城市道路下超長距離曲線頂管技術優化和保障措施

凌興安

（上海城投水務工程項目管理有限公司，上海 201103）

0 引言

近年來，頂管工程朝著大口徑、超長距離和曲線頂進的趨勢發展。超長距離對頂管施工提出了設備可靠性、頂力控制、通風照明、電力供應等技術難題。曲線頂管對頂管工具頭姿態控制、頂管測量、管道接口密封提出了更高的要求。毛海明等［1］闡述了中繼環聯動在超長距離頂管中的實際應用。張立新［2］結合實例介紹了超長距離頂管觸變泥漿的材料特點、壓漿管布置和壓力控制等施工要點。本文結合上海某污水總管施工中超長距離曲線頂管工程案例，介紹頂管中技術難點，可供類似頂管設計和施工參考。

1 工程實例

上海某污水總管管徑 DN 3 000 mm，采用鋼筋混凝土“F”管節，管道全長約 1 772 m，管道埋深約 10 m，頂管平面布置圖如圖 1 所示。。原設計為 2 座工作井，1 座接收井，頂管分為 2 段，第 1 段為3 # 井→2 # 井，長度約 648 m；第 2 段為 2 # 井→1#井，長度約 1 124 m。施工單位進場后，發現2#井位置有大量既有管線無法搬遷，同時 2 # 井施工對道路交通影響很大，經參建單位綜合比較后，取消 2 # 工作井，改為騎馬井，頂管從3#井一次頂進到 1 # 井。其中曲線段為125.8 m，曲率半徑為 610 m。頂管場地土層參數如表 1 所示。

圖1 頂管平面布置圖

表1 土層參數

頂管位于市政道路下，該區域道路狹窄、周邊建筑與道路距離小，施工過程的噪聲、光、振動、施工排污等污染將對附近居民、單位的出行帶來不便和影響。頂管井施工范圍內涉及通訊、電力管線的搬遷、翻排以及道路的掘路施工。頂管沿線穿越雨水管道、污水管道、穿越軌道交通高架橋。

由于頂管工作井和接收井位于市政道路下，場地比較狹小，基坑圍護采用鉆孔灌注樁，高壓旋噴樁止水帷幕，內設 2～3 道型鋼支撐，工作井設鋼筋混凝土內襯井。

2 方案優化

相對于原設計方案，優化設計方案為一次頂進，總長 1 772 m。優化方案后頂進距離加長增加了頂管施工難度，也增加了減阻措施、中繼間等費用，所以對兩個方案從技術經濟方面進行了比較（見表 2）。

表2 方案比較

根據表 2 方案對比，優化后的方案施工措施費有所增加，但考慮到管線搬遷和交通封閉導致的社會影響和工程費用，采用優化設計方案仍然是比較好的選擇。

3 技術難點和措施

3.1 工具管選型

根據設計圖紙及地質勘探報告，結合本標段頂管沿線穿越的土質、建構筑物情況，頂管設計軸線均在道路下方，現狀道路上車流量大，沿線道路兩側建筑較多，地下管線復雜，對頂管施工的沉降控制要求極高，因此 DN 3000 擬選用大刀盤泥水平衡頂管掘進機。DN 3000 頂管機技術參數如表 3 所示。

表3 工具管參數

主頂進系統采用 200 t 雙沖程等推力油缸，行程3 500 mm，雙沖程油缸組裝在油缸架內，主頂油缸數量 10 臺，主頂系統配置頂力 20 000 kN。

3.2 頂力控制

管道的總頂力按照式（1）、（2）估算［3］：

式中：F0為總頂力標準值，kN；D1為管道外徑，m；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，取 2.0 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力，kN。

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

由于本工程部分采用曲線頂管（曲率半徑約172D1），頂力計算考慮頂力附加值系數 K=1.225［4］。頂力計算如表 4 所示。

表4 頂力計算

工作井設計最大頂力 5 000 kN，管材最大允許頂力為 22 000 kN［5］。施工中按工作井所能承受的最大頂力 5 000 kN 計算。中繼間裝備頂力 15 000 kN，按頂力系數 K=0.5 計算可達 7 500 kN。根據施工經驗，隨著頂進的深入，漿套逐漸形成，摩阻力逐漸減小，摩阻力在第一只中繼間處取 3.5 kN/m2，第二只中繼間處取 2.0 kN/m2，第三只中繼間及以后取 1.5 kN/m2。第一只中繼間距離計算：L1=126 m；第二只中繼間距離計算：L2=265 m；第三只中繼間及以后距離計算：L3=414 m。施工中應考慮現場實際情況，實際布置中繼間的數量和里程要在試驗段根據注漿效果和頂程阻力計算確定。根據計算和初步分析，中繼間布置間距如表 5 所示。

頂力控制的關鍵是最大限度地降低頂進阻力，而降低頂進阻力最有效方法是注漿。合理布置注漿孔，使所注潤滑泥漿在管道外壁形成比較均勻的泥漿套。壓漿時必須堅持“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則，壓漿泵和輸出壓力控制在 0.15～0.2 MPa。同時為了管道與土層黏結，在管道外涂刷石蠟。

3.3 管材選用

超長距離曲線頂管機頭糾偏和曲線轉彎時，頂管管節容易漏水，必須采用可靠的接頭形式。根據上海地區頂管施工經驗，頂管管材均采用雙道楔型橡膠圈的 F 型接口形式承插鋼混凝土管節，管節單節長度 2.5 m。鋼承環加長為 380 mm×14 mm。管接口端面的襯墊板宜選用 25 mm 厚的松木板，保證超長距離曲線頂管施工防水性能。接口詳圖如圖 2 所示。

圖2 接口詳圖（單位：mm）

3.4 頂管測量

在頂管頂進施工過程中，對軸線的測量工作至關重要。現有的頂管導向測量大多是基于傳統的人工導線測量技術，人工測量時間長，總的導向測量次數少，這些因素大大影響了工程的施工進度和貫通精度，測量不及時甚至將導致嚴重的安全問題。測量站點布置如表 6 所示。

表6 測量站點布置

針對本工程頂管長距離曲線頂進的特點，擬采用超長頂管自動引導測量系統進行施工。該技術由自動驅動全站儀、計算機、棱鏡及其它輔助產品組成。利用自動驅動全站儀的坐標測量功能實時控制頂管方向；利用全站儀三角高程測量功能實時控制管道標高，以保持管道的設計坡度；利用便攜式電腦及軟件獲取實時測量數據，繪出偏差軌跡，實時顯示當前里程與機頭中心位置。

3.5 工具管姿態控制

為了監測頂管機的姿態，頂管機上安裝了激光導向系統，測量裝置由目標測量板即激光靶板和傾角羅盤裝置組成，激光靶板測量激光入射點和入射角，傾角羅盤儀測量機器在兩個方向上的轉角。測量時自動監測與人工監測相互糾正，以進一步提高頂管機姿態監測的精度。

頂管機姿態調整包括：①滾動糾偏；②豎直方向糾偏；③水平方向糾偏。頂管機姿態調整時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。頂進時要及時進行糾偏，削除偏差后，再繼續向前頂進。

表5 中繼間布置表

4 實施效果和結論

4.1 實施效果

1）頂管施工時間約 9 0 d，實際最大頂力約5 400 kN，施工中除一次清理垃圾土，停機 14 h，重啟頂力達到 9 300 kN，其余施工過程頂力正常。

2）穿越軌道交通高架橋處，最大地面沉降為 16.2 mm。

4.2 結論

1）實例表面，在一定的技術措施下，1.7 km 超長距離曲線頂管在市中心區域可以成功實現。

2）超長距離頂管核心技術是頂力控制，需要對注漿減摩精細化管理，同時合理布置和操作中繼間。

3）曲線頂管從管材接頭、工具管姿態控制等方面保證了線形和防水效果。

5 結語

上海城市道路下某污水總管管徑 DN3000 mm，頂進距離為 1 772 m，其中曲線段為 125.8 m，曲率半徑為 610 m，穿越軌道交通高架橋和市政管線。頂管施工時，通過工具管選型、泥漿套減阻和中繼間布置等技術措施，管道順利頂通并有效控制了超長距離曲線頂管對周邊設施的影響，可供類似頂管設計和施工參考。