超長距離曲線頂管跟進管軸線控制技術

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 曲線頂管管節分析

相比直線頂管，曲線頂管的受力條件更為復雜[1]，如圖1所示，頂管工具管進入曲線段后管道之間推進力傳遞面逐漸靠向曲線內側，管道受到單邊荷載作用，內弧側偏心受力。由于各個管節頂力方向不一致，存在指向曲線外側的徑向分力，從而產生轉動力矩。受工具管取土擾動影響，周圍土體反力能夠提供的最大抵抗力矩小于轉動力矩時，工具管將無法維持在設計曲線路徑上[2-4]。這也是工具管在曲線段內糾偏張角大于理論張角的原因之一。但這種情況對于跟進管節來說有著很大的不同，跟進管節與外部土體之間有著更為復雜的聯系。這個現象在直線入曲線點最為突出[5]。在入曲線點的跟進管節會有這樣一個過程（圖2）。

（a）第一階段。頂管直線段管節間隙相同，進入曲線的那一刻外弧側被拉出了張縫，對于這條管節接口來說，體積增大了。這造成了外弧側的表面積大于內弧側的表面積，從而使得跟進管節獲得了指向內弧側的徑向分力。與此同時，跟進管內弧側會持續擾動與其接觸的土體，這種持續的擾動會產生“帶土”效應，即管節將與其接觸的土體向頂進方向牽引。這種擾動會使得管節的入曲線段有“變直”的趨勢。

圖1 工具管進入曲線

圖2 跟進管管節形態

（b）第二階段。對于入曲線點這個位置的后續跟進管節來說，頂管向前頂進距離越長，該處管節所傳遞的頂力越大。由于入曲線點夾角的存在，會使得跟進管節受到外弧側徑向分力的影響也越來越大。當其超過了第一階段跟進管所受的徑向分力時，管節開始向外弧側移動[6]。這會造成內弧側在第一階段被擠壓的土體迅速釋放應力，轉而開始擠壓外弧側土體。

2 工程概況

上海污水治理白龍港片區南線東段口徑4 640 mm曲線頂管，管線總長2 040 m，曲率半徑為800 m。在里程430 m位置的入曲線點內弧側，設置了3 個測斜管監測點，監測點距離頂管2 m。在整個頂管期間持續對該3 處監測點進行監測。由于超長距離曲線頂管后續跟進管的軸線變化會反映在測斜管數據上的變化，從而可以知道跟進管在什么情況下軸線發生了變化。

經過連續約1 400 m頂進長度的監測，入曲線位置數據如圖3所示。

圖3 入曲線點測斜數據

圖3中可以看出如下特點：

（a） 頂管機穿過入曲線點430 m里程向前頂進過程中，測斜管持續向內弧側彎曲，一直持續到了704.7 m，A～B的274.7 m頂進過程中跟進管在向內弧側施加壓力，屬于第一階段；

（b） 從704.7 m（B點）開始，內弧側土體停止向內弧側位移，轉而開始向外弧側移動，一直到C點（914.9 m）屬于第二階段；

（c）從C點到D點（1 570 m），內弧側土體又繼續向內弧側移動，屬于第一階段；

（d）從D點到E點（1 899 m），內弧側土體又繼續向外弧側移動，屬于第二階段。

從上述實例的分析可以看出，跟進管節的軸線是處于一種變化狀態，它對外部土體會產生截然不同的2 種結果，這和曲線的曲率、土層土力學性能以及頂管頂力有著直接的關系。

3 跟進管軸線控制措施

通過上述分析以及實例監測，可以了解到超長距離曲線頂管跟進管在曲線中受力形態的變化。在這條長2 040 m的超長距離曲線頂管施工中，采取了多樣的施工措施來確保跟進管在曲線段的穩定。

3.1 開啟中繼環降低頂力

開啟中繼環后，每個中繼環僅需頂進整條頂管的其中一段距離，只需要克服一小段距離管節的側壁阻力即可完成頂進，這使得曲線段管節受力將大大降低。

3.2 調節中繼環合力位置

中繼環合力調節主要涉及到位于曲線段或附近的中繼環，若曲線段非常長，則有必要在曲線段內開啟中繼環需要調節合力中心位置，方法是關閉中繼環外弧側的部分油缸。若中繼環開始向內弧側位移，則需要繼續調整中繼環合力中心位置向外弧側，方法是減少關閉油缸的數量。

調節合力中心位置是一個動態過程，隨著中繼環位置的變化需要及時調整，調整后仍然需要觀察中繼環以及前后管節的張縫變化，來判斷中繼環合力中心位置調整是否起到效果。

3.3 針對性實施觸變泥漿跟蹤補漿

曲線段的補漿有別于直線段的補漿，曲線段的管節張角在曲線段里受巷道的趨勢平滑度、曲率半徑等影響下持續變化，而這種角度的變化將會產生一定的體積變化。壓漿產生的泥漿套在這種抽吸或擠壓狀態下容易被坍塌破壞。必須在管節張縫發生變化的部位針對性地多補充漿液。這種控制方法人工控制難度較高，應引入自動壓漿技術。

4 結語

超長距離曲線頂管跟進管軸線控制技術應用于白龍港超長距離曲線頂管，最終使得頂管順利進行，不僅完成了超長距離曲線頂管，而且極大地提高了施工效率，為以后更為復雜的頂管積累了寶貴經驗。

對于曲線頂管甚至更為復雜的雙曲線、S曲線頂管，其曲線路由設定宜盡量滿足如下條件：

（a）若頂管存在曲線，則曲線段盡量置于頂管的后端（靠近接收井），從而降低總頂力，減少對土體的擾動；

（b）若頂管包含小曲率半徑曲線，則頂管長度不宜過長，避免長時間擾動帶來不利影響；

（c）頂進完成后需對曲線段頂管外注漿，固結外部擾動土體，減少后期沉降；

（d）對于小曲率半徑的曲線頂管，由直線進入曲線可逐漸緩和過渡到設計曲率，避免過快進入小曲率半徑。