長距離曲線大直徑混凝土頂管頂力控制的關(guān)鍵技術(shù)研究*

李耀良

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200433；2. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200433

1 工程概況

上海市污水治理南線輸送干線完善工程采用頂管法施工，敷設(shè)采用平行雙管的方式，總長約52 km。該工程管道內(nèi)徑4 000 mm，外徑4 640 mm，管材為鋼筋混凝土，每節(jié)管的長度為2.5 m。該工程為目前國內(nèi)最大直徑的鋼筋混凝土頂管工程，其SST2.2標(biāo)為外環(huán)8#井～迎賓3#井之間的頂管工程，該標(biāo)段其中1 個頂進段單級頂進長度達2 039.82 m，為同直徑下最長距離的頂管工程，如圖1所示。

本工程頂管覆土厚度約為6～12 m，覆土淺薄處為穿越河浜及溝渠處。頂管所穿越的主要土層為④層淤泥質(zhì)黏土及⑤1灰色黏土，該土層分布穩(wěn)定，厚度較厚，但土質(zhì)較差，呈流塑狀。其強度低、滲透性差、高壓縮性、高靈敏度、具觸變性和流變性、施工易受擾動，容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。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所產(chǎn)生的水頭差而滲流，導(dǎo)致粉性土產(chǎn)生流砂，對頂管施工不利。

圖1 工程示意

2 圓形工作井后靠背制作施工技術(shù)

2.1 圓形工作井后靠背設(shè)置重要性

后座所能承受頂力的大小制約著長距離頂管頂進的距離。一般情況下，以頂管節(jié)所能承受的最大頂力來驗算頂管工作井的后座是否能承受該最大頂力的反作用力，在頂管施工的過程中嚴(yán)禁超過總頂力的情況發(fā)生。在頂管施工中，通過在井內(nèi)澆筑1 堵后座墻來使油缸頂力的反力均勻地作用在工作井后方土體上，且后座墻必須能完全承受油缸總頂力的反力。

要保證頂管正常的頂進，后靠背制作是其中很關(guān)鍵的一項技術(shù)措施。矩形工作井中可直接將工作井壁當(dāng)后靠背，只靠井壁位置放置后靠頂鐵即可[1]。圓形工作井若只向一個方向頂進，或雖然是向兩個方向頂進但兩個方向處在一條軸線上，其后靠背的設(shè)置也比較簡單。若圓形工作井需要向兩個方向頂進，且所頂進的兩個方向不在一條軸線上，此時要保證后靠背工作面與頂進軸線成直角，其后靠背的制作及布設(shè)會有一定的難度。

上述情況下，需向工作井兩端頂進的工作井在兩個頂進方向上都預(yù)留洞門，且要保證兩個頂進方向的軸線與其后靠背平面相垂直。井內(nèi)鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆頂管后靠背，必須在工作井完成施工后才能開始制作，會出現(xiàn)導(dǎo)致整體施工工期延長、無法重復(fù)利用、拆除不易等問題。鋼結(jié)構(gòu)頂管后靠背組裝繁瑣，有大量的焊接作業(yè)，且鋼結(jié)構(gòu)后靠背穩(wěn)定性沒有混凝土后靠背強，對于小直徑短距離頂管還比較適用，對于本工程大直徑頂管當(dāng)后靠背頂力過大，很容易被頂翻， 同時也會造成頂進設(shè)備損壞，甚至造成更為嚴(yán)重的后果。

2.2 后靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計

迎賓1#工作井擔(dān)負(fù)著雙向4 條管道共計5 765 m的頂管施工任務(wù)，后靠背的穩(wěn)定性、可靠性會直接影響到頂管出洞和整個長距離頂管頂進施工。迎賓1#工作井需向東西兩個方向分別頂進，所頂進的兩個方向不在一條軸線上，之間存在約163°的夾角，這對于本工程超大直徑、超長距離頂管來說，保證施工效率和施工質(zhì)量的難度很高。在施工過程中，上一階段向其中一個方向頂進的頂管的出洞口會在下一階段成向另一個方向頂進時成為其后靠背，要保持后靠背的強度和穩(wěn)定性，在非直線對稱的情況下會較為困難。此外，還需要針對性地解決管道與工作井井壁非垂直正交所帶來的止水難題。

基于上述考慮的基礎(chǔ)上，再結(jié)合迎賓1#工作井為雙線并行頂進時最大頂力會高達24 000 kN的問題，為滿足該工程超大直徑頂管順利出洞和后續(xù)順利的頂進施工，后靠背設(shè)計須以能實現(xiàn)整體穩(wěn)定性為原則，在進行三維有限元建模計算其強度剛度的前提下，結(jié)合經(jīng)濟合理的要求。迎賓1#井的后靠背創(chuàng)造性的采用便于組合拆卸、可重復(fù)利用預(yù)制混凝土裝配式頂管后靠背，如圖2所示。

后靠背通過如圖所示的預(yù)制模塊一、模塊二等分層疊放在一起，并通過預(yù)制模塊時所放的預(yù)埋件焊接在一起以保持其整體穩(wěn)定性。組合安裝完畢并經(jīng)測量調(diào)整到位后，在模塊與井壁間空隙填入C30混凝土，使得由預(yù)制混凝土模塊組成的后靠背與井壁連成一體，進一步增強了其強度剛度。按照井行車起重質(zhì)量（30 t）及結(jié)構(gòu)要求，模塊一及模塊二每層高度為0.6 m，分別預(yù)制10 塊（圖3）。

圖2 后靠背示意

圖3 后靠背實物

3 中繼環(huán)施工技術(shù)

中繼環(huán)在迎賓1#～3#長2 km用頂管施工中具有非常重要的作用，主要體現(xiàn)在4 個方面：頂力補充，在后座頂力不足的條件下增大總頂力；合力方向調(diào)節(jié)，有效降低曲線段頂力傳遞過程中徑向分力的上升幅度；豐富頂管后期沉降的控制手段；通過啟用中繼環(huán)的調(diào)整來達到降低局部頂力。

每道中繼環(huán)上安裝有56 只單只頂力500 kN的油缸，其最大頂力為28 000 kN，中繼環(huán)設(shè)計允許轉(zhuǎn)角為0.20°，正常情況許用油壓范圍為0～25 MPa。通過徑向調(diào)節(jié)螺絲來對中繼間止水橡膠進行自由調(diào)節(jié)，在圓角方向則根據(jù)需要局部或整體調(diào)節(jié)，使其具有止水性能良好、密封橡膠圈可更換的特點[2]。每道中繼環(huán)上都安裝有行程距離傳感器和油壓壓力傳感器，并都安裝有限位開關(guān)。傳感器模擬信號進入PLC控制環(huán)節(jié)。

3.1 中繼環(huán)形式

中繼環(huán)（圖4）分前特管及后特管，前特管混凝土管長度為1 m，鋼套長度為1.71 m，總長度2.5 m；后特管雄頭長度為1.74 m，總長2.5 m；在啟用前使用4 根8.8級M30高強度螺栓呈90°布置，并連接起來。

圖4 中繼環(huán)

本工程中繼間千斤頂采用整體滑動式固定骨架，支架經(jīng)精加工，整體精度高，避免千斤頂安裝不平行及吊裝時出現(xiàn)整體偏移現(xiàn)象。同時若管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)，中繼骨架能自動調(diào)整，避免千斤頂隨管節(jié)扭轉(zhuǎn)，造成更大扭轉(zhuǎn)。

3.2 中繼環(huán)配置

（a）掘進機正面阻力N的計算，根據(jù)地質(zhì)資料，頂管穿越土層按④層灰色淤泥質(zhì)為例，內(nèi)摩擦角取11.1°，經(jīng)計算迎面阻力N=5 730 kN。

（b）每米管壁摩阻力經(jīng)計算為72.88 kN。

（c）頂管第1道中繼環(huán)布置，經(jīng)計算L=101 m，考慮到頂管防后退及安裝臺車的需要，第1環(huán)置于工具管后10 m，第2環(huán)置于第1環(huán)后20 m。

（d）頂管第3環(huán)以后中繼環(huán)布置，求得L=210 m，取每140 m布置1 環(huán)。

考慮本工程頂管曲線段分布較多，頂管頂進過程中不可避免將對管外土體帶來較大的擾動，對穿越房屋等建筑物有不利影響。而與沉降相關(guān)的除了頂進軸線控制及出土控制以外，中繼環(huán)的布置也有著重要的作用。

本工程所有頂管區(qū)間皆為曲線頂管，在頂管全階段該曲線段將長期處于高頂進力傳遞狀態(tài)，徑向分力的長期作用會對曲線外部土體產(chǎn)生更大的影響，因此必須通過減小頂進力及改善該段力傳遞的性質(zhì)來解決該問題，因此，通過減小中繼環(huán)間距（增加頂進級數(shù)，減小頂力），即在140 m間距內(nèi)增設(shè)調(diào)整中繼環(huán)，來增加該曲線段的頂管安全，與此同時又能改善管節(jié)間的力傳遞狀態(tài)。中繼環(huán)通過PLC自動控制系統(tǒng)聯(lián)動控制，每個調(diào)整環(huán)作為臨近中繼環(huán)的接力頂進保障。根據(jù)上述布置原則，本標(biāo)段內(nèi)中繼環(huán)布置如圖5所示。

圖5 超長距離頂進中繼環(huán)布置示意

4 注漿減阻施工技術(shù)

在長距離曲線頂管中，當(dāng)管節(jié)局部受力超過混凝土管所能承受的極限時，混凝土管發(fā)生碎裂的幾率大大增加。混凝土管一旦發(fā)生破碎，工程就有很大的可能被報廢，出現(xiàn)這種情況最主要的原因是頂管周圍起減阻支撐作用的泥漿套沒有形成或沒有完全形成所致。因此，長距離頂管施工中必須特別注意減阻泥漿材料和注漿工藝的選擇，注漿減摩的好壞是頂管成功與否的一個極其重要的因素。

4.1 配比控制

泥漿制備的材料是由膨潤土、純堿、CMC按一定的比例配置而成。其中，純堿的作用為利用其鈉離子的同相置換作用增大膨潤土顆粒的遇水膨脹性能，增加其吸附能力及膨脹性；CMC主要作為增黏劑，增強泥漿的支撐性能。

本頂管工程主要穿越土質(zhì)為第④層淤泥質(zhì)黏性土，該層土滲透系數(shù)低，土壤顆粒小，基本不需要過高的黏度，控制在20～25 s為宜。

經(jīng)過施工前的配比試驗確定，施工配合比為水∶鈉基膨潤土∶純堿∶CMC=1 000∶100∶6∶2。

4.2 注漿過程管理

注漿的最終目的是降低頂管的摩阻力，因此必須形成完整的泥漿套，從而使得沉降控制得最小。在注漿的過程中必須注意以下幾點[3]：

（a）確保穿墻管止水的有效性。穿墻管止水的失效將直接破壞泥漿套的水力平衡，從而嚴(yán)重破壞泥漿套的完整。因此，對于中繼環(huán)也有同樣的要求。在頂進過程中，若必須停止壓漿泵則必須停止頂進，同樣，若壓漿泵故障，頂進系統(tǒng)必須響應(yīng)中止頂進。

（b）跟蹤注漿應(yīng)先壓后頂，并從后向前壓（相對于開動頂面來講）。若頂管先行開動，在抽吸的作用下將大范圍的破壞泥漿套的完整；若開動中繼環(huán)，則必須在中繼環(huán)后的第1個壓漿環(huán)先行壓漿再開動，然后依次向前注漿。

（c）跟蹤注漿在遵循（b）的要求基礎(chǔ)上，補漿應(yīng)按順序依次進行，在定量的前提下，每5 m頂進不少于2 次循環(huán)。

（d）在頂管曲線段，對曲線外弧線側(cè)提供相對多的注漿頻率及注漿量，以便形成完整的泥漿套；在頂管曲線段，可適當(dāng)調(diào)節(jié)漿液膨潤土配比，適當(dāng)調(diào)節(jié)黏度，增加泥漿在曲線段的支撐作用。

5 結(jié)語

本文對頂管頂力控制的重要性及頂管頂力控制的一些影響因素進行了闡述，并以上海市污水處理白龍港片區(qū)2.2標(biāo)頂管工程為依托，介紹了圓形工作井后靠背制作施工技術(shù)、長距離頂管中繼環(huán)施工技術(shù)和長距離大直徑頂管注漿減阻施工技術(shù)。通過上述研究，背景工程采用了科學(xué)、合理、可行的施工技術(shù)措施，保證了背景頂管工程的順利實施，并為今后類似工程的施工提供經(jīng)驗和參考。