大直徑長距離曲線頂管在軟硬土層中的綜合應用

文｜廣東省基礎工程集團有限公司 余劍鋒

1 前言

隨著城市化進程的快速推進，土地緊缺、交通擁擠等問題日益加劇，合理開發地下空間已成為解決上述問題的有效途徑，頂管法以其非開挖敷設管道的技術在地下空間開發上越來越多地采用。在實際工程中，由于地下管線的綜合性越來越強，穿越土質越來越復雜，且平面上受到道路形狀的制約、地面建筑物保護的影響，豎向上存在地質條件的差異性等因素，促使頂管工程向大直徑、長距離、曲線方向發展。

在珠江三角地區，地下水十分豐富，泥水平衡式頂管較多應用于工程實踐，本文依據三山島內110kV及220kV架空線路改遷工程中的一段頂管實例，介紹大直徑長距離曲線頂管在軟硬土層中的綜合應用，對以后類似工程提供參考。

圖1 頂管軸線上地表情況

圖2 曲線繞過廣珠西線橋墩

圖3 2#-1#管道平面圖

2 工程概況

三山島內110kV及220kV架空線路改遷工程位于佛山市南海區三山大道側，該工程主線路采用DN3500鋼筋混凝土頂管施工。其2#～1#段為一次性頂進679m，且為曲線頂進，在距2#始發井420m處進入曲線段繞開廣珠西線橋墩，曲線段長度約154m，曲率半徑R=1000m，管頂平均覆土厚度為5.5m，全段穿越強風化泥質粉砂巖、微風化砂巖、粉質粘土和淤泥層，其中硬巖段巖石單軸抗壓強度高達88.6MPa。沿途存在大量高壓電纜、軍用光纖電纜、自來水管和雨水管等管線。

3 復合地層大直徑長距離曲線頂管技術

本工程為大直徑（外徑4.14m）、長距離（長度679m）、硬巖（抗壓強度88.6MPa）、曲線（曲率半徑1000m）頂管集成為一體的綜合頂管工程。根據以往完成的大直徑、長距離、硬巖和曲線頂管經驗，從刀盤刀具選擇、曲線控制、注漿減阻、中繼接力、電壓降補償等控制因素出發，分析各因素的綜合影響，研究探索綜合性頂管施工技術。

3.1 頂管機選型

工程穿越地層為復合地層，頂管段需要穿越地層依次有：強風化泥質粉砂巖—粉質粘土—微風化砂巖(長度約90m，單軸抗壓強度約88.6MPa)—粉細砂—粉質粘土—淤泥，巖層芯樣如圖4。同一斷面土質軟硬不均，沿頂進方向土質變化大，頂管機刀盤設計和刀具布設具有較大難度。

（1）刀盤面板

為了克服硬質巖層，頂管機采用6根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅動裝置并且作為刀盤面板的基座，刀盤采用面板式設計，在巖層施工中，

圖4 頂進地層巖石芯樣圖

圖5 頂管機刀盤刀具圖

圖6 頂管機刀盤改造圖

圖7 測量系統示意圖

圖8 曲線頂管測量

這種刀盤結構穩固，可承受更大的推力和扭矩。刀盤開口率約為25%，滾刀設計為12”雙刃滾刀，共17把。

（2）破碎艙改造

破碎艙在頂管機的前端，與刀盤共同形成對大塊巖石第二次破碎。刀盤開口允許進入的最大顆粒尺寸為200 mm。當大塊石塊經刀盤開口進入破碎艙后，刀盤背部的牛腿與錐形破碎艙下部的突起耐磨破碎筋組成剪切破碎機構。

刀盤牛腿的耐磨板表面到錐形破碎艙表面的距離是不同的，不同的間距可把大塊石頭分級破碎，最后令碎石顆粒尺寸滿足排渣要求。每根牛腿到錐形破碎艙表面的距離從10 – 80 mm不等，地面的排渣口允許最大通過顆粒尺寸為50 mm。

3.2 曲線頂管施工技術

曲線頂管與直線頂管不同，直線頂管只要求后續管節隨頂管機直線運動，而曲線頂管要求直線狀管節沿弧線運動，這樣就要求頂管機擴孔超挖，否則管節就無法進入圓弧段。

（1）曲線段超挖量計算

曲線頂管的曲線段孔洞須有足夠的超挖量，超挖量大小與曲率半徑、管節長度有關，管道理論超挖量可按下式計算：

式中 M—理論超挖量(m)；

R—曲率半徑(m)；

D1—管道外徑(m)；

L—管節長度(m)。

（2）曲線段線型控制

在曲線段頂進過程中，整體管節的線型需要通過管節接口張開程度來控制。曲率越小，管節間張口越大；反之，曲率越大，管節間張口越小。為保持曲線頂管線型，管節張口應隨著頂管頂進過程發生變化。為控制張口量的變化，需在管節張口間塞鋼墊片，墊片厚度有5mm、8mm、10mm，并可互相組合。

施工過程中，對進入曲線段管節接口及時塞墊片，并觀察每一接口墊片的松緊，對松動墊片進行更換或增加，并注意管節張口間的止水效果。

（3）曲線段線型測量

在曲線頂管中因管內測站位置會隨著管節頂進而變化，且管內測站需在隧道內采用“之”字形折線布置才能保證通視。

曲線頂管中，為提高測量精度，利用固定轉點測站進行引測，防止測點在測量過程中移動影響測量精度。為提高測量速度，每個轉點均采用強制對中法進行儀器安裝；為配合測點安平，每個棱鏡頭配一個棱鏡基座。

測量時，由頂管工作井安裝一臺固定于儀器墩上的自動全站儀T1及固定于井壁上的二個后視點（PL和PR）組成頂管貫通測量地下導線的起始基準點，隨頂管頂進的長度和線形在管道內固定安置T2，T3，…中轉測站。由離機頭最近的全站儀最后測量固定安置于機頭內的棱鏡P1、P2坐標，然后求算當前機頭位置中心P0坐標。

（4） 中繼間線型調整

曲線頂管時，孔洞軸線與頂進管節軸線往往是不一致的，頂進管節軸線會向曲線外側偏移，這樣管節頂力的合力中心會偏向曲線內側，如果這時管節中設置了中繼間，可通過調整中繼間的合力中心，使其與管節頂力的合力中心一致，以保持曲線段平穩頂進。

圖9 施工中的曲線頂管

圖10 成型的曲線頂管

圖11 滾刀磨損情況

中繼間頂力調整的辦法是曲線外側的中繼油缸停用，停用數量可理論計算，也可通過觀察調整。簡便一點的方法是在中繼間工作時觀察前后段管節間轉角的變化，若轉角增加，表示要增加停用的油缸數量；反之則減少停用油缸數量；當轉角不變時，可認為到達平衡。

3.3 復合地層頂管施工技術

對于軟硬綜合地層中曲線頂進施工，除了對頂管機選型、曲線線型控制外，還要對頂進過程的施工參數進行控制。針對不同土質，調整不同的頂進參數，以適應不同地層施工。

（1）粘土層

在粘土層地質頂進施工中，由于粘土的粘性造成在頂進中極易形成泥餅，裹住頂管機刀盤，前方土體無法切屑和排出，會造成頂管頂力偏大，刀盤電流突增等問題。

該地層頂進需要減慢頂進速度（頂進速度<20mm/min），同時通過改變頂管機電機運行頻率加快刀盤轉速，讓粘土充分進行攪拌。并使用高壓清水進行沖洗，減少泥餅的形成。循環泥漿粘度控制低于22s。同時可采用化學添加劑改善粘土性能。

（2） 淤泥層

淤泥地層含水率大、孔隙比大、壓縮性高、承載力較差，由于頂管機自身重量較大，在承載力較差的淤泥層極易產生下沉。因此，在頂管機進入淤泥層時，應將頂管機下糾偏千斤頂稍稍伸出，并加快頂進速度，將泥水倉泥水壓力提高至比地下水位高出20kPa左右，泥漿粘度控制在22s以上，并控制好進排漿壓力。

（3）硬巖層

頂管機在硬巖段頂進時，應采取慢速頂進，減少刀具的貫入度，避免滾刀蹦口的現象，如圖11a、11b所示；同時，在頂進中應進行高壓清水的輸送，一是為了降低刀具的溫度，二是對滾刀上粘土進行沖洗，減少偏磨的現象，如圖11c。另外，頂管機在巖石切削中會產生石粉，容易在沉底堆積，抬升管節，使管節與頂部巖層擠壓卡死，所以要控制好循環泥漿的濃度，及時補充新的觸變泥漿。

在硬巖段頂進時，軸線控制也非常關鍵。硬巖段糾偏難度大，糾偏空間有限，且會加大刀具磨損量，存在頂管機卡住的風險。因此，在巖石層頂進時要控制好頂管機姿態。

3.4 長距離頂管施工技術

在長距離頂管中，不僅需要通過注漿減阻來減少頂進過程中的阻力和通過中繼接力來增加頂進中的推力，還需要考慮電壓降的問題。

（1）注漿減阻技術

針對長距離硬巖頂管，需要克服頂進過程中管體外表面與巖層之間摩阻力大的問題，首先采用壓注觸變泥漿減少摩擦阻力。注漿可使管周外壁形成泥漿潤滑套，使管節受到一定的浮力，減少管節與周邊土體的接觸面積，從而降低了頂進時的摩阻力。

根據試驗研究表明，采用膨潤土配置的觸變泥漿其濃度對粘度、潤滑性有影響，從而改變摩擦阻力系數，下表1對比了觸變泥漿濃度的變化對其粘度、比重和流動性、凝膠性能的影響。

在頂管施工中，為了壓注觸變泥漿后在管道外壁能形成穩定的泥漿套，漿體應保持一定粘度，不能離析，才能具有膠凝護壁的效果；同時，考慮到注漿管中的漿體流動性及注漿持續性，漿體粘度又不宜過大，這就要求泥漿根據地層特性取其綜合性能。

表1 觸變泥漿配比表

觸變泥漿壓注要以同步注漿為主，補漿為輔，先注后頂，隨頂隨注，及時補漿。在停止頂進及開始頂進前應壓注觸變泥漿，減小再次啟動的頂推力。在頂進過程中，注漿壓力應比地下水壓力略高，但也要避免擊穿地面影響注漿效果。泥漿注漿量應控制在管土間縫隙空間體積的1.5～2.0倍。

（2）中繼接力技術

圖12 觸變泥漿配置

圖13 觸變泥漿壓注

圖14 管節中的中繼環

圖15 中繼環中的千斤頂

圖16 變壓器降壓裝置

長距離頂管中，克服頂進過程中管體外表面與巖層之間摩阻力大問題第二個方法是采用中繼接力。中繼接力是在頂進管節中放置一個或幾個由數十個小千斤頂組成的中繼環，這些中繼環以后部的管節段獲取后座力來推動前部的管節段，然后再在其后部中繼環或主頂千斤頂的頂推力作用下小千斤頂復位，以備下一次頂推。這樣，長距離頂管就被中繼環分成數小段依次頂進，減小了主頂千斤頂所需配備的后座力，降低了對井體結構的性能要求。

（3）長距離配電技術

長距離頂進后，由于傳輸用電纜不斷增長，導致電功率損耗加大，電壓下降，頂管前端電機不能正常運轉。

采用升降壓裝置，在始發井內放置升壓裝置，將380V輸入電壓升至1000V輸出電壓，再用中壓電纜輸送至離頂管機30m左右位置的降壓器，轉換成380V電壓輸出給頂管電機。

這樣可以節省管道內輸電線纜的布設，減小輸送電纜損耗的功率，滿足長距離頂管電機用電功率要求。但目前也存在升降變壓器體積較大，管內運輸和安放都較困難的確定，需要以后進一步改進。

4 結論

本文通過大直徑長距離曲線頂管在軟硬地層施工的工程實例總結了該項技術應注意的幾個問題：

（1）在復雜地層曲線頂管時，刀盤刀具的配置應綜合考慮刀盤抗扭、刀具破巖和破碎倉二次破碎問題。

（2）由于曲線頂管不能通視，曲線段測量應采用測站進行轉點，并強制對中、多次測回進行測量誤差的控制。

（3）軟硬土層施工時應根據不同土層調整頂進參數，達到各不同地層的平順過渡和順利頂進。

（4）長距離頂進時可考慮采用利用觸變泥漿綜合性能進行注漿減阻施工和合理布設中繼環，達到頂力分步傳遞，同時注意電壓保證措施。

本文總結了在復雜地質條件下采用大直徑、長距離曲線頂管需要注意事項，在城市地下空間迅速發展的今天，大直徑曲線頂管施工技術有著廣闊的發展前景，本文可為今后類似工程提供借鑒意義。