復雜環境下長距離大口徑管道單基坑雙向依次頂進施工技術

李漢愿

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

隨著現代化進程的加快，城市內越來越多的生活配套管道已經不能滿足生活需求，亟需進行改造和新建。目前城市內施工作業面越來越小，采用非開挖施工方法(頂管施工法)施工的優越性比較明顯，但是在工作場地小、周邊環境復雜、地下管線復雜的情況下，加上管徑尺寸不斷的增大，頂進距離不斷的加長，施工難度也相應增大。本文結合實例針對上述問題進行研究，形成了長距離大口徑壓力管道單基坑雙向依次頂進施工技術。該技術在軟弱地質中進行大口徑管道頂進施工，可以保護地面原貌；同時通過中繼間的設置，分擔了長距離頂進帶來的后背墻的壓力。

1 工程概況

天津市塘沽某排水工程，排水管道全長1.791 km，采用泥水平衡頂進法施工。全線共計13個頂進段，最長頂進長度為261 m，頂管為鋼筒混凝土管材(JCCP)，管材內徑3.2 m，壁厚0.32 m，單節長度為2.5 m，單節重23.45 t，為雙膠圈承插口。頂進工作坑深度約12 m，頂管穿越地層為淤泥質軟土層。施工現場環境復雜，周邊臨近小區住宅最小凈距17 m，距高壓線最小凈距11 m，現場采用單基坑雙向頂進施工，頂進施工難度大，風險高。

2 工程特點

(1)周邊環境復雜，地層為淤泥質地質，地下管線復雜，下穿繁忙公路，施工風險較高。

(2)管材管徑較大，頂進距離長，在天津地區實屬首例。

(3)頂進段較多，設備倒運次數較多，施工難度大。

(4)采用中繼間緊跟機頭后方，節約成本，提高管道整體質量。

3 施工技術

3.1 總體施工應對措施

(1)為確保施工安全，基坑外吊車站位處采用高壓旋噴樁+墊設鋼板對地質進行改良提高坑外承載力，確保吊車站位地基承載力及基坑的穩定性。采用磁梯度法尼龍繩鉆頭對地下深層管線進行探測，探明管線，排除影響施工的因素。

(2)對周邊建筑物采用MS60三維激光掃描儀進行監測，高效、直觀、精確反映監測數據，對監測數據進行分析，綜合利用成果數據，調整頂管施工技術參數，有效做到對建筑物的保護。

(3)利用單基坑向兩側依次頂進，減少工作坑周邊一系列設備的重新倒運、組裝及調試，縮短了施工周期。

(4)中繼間設置在機頭后方，頂管機頭出洞后，中繼間隨之出洞，可重復利用中繼間，提高工程質量，減少施工成本。

3.2 施工工藝流程

頂管施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

3.3 工作井及坑外加固施工

工作井為矩形，工作基坑長13.2 m，寬9.6 m，基坑開挖深度為12.0 m。圍護結構為鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁，鉆孔灌注樁采用正循環成孔水下澆筑混凝土工藝，高壓旋噴樁采用雙重管法施工[1-2]。

因工作坑邊緣允許施工荷載為20 kN/m2，而本工程涉及管材較重，使用吊車噸位較大，作業面嚴重受限，需在有限的空間內完成施工任務。為保證施工時機械安全，在工作坑外進行地基加固提供機械作業平臺，加固區大小為14.7 m×12 m?，F場采用高壓旋噴樁進行地基處理，在高壓旋噴樁上安裝一塊2 mm厚鋼板。

3.4 機械及設備安裝

3.4.1 工作井設備安裝

工作井設備安裝包括導軌、后背墻和穿墻止水設備等的安裝。

(1)后背墻安裝：因管徑較大，需對后背墻穩定性進行驗算。

后背墻采用鋼筋混凝土+6 cm鋼板構成，將后座板樁支承的聯合作用對土抗力的影響加以考慮，水平頂進力通過后座墻傳遞到土體上，近似彈性的荷載曲線(圖2)，因而能將頂力分散傳遞，擴大了支承面。為了簡化計算，將彈性載荷曲線簡化為一梯形力系(圖3)，此時頂管后背穩定性可通過公式進行計算：

式中：η為穩定系數；Kp為被動土壓力系數，Kp=1.42；h為地面至后背墻底部的高度，h=12 m；γ為平均土的天然重度，γ=18 kN/m3；B為后背墻寬度，B=5.5 m；V為最大頂力值，V=10 000 kN；

圖2 土體載荷曲線圖 圖3 簡化的后座受力模型圖

h1為地面至后背墻頂部的深度，h1=6.8 m；h2為后背墻的高度，h2=5.2 m；h3為工作坑至地面樁尖的深度，h3=14 m。算得K=2.63>1.5，滿足穩定要求[3]。

(2)穿墻止水簾采用鋼板+止水簾組合，安裝完成后在鋼板后方進行密封，避免頂管始發滲漏水影響周邊環境造成安全事故。

3.4.2 中繼間布置安裝

對于中繼間的設置需根據頂力、管節最大受力值、工作坑承受最大頂力值等綜合考慮后進行。

根據設計要求，工作坑承受最大頂力≤20 000 kN。

DN3200頂管頂進距離261 m，經計算最大頂力為22 742 kN，管材承受最大頂力為55 317.05 kN，但工作坑承受最大頂力小于頂進施工所需最大頂力22 742 kN，因此，需要增設一個中繼間。中繼間一般設置承插口與管道連接，對防水防腐要求高。

經計算大刀盤切削泥水平衡式頂管機迎面阻力2 500 kN，頂管機與土體的摩擦力為301 kN，因此頂管機頭所需克服的阻力共計2 801 kN。(22 742-2 801)kN =19 941 kN≤20 000 kN(設計要求)。因此將中繼間設置在機頭后方，可克服2 801 kN阻力，剩余19 941 kN頂力由千斤頂提供，最終頂管貫通后，將中繼間一并頂出，確保施工完成的管道無中繼間，避免了中繼間的施工處理。

3.5 大口徑管材吊具優化

管材吊具的選擇直接影響施工過程中的安全及管材質量，因管材質量較大，由原來兩個“L”形吊具，優化為一個“U”形吊具?！癠”形吊具整體性好，不易滑落，使用安全；因受力面積大對管材承插口具有保護作用，對保證管道承插口防水效果起到至關重要的作用。吊具優化狀況見圖4、圖5。

3.6 管材注漿孔設置

在管道上預留觸變泥漿孔，由壓漿管打進觸變性泥漿，使泥漿能均勻的擴散在管節周圍，在頂進中起到進一步的減阻作用。注漿管具體設置為注漿孔每節管設4個，位置分別在管頂以90°為夾角均勻布置在插口的位置上。

圖4 優化前吊具示意圖 圖5 優化后吊具示意圖

注漿孔不但可以用作壓送觸變泥漿，施工完成后還可作為二次注漿置換的注漿孔，因此需考慮管身的整體防水效果，尤其是注意管節之間的防滲漏，注漿孔由原來設置在管身優化為設置在插口管縫位置處。

優化完成后進行二次注漿置換，既能進行觸變泥漿置換，又能有效完成對管縫位置注漿包裹，對管縫位置起到保護作用，大大減少了管縫薄弱環節滲漏現象。

3.7 頂進施工順序優化

根據本工程特點，頂進段較多，用圖6來對頂進施工順序進行研究說明。

圖6 頂進段示意圖

方法一：先完成YL2→泵站頂進段，將設備全部轉移到YL3工作坑施工YL3→YL2頂進段，依次類推，直至完成YL8→YL7頂進段。

方法二：先施工YL2→YL3頂進段，完成后施工YL2→泵站頂進段，設備轉移至YL4基坑，依次類推完成YL8→YL7頂進段。

方法一較為常規，但方法二具有諸多優勢，對于設備倒運可以降低50%工作量，降低施工風險，難點在于利用已完工的管道如何設置后背墻。

單基坑兩側依次頂進施工，利用已完工管道作為后背墻，必須考慮管道是否能提供第2次頂進施工的頂力，因此施工前先施工距離較長段，后施工短距離頂管段，確保已完工管道不受破壞；同時為保證管道的穩定性，針對管道進行混凝土包封，包封前使用0.5 cm鋼板對管道進行封堵，對已完工管道進行保護；調整后背平面確保后背墻與管道軸線垂直，再用6 cm鋼板作為后背墻外模，兼做后背墻。

3.8 管道連接和燃氣拉管探測

基坑兩側頂管均施工完成后，進行管道基礎施工，再進行明鋪管道安裝，明鋪管道采用倒鏈對拉的方法進行安裝。

本工程地下管線復雜，埋深較深處可能存在燃氣拉管，采用磁梯度法尼龍繩鉆頭提前對管線準確位置進行探測。

4 頂管下穿公路數值模擬分析

4.1 建立有限元模型

施工前采用三維有限元軟件Abaqus對頂管下穿繁忙公路工況進行模擬，參數設置如下：

(1)土體本構關系選用Drucker—Prager模型，介質參數參考該工程巖土工程勘察結果，近似取值為密度2 030 kg/m3，彈性模量56 MPa，內摩擦角31.5°，泊松比0.3。模型采用三維實體8節點線形縮減單元(C3D8R)。為充分考慮模型的邊界效應，滿足塑性、蠕變、三維應力及大應變的分析需要，模型的尺寸選取為50 m×40 m×25 m，能較精確求解位移結果，即使在彎曲荷載下網格發生扭曲變形也能充分保證其分析精度[4-5]。

(2)基于研究目的及簡化計算的需要，假設頂管部分和后續管節的半徑相同，且為同一部件。管土間不設置注漿層，通過減小管土摩擦模擬注漿層的減阻效果，頂進位置處通過設置一面力作為泥漿倉中的掌子面壓力。頂管埋深6 m，采用三維8節點實體單元(C3D8)，同時將頂管、后續的管節及其周圍接觸土體部分劃分為更為精細的網格來滿足數值模擬中的管土接觸要求。

4.2 頂管施工過程步驟模擬

(1)設置Geostatic分析步，同時在Predefine field中設置重力場，進行土在自重作用下的地應力平衡。

(2)沿頂進軸線24 m處開挖，開挖前先移除相應的土體模型并將頂進設備放在其初始頂進位置，對模型施加盾構設備和后續管節的重力荷載，開始頂進。

(3)在Exc1中鈍化將要開挖的土體，模擬土體開挖過程，在Jack1中設置管節和盾構部分沿頂進方向位移1 m，模擬頂進過程，第一步開挖完成。

(4)重復上述(3)過程，完成整個頂進過程。

4.3 結果分析

4.3.1無路面荷載作用下的地面變形分析

圖7為沿軸線方向頂進至26 m時(以下均采用此工況)軸線正上方與其兩側7 m位置處地表點的沉降計算結果。由圖可知，頂管軸線正上方地表的沉降值較其兩側沉降值大，且頂管軸線上最大沉降在頂進面后方位置處。此外，從圖中可看出沿軸線0 m位置處的沉降值較小且22 m左右處沉降值較大，造成此現象的原因是頂進部分和后續管節為直接放置在土中，且該工況是在24 m處開挖和頂進，對周圍土體造成明顯擾動導致沉降值增大。距頂進軸線兩側7 m左右處的沉降約為縱斷面最大沉降值的1/5，這在實際工程中可忽略，可將該距離作為控制距離。

圖7 靜荷載作用下縱向地面沉降

圖8為沿軸線方向頂進至26 m時，垂直頂進方向橫斷面的地表點沉降結果。根據沉降趨勢，可知沉降變化基本符合正態分布，且頂進面后方沉降值最大，施工時應予以監測。頂進面處沉降約為頂進面后方沉降值的4/5；距頂進面約3 m處的沉降值約為最大沉降值的1/5，可將該距離作為控制距離。

圖8 靜荷載作用下橫向地面沉降

4.3.2 路面荷載作用下的地面變形分析

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)，以重型五軸車作為標準車型，單個接觸面上的均布壓力采用2 041.67×103Pa。圖9為頂進面在路面正下方情況下，頂進軸線正上方與其兩側7 m位置處地表點沉降結果。由圖可知，路面荷載作用下的縱斷面變形規律與無動荷載作用下的變形趨勢相似。路面荷載作用下的沉降最大值為1.85 mm，無路面荷載作用下沉降最大值為1.37 mm，增大約35%。由此可見，行車動載對地面變形影響顯著，頂管下穿公路施工時必須考慮汽車動載影響，建議提高安全性系數。

圖9 動荷載作用下縱向地面沉降

圖10同樣為頂進面在路面正下方情況下，垂直頂進方向的橫斷面的地表點沉降結果。其中距頂進面前方3 m、5 m及頂進面后方的地面變形趨勢同圖7(無路面荷載)一致。頂進面后方沉降值為1.68 mm，較無動載時增加了0.46 mm，增加了約為37%；頂進面前方3 m處沉降值為0.60 mm，較無動載時增加了0.35 mm，增大了約1.4倍。最大不同之處在于最大沉降位置，加路面荷載后的最大沉降點在開挖面處，此時受動載分布影響，開挖面處沉降最大，較靜載的沉降值增加了2.093 mm。

當車速為100 km/h時，頂進面上的最大沉降為3.245 mm，較60 km/h時沉降變化較小。

圖10 動載作用下橫向地面沉降

綜上所述，受動載影響，地面沉降有明顯變化，距離動載越近，地面變化越大，當頂進面在荷載正下方，沉降增加的最大，增加了2.093 mm。計算結果表明，動載速度對沉降影響不大。

5 施工監測

采用MS60三維激光掃描儀進行監測，MS60作為非接觸式掃描觀測監測儀器，比同等掃描儀觀測精度更高，并可在點云圖中提取出每個點的坐標信息，從而可以找出重要關鍵點位的位移變化情況。經統計比對分析可知，兩次掃描結果中98%的差值數據小于6 mm，可知該建筑物沒有發生大于6 mm的變形，可判定建筑物狀態穩定。

6 結束語

該施工技術應用于天津市塘沽某排水工程，創造了天津市最大直徑的管道頂進新紀錄，積累了國內大直徑管材頂管在城市復雜環境下的施工技術經驗。頂管頂進就位后各項指標均滿足設計及規范要求，為工程投入使用奠定了堅實的安全、質量基礎，達到了預期目標，效果良好。