大直徑豎曲線(xiàn)鋼頂管施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王建明

（上海羽暢建筑工程有限公司，上海市 201202）

1 工程概述

某頂管為雙排鋼管頂進(jìn)，頂進(jìn)長(zhǎng)度約為741m×2，鋼管外徑1820mm，壁厚18mm，為避讓深埋管線(xiàn)，只能從管線(xiàn)下方管經(jīng)過(guò)R=12000m曲線(xiàn)后頂入接收井。鋼管作為頂管工程的管道已應(yīng)用比較廣泛，通常情況下，由于鋼管管道接口采用焊接形式連接，不具備形成曲線(xiàn)線(xiàn)形的條件，一般情況不采用曲線(xiàn)頂進(jìn)，但該工程該頂段情況特殊，方案經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)審可行后采用豎曲線(xiàn)頂進(jìn)。

該工程整條管道位于第④層淤泥質(zhì)黏土，土質(zhì)較均有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性高。針對(duì)本標(biāo)段頂管的土層性質(zhì)，采用泥水機(jī)械平衡式頂管機(jī)。該頂管機(jī)能平衡切削面水、土壓力，有效控制地面沉降，操作安全可靠，施工進(jìn)度快。

2 曲線(xiàn)頂管參數(shù)及特殊管結(jié)構(gòu)

2.1 頂管軸線(xiàn)曲線(xiàn)參數(shù)

73-1#～73#段頂管總長(zhǎng)為741m，從工作井73-1#開(kāi)始450m后進(jìn)入豎曲線(xiàn)段（向上爬坡），約291m后曲線(xiàn)段完成，曲線(xiàn)段直接頂入73#接收井內(nèi)，如圖1所示。

2.2 特殊管節(jié)布置

73-1#～73#頂段為豎曲線(xiàn)頂管，管道進(jìn)入曲線(xiàn)段長(zhǎng)度約為291m，鋼管長(zhǎng)度為8m/節(jié)，曲線(xiàn)段每5節(jié)（41.5m）鋼管后面設(shè)置一環(huán)特殊管（1.5m/節(jié)），按此推算該段頂管曲線(xiàn)段需要特殊管8節(jié)（特殊管型式同中繼環(huán)）。

圖1 頂管曲線(xiàn)參數(shù)及周邊環(huán)境

2.3 曲線(xiàn)段開(kāi)口量計(jì)算

73-1#～73#頂段：鋼管外徑D=1820mm，頂進(jìn)長(zhǎng)度L=741m，設(shè)計(jì)曲率半徑R=12000m，管道長(zhǎng)度（5節(jié)8m鋼管+特殊管1.5m）41.5m，L=41.5m。

曲線(xiàn)段開(kāi)口夾角：β=2sin-1（L/（2R-D））=2sin-1（41.5/（2×12000-1.82））=0.19817°

曲線(xiàn)段開(kāi)口量：Δ=2Dsin（β/2）=2×1.82×sin（0.19817/2）≈0.0063≈6mm

進(jìn)入曲線(xiàn)段后管道單邊張口拉開(kāi)，鋼管處于單邊受力狀態(tài)，為避免特殊管承插口處鋼管與鋼管直接接觸，承口處設(shè)置1cm以上厚度的木襯墊。

特殊管結(jié)構(gòu)型式同中繼間結(jié)構(gòu)。

3 頂力控制及中繼環(huán)布設(shè)

3.1 73-1#～73#頂段頂力的計(jì)算

地面平均標(biāo)高為5.0m，管道埋深H取平均值13.58m。

機(jī)頭外徑D=1.85m，鋼管外徑D=1.82m，ht=H-D/3=13.58-0.617=12.963m。

土層的基本參數(shù)，整條管道所在土層為④層土內(nèi)，因此：r土=16.8kN/m3，C=10kPa，φ=12.5°。

頂力計(jì)算包括到刀盤(pán)正面土壓力和管道摩阻力兩部分[1]。

3.1.1 頂進(jìn)時(shí)刀盤(pán)正面平衡土壓力計(jì)算

泥水平衡設(shè)備因機(jī)殼泥水平衡正面水壓力，固 r0=r土-r水=16.8-9.8=7kN/m3。

3.1.2 頂力估計(jì)

F=F0+f×L（f為每延長(zhǎng)米管外壁摩阻力，L為管道長(zhǎng)度）F0為封閉式工具管迎面阻力:F0=π/4·D2·P設(shè)。F0=π/4·D2·P設(shè)=3.14/4×1.852×124.66=334.919kN

f為考慮注漿工藝時(shí)管壁外單位長(zhǎng)度摩阻力f=f1πd（其中f1為單位面積管外壁摩阻力）。

本段頂管為直線(xiàn)+曲線(xiàn)頂管，由于曲線(xiàn)段采用特殊管為中繼間形式，故不考慮曲線(xiàn)段摩阻力，直線(xiàn)段 f1取 2kN/m2,f=f1πd=2×3.14×1.82≈11.43kN/m。

3.1.3 頂力F控制

頂管工作井的設(shè)計(jì)允許最大頂力為4000kN，中繼環(huán)允許頂力為8000kN（由18個(gè)500kN的油壓千斤頂組成），對(duì)頂管工作坑的最大允許頂力、管材的允許頂力以及地質(zhì)情況等因素進(jìn)行綜合考慮。該工程安全系數(shù)為60%～80%。

主頂控制頂力：F=4000×80%=3200kN中繼環(huán)控制頂力：F=4000×70%=2800kN

3.1.4 頂進(jìn)距離控制

（1）主頂頂距控制

主頂（此時(shí)用主頂油缸推進(jìn)管道和機(jī)頭），因直線(xiàn)段頂距為526m，超過(guò)主頂頂距，摩阻力取f直=2kN/m2，主頂頂進(jìn)時(shí)不考慮機(jī)頭正面土壓力，故F如下：

計(jì)算值：L＜280m

在頂距小于280m時(shí)，或頂力控制在3200kN以下時(shí)，可直接采用主頂油缸頂進(jìn)。

（2）中繼間布置

根據(jù)前面計(jì)算和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，1#中繼間頂進(jìn)中考慮機(jī)頭正面土壓力，要靠近機(jī)頭，該段頂管前約230m處于曲線(xiàn)管道內(nèi)，中繼間距離間距在49.5m內(nèi)，后面為直線(xiàn)管道，中繼間距離控制在280m內(nèi)，最后一環(huán)與主頂間距離控制在主頂允許頂距內(nèi)。綜合曲線(xiàn)特殊管布置間距與上述頂力計(jì)算，73-1#～73#頂管施工中繼環(huán)布置如表1和圖2所示。

表1 曲線(xiàn)段中繼環(huán)設(shè)置參數(shù)表

圖2 曲線(xiàn)段中繼間布置示意圖

3.2 中繼環(huán)閉合

中繼環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。頂管機(jī)頭進(jìn)入接收井后，對(duì)中繼間兩道密封圈之間的專(zhuān)用注漿孔內(nèi)壓注聚氨脂防水堵漏劑，以防止外側(cè)泥漿通過(guò)中繼間滲漏。漿液壓注完成，割除多余中繼間肋板、法蘭，中繼環(huán)后殼體前段坡口處直接與前殼體中部焊接。中繼間閉合焊接措施：中繼間閉合焊接采用與鋼管組對(duì)焊接相同的焊絲。

圖3 中繼間結(jié)構(gòu)示意圖（施工中）（單位：mm）

圖4 中繼間結(jié)構(gòu)示意圖（施工后）（單位：mm）

焊接前將鋼板表面用磨光機(jī)打磨干凈，不得有銹蝕、油漬及其他污跡，對(duì)焊接剖口角度不符合要求的用手提沙輪機(jī)修磨。點(diǎn)焊時(shí)應(yīng)對(duì)稱(chēng)施焊，其焊縫高度應(yīng)與第一層焊接厚度一致。

4 沉降計(jì)算及沉降控制

4.1 沉降計(jì)算

頂管施工過(guò)程的沉降量與其失土率基本成正比例關(guān)系，按規(guī)定失土率計(jì)算其最大沉降量（δmax）可按包絡(luò)公式估算：

式中：Vl=失土率×V（V=2.687m3為計(jì)算管道單位出土量，機(jī)頭外徑1.85m）；i為沉降槽寬度系數(shù)，tg38.75°）≈7.21。其中，V1為超挖量，H為管道中心深度（此處 H=14.5m），φ=12.5°。

沉降盆寬度B=2W，其中W為影響范圍，W=2.5i，B=2×2.5×7.21≈36.05m。

4.2 沉降分析

（1）開(kāi)挖面引起的地層損失

與選用機(jī)頭類(lèi)型有關(guān)，本公司采用DT式泥水平衡頂管機(jī)頭，采用泥水倉(cāng)平衡正面土壓力，大刀盤(pán)切削正面土體，開(kāi)挖面失土率約在1%，相應(yīng)的失土率體積為0.026m3。

（2）機(jī)頭糾偏引起的地層損失

式中：α%為糾偏角弧度夾角；r為工具管外半徑；V為工具管單位出土量。

該工程中，α取0.3°，D=1.82m，L=3m，α%為相應(yīng)弧度,

單位長(zhǎng)度體積V=0.25πd2×1=2.6m3

失土體積=0.1019m3

（3）管道外周環(huán)形空隙引起的土層損失

一般機(jī)頭外徑較管道外徑大2～4cm，因此機(jī)頭頂過(guò)后管道外周產(chǎn)生環(huán)形空隙，如不能充分注漿充填，則使周?chē)馏w擠入環(huán)形空隙，導(dǎo)致地層損失[2]。

a.機(jī)頭外徑與管道外徑不同而引起的地層損失

式中：D為機(jī)頭外徑；a為機(jī)頭外周半徑與管道外徑之差；K為注漿未充滿(mǎn)度，壓漿最差時(shí)K=1，注漿良好時(shí)，K=0.2～0.4。

b.長(zhǎng)距離頂管每個(gè)中繼間穿過(guò)地層，因其外徑與管道外徑不同而引起的地層損失

我校是一所貧困縣縣城小學(xué)，近年來(lái)生源劇增，學(xué)困生數(shù)量增多。為了提高辦學(xué)質(zhì)量，急需進(jìn)行學(xué)困生轉(zhuǎn)化工作，改變現(xiàn)狀。要改變這一局面，就要對(duì)“學(xué)困生”學(xué)習(xí)困難認(rèn)知特點(diǎn)及教學(xué)對(duì)策進(jìn)行調(diào)查、分析，才能有針對(duì)性地加以解決。學(xué)困生形成的原因是多方面的，歸結(jié)起來(lái)有以下幾種。

式中：D2為中繼間外徑；a2為中繼間外徑與管道外周半徑之差；K2為中繼間穿過(guò)后補(bǔ)漿不足率，補(bǔ)漿最差時(shí)，K2可達(dá)0.5，而補(bǔ)漿理想時(shí)K2→0。

當(dāng)中繼環(huán)外徑與管外徑一致時(shí)Vc2=0

c.相臨管節(jié)外壁不平整度過(guò)大時(shí)，引起地層損失

式中：DP為管道外徑；aP為相臨管節(jié)的管道外周半徑的差值；KP為注漿不足率，aP＜ 5mmKP→0，aP＞10mm，KP=0.5～0（注漿良好可為 0）；n 為穿過(guò)某處地層的管節(jié)半徑值大于3mm的出現(xiàn)次數(shù)，可根據(jù)管節(jié)制造精度及安裝精度估計(jì)。

環(huán)形間隙引起的土層損失Z=0.0456+0.0218+0.0771=0.1445m3

總失土體積V1=0.026+0.1445=0.1705m3

綜上，本段頂管估算累計(jì)失土率=0.1705/2.6×100%=6.5%

最大沉降量：δmax=0.1705/（2.5×7.21）=9.6mm

4.3 沉降控制措施

因本段頂管施工過(guò)程中需要穿越較多地下公用管線(xiàn)，其對(duì)沉降相對(duì)要求較高，因此其穿越段失土率基本按5%以?xún)?nèi)控制，其余部分失土率可按9%以?xún)?nèi)控制。

（1）設(shè)備地面沉降隆起與刀盤(pán)正面水壓力、土壓力有直接關(guān)系，本泥水平衡頂管機(jī)具有自動(dòng)平衡正面土壓力、水壓力的特點(diǎn)，故正面水土流失引起的地面沉降較易控制。穿越地物時(shí)可根據(jù)地面連續(xù)50m內(nèi)三個(gè)斷面的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)群將正面土壓、水壓調(diào)整到最佳值。

（2）頂進(jìn)軸線(xiàn)偏差也會(huì)引起較大的地面沉降，故在頂進(jìn)操縱時(shí)，操縱人員要認(rèn)真、仔細(xì)分析機(jī)頭偏差量，謹(jǐn)慎糾偏，確保管道偏差控制在盡可能小的范圍內(nèi)。

（3）適當(dāng)控制泥漿排除量同樣可降低地面沉降量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整出漿量來(lái)控制。

（4）認(rèn)真控制觸變泥漿注入量，適當(dāng)補(bǔ)漿有效填充管道空隙，也是控制地層沉降的有效措施。

5 鋼管曲線(xiàn)頂進(jìn)技術(shù)控制

（1）機(jī)頭前、后兩只鋼殼相套而成，為二段一鉸的焊接鋼結(jié)構(gòu)圓筒，糾偏油缸設(shè)置在前、后殼體之間，可使前、后兩殼體在三維作相對(duì)作用后產(chǎn)生折角糾偏。頂進(jìn)軸線(xiàn)的偏差與管道頂進(jìn)阻力、地面沉降、管道接口的水密性及管道水力條件有很大關(guān)系，根據(jù)測(cè)量的機(jī)頭位置數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)頭的前后殼體間折角、機(jī)頭滾動(dòng)角、傾斜儀讀數(shù),即可算出機(jī)頭的現(xiàn)存偏差及發(fā)展趨勢(shì)。

（2）根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)確定是否需要糾偏。決定糾偏時(shí)動(dòng)作不要過(guò)大，根據(jù)管道行程可逐漸放大，如偏差較大時(shí)不可在同一節(jié)管道內(nèi)完成糾偏動(dòng)作，應(yīng)根據(jù)機(jī)頭偏移值計(jì)算其偏離角度同糾偏最大機(jī)頭折角比較，估算糾偏油缸伸出量，通過(guò)一段管道長(zhǎng)度修正偏移值。

（3）在頂管機(jī)尾部的過(guò)渡環(huán)后面的是第一節(jié)特殊管（中繼間形式），8m鋼管與第一節(jié)特殊管連接，根據(jù)不同曲率半徑布置相應(yīng)的特殊管間距，頂管施工時(shí)中繼間作為特殊管能起到糾偏的作用。

（4）頂管機(jī)進(jìn)入曲線(xiàn)段時(shí)，為避免機(jī)頭糾偏量過(guò)大或不足情況下，偏離設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，將機(jī)頭和過(guò)渡套下部螺栓擰松預(yù)留3mm，并將上半部分螺栓擰緊；在頂管機(jī)頭進(jìn)入第二段向下曲線(xiàn)時(shí)，則應(yīng)該采用相反的措施。

（5）以姿態(tài)控制曲線(xiàn)圖指導(dǎo)糾偏，并確定報(bào)警值，以避免姿態(tài)失控的情況發(fā)生。

（6）當(dāng)機(jī)頭進(jìn)入曲線(xiàn)段，由專(zhuān)人24h觀察所有曲線(xiàn)段的管道開(kāi)口量情況，量測(cè)管縫張開(kāi)量，并隨時(shí)插入三夾板（大于環(huán)縫大半的部位），以均勻接口受力，控制開(kāi)口量；發(fā)現(xiàn)接口的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形和破壞的隱患時(shí)，立即停止頂進(jìn)，對(duì)危險(xiǎn)的接口進(jìn)行加固處理。

（7）73-1#～73#頂段管道前291m（曲線(xiàn)段），曲線(xiàn)段每2m設(shè)置一環(huán)壓漿閥管，即每根管道設(shè)置4環(huán)壓漿閥管，曲線(xiàn)后200m每4m設(shè)置一環(huán)，即每根管道設(shè)置2環(huán)壓漿閥管，剩余250m每8m設(shè)置一環(huán)，即每根管道設(shè)置1環(huán)，每環(huán)壓漿孔90°均布4個(gè)壓降球閥。

（8）漿液配制重量比：膨潤(rùn)土∶CMC∶純堿∶水 =104∶1.05∶3.05∶800

6 結(jié)語(yǔ)

該工程采用泥水平衡式曲線(xiàn)頂管施工。根據(jù)地質(zhì)情況配制泥漿，運(yùn)用壓密注漿技術(shù)來(lái)控制泥水平衡式曲線(xiàn)頂管施工所引起的沉降，通過(guò)中繼環(huán)的設(shè)置解決了曲線(xiàn)管道的頂進(jìn)，提高了復(fù)雜環(huán)境下頂管的適應(yīng)性，施工技術(shù)的運(yùn)用效果良好，可供日后同種工況條件下的泥水平衡式頂管施工借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[2]韓選江.大型地下頂管施工技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.