軟土地區大直徑長距離曲線頂管姿態控制的關鍵技術研究*

羅云峰 白占偉

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433； 2. 上海市城市排水有限公司 上海 200233；3. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200433

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區南線輸送干線完善工程，主要建設內容為長約26.21 km的污水輸送干管，該工程管道內徑4 000 mm，外徑4 640 mm，全線干管都采用鋼筋混凝土頂管法施工，每節管的長度為2.5 m。該工程為目前國內最大直徑的鋼筋混凝土頂管工程，最長的一次頂進長度為2 039.82 m，為同直徑下最長距離的頂管。工程分為6 個標段，其中SST2.2標為外環8#井至迎賓3#井之間的頂管工程，外環8#頂管工作井西臨申江路立交，迎賓3#接收井東臨唐黃路，總長7 890.71 m，其中迎賓1#～3#區間內頂管即為超長頂進段，雙線皆超過2 000 m。

本工程頂管覆土厚度約為6～12 m，頂管所穿越的土層主要位于④層淤泥質黏土中，該土層厚度較厚，分布穩定，但其呈流塑狀，土質較差，強度低、滲透性差、壓縮性高、靈敏度高，具觸變性和流變性，施工易受擾動，容易導致開挖面失穩。由于工具管及混凝土管節自身質量較大，土體較軟弱，頂管進出洞施工和軸線控制的難度相應增大，容易發生各種失穩問題[1]。場地地下水埋藏較淺，地下水對頂管施工影響很大。淺層潛水由于頂管開挖出土產生水頭差而滲流，導致粉性土產生流砂，對頂管施工不利。

2 頂管頂進姿態的影響因素分析

對于頂管法施工來說，頂管機掘進的位置、方向決定著成形管道軸線的軌跡。要使建成后的管道沿設計路線延伸，就必須保證頂管掘進過程中位置、角度等準確性[2,3]。

2.1 地質條件

頂管機在軟土層中推進時，周圍地質情況極易對頂管的姿態產生重要影響。

（a）當土層很軟弱或很松散時，工具管自身質量和上覆土荷載將使頂管由于受壓而下俯，頂進路線將發生向下的偏差；松軟土層往往不能承受偏心頂力引起的徑向推力，極易造成水平或豎直向的偏差。

（b）當土層軟硬不均或有較大空腔時，將使工具管前端遇到不均勻的迎面阻力，而且頂管周圍的土壓力也不平衡，會使頂管周圍受力不均，造成頂管向土層軟的方向旋轉移動，如施工不慎極易造成軸線偏差。

2.2 機械設備

頂管掘進機及其配套設備等在加工、安裝過程中形成的誤差也會對頂管頂進時的姿態產生影響。

（a）各頂進千斤頂之間存在著頂進時間差，千斤頂、油路等布置不合理，會使頂進合力線發生偏移，進而造成工具管旋轉。頂管后座不穩或主頂油缸與頂管軸線不平行，會使主頂油缸在工作時方向發生變化，對頂管管道形成一個扭矩，使管道扭轉。

（b）導軌等設備安裝誤差是頂管出洞階段發生軸線偏差的主要因素，尤其容易導致頂管磕頭、抬頭等高程偏差現象。后靠背及千斤項的安裝誤差則將導致頂推力發生偏心，也會引起頂管軸線偏差。

2.3 施工操作

切削土體操作不當及軸線測量誤差等施工操作，同樣會對頂管姿態造成影響。

（a）開挖面切削土體操作不當，將可能會造成開挖面土壓不平衡，甚至出現塌方或冒頂等，產生較大的偏心荷載，從而造成軸線偏差。

（b）軸線測量誤差會影響到頂管糾偏操作的準確程度，軸線測量誤差嚴重時甚至會導致頂管機頭不能順利進入工作井的事故發生。

（c）頂管頂進過程中軸線發生偏差或人為造成曲線段軸線偏差時，若糾偏方法不恰當或糾偏量過大等，都可能會使頂管發生旋轉。

3 大直徑頂管出洞施工技術

頂管機初始姿態控制對于頂管的成功頂進具有非常重要的意義，因此頂管出洞是頂管施工的關鍵，頂管安全準確的出洞是頂管后續按既定設計軸線頂進的保證。大直徑工具管和混凝土頂管管節自身質量較大，本工程頂管工具頭Φ4 640 mm，質量約150 t，在出洞施工過程中，水土壓力尚未建立，浮力幾乎為零，且外部土體經過下沉過程的擾動，如果不采取有效的措施，會使得頂管工具頭出洞以后在工具管振動運行的情況下產生叩頭現象，工具管越頂越低，偏離設計軸線原來越遠，甚至無法控制[4]。

3.1 洞口土體加固

本工程頂管工具管長約8 m，為了頂管前期的走向能有一個良好的開局，必須確保在工具管重心頂出外圍圍護前頂管機處于一個均勻、穩定且有足夠強度的水泥土加固體范圍內，以使得頂管能夠平順地頂出。因此，在頂管工作井洞口范圍外圍的圍護至井壁間的空間均采用深層攪拌樁對土體進行改良，以提高土體自立性以及承載力。

采用Φ850 mm SMW三軸水泥攪拌樁進行加固，樁間距600 mm，搭接長度≥250 mm。加固區長度為沉井外壁沿軸線向頂管頂進方向延伸8 m范圍；加固區寬度為洞口兩側外邊緣各自外側延伸3 m；加固區深度為地表至洞口下邊緣以下3 m范圍。為進一步提高頂管出洞施工階段的正面土體穩定，在洞口加固區域插入H型鋼。通過水泥高壓旋噴對深層攪拌樁洞口加固區域與外臺階形式沉井井壁間存在的間隙進行封閉處理，以隔斷此處水力聯系通道。

3.2 洞口止水措施

保證頂管頂進過程中洞口密封的可靠性是保證頂管順利進出洞的關鍵，這對洞口止水裝置的設計提出了較高的要求。因簾布橡膠板襯尼龍線能提高回彈力，增強止水效果，本工程采用橡膠法蘭的結構形式進行洞口止水。為便于安裝止水裝置，進而保證出洞安全，按照穿墻洞的尺寸在洞口澆筑鋼筋混凝土結構。

本標段工程所有區間頂管長度都超過800 m，迎賓1#井～迎賓3#井長度更是達2 039.82 m，因此，要求洞口止水措施嚴密且具備一定的耐磨性，并要求止水措施配件在特殊情況下便于更換。通常情況下簾布橡膠板的損壞多是由于外部砂礫進入了簾布橡膠板的彎曲弧內而引起的，砂礫進入簾布橡膠板導致橡膠板的磨損加快，并使其與管節間的摩阻力激升從而造成損壞。本工程出洞口穿墻止水采用2 套止水措施加1 套保護措施的形式來進行止水，止水措施為簾布橡膠板+牛油盤根，保護措施為在井壁內設置厚3 mm隔離鋼板，阻止外部土體及銳利顆粒進入橡膠板的彎弧段，橡膠板與隔離鋼板間壓入油脂密封。

4 大直徑長距離曲線頂管軸線控制施工技術

傳統曲線頂管是利用頂管機在頂進施工過程中人為地向某一方向造成符合設計要求的軸線偏差，這樣每一管節的軸線都偏差一點，所有管節連續起來，就成一條折線。本工程在軟弱土層中進行頂進時，如土體無法提供足夠的反力，則頂管機就無法按設計的曲線頂進，導致曲率變小。

本工程采用局部預調式曲線頂管法，即在頂管曲線的起段時，根據曲線方向來設置張角，形成一定的曲線頂進軌跡，使后續管節較容易通過。在工具管后20 m范圍內的每一個管節接口中都安裝有間隙調整器，在頂管進入曲線段后，人為地調整管節之間的張角，使之符合設計曲線要求，防止工具管失穩。每個接口設置4 組8 只50 t千斤頂調整器。

頂管頂進主要依靠工具頭頭部測量與糾偏的相互配合，以便其按設計要求的軸線、坡度進行，在實際推進過程中，頂管實際軸線和設計軸線總是存在一定的偏差，為減小頂管實際軸線和設計軸線間的偏差，使之盡可能趨于一致，主要依靠工具管糾偏完成。

工具管內部采取吊盤球觀測工具管姿態，控制工具管扭轉及坡度。頂管糾偏遵循“勤測勤糾、預測緩糾、預糾強糾”的原則：

（a）勤測勤糾：在正常推進的情況下，頂管實際軸線偏差較小，頂管每推進一個沖程，即每頂進90 cm左右測量一次工具頭軸線及標高偏差情況，并結合工具管的前進趨勢情況，及時進行有效的糾偏，使工具管不致出現較大偏差。

（b）預測緩糾：如果頂管實際軸線偏差較大，根據工具管前進偏離趨勢的加大、平穩、減小等工況，調整工具管糾偏角度，及時進行有效的糾偏。但每次糾偏角度要小，不能大起大落，要避免相鄰兩段管節間形成的夾角過大，要保持管道軸線以適當的曲率半徑逐步、緩和地返回到設計軸線上來。

（c）預糾強糾：如果頂管實際軸線偏差很大，且工具管前進偏離趨勢加大，在常規糾偏方法失效時，采取預糾強糾措施：即利用間隙調整器，人為地調整管子的張角，墊置鋼板或木板，使工具管后部管道整體保持反向趨勢，進行強制糾偏；當頂管軸線偏差減小時，應根據工具管的趨勢，及時調整管節張角，避免糾偏過頭。

5 大直徑長距離曲線頂管失穩控制施工技術

本工程包含多條曲線頂管，曲率半徑最小僅為800 m。曲線頂管是利用頂管機在頂進施工過程中人為地向某一方向造成符合設計要求的軸線偏差，隨著頂進長度的增加，就形成了曲線。而曲線頂管失穩是造成一系列工程問題的根源，頂管失穩，將帶來嚴重的后果，因此必須采取切實可行的防失穩施工控制技術來確保頂管能夠順利地穿越。

5.1 大直徑工具管曲線頂進失穩控制

頂管在曲線頂進階段或土質變化較大的地段，必須通過工具管持續地對頂管走向進行修正，但由于工具管直徑超大，受制于管節密封及張口的限制，很難做出更大角度的糾偏。本工程頂管穿越土質壓縮性較高，若外部土體在徑向分力的影響下持續產生微量的壓縮位移，將會不斷削弱工具管的糾偏能力，造成工具管越來越偏離設計軸線，產生失穩。這對本工程超長距離曲線頂管來說，其影響是致命的，而且這種擠土效應將造成地面的隆起及沉降，會威脅管線以及地面建（構）筑物的安全。

針對該問題，為幫助工具管走出設計曲線，設置工具管后續跟進的8 節管節為預糾偏段，安裝糾偏輔助裝置，可擴散糾偏產生的徑向分力，減少糾偏動作對土體產生的壓強及應力集中現象；亦可在不影響管節止水性能的情況下擴大糾偏的有效角度，使得工具管能夠處于受控狀態。

5.2 長距離曲線頂管中繼環失穩控制

中繼環在曲線頂管中更易發生失穩現象，中繼環的失穩在本工程中主要體現在兩方面：一是在中繼環頂推力的影響下，張口在曲線段逐漸擴大，特別是由于中繼環的鋼套管很長，在曲線段會產生較大的帶土效應，進而形成沉降；二是頂進過曲線段過程中，中繼環容易產生扭轉。中繼環的失穩會造成地面沉降、中繼環有效頂推力下降甚至損壞，而且會使得曲線段向外擴，從而使得后續管節在一個曲率半徑更小的巷道中頂進，頂管施工難度大幅增加。

針對該問題，主要通過如下施工技術措施來解決：未啟用中繼環須使用高強度螺栓拉結固定；優化中繼環啟用的設置，盡量避免中繼環在曲線段內啟用；增加中繼環布置的數量，通過增加頂進級數來減小中繼環頂推力，從而達到減小對土體擾動的目的；中繼環設計考慮抗扭轉措施。

5.3 長距離曲線頂管管節失穩控制

管節承擔著頂管頂進過程中頂推力的傳遞，管節的失穩表現為管節張角超過了設計曲線的管節張口值，并在此曲線段位置上的管節張角有擴大發展的趨勢。隨著張角的擴大，會產生2 種失穩現象：管節持續推動曲線段土抗力最低的區域，造成管節張角的持續擴大；管節受力應力集中現象愈發明顯，甚至有破壞管節側壁混凝土的惡性事故。

管節的失穩問題，是中繼環失穩的特殊情況，要解決該問題，主要從改變頂力傳遞上來解決管節張角的問題。同解決工具管失穩的措施類似，可以通過預糾偏段來改善管節件力傳遞的合力中心位置，而中繼環可以被視作特殊的預糾偏段。即通過調整中繼環的合力中心，使得管節間的頂力作用點向張角擴大的方向移動，從而改善管節的力傳遞方向，恢復曲線段的管節張角至正常水平。這樣，通過管節曲線段預糾、外部壓漿、管節張縫監測、頂力控制等手段聯合進行控制。

6 結語

本文對頂管姿態控制的重要性及頂管頂進姿態的一些影響因素進行了闡述，并以目前國內最大直徑且同直徑最長距離頂管工程——上海市污水治理白龍港片區南線輸送干線完善工程為依托，對軟土地區長距離大直徑頂管頂進姿態控制的一些關鍵技術措施——大直徑頂管出洞施工技術、大直徑長距離曲線頂管軸線控制和失穩控制施工技術等進行了研究和探討。通過上述研究，背景工程采用了科學、合理、可行的施工技術措施，保證了背景頂管工程的順利實施，研究也表明頂管頂進姿態控制技術的研究應用對更精確地實現復雜地質長距離頂管具有重要意義，并能為今后類似工程的施工提供經驗參考。