大口徑曲線頂管關鍵施工技術

蔡文彪

（上海公路橋梁（集體）有限公司，上海市 200433）

0 引言

為了減少在軟土地區大開挖時對鄰近建筑、管線和道路交通的影響，往往采用頂管法施工。頂管法施工從過去的簡單化、單一性發展到現在的專業化、多樣性。頂管掘進機也從敞開式機械化程度低的手掘式、網格擠壓式發展到封閉式、機械化程度高的土壓平衡式、氣壓平衡式和泥水平衡式[1]。目前，長距離、大口徑、小曲線頂管施工技術正得到不斷應用和發展。曲線頂管形狀也由平曲線、豎曲線，發展到水平與豎向兼而有之的空間曲線。曲線頂管技術在日本和歐美國家早已開始使用，并有了一些成功經驗[2]。日本的曲線頂管技術開始于1965年熊本市直徑1 200mm下水道的施工，并取得了成功，20世紀80年代開始廣泛應用。法國曾成功完成曲率半徑為200m，M型曲線的鋼筋混凝土頂管施工。我國在20世紀末也陸續開始使用曲線頂管施工技術，并取得了較快的發展和較為廣泛的應用，例如上海蘇州河綜合整治工程、上海合流污水治理二期工程、上海市區地下排水管線工程等等都是采用曲線頂管技術。以下淺析潘廣路～逸仙路電力隧道工程一標大口徑曲線頂管關鍵施工技術的成功應用及施工要領。

1 工程概況

1.1 工程簡介

潘廣路-逸仙路電力隧道是聯系500 k V楊行變電站～500 k V虹楊變電站的電力電纜的關鍵通道，線路全長約14.36 km，全線共設15座工作井。

本標段井位施工范圍為1號井～7號井，均采用地下連續墻圍護施工（出入口：S M W工法樁圍護）；隧道區間施工范圍為1號井～8號井，隧道采用單管頂管施工，隧道內徑為D N3 500mm，本標段頂進距離全長約6 351m。

本標段工程頂程最長段6號井～5號井（江楊北路寶楊路～江楊北路友誼西路）為1 199.34m，頂管段內共4段曲線頂管，曲率半徑均為R=650m，管材采用鋼筋混凝土管，外徑4 140mm，管節長度為2.5m。

1.2 地質情況

工程沿線除局部受古河道切割影響，上海市標志性硬土層⑥層暗綠～草黃色黏性土缺失，并沉積有較厚的⑤層外；大部分地段均有⑥層發布，屬上海地區正常沉積區。各土層的土性描述見表1。

本工程6號井～5號井頂管管頂覆土在13.6～30.8m之間，頂管頂進穿越⑦、⑧1號土層，穿越地層含水量大，透水性強。

2 難點分析

2.1 頂管在⑦、⑧1號土層內頂進，頂管施工難度大風險高

本工程6號井～5號井頂管管頂覆土在13.6～30.8m之間，頂管頂進穿越⑦、⑧1號土層，穿越地層含水量大，透水性強。由于頂進距離長，頂管頂進中管節接口處橡膠圈及密封膠磨損相當厲害，以及中繼間密封圈磨損較大。必須加強對管節接口處橡膠圈及密封膠、中繼間等薄弱環節的密封處理，以便解決好管節的密封防水問題，以確保混凝土頂管內的施工作業安全。

表1 地層特性表

2.2 頂管軸線測量控制難度大

由于本工程6號井～5號井頂管頂程為1 199.34m，管材采用鋼筋混凝土管，外徑4 140mm，管節長度為2.5m，管徑大糾偏較為困難。在實際頂進中，由于土層性質變化、注漿效果等會造成頂進阻力變化，頂進軸線和設計軸線經常發生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進軸線和設計軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致[3]。

2.3 平面線形復雜

6號井～5號井整個頂程中就有4段平面曲線，曲率半徑均為R=650m，曲線間的過渡直線比較短。對于外徑4 140mm、長度2.5m的標準管節來說，R=650m的平面曲線半徑已經很小。

3 關鍵施工技術

3.1 頂管機頭的選型和頂力分析

根據地質報告，本工程6號井～5號井頂管管頂覆土在13.6m～30.8m之間，頂管頂進穿越⑦、⑧1號土層，穿越地層含水量大，透水性強。

上海地區對直線頂管頂力根據經驗估算，常簡化為主要考慮機頭迎面阻力與機頭管道與土的摩阻力。其它阻力可忽略不計[4]。

3.1.1 總頂力估算

管道的總頂力按照式（1）估算：

式中：F0為總頂力標準值（kN）；D1為管道外徑（m），取 4.14m；L為管道設計頂進長度（m）；fk為管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2），取3.5 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力（kN）。

式中：D為頂管機外徑（m），取 4.18m；γs為土的重度 （kN/m3），取 18.0 kN/m3；Hs為覆蓋土層厚度（m）。

6號井～5號井頂管區間段：

管徑（mm）：?3 500；頂管頂程（m）：1 199.34；管頂覆土（m）：13.6～30.8；迎面阻力NF（kN）：4 320；總頂力F0（kN）：58 681；中繼間數量（個）：5。

3.1.2 土壓力設定

（1）被動土壓力P p

當土為粘性土時，

式中：γ 為土的容重（kN/m3）取 18.0 kN/m3；h為地面至頂管機中心高度（m）；?為土的內摩擦角（°）；C為土的內聚力（kPa）。

（2）主動土壓力Pa

當土為粘性土時，

式中：γ為土的容重（kN/m3）；h為地面至頂管機中心高度（m）；?為土的內摩擦角（°）；C為土的內聚力（kPa）。

（3）靜止土壓力Po

式中：Ko為靜止土壓系數；γ為土的容重（kN/m3）；h為地面至頂管機中心高度（m）。

（4）控制土壓力P

式中：Pa為主動土壓力（kPa）；Pw為頂管機所處土層水壓力（kPa），粘性土中不考慮；ΔP為土倉施加的預加壓力（kPa），一般取 20 kPa。

6號井～5號井頂管區間段土壓力控制值匯總：

管徑（mm）：?3 500；土的容重 γ（kN/m3）：18；地面至頂管機中心高度h（m）：15.7～32.9；土的內摩擦角 ?（°）：8.5；土的內聚力C（kPa）：15；靜止土壓系數Ko：0.56；被動土壓力Pp：382～477；主動土壓力Pa：207～260；靜止土壓力Po：150～187。

3.1.2 土壓力控制

頂管掘進機在頂進過程中，其刀盤的壓力P如果小于掘進機所處土層的主動土壓力Pa時，即P＜Pa時，地面就會產生沉降。反之，如果在頂管機掘進過程中，其刀盤的壓力P如果大于掘進機所處土層的被動土壓力Pp時，即P＜Pp時，地面就會產生隆起。且施工過程中的沉降是一個逐漸演變的過程，尤其在粘性土中，要達到最終的沉降所經歷的時間會比較長。但是，隆起卻是一個立即會反映出來的迅速變化的過程，隆起的最高點是沿土體的滑裂面上升，最終反映到距頂管機前方一定距離的地面上。

頂進中，務必要控制好刀盤的壓力P，要求做到主動土壓力Pa＜P被動土壓力Pp，主動土壓力Pa、被動土壓力Pp變化范圍較大，再加上理論計算與實際施工時會存在一定的誤差，一般將控制土壓力P設置在靜止土壓力Po±20 kPa范圍內。頂進過程中，根據土層變化、覆土深度變化、地表沉降監測等情況等隨時調整壓力。

3.2 “組合密封中繼間”技術

本工程采用“組合密封中繼間”技術，中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式結構，在鉸接處設置二道可徑向調節密封間隙的密封裝置。其中第一道密封裝置設計成可拆卸形式。

中繼環的結構形式是采用特殊管的形式，其主要優點是：

（1）采用徑向可調止水裝置，如果橡膠止水圈磨損，仍可以通過調節徑內向六角螺栓，重新滿足密封性能。即使橡膠止水圈被嚴重磨損，無法繼續使用，也能夠先對應急止水圈充氣，再更換被磨損的橡膠止水圈，恢復良好的密封性能。

（2）由于密封裝置的鋼法蘭是經大型車床加工而成，又與成品管制成一體，尺寸精度高，剛性好，密封性能容易保證。

（3）頂管施工后，拆除中繼間油缸，割除抱箍并磨平后，中繼環可以合攏，無需在此空檔內澆筑混凝土，質量可靠，操作簡便。

3.3 頂管軸線測量控制措施

頂管頂進軸線發生偏差時，通過調節糾偏千斤頂的伸縮量、調節注漿量使偏差值逐漸減小并回至設計軸線位置。

測量采用G P S技術測放控制網，頂管機頭頂進方向由激光導向儀提供，過程中使用全站儀導向，每200m使用精密陀螺儀糾偏。

3.4 觸變泥漿減摩

頂進施工中，減阻泥漿的運用是減少頂進阻力的主要措施，頂進時通過管節上的壓漿孔，向管道外壁注入一定量的減阻泥漿，在管道外圍形成一個泥漿環套，減小管節外壁和土層間的摩擦力，從而減小頂進時的頂力，泥漿套的好壞，直接關系到減阻的效果。本工程采用大刀盤土壓平衡頂管機注漿系統，頂管注漿系統分為機頭同步注漿和管道補漿。

為了做好壓漿工作，頂進施工時采用優質膨潤土進行減摩注漿施工。由于本次頂管部分涉及軟硬土層頂進，且機頭外徑較大，為保證注漿效果，在頂管機頭設計時，在頂管機尾部環向均勻地布置了十只壓漿孔，用于頂進時跟蹤注漿。

機頭同步注漿由地面液壓注漿泵通過 ?50管路壓送到機頭處儲箱內，再由螺桿泵定量壓入機頭殼體外，在機頭處應安裝隔膜式壓力表，以檢驗是否到達指定位置，在所有注漿孔內要設置單向閥和球閥，軟管和接頭的耐壓力等級為6MPa，支管通徑為 ?25。

為保證頂管出洞初期注漿效果，在工作井洞口止水裝置前的建筑空隙處設置5個注漿孔，當管道外壁進入洞內，未與土體磨擦之前就先浸滿漿液。觸變泥漿隨管外壁向土體滲入。

3.5 頂管機姿態調整

3.5.1 滾動糾偏

由于刀盤正反向均可以出土，因此通過反轉頂管機刀盤，就可以糾正滾動偏差。允許滾動偏差小于等于1.5°，當超過1.5°時頂管機自動控制系統會報警，提示操作者切換刀盤旋轉方向，進行反轉糾偏。

3.5.2 豎直方向糾偏

控制頂進方向的主要方法是改變單側千斤頂的頂力。但它與頂管機姿態變化量間的關系沒有固定規律，需要靠人的經驗靈活掌握。

當頂管機頭出現下俯時，可加大下側千斤頂的頂力，當頂管機機出現上仰時，可加大千斤頂的頂力，來進行糾偏。

3.5.3 水平方向糾偏

與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時加大左側千斤頂的頂力，右偏時則加大右側千斤頂的頂力。

3.5.4 糾偏注意事項

（1）切換刀盤轉動方向時，先讓刀盤停止轉動，間隔一段時間后，再改變轉動方向，以保持開挖面的穩定。

（2）要隨時根據開挖面地層情況及時調整頂進參數，修正頂進方向，避免偏差越來越大。

（3）頂進時要及時進行糾偏，削除偏差后，再繼續向前頂進。

4 結 語

大口徑曲線頂管施工技術是一門綜合性的技術，潘廣路-逸仙路電力隧道工程一標6號井～5號井頂管區段最終監測結果顯示，通過針對性運用上述各項施工技術措施后，最終順利頂進到位，對周邊道路、管線等構筑物無影響，沉降控制好，該大口徑曲線頂管施工順利完成。本文從案例、理論、實施等層面總結與分析幾項關鍵施工技術，希望為類似大口徑曲線頂管工程提供參考。