大口徑長距離多曲線泥水平衡頂管技術在電力管道工程中的應用

劉 釔 朱俊輝 陳 勇

（1.福建省鑫勇通非開挖工程技術有限公司，福建 廈門 361026；2.福建省東辰建設工程集團有限公司，福建 福州 350005；3.福建省東辰建設工程集團有限公司廈門分公司，福建 廈門 361012）

武漢作為國家重點發展的華中地區的大型城市，目前正經歷著大型城市基礎設施建設階段，由于武漢地理位置的特殊性——兩江三鎮，因此改善城市居民公共出行，建立立體的公共交通網絡——武漢軌道交通成為當前基礎設施建設的重中之重。文章依托的工程為武漢軌道交通3號線110kV地鐵變電站線路配套工程，工程位于漢口黃浦大街及武漢大道北側，擬采用泥水平衡頂管施工工藝鋪設948m內徑Φ3 000mm的混凝土電力管道。無論從管道直徑和頂進長度將是華中地區較為少見的標志性工程［1-3］。

1工程背景

1.1項目背景

本工程為軌道交通3號線110kV趙家條地鐵變電站線路頂管工程，內含4個頂管段，其中#8-#6、#8-#11、#12-#13頂管段采用內徑Φ3 000mm的鋼筋混凝土管，#12-#11頂管段采用內徑Φ1 600mm的鋼筋混凝土管。#8-#6頂管段長度約160m，為曲線頂管，曲線半徑R=600m；#8-#11頂管段長度約948m，為多曲線頂管（三個直線，兩個曲線），一個曲線半徑R≈1 500m，一個曲線半徑R≈3 000m；#12-#11頂管段為2條同向平行頂管，為直線頂管，長度各125m；#13-#12頂管段長度77m，為直線頂管；各頂管段管頂覆土4.5～6.1m。

本文是以#8-#11的948m曲線頂管段進行分析計算和驗算［4］。

1.2 工程地質和水文地質條件

工程施工區域位于武漢市漢口黃浦大街，屬于漢江與長江交匯處沖積扇，管道頂進地層為淤泥質黏土和粉質黏土地層為主，較淺地層部分為建筑回填層，但不影響工程的施工。施工區域地下水較為豐富，對工作井內止水圈的設置和安裝要求更高。

工程施工區域條件復雜，對施工精度及沉降等要求較高。8#-11#頂管段，軸線沿著黃浦大街自西向東走向，頂進軸線位于人行輔導外側，其中軸線北側存在高層建筑，包括絲寶大廈、中國工商銀行等，軸線南側人行輔道下有直埋高壓天然氣管道，且軸線兩側均有立交橋基礎樁基。如圖1所示：

圖1 8#-11#曲線頂管段平面示意圖

1.3 項目特點和難度

本工程的重點為管道的長距離曲線頂管施工。工程的技術重點、難點為管道的頂管法施工、管道偏差控制、長距頂管施工技術、曲線頂管測量控制和注漿減阻技術等。

①#8-#11頂管段屬于超長距離頂管，容易出現管道軸線偏差大、工作井及后座墻頂力不足等問題，通過勤測、勤糾控制管道軸線偏差問題，同時通過設置中繼站解決工作井及后座墻頂力不足問題。

②管道軸線附近存在立交橋橋樁基礎、高層建筑及基坑地下室，設計軸線外側與基礎最近距離為4m，通過軸線測量嚴格控制管道走向，并以“APS智能引導系統”進行全程自動測控，做到動態設計、信息化施工。

③工程施工區域處于鬧市區，且周邊存在的立交橋、高層建筑以及地下已有設施（如直埋天然氣管道），對工程施工期間的沉降測量及開支提出了巨大的挑戰。

④掘進過程中排出的大量泥漿的處理和運輸也是工程施工過程中急需解決的難題。

工程施工作業區域場地條件如圖2所示：

圖2 工程施工區域內場地條件

2 關鍵技術

2.1 地表沉降控制

考慮施工區域內存在高層建筑、立交橋主干道、已有地下天然氣管道等因素，需要對工程施工影響區域范圍內做好地標沉降的監測。管道頂進軸線監測點布置如圖3所示：

圖3 軸線兩側沉降監測點布置

對于處在軸線附件的建筑物及道橋，按照距離軸線的距離，設置沉降監測點，對高層建筑及沉降敏感的位置，監測點密度加大，在掘進機經過此位置時，勤監測，及時觀察對比沉降的速率，通過對掘進機頂進的操作，將沉降量控制在可控范圍內。

2.2 管道曲線頂進關鍵技術

2.2.1 APS智能導向系統

智能導向測量系統按傳統的連續導線測量的形式布設，為了實現自動測量，該系統需要由以下部分組成：

①每個導線點上的自動全站儀、自動整平基座和自動全站儀配套的棱鏡。

②一臺計算機，由它控制各臺全站儀進行測量和數據的收集處理。

③有線通訊設備，包括接線盒、電源、屏蔽線等。

在每一個導線點上安置一臺全站儀，管道內的全站儀需要安置在AD-12自動整平基座上，棱鏡必須安置在全站儀的手柄上，并且使棱鏡中心和全站儀的旋轉中心位于同一垂線上（需要棱鏡接合器）。每臺全站儀都需要通過屏蔽線連接到計算機上，把數據發送到計算機上，由計算機進行處理再傳輸給全站儀，實現雙向通訊，如圖4。智能導向系統由計算機、全站儀和其他輔助設備組成，通過計算機控制全站儀來測量導線點的坐標，逐站傳遞最后得到機頭坐標，求得機頭偏差。

圖4 自動整平基座及儀器、觀測臺、操作系統和屏蔽線

圖5 頂管施工測量和豎井聯系測量簡圖

智能導向測量系統的原理就是導線測量的原理。如圖5所示，T1是已知的設站點，在T1處架設第一臺全站儀，Pl、Po點為已知的控制點，因為在T1無法直接測量P0點機頭坐標，因此就需要在導線點T2、T3架設第二、第三臺全站儀，然后通過導線測量測出P1、P2兩點的坐標（因為機頭一般埋在土里，無法通視），再由兩點的坐標歸算出P0點的坐標，最后和設計路線相比較，就能得到機頭的上下偏差和左右偏差，整個過程都在計算機的控制下進行。

2.2.2 注漿減租

對于超長距離大口徑曲線頂管，進行有效的觸變泥漿注漿減租措施，能夠大幅度降低管道的頂進力。

觸變泥漿的配合比依據管道頂進地層類型及地下水位及酸堿性等因素綜合確定，常見配方為：1m3水+5%～7%膨潤土+1‰～2‰CMC（高黏）+片堿（視水的pH值而定，通常為2‰～4‰），其技術參數要求如表-1。

表1 觸變泥漿技術參數

注漿量會隨著地層類型以及超挖量的不同而不同，對于黏性土和粉土不應大于理論注漿量的1.5～3倍，對于中粗砂層應大于理論注漿量的3倍以上。

注漿間距，通常混凝土管取3～5管節，每組注漿孔在同一截面上設2～4個，管底不宜設置注漿孔。在掘進機尾部應設置一組主注漿孔；在每個中繼站處應設注漿孔。管節注漿孔的設置如圖6所示：

圖6 注漿孔的設置

圖7 安裝于管道間的中繼站

2.2.3 中繼站設置

依據GB50286-08和CECS246-2008中規定，采用中繼站如圖-7，應符合下列要求。

①中繼站千斤頂的數量應根據該段單元長度的計算頂力確定，并應有安全貯備。

②中繼站的外殼在伸縮時，滑動部分應具有止水性能。

③中繼站安裝前應檢查各部件，確認正常后方可安裝；安裝完畢應通過試運轉檢驗后方可使用。

④中繼站的啟動和拆除應由前向后依次進行。

⑤拆除中繼站時，應具有對接接頭的措施；中繼站外殼若不拆除時，應在安裝前進行防腐處理。

按照頂進距離、管道直徑，對中繼站的尺寸及行程均提出了具體的要求，其主要性能參數要求如表2：

2.2.4 廢棄泥漿處理

泥水平衡頂管過程中，通過控制進漿管進漿壓力輸送泥漿至泥水混合倉，實現與切削土體及地下水的平衡，并與之攪拌后通過排漿管道抽送至地標泥漿分離系統，實現掘進機端部切削下來土體的排出。在此過程中將產生大量含有切削鉆屑及渣土的廢棄泥漿，對于在繁華地段，廢棄泥漿處理及外運已經成為泥水平衡頂管工程急需解決的問題。

表2 中繼站油缸主要參數、承壓環及管徑的關系

目前通常采用泥水分離系統將廢棄中的鉆屑及渣土通過機械振動脫水分離，分離出較為干燥的鉆渣可以通過貨車外運，分離后的泥漿通過泥漿沉淀并重新調配后重復使用，通過泥水分離系統將大大降低工程中處理廢棄泥漿的成本，更加經濟和環保。圖8是頂管工程現場泥水分離系統處理廢棄泥漿并回收利用的原理以及現場分離系統適用情況。

圖8 泥水平衡頂管工程排泥系統及現場泥水分離設備

3 工程計算

3.1 頂進力

總頂進力計算公式，參考GB50268:08和CECS246:2008中頂進力計算公式，按照公式（1）計算頂進力：

式中：F——總頂進力（kN）；

D0——管道外徑（m）取3.6m；

L——管道設計頂進長度（m），取948m；

f——管道外壁與土之間的平均摩阻力（kN/m2），采用觸變泥漿減阻技術時，其取值參考CECS246:2008中標表12.6.14，取4kN/m2。

F0—— 頂 管 機 的 迎 面 阻 力（kN），按 照計算得到1 192.26kN。

式中：Dg——頂管掘進機外徑（m），取3.62m

γ——管頂覆土的重度（kN/m3），取19kN/m3；

H——管頂覆土層厚度（m），取得6.1m。

帶入數值計算得到F如下

F=3.14×3.6×948×4+（3.14/4）×3.622×19×6.1=44 057.03kN

在估算曲線頂管的頂進力時，應在直線頂管頂進力計算的基礎上，根據曲率半徑增加頂進力附加系數K值，K值可按表3選取。

參考8#-11#3 000mm頂管曲率半徑為1 500m，所以K取值1.1最終得到8#-11#頂管段頂進力F=48 462.73kN，約4 945.18t。

3.2 中繼站計算和設置

中繼站計算和設置依據公式（2）計算得到：

表3 曲線頂管頂進力附加系數K值

式中：n——中繼站數量（取整數）；

fo——中繼站設計允許頂進力（kN）,這里取值12 000kN

帶入計算：

取整n=4，考慮是多曲線長距離大口徑頂管，在工程施工過程中設置了4套中繼站進行頂進分力。

依據公式4.1.1可以得出單位長度管道頂進與土體間的摩阻力R等于：

帶入計算得到R=45.216kN/m

由于施工中中繼站的存在，施工管段將被分成i+1段，每段的長度為Li或Lmps。位于頂管機/盾構機后面的第一個中繼站（IJS1）必須要克服施工中的迎面阻力F0和位于其前部的管道與地層之間的摩擦阻力R；而后面的中繼站則只須克服各自與其前方中繼站之間管道與地層間的摩擦阻力，因此，第一個中繼站的頂推力大小必須滿足公式（3）：

式中：Fijs——中繼站設計允許頂進力（kN）,取值：12 000kN；

Fpipe——管節允許承受最大頂進力（kN）,依據廠家提供參數及CECS137：2002標準，Fpipe＞Fijs.

第一個中繼站的間距（L1）：

考慮到液壓傳動的效率，中繼站理論最大頂進力為12 000kN，折減系數按照0.8計算，帶入公式（4）得到

得到：L1=147.86m

依據中國非開挖技術協會行業標準頒布的《頂管施工技術及驗收規范》，將第一個中繼站按照在掘進機后100m處，即L1=100m。

L2=L3=L4=（12 000×0.8）/45.216≈212.31m

所以8#-11#頂管段中繼站的設置如圖9：

開始頂進前需要完成以下工作：

①全部設備經過檢查和試運轉。

②頂管機在導軌中心線、坡度和高程應該符合要求。

圖9 8#-11#頂管段中繼站設置

③防止流動性土、砂或地下水由洞口進入工作井的技術措施。

④拆除洞口封門的準備措施。

3.3 數據分析

3.3.1 頂進力分析

依據經驗公式計算得到8#-11#頂管段頂進力F=48 462.73kN，約4 945.18t。

管道實際頂進過程中，地層主要為淤泥質黏土，地層較軟，裝置的中繼站均未啟用，全程均由主頂油缸推進管道，頂進過程中出現最大頂進力為8個油缸液壓表指數為24，依據液壓千斤頂截面換算得出，實際最大頂進力F實=8×（24/31.5）×200=1 219.05t。

由經驗公式計算所得頂進力與實際頂進力的差距較大，導致原因如下：

①管道頂進過程中嚴格控制觸變泥漿的技術參數并進行了完整的注漿，泥漿在管道外壁與土體間形成了閉合的觸變泥漿套環，很大程度降低了管道沿程阻力。

②采用ASP智能導向系統控制頂進方向，很好地控制了管道軸線軌跡及曲率半徑，沿程阻力并沒有因為多曲線頂進而出現頂進增大。

③管道頂進地層為淤泥質黏土地層，較為理想。

雖然裝置的4個中繼站均未啟用，但是對工程的順利完工起到了至關重要保障作用。

3.3.2 沉降監測分析

通過對管道頂進軸線兩側監測點以及周圍建筑道橋的沉降監測，通過現場所得數據的整理，得出了管道軸線沿程沉降監測值和軸線附近重點構筑物沉降監測值。如圖10：

從圖中可得到：

①沉降最為明顯的位置是在掘進機進洞，軸線方向上距工作井120m內沉降較為明顯，最大沉降達到38.56cm。

②軸線附近構筑物及道橋的監測，其沉降值均在可控的安全范圍之內。

局部出現較大沉降的原因分析：

①距離工作井附近管道頂進過程中出現進漿壓力過大，刀盤斷面土體出現局部超挖引起地標下沉。

圖10 沉降監測點監測沉降情況

②后繼管道聯系頂進，通過管道外壁與土體間摩阻力帶離部分土體，出現再次超挖，引起二次下沉。

③因構筑物附近周圍存在基坑開挖及回填，地層松散且擾動較大，在掘進機經過該段時也會出現沉降波動。

4 結論和建議

8#-11#頂管段總共歷時140d，成功完成了948m內徑Φ3 000mm混凝土電力管道的頂進，工程施工質量得到業主及設計的肯定。通過本工程的實踐，為探索出適用于武漢地區工程地質和水文地質條件的長距離大口徑曲線泥水平衡頂管技術的工藝和工程經驗及類似長距離、大口徑多曲線頂管工程提供借鑒和參考。

［1］馬保松.非開挖工程［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］GB50268-2008.給水排水管道工程施工及驗收規范［S］.

［3］DB11/TU594.1-2008.地下管線非開挖鋪設工程施工及驗收技術規程［S］.

［4］CECS246：2008.給水排水工程頂管技術規范［S］.