超大口徑鋼頂管施工關鍵技術研究與應用

匡志文

上海上咨建設工程咨詢有限公司 上海 200003

1 工程概況

上海黃浦江上游水源地連通管工程C3標段共有8座頂管井及9個頂進區間，采用DN4 000 mm鋼管。

本工程場地地形稍有起伏，地面標高為＋2.18～＋4.34 m。頂進施工斷面所經過的土層主要有粉質黏土、淤泥質粉質黏土、砂質粉土、黏土、砂質粉土、粉質黏土等。頂管施工將先后穿越泖口河、南大港、環橋港、東塘港、青松港、中心河等河道及水閘。本工程場地內，局部區域有承壓水。

2 頂進施工的機械設備

結合本標段頂管所穿越的土層條件和沿線建（構）筑物的情況，我們選用了先進的大刀盤土壓平衡式工具管。本工程的主頂裝置由8只2 000 kN雙沖程等推力油缸組成，行程3 500 mm，總推力16 000 kN。8只雙沖程油缸組裝在油缸架內。主頂裝置的液壓動力站有2臺大流量斜軸式軸向柱塞泵，采用大通徑的電磁閥和系統管路，可以減小系統阻尼。8只油缸可以單動，亦可聯動。主頂系統由PLC可編程序計算器控制，并采用變頻調速器實現流量的無級調速。根據推力估算，本工程共有6個頂程需要設置中繼間。

3 頂進施工流程

3.1 洞口土體加固和洞口止水裝置

1）本工程頂管進、出洞口均采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁加固土體。進、出洞口的土體加固范圍為：以頂進軸線為基準，上下各3 m，左右各3 m，長度為4 m。

2）本工程管徑大，頂進距離較長，傳統的橡膠“抹套”已不能滿足洞口止水要求。根據工程特點，結合以往類似工程的經驗，決定采用鋼法蘭盤根止水裝置（圖1）。

3.2 工具管出洞及試頂進

1）在工具管出洞前，先通過打觀測孔對洞口外的土體加固效果進行檢測，在確認土體達到預期的止水效果和強度后，才能進行工具管的出洞施工。

2）將工具管出洞后的前50 m頂進作為頂進試驗段。設置頂進試驗段的目的是盡早熟悉工具管的操作方法、掌握工具管各項參數的調節控制方法；熟練掌握減阻泥漿的工藝流程和合理的壓漿量；監測頂進軸線沿線的地面沉降情況，并據此分析不同土層中各種推進參數的設定規律，減少施工對周邊環境和頂進軸線沿線的建（構）筑物的影響；熟練掌握拼接鋼管節的方法，提高焊接的質量和速度等[1-2]。

3.3 正常頂進施工

工具管出洞階段結束后，即可進入正常的頂進施工。在頂進過程中，要經常對頂進的管道軸線進行測量，一般情況下，每頂進一節管節測量1次，有特殊要求的可以增加測量的頻次。每次測量的結果要及時反饋給現場施工的管理人員，用來指導頂進施工。

3.4 進洞施工

工具管接近接收井時，根據貫通測量的結果，在洞口封門中心位置鑿出一個φ10 cm左右的圓洞，查看外部土質情況，并確定好大刀盤的中心位置。做好相應的準備工作后，頂進工具管平穩、快速地進洞。進洞后，及時將工具管吊離，并按要求對接收井的洞口進行處理。

4 頂進施工關鍵技術

4.1 鋼管焊接施工

4.1.1 鋼管節

本工程頂管采用鋼管，直徑為DN4 000 mm，管節長度為6.0 m。管節由制管廠生產，管節的外防腐也是在廠內施工的。經駐廠監理驗收合格后再運往施工現場。

由于管節“體形大”，質量大，故在施工現場只能單層堆放，管節堆放時底部要放置托座，以確保管節的穩定和安全。

本工程的管節坡口采用單邊“V”形40°坡口，上半圓180°為外開口“V”形坡口，下半圓180°為內開口“V”形坡口（圖2）。

圖1 洞口止水裝置

圖2 鋼管節的坡口

4.1.2 鋼管焊接

當一節管節頂進結束后，縮回主頂千斤頂，斷開各種管路和線路，然后吊放下一節管節。利用主頂千斤頂和一些輔助措施，將吊放的管節和前一節對接拼裝好，拼裝好的管節用點焊固定，然后便可進行焊接工作。焊接時將整條焊縫分為4段，由4個電焊工同時作業。焊接完成后，及時清除焊渣和金屬飛濺物。

4.1.3 檢測和防腐

1）管節焊接完成后，先進行外觀質量檢查，具體要求：焊縫和熱影響區表面不得有裂紋、氣孔、斷弧、弧坑和灰渣等缺陷；表面要光順、均勻，焊道與母體應平穩過渡；相鄰管節錯位不大于2 mm，無未焊滿現象。

2）外觀質量檢查合格后，在焊縫附近打上焊工代號，再對焊縫進行100%超聲波檢測。超聲波檢測合格的，進入下一道工序；超聲波檢測不合格的，要對不合格的焊縫進行返工，返工完成后再對返工部分進行超聲波檢測，直到合格。

3）焊縫檢測合格后，施工管節接頭處的防腐層。防腐涂料要嚴格按照設計配合比調制，分層涂刷，寬度要和前后管節的防腐層搭接，厚度應達到設計要求。

4.2 減阻泥漿的運用

4.2.1 注漿孔的布置

經過理論計算并結合同類工程的經驗，本工程的注漿孔布置方法是：每個注漿斷面布置6個注漿孔，環向均勻布置（圖3），注漿孔在制管廠家開設。為保證能夠形成良好的泥漿套，在工具管后的3節鋼管中每一節都布置6只注漿孔，后續管節中每2節鋼管布置1組（6只）注漿孔，即后續管節中注漿孔的縱向間距為12 m。

圖3 注漿孔布置

為了保證補壓漿的效果，在每個中繼間處也均勻布置了6個注漿孔。

4.2.2 注漿量

本工程工具管外徑為4 100 mm，鋼管外徑為4 080 mm，單邊空隙10 mm，管節長度6.0 m。正常情況下，注漿量可按下式估算：

其中，倍率的取值和管徑、地質條件、管節外壁和土層之間的間隙等有關。本工程的倍率取400%，則單節管節的注漿量為：V=3.14×(2.052－2.042)×6×400%=3.08 m3。

注漿量主要由跟蹤注漿和補壓漿這2部分組成。跟蹤注漿是指在頂進時，利用工具管尾部的注漿孔向管道外壁壓注減阻泥漿，及時填充管節外壁和土層之間的空隙，形成完整的泥漿環套。泥漿環套既能減少管節外壁和土層之間的摩阻力，又能對周邊的土層起到支承作用。隨著頂進距離的增加，泥漿環套中的泥漿會流失，因此要通過布置在管道中的注漿孔進行補壓漿，向泥漿套補充減阻泥漿，使其保持良好的減阻和支承作用。為了控制頂進軸線沿線的地面沉降或者保護頂進影響范圍內的建（構）筑物，在頂進施工期間，應經常在管道內對管道沿線進行補壓漿，并在建（構）筑物下方進行定點補壓漿[3-4]。

4.2.3 減阻泥漿的配合比

在綜合考慮本工程的地質條件、所使用的膨潤土的特性并結合以往的施工經驗，通過試驗確定本工程的泥漿配比。

在頂進過程中，根據頂進斷面的土質變化和頂進施工的具體情況，可以對泥漿配合比進行合理的調整，以更好地滿足頂進施工的要求。

4.2.4 減阻泥漿的效果

在頂進施工過程中，施工人員根據頂進斷面的土層變化及時調整泥漿的配合比，并嚴格按照壓漿的操作規程進行跟蹤壓漿和補壓漿，達到超預期的效果。以本工程JB11—JB12頂進區間為例，減阻泥漿的效果論述如下：

1）減阻的效果。JB11—JB12頂進區間長424.64 m，布置1個中繼間。在實際頂進時，由于頂力控制得很好，故沒有采用中繼間接力頂進。根據頂進時的實測數據，可繪制出該頂進區間的頂力（摩阻力）與頂進距離的曲線（圖4）。通過圖4可以看出，在出洞階段，由于不能建立起完整的泥漿環套，故頂力較大且隨頂進距離的增加上升也很快，此時，摩阻力也很大。隨著頂進距離的增加（頂進50 m后），管道外建立起了完整的泥漿環套，頂力開始下降并趨于穩定，在較小的范圍內波動，摩阻力也快速下降并趨于穩定，波動很小。由此可見，本工程減阻泥漿的減阻效果非常明顯。

圖4 頂力與頂進距離曲線

2）控制地面沉降的效果。根據本頂進區間的竣工測量資料，可繪制出頂進軸線沿線的地面沉降曲線。經分析，本頂進區間的地面沉降控制得非常好。沿線最大的沉降量只有9.9 mm，遠小于允許的沉降量，這對沿線的建（構）筑物的保護也是十分有利的。

3）保護建（構）筑物的效果。本區間的頂進要先后穿越青松港和中心河2條河道，頂進期間要對河道的堤岸、擋墻和外側平臺等的沉降情況進行監測，并要根據沉降情況制訂相應的措施，確保它們的安全。監測結果顯示，工具管從出洞到接近測點下方土體的這一過程中，平臺的沉降量變化很小，工具管穿過此點后，沉降量快速增加。通過采取跟蹤壓漿和定點補壓漿的措施，有效地減小了沉降的速率和總沉降量。頂進至80 m時，平臺的沉降速率開始減小，至100 m之后，沉降量緩慢增加，并漸趨穩定。在整個施工期間，該平臺的沉降量始終控制在允許值的范圍內，頂管沿線建（構）筑物和地下管線的沉降也都控制在允許的范圍內。

4.3 中繼間接力頂進

本工程使用的中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式鋼結構件，由前體、后體、千斤頂、動力油泵站、止水密封圈5個部分組成。每個中繼間有20只千斤頂，每只千斤頂的直徑為160 mm，行程為300 mm，推力為80 kN。中繼間采用計算機聯動控制，在特殊情況下，也可以用手動方式控制中繼間的運行。

4.3.1 中繼間頂進程序

中繼間的頂進程序是從工具管向后按順序一次將每段管節向前頂進。一個中繼間頂進時，其他中繼間應保持不動，當所有中繼間依次完成頂進后，由主頂完成最后的頂進作業。

一個頂程有多個中繼間時，為了提高頂進效率，采用中繼間編組的方式運行，比如某一個頂程中放置了3個中繼間，則頂進次序為：1#中繼間頂進→2#中繼間頂進→3#中繼間頂進→主頂頂進，依此循環。

為保證施工安全，在每個中繼間的位置，各種管路要采用柔性接頭過渡；各種線路要留有足夠的伸長余量。

4.3.2 中繼間的處理

頂進施工結束后，通過對中繼間的處理，使其成為管道的一部分，具體的處理步驟如下：頂進結束，整條管道定位后，對中繼間前后管道壓注雙液漿，防止外側泥漿通過中繼間滲漏進來；壓漿完成后，從第1個中繼間開始，依次拆除各中繼間的千斤頂和附屬結構件；封堵中繼間處的注漿孔；割除多余中繼間筋板，保留與鋼管內壁緊貼的一圈環向鋼板，端部鋼板割除后進行焊接；對焊縫的質量進行檢查、檢測；施工內防腐。

4.4 軸線測量和糾偏

4.4.1 軸線測量的方法

本工程使用的測量儀器和設備主要有全站儀、水準儀、光靶測量板等。

設置在管道內的接收激光束的光靶傳感器和數據處理系統組成了頂進姿態測量的控制系統，用來測量安裝在工具管切削艙上的測量板的垂直和水平位移、激光入射水平角以及工具管切削艙仰角和滾動角。操作人員通過遠距離攝像監控及微機系統，對測量數據進行處理，并將處理結果（工具管的軸線偏差）顯示在操作室的屏幕上，頂進施工人員可以據此對工具管進行糾偏。工具管出洞前，先測出安裝在工具管切削艙上的測量板的仰角、滾動角、水平角這3個數據，再測出激光基準點相對于工具管的位置，將上述測量數據輸入計算程序，作為工具管初始位置的參數。

在實踐中，還采用了測工具管“趨勢”的方法。激光束發射到測量板上后，測出光點在測量板上的位置，計算出工具管軸線與激光束軸線的關系、工具管的仰角和滾動角，控制系統會計算出測量板對應的頂管軸線與頂管設計軸線的偏差值。通過工具管實際軸線與設計軸線夾角，可以預測出工具管切削艙的偏差趨勢。通過這些顯示在頂管機操作屏上的數據，施工人員可以及時調整工具管的頂進方向，將軸線偏差控制在合理的范圍內。

4.4.2 軸線糾偏

頂進軸線的糾偏主要是通過工具管尾部的糾偏系統進行的，方法是通過調節糾偏千斤頂的伸縮量，改變工具管的姿態，使頂進軸線逐步向設計軸線靠攏，達到糾偏的目的。例如，當頂進軸線向左的偏移值達到或超過允許值時，即可將糾偏系統左側的千斤頂伸出一定的量（根據糾偏量的大小確定），然后鎖定糾偏系統，通過一段距離的頂進，軸線會逐漸向設計軸線靠近。在進行軸線糾偏時，還可以結合工具管的姿態進行。根據工具管姿態的變化，可以確定頂進軸線大致的發展趨勢，從而提前對軸線進行微量糾偏，這種方法的好處是糾偏緩和、軸線平滑。

根據現場竣工測量及第三方監測的監測結果，本項目的管道軸線誤差均小于3 cm，遠小于允許值[5-7]。

4.4.3 工具管旋轉糾偏

工具管的刀盤在切削正面的土體時會產生扭矩，這會導致工具管產生旋轉。由于刀盤正反轉均可以出土，故通過控制工具管刀盤的正向轉動和反向轉動的交替使用，就可以糾正工具管的旋轉。工具管旋轉角度較大時，可能會對相關的設備和機械的運行造成不利影響，因此在本工程中設定了工具管的允許旋轉角度≤1.5°，當轉角達到1.5°時，工具管的自動控制系統會報警，提示操作人員切換刀盤旋轉方向，進行反轉糾偏。

5 結語

通過本工程的實踐，我們成功地實施了超大口徑鋼頂管施工中的管節焊接、減阻泥漿應用、中繼間接力頂進、軸線測量與糾偏等關鍵技術。

這些關鍵技術既可供類似工程借鑒，也為更大口徑、更長距離的鋼管頂進施工做了技術準備，并積累了相關的經驗。