河道建筑物的沉降比較小。

圖2 建筑物測點平面圖及沉降曲線圖

原因分析及措施建議：

(1)該頂程的地層條件比較差，為砂質粉土。周邊環境比較復雜，沿線有小河，尤其是在廠房前有一條大河，廠房與河道的距離僅2～4 m左右，又是無樁基的廠房。廠房的荷載和河道的坡度是產生頂管沉降的主要原因。在另外的工況，頂管穿越無河道的建筑物沉降值為1～2 cm。但是，造成廠房沉降的根本原因還是開挖面的水土壓力沒有得到穩定控制。

(2)由于焊接的時間比較長，頂進速度比較慢，不能滿足連續頂進的條件。當停止頂進的時候，面板式刀盤前的粉砂地層在動水壓力的作用下流向泥水艙內，從而引起正面的土體超挖和土體損失。所以，提高頂進速度是減少地面沉降的重要措施之一。

(3)如果在停止頂進之前，向泥水艙內壓入一定量的膨潤土泥漿，并建立平衡壓力。這樣，在刀盤和粉砂地層之間就可以形成隔水泥膜，阻止粉砂向泥水艙涌入。土體損失也可以得到有效的控制。

(4)該工程如果采用土壓平衡頂管掘進機施工，由于開挖面是充滿的土體，沒有泥水艙的空間和泥水對正面土體的影響，所以開挖面的土體損失比較容易控制。如果再采取在開挖面壓入膨潤土泥漿的土體改良措施，正面土體的穩定會得到進一步改善。

4 頂力控制

在完整的泥漿潤滑套的作用下，鋼頂管與混凝土頂管的管外壁側向摩阻力是相似的，也就是說不會因為鋼管與土體之間的摩擦系數小，而使得摩阻力減小。恰恰相反，由于鋼頂管的焊接時間比較長，在每次焊接后的啟動頂力往往會比較大，這又與焊接的時間有關系。頂進阻力由頂管機的迎面阻力和管外壁側向摩阻力兩部分組成。機頭的迎面阻力一般是與管徑、埋深、頂管機類型和地層有關，對某一工程來講是定值。通常我們關心的是管外壁側向摩阻力的大小，準確地說是關心管外壁平均單位面積側向摩阻力f值的大小。在頂進過程中，平均的f值是隨著頂進距離的增加而遞減的。在粉砂地層中頂進，不同的泥漿潤滑套工藝會使得f值的差異達到10倍以上。注漿減阻工藝的重要性可見一斑。頂力控制的關鍵：一是在控制頂力的要求下，盡可能利用主頂進裝置一次頂進最長的距離，也就是最大限度地減少頂進阻力；二是如何設置中繼間，設置幾套中繼間，中繼間間距怎么確定。如果從正常頂進的角度分析，目前的青草沙頂管的頂進距離在1 000 m左右可以不啟用中繼間。但是，并不是說可以不設置中繼間。因為地下工程有許多的不可確定性。比如在頂進過程中遇到不明的障礙物、遇到暗浜和異常地質都可能使得頂進阻力急劇上升。所以按照預定的計劃設置中繼間是明智的決定。下面舉一個工程案例進行分析。

某標段頂管斷面為砂質粉土，地上有較多的河道，管道覆土厚度較淺，采用泥水平衡頂管機施工。施工時，頂進速度比較慢。在同一個工作井的二個頂管：北線頂進距離819 m，總頂力11 500 kN，南線頂進距離473m，總頂力11 000 kN。總頂力隨頂進變化如圖3所示，可以看出，右線頂力增長較快。為什么在相同的地質、相同的環境、相同的頂管設備和作業人員，會產生截然不同的頂力結果呢？

原因分析及措施建議：

圖3 頂力變化曲線圖

(1)在這座工作井的二節頂管中，頂進距離相差346 m，曾經出現頂進距離短的比頂進距離長的頂力反而大的情況。目前的頂力比較接近，但是頂進距離相差較多。從各標段的頂力曲線圖不難得出這樣的結論：由于泥漿套的作用，頂力并不是隨著頂進距離的增加而線性遞增的。所以，如何在管外壁形成完整的觸變泥漿潤滑套是頂管施工的關鍵工藝。

(2)頂進距離短的這節頂管，由于砂質粉土、覆土淺和河道比較多的原因，曾經多次出現過泥漿冒頂的現象，泥漿的冒頂使得泥漿潤滑套被破壞。泥漿套的破壞又會使得頂進阻力急劇上升。要在粉砂地層中重新修復并建立泥漿潤滑套確實比較困難，需要較長的施工過程，才能夠逐漸得到修復。因此，加強對注漿過程的管理，避免出現泥漿冒頂現象，保持完整的觸變泥漿潤滑套，就顯得非常重要了。

（3）目前，國內泥漿材料的抗泥水滲透性能，也就是泥漿的致密性還不如人意。當停止頂進較長時間以后，一般重新啟動頂進的初始頂力比較大。尤其在粉砂層中，這一現象更加突出。所以，一是應該盡可能提高頂進效率，減少停頓時間。二是有必要對泥漿材料和配方進行研究。

5 結語

通過對大直徑長距離鋼頂管的施工風險的案例分析，以下幾點是大直徑長距離鋼頂管施工中應該特別注意的：

(1)鋼頂管的工作井出洞之前，應該認真分析水文地質情況，選擇合理的圍護結構和出洞加固方式，并落實各項質量控制措施，對出洞頂進是至關重要的。另外，出洞的姿態控制精度和洞口止水裝置的密封性能對順利完成隨后的頂進也是十分重要的。

(2)對鋼頂管全線的所有柔性接口，應滿足密封性能、連接強度和剛度的要求，在頂進過程中，還要給予高度的關注，以防止接口的變形和破壞導致工程風險。

(3)在正常頂進過程中，鋼頂管的地面沉降是可控的。但是，有必要研究非正常頂進過程中的地面沉降難題。比如，地質條件的異常、復雜的周邊環境、停止較長時間后的重新啟動，泥漿潤滑套的破壞等引起的沉降。

(4)頂進阻力的大小與頂進的效率是負相關的。如何提高頂進效率是最大限度降低頂進阻力的有效途徑。

[1]葛金科,沈水龍,許燁霜.現代頂管施工技術與工程實例[M].北京：中國建筑工業出版社,2009.

[2]馬·謝爾勒著，漆平生，楊順喜，李明堃譯.頂管工程[M].北京：中國建筑工業出版社，1983.

[3]夏明耀，曾進倫.地下工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[4]鄭秀華.膨潤土應用技術[M].徐州：中國地質大學出版社，2001.

[5]馬保松.頂管和微型隧道技術[M].北京：人民交通出版社，2004.