大口徑鋼頂管超長距離施工關鍵技術

上海市政建設有限公司 上海 200438

1 工程概況

嚴橋支線工程是上海青草沙水源地原水工程陸域輸水系統的一根支線，是連接五號溝泵站與中心城區各水廠之間的重要輸水干線，輸水管線采用2根φ3 600 mm鋼管供水，管道中心間距7.2 m，鋼管壁厚34 mm，采用頂管施工。

為了解決φ3 600 mm大直徑超長距離鋼頂管施工難題，主要從頂進控制、軸線控制、出土等3個方面進行研究，形成了一套大直徑超長距離鋼頂管施工工藝，取得了大直徑頂管施工的飛躍。

2 頂進控制技術

結合上海青草沙引水工程嚴橋支線項目進行實際應用，建立了長距離頂管施工穩定性力學模型和數值計算模型。

為了解決超長距離頂管施工過程中頂管整體穩定和中繼間之間管道的局部穩定難以得到保證的問題，著重從頂進系統、中繼間布置、泥漿減阻等3個方面著手分析[1]。

2.1 長距離大直徑鋼頂管頂進系統

2.1.1 頂力系統

頂力控制技術是長距離鋼頂管施工的關鍵技術之一。工作井內主頂進系統由6個4 000 kN雙作用千斤頂和電動油泵車（32MP/22 kW×2）組成，4 000 kN雙作用千斤頂型號為CG1065，其缸徑400 mm，行程1 100 mm，桿徑280 mm，長度1 700 mm。

頂管的輔助頂力系統主要是中繼間，其在長距離頂管中可起到重要作用。通常中縫間的開啟為人工手動開啟，人工手動開啟增加了施工費用，又不能很好地控制中繼間的開啟情況。因此，通過設置自動化控制室，利用攝像裝置和位移傳感器對頂管頂進全過程進行監控并及時反饋數據。

自動化控制室具有如下功能：可以控制各中繼間按程序要求自動/手動進行頂管；可以按要求改變頂進程序；可以按受力情況調整每環頂進距離；計算機可以從自動控制臺自動采集，設置中繼間自動/手動工作，并適時打印各類數據，供技術人員分析。

2.1.2 中繼間頂力的計算

中繼間頂力的計算依據有：掘進機正面阻力、每米管壁摩阻力、穿越土層性狀[2-5]。

考慮到第1道中繼間主要用于糾偏，3.6 m鋼頂管為大口徑長距離鋼頂管，總體剛度比較大，因此0#中繼間安置在工具頭后4.4 m處，亦即考慮頂管掘進機的部分設備要設置在4.4 m的短管節內。1#中繼間安裝在0#中繼間之后的13.2 m處。

根據計算結果，后續中繼間布置間距為210 m。主推推距根據實際頂進時的頂力控制情況進行適當調整。

根據青草沙工程的嚴橋支線輸水管線施工現場實際情況（頂進長度1 960.04 m）以及鋼頂管施工設計規范，計算得到φ3 600 mm頂管中繼間的布置：中繼間共需布置9道，0#中繼間位于掘進機后4.4 m處，1#中繼間位于0#中繼間后13.2 m，2#中繼間位于1#中繼間后82.4 m，3#～5#中繼間間隔210 m一道，主頂推距間隔250 m一道。根據頂力情況，最后480 m無需中繼間。

2.2 管道穩定分析與中繼間優化布置

2.2.1 頂力對管道的影響

根據計算頂力引起的管道最大應力為123 MPa，集中在管道的側壁、底部以及頂部，最小應力為15.7 MPa。頂力引起的管道頂進方向，最大位移分布在管道的中部，兩端發生的位移相對較小，管頂下降，管底隆起。

2.2.2 中繼間的布置分析

通過建立相應的數值模型，進行數值計算，得出相應的計算結果，結果充分表明本工程選擇的中繼間布置是合理的。

2.2.3 中繼間的最優開啟數量的分析

為了確定中繼間的最優開啟個數，需要確定鋼頂管正面阻力的大小。在中繼間頂力的計算中，已經求出迎面阻力為3 300～5 200 kN，以此可計算出由于正面阻力引起的鋼頂管正面應力在8.5～14.2 MPa之間。

根據數值計算結果，以及結合鋼頂管正面阻力引起鋼頂管管道正面的應力分布，可以準確控制中繼間的啟閉時間及狀態。

2.2.4 最大頂力的研究

根據力學模型以及工況，建立相應的數值模型，并進行數值計算，得出相應的計算結果。頂力由12 000 kN逐漸增大，直至管道整體或管道局部失穩破壞，得出最大頂力。研究結果表明，頂力達到20 000 kN后，頂力與最大軸向變形成直線關系[6]。

結合設計規范和數值計算結果，可以看出頂力在20 000 kN以內，管道未發生屈服，是穩定的，因而可以確定鋼頂管管道的最大頂力為20 000 kN。

2.2.5 偏心頂力作用下管道應力狀態分析

通過對不同偏角下最長管段的應力分布和變形情況的對比，可以看出，當管道發生0.3°的偏轉時，管道的最大應力由30.9 MPa增大到115.3 MPa，約3.7倍，軸向最大變形從56 mm增大到160 mm，約2.9倍，沿著頂進方向管道應力狀態變化趨勢發生了顯著的變化，無偏轉時，管段應力隨著頂進距離的增加而減小，而發生偏轉時，管道應力隨著頂進距離的增大而增大，管尾有波動現象。由此可見，偏轉對管道的應力狀態和變形影響較大，在實際施工中，要避免管道在鋼頂管頂進過程中發生偏轉[7]。

2.3 泥漿減阻系統設計與摩阻力控制技術

通過模擬頂管頂進施工和注漿減阻的整管摩阻試驗系統、結構材料與土體泥漿的直剪試驗裝置，對混凝土管、玻璃鋼夾沙管、鋼管等不同管材與土體的摩擦特性進行了系統的試驗[8]。

1）針對φ3 600 mm、頂管坡度上行0.23%、工作井總設計頂力12 000 kN的特點，在注漿孔的布置上設計了幾種方案，根據頂管工程單次頂進長度及頂管直徑進行比選：

（1）方案一：全斷面6點均分布置，設6孔；

（2）方案二：上半圓4點均分布置，設4孔；

（3）方案三：靠近頂管頭部5道采用A型泥漿孔布置（全斷面4孔），第6道及后面采用B型泥漿孔布置形式（上半斷面4孔），如圖1所示。

經過3種設計方案比選，本工程選用方案三。

2）潤滑泥漿壓漿情況如表1所示。

表1 頂進距離、壓漿量、壓漿時間關系

2根頂管成功進洞，起始頂力控制在10 000～12 000 kN，表明頂管潤滑泥漿有效降低了頂管摩阻力，保證了頂管順利進行。頂力情況如表2所示。

表2 頂進距離與頂力統計結果

2.4 工程實施效果分析

1）鋼管外防腐：從頂入J17#接收井后回收的鋼管來看，1#和2#管頭部幾節鋼管外防腐仍舊保持完好。嚴橋支線鋼管外防腐整體采用熱熔環氧粉末噴涂，管接頭處施工現場采用人工手動涂刷環氧重防腐涂料，從而也說明了減阻效果較好。

2）從頂管的總頂力情況來測算摩阻力系數已降到0.9 kPa以下，遠遠小于常規的摩阻力系數3～5 kPa，另外從頂管進接收井后回收的管子外防腐的完整性情況來看，減阻效果非常明顯，外防腐絲毫沒有破損[10-12]。

3 軸線控制技術

嚴橋支線C4標利用自主開發的新型超長距離測量裝置（自身發光的電子激光測量靶）和基于連通管原理的長距離高程測量裝置，并由鋼頂管偏轉受力分析確定糾偏控制角度，形成了跟蹤測量與糾偏技術相結合的施工工藝，有效地實現了1 960 m超長頂管的軸線控制[13]。

在頂管施工過程中，常規頂管施工單位是每節頂管完成后測量1次，而我們研發的新型測量裝置（發光測量靶）形成的跟蹤測量技術，實現了每塊頂鐵就能測量1次，每節8.8 m頂管就能測量9次，確保了測量的精度，真正做到勤測勤糾和精測精糾的施工理念。

3.1 超長距離鋼頂管跟蹤測量技術

3.1.1 管道高程跟蹤測量控制

頂管管道內設備多、空氣濕度大且光線暗，當頂管距離較長時，測點目標變小且通視條件極差。此外，頂管基站在管道頂進中的移動和微動、后視距離短等問題都會嚴重影響測量精度[14]。本項目研制了頂管工程中能實時測定掘進機實際坐標的跟蹤測量系統，滿足了管內可通視或不能通視的測量條件，實現了長距離頂管的自動精確測量、連續頂進施工和及時糾偏控制。

3.1.2 糾偏原則及操作控制要點

1）勤測勤糾及精測精糾：即每頂進一個沖程（就是每一塊頂鐵），測量一次掘進機軸線及標高偏差情況。一般往往是等到一節管子全部頂進完畢，再進行測量，如果有偏差，糾偏相對比較困難。我們一般8.8 m的一節管子由9塊頂鐵組成，就是每頂進一節鋼管，測量就要9次，雖然測量的工作量增加，但因為采用新技術后并不會影響頂進速度，而且9次測量后，頂進的軸線更準確，糾偏也很容易[15]。

2）小角度糾偏：每次糾偏角度要小，做到微糾和精糾[16,17]。

3）根據數值計算結果，實際施工中控制管道的糾偏角在1°之內，未發現管道發生屈服。

3.2 超長距離鋼頂管糾偏數值分析

利用有限元方法分析頂管偏轉作用下管道內力和變形的基本性能，分析中考慮管道與周圍土體接觸面摩擦特性，對不同偏轉角度的管道進行受力分析，以此指導后續糾偏。

3.2.1 有限元分析工況

在有限元模型中，土體的存在主要是為了在管道周圍生成復雜的土壓力，因此分析中不注重土體的變形情況，在平衡地應力及后續偏轉分析中，都不探究土體變形情況。本工程頂管偏轉角控制在0.5°，施工中最大允許偏轉角為2°。

在此基礎上，有限元中的分析工況如下：

1）施加初始應力，并平衡地應力，此時管道頂進完成，管道尾部無頂力作用，模擬管道靜止狀態；

2）在管節上施加豎直方向上的位移，使其偏轉角度分別為0.5°、1°、1.5°、2°，并在管道右端施加均布頂力，而在管道左端約束其法向位移（圖2）。

圖2 位移施加方式

3.2.2 糾偏結果分析

管道頂進過程中被土體包圍，土體既對管道提供一定的支持作用，同時土體也是管道外荷載的來源，當管道偏轉時必然對周圍土體有所影響，造成土體變形，并改變初始狀態的土壓力。

為確定鋼管的最大允許偏轉角，需要在1°～1.5°中對鋼管的偏轉進行進一步的分析，因此對鋼管偏轉角度進行細化，分別為1.1°、1.2°、1.3°、1.4°。若以鋼管Mises應力作為判斷標準，經過角度細化后的鋼管最大應力隨偏轉角度的變化曲線如圖3所示。

圖3 管道最大Mises應力與偏轉角度的關系

管道應力變化在1°～1.5°之間近似為直線，以屈服應力210 MPa計，則管道的允許偏轉角約為1.25°。在1.25°以內，管道仍處于彈性狀態；超過1.25°之后，管道部分區域達到屈服狀態，若偏轉角繼續增大，則可能導致大面積屈服，將給施工帶來危險。

3.3 工程實施效果分析

青草沙嚴橋支線C4標1 960 m超長距離鋼頂管的軸線控制非常成功，雙管進洞軸線偏差中，上下偏差均小于2 cm，左右偏差均小于1 cm，遠小于規范要求，達到了對超長距離鋼頂管軸線精確控制的預期目標。

4 土壓平衡連續出土技術

4.1 土壓平衡頂管連續出土技術

本工程（QYZ-C4標段）屬于大口徑超長距離鋼頂管，選用土壓平衡式頂管掘進機進行施工。

4.1.1 掘進機選型

掘進機的選型原則主要有以下4個方面：與土質相適應原則；與施工條件相適應原則；施工安全性原則；施工經濟性原則。

由于工程條件復雜，特別是需穿越航油管、地面道路、防汛墻和眾多地下管線，對地面的沉降要求較高，頂管出洞時需穿越土體加固區，對掘進機機頭的切削能力也有一定的要求，綜合施工單位以往的頂管經驗及以上因素，為了有效地保護地下管線、周圍構（建）筑物，本工程頂管掘進時采用對地面沉降影響較小的大刀盤土壓平衡式頂管掘進機。土壓平衡頂管機出土效率較高，不易堵塞，為加快施工速度創造了條件。

4.1.2 出泥系統

出泥系統直接決定著C4標的1 960 m超長距離頂管的施工工效，因此需要在原來的土壓平衡干出土的方式下進行改進，使之適應本工程的需要。

4.1.3 出泥技術改進

通過設計了一座泥水轉換裝置與土壓平衡式掘進機的螺旋輸送機排泥口相連，將土轉換成泥漿，而后通過管道輸送排出至地面沉淀池，完成了整個出土方式的轉變。

4.2 現場應用結果分析

在青草沙工程中采用了土壓平衡式頂管新型出泥技術，該技術可隨時準備出土配合頂進，節約了大量施工時間，縮短施工間隙，有利于頂管的正面土體穩定。

通過嚴橋支線C4標頂管中泥水轉換裝置的應用實踐，證明土壓平衡式掘進及施工泥水輸送法技術實際應用的效果顯著，該技術工藝流程簡單且實用價值也高，在頂管施工中尤其是長距離大口徑的頂管工程，將會有不錯的使用前景。

土壓平衡式掘進及泥水輸送法施工改善了管內作業環境，減少了土壤中有害物質揮發及掘進機的運作噪聲對人體產生的傷害，而且縮小了施工占地面積，更方便交通及出行。

5 結語

1）基于對大口徑鋼頂管正面土體穩定、地層損失、頂進速度和注漿量等動態控制的理論研究成果，形成了超長距離大口徑鋼頂管頂進控制核心技術，攻克了超長距離超大直徑鋼頂管的糾偏控制、頂力控制、軸線控制、鋼管穩定控制等一系列難題，首次高精度完成了1 960 m和φ3 600 mm大口徑鋼頂管的近距離雙管同時一次連續頂進。

2）為解決φ3 600 mm鋼頂管雙管同時頂進中土壓平衡頂管設備出土效率低的難題，在攻克土壓平衡頂管機排泥口處渣土轉換泥水、泥水輸送與分離等核心技術的基礎上，自主研發了土壓平衡頂管掘進機的連續出土裝置，在國內外首創土壓平衡頂進與泥水輸送出土相結合的工藝，達到了高效連續出土要求，該工藝比傳統施工工藝提高了68%的出土效率。