淺覆土曲線頂管軸線控制關鍵技術研究

孔 雷

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200433）

0 引 言

淺覆土曲線頂管施工是在兩種特殊條件下的頂管施工技術，任何一項因素都會導致一定的施工難度。而同時具備淺層覆土及短距離曲線環境下的頂管掘進施工，其難度系數遠遠大于普通條件下的頂管工程。曲線頂管在施工過程中對于機頭位置的確定至關重要，并且淺覆土層對軸線控制的影響較大，例如上層覆土深度過小，容易導致管道上浮、局部管道軸線偏移等多種質量事故。

近幾年來，業內學者針對“淺覆土曲線”頂管有著諸多研究。在“淺覆土”頂管工程方面，顧文剛[1]以上海市中心繁華地段某一排水頂管工程為例，介紹淺覆土頂管對于控制周邊環境地層沉降的各項措施。工程結果表明，采用三段式頂進方法，并使用雙液注漿法加固施工周圍土體，能夠有效控制周圍地層沉降。李響[2]以鄭州市污水處理廠工程為例，闡述了大管徑淺覆土的頂管施工各項問題，包括頂管軸線控制，周圍地表沉降以及各項防控措施。

在“曲線”頂管方面，張鵬等[3]通過分析拱北隧道管幕工程曲線頂管現場實測數據，得出曲線頂管地表沉降槽的偏移曲線，在現有的Peck和Loganathan地表沉降公式基礎上進行修正，得出更符合工程實際的預測計算公式。談立昕等[4]以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸為依托，采用兩種不同的計算方式對頂力進行估算，并與實際頂力進行對比驗證。結果表明，經驗公式中的摩阻力計算在埋深較大時比較符合實際情況,在淺層的淤泥質地層中則偏大。保軍強等[5]利用有限元分析的方法對大直徑矩形頂管的頂進過程中周圍土體的擾動情況進行數值模擬，總結出周圍土體在頂管施工的影響下產生的應力和位移的規律。陳思甜等[6]以杭州半山超淺層曲線頂管工程為基礎，利用有限元軟件ANSYS進行數值模擬，用以進一步探求超淺層小半徑曲線頂管在不同頂推速度下的地面變形規律，并提出頂進速度建議值。

本文主要分析兩種條件對頂管施工的綜合影響，以及如何通過施工進行過程控制，克服超淺層覆土和短距離兩大不利因素，為后續類似工程提供切實的參考依據。

1 頂進環境分析

1.1 淺層覆土

頂管施工頂進過程中，管道外壁結構主要與土層發生相互作用。考慮到綜合技術與經濟等因素，管道對管頂覆土有一定的要求，通常頂管施工要求管頂覆土H≥1.5D。而管頂覆土≤1.5D條件下屬于淺層覆土施工，淺層覆土環境不利于頂管的正常施工。由于覆土不足，機頭前部刀盤與土體不易建立起平衡，土層自重應力不足，上層覆土不足以平衡下部應力，機頭容易上浮，機頭前部土體容易產生沉降；同時土層無法為曲線頂管提供足夠的糾偏反力，糾偏力在砂土環境下產生偏散，進入切點，切出切點軸線施加效應緩慢，不利于短距離條件下的頂進施工。本案（鄭州新區污水干管WB3～WB2頂管區間）所依托工程覆土厚度1.8～2.0 m，管道外徑D=3.78 m，H=（0.47～0.52）D，為超淺層覆土環境（如圖1所示）。

圖1 淺層覆土管道厚度

曲線頂管在由直線進入曲線過程中，機頭部位需施加單向力，單向糾偏力施加于管道，通過力的傳遞于土層，土層為糾偏提供反向作用力，保證管道沿曲線方向頂進。超淺層覆土環境下，土的自重應力σc不足，土層無法為糾偏提供及時有效的反力，力在砂性土中產生暫時性擴散，施加糾偏力一側土層呈曲線弧度發生變化，容易產生土層擾動，如圖2所示；由于砂性土的特征，土層經過壓縮后，在后續施工中將慢慢為曲線段建立起反力支持，但由于工作井至接收井距離過短，曲線段沒有足夠的距離緩慢建立起趨勢，解決辦法之一為地面加載，使糾偏動作得到有效的反力支持，迅速按設計軸線建立趨勢；解決辦法之二為提前進入曲線段，為緩和曲線預留足夠的距離。

圖2 曲線管道受力情況

1.2 短距離曲線頂管

曲線頂管依靠調整機頭角度在地層中走出一條緩和曲線，以達到規避障礙物的目的。曲線頂管存在著諸多限制條件及不利因素，由于采用鋼筋混凝土管道，接口形式為柔性接口，考慮管道材料的受力性能，管材的控制允許轉角、鋼套環的承受能力、相鄰管道接口之間的允許最大縫隙都對管道的質量產生著重大影響；管道里程越長，曲率半徑越大，曲線越緩和，轉角越小，管道受力越均勻，鋼套環受力越小，管道接口縫隙控制在允許范圍以內；曲率半徑過小，管道各部位受力過大，管道縫隙偏大，造成管道事故，曲線頂管頂進失敗。

本次頂進距離243 m，管道外徑3.78 m，單節管道長度2 m，曲線頂管在軸線設計時需考慮最小曲率半徑，按以下公式（1）進行計算：

式中：α為曲線頂管時相鄰管節之間接口的控制允許轉角，一般取管節接口最大允許轉角的1/2，F型承插口的管節宜小于0.3°，取0.3°；Rmin為最小曲率半徑，m；L為管節長度，m；D0為管道外徑，m；△S為相鄰管節之間接口允許的最大間隙與最小間隙之差。

通過調整始發井位與接收井位洞口角度，該區間段可獲得791 m曲率半徑，滿足最小計算最小曲率半徑763 m要求。

2 難點分析

超淺層覆土短距離曲線頂進施工面臨著諸多不利條件，在頂進過程中需要克服的難點如下：

（1）測量是曲線頂管能否成功的關鍵，如何確保機頭精確地進入接收井洞口是曲線頂管首先應該考慮的問題。

（2）根據土層應力分布規律，同時考慮到超淺層覆土的不利條件，機頭存在上浮的可能，頂進過程中需隨時注意機頭高程姿態，防止機頭上飄。

（3）由于覆土太淺，地層將產生隆起及沉降，對于有地面沉降嚴格要求的地區，如何最大限度地控制沉降是需要解決的問題。

（4）土層覆土過淺將導致減阻泥漿流失，不利于泥漿套的形成，頂進阻力將增大，施工中需有科學合理的注漿方案,控制頂進摩阻力。

（5）短距離曲線頂管的曲線在形成過程中，需要提供足夠的地層反力以盡快形成緩和曲線，力的施加效應緩慢將增加軸線形成的難度，實際軸線無法按要求與設計軸線重合，如圖3所示。

圖3 曲線頂管軸線控制

（6）曲線段對管材的性能提出了更高的要求，鋼套環在管節持續轉彎力的疊加效應下，與主管材接合部位容易崩裂，發生管道裂縫質量問題，對管道安全產生一定影響。

（7）管道縫隙過大，管道止水橡膠圈擠出，管道止水性受到影響，將對管道后期運行及地面產生一定影響。

3 頂進的軌跡控制技術

定點、放樣、測量技術是曲線頂管施工的關鍵，即施工準備階段方案策劃：定軸線、定切點、計算圓曲率半徑、驗算匹配管節允許轉角及管節縫隙；施工階段重點測量，保證機頭始終與設計曲線重合，直至進入接收井。

曲線頂管軸線分為三個部分：出洞口直線段、曲線段、進洞前直線段。機頭出洞后沿直線段直線頂進，進入切入點后機頭一側施加偏轉力，機頭逐步形成曲線，后續管節跟隨機頭一節一節形成曲線管道，機頭接近切出點后，反向施加作用力，機頭進入進洞前直線段，管道沿直線段頂進直至進入接收井。施工前先通過放樣放出第一切點及第二切點，計算出圓曲線曲率半徑，驗算曲線管道是否可行，明確機頭何時開始轉向，在什么部位進行轉向，何時施加反向作用力，使機頭由曲線段回到直線段。

由于淺層覆土土層不能及時有效地提供土層反力，進入切點時糾偏油缸施加力時力在土層會發生擴散，機頭無法按照設計的時間進入曲線，因此，頂管在進入切入點前應提前施加糾偏壓力，保證機頭按照預定坐標進入曲線。

管道在直線段時依靠激光點進行自動測量，進入曲線段后，由于管道呈弧線，因此此時改成人工測量，測量頻率為1次/根，及時將坐標點輸入電腦，標記出機頭所處位置，與設計圓曲線弧線進行對比，判斷機頭的走勢及曲線趨勢，根據測量數據，及時調整糾偏角度及采取措施。每一根管節的偏差量都需精確測量后輸入電腦，通過前后對比，準確判斷出下幾節管道的走勢，做出增加糾偏力或減小糾偏力的指令，同時防止管節縫隙過大，造成管道質量事故。由此可見，測量的重點是掌握以下信息：機頭位置、機頭趨勢、管節縫隙。

4 增加土體強度及注漿減摩技術

砂性土滲透性高，漿液進入土層后容易流失，無法形成有效的泥漿套，頂進阻力增大。根據力的傳遞機理，在阻力增大的情況下，頂距越長，管節越容易失穩，圓曲線無法按照預先的趨勢形成，往往危及頂進安全，特別是在超淺層覆土環境下，漿液流失情況更為嚴重。如何有效建立泥漿套，降低頂進阻力，不僅關系著曲線管道能否成行、管道是否因力的偏移造成管節縫隙增大而造成管節質量事故，還關系著地表是否發生沉降，頂進設備的承載能力等諸多問題。因此，注漿減摩技術是淺覆土曲線頂管施工的關鍵技術。圖4為頂管注漿技術示意圖。

圖4 頂管注漿技術

遇水后的砂土壓縮性低，承載力高，鄭州地區為黃泛區，表層及深層土壤全部為砂土，且地下水缺乏，因此，在頂進前，在機頭部位及機頭管跟蹤高壓注水，使管道經過區域土層富含水分，提高土體的強度，減少壓縮性，為管道糾偏提供支撐。

之后，根據土壓力平衡及地下水頭水壓力，合理確定注漿壓力及注漿量，洞口設雙道止水橡膠圈，施工中通過監測數據及時對注漿壓力及注漿量進行調整，漿液的比例、添加劑應根據現場實際配比。根據過程中頂力的大小，在現有漿液減阻效果不理想的情況下，改用注厚漿，選用優質黏土球。

普通漿液配比見表1。

表1 普通漿液配比

經過重新設計配合比后的泥漿在砂性土層內的保水性明顯增加，能有效地建立起在砂性、巖土顆粒地層中的減摩系統，頂力在地層未發生突變的情況下表現平穩，未發生明顯波動。

泥漿比重5%～7%，黏度35”～38”，CMS、高分子材料效果明顯。頂進結果顯示，泥漿系統適合在砂性土、鈣質巖土層內頂進。

漿液在超淺層覆土砂性土環境下會產生流失，通過壓力與數量的互補，合理控制頂力、頂速，頂進摩阻力能得到有效控制，初期摩阻力會隨著頂進距離的增加有所降低，后期阻力逐步減小。根據實際監測數據，最小摩阻力可達0.43 kN/m3。

5 地面沉降控制技術

超淺層覆土環境下地層必然產生擾動，所要解決的問題是如何通過設計、施工來減小土層擾動，從而降低地面沉降帶來的影響。在進行裝備改進時，為減小糾偏帶土，機頭的裝備應性能可靠，以利于糾偏動作的完成；在曲線設計階段，宜將曲線段設置在頂進方向的末端，其起始直線段應在條件允許的前提下盡可能長，以減小曲線管節對土層的擾動；在施工階段，應建立地面沉降監測機制，隨時對地面沉降進行監測，同時，加強對注漿的控制，通過監控技術數據反饋，及時對頂進參數進行調整，優化施工參數，減小地面沉降的發生。

6 結 語

淺層覆土曲線頂管匯聚了頂管施工中的多種不利條件，其施工本身存在著一定的技術難度，對施工方技術及管理能力有較高要求。在環境日益復雜的城市化發展建設中，也必然存在著一定的應用空間。在設計及施工過程中，需要克服砂性土土層自重應力不足所帶來的軸線控制及注漿減摩問題，通過測量來把控頂管軸線變化趨勢，保證曲線沿預設軌跡行進，精確進入接收井洞口內，同時確保地面及構筑物的安全。本文詳細介紹了針對淺覆土曲線頂管的各項防控措施，可為后續相似工程提供切實的依據和參考。