淺談曲線頂管技術在市政施工中的應用

盧純青

（1 福建省煤田地質勘察院 福建福州 350001 2 福建東辰綜合勘察院有限公司 福建福州 350001）

1 背景

隨著經濟的發展，人們的環保意識日趨提升，友好型的施工方式越來越受推崇。而泥水平衡頂管技術作為友好型施工方式之一，被廣泛應用于市政地下管網施工中。隨著對城市地下管網設施（如：供排水、電力、燃氣等管網）的運輸能力需求的不斷提高，需要大量的新建或改建現有的地下管網設施，本文中的工程案例正是在此背景下開展的。

2 工程概況

由于受施工現場建筑群體及工程地質條件限制，本工程設計采用泥水平衡曲線頂管鋪設DN2 000 mm 預制砼電力管道長度約180 m，管頂埋深為5 m，施工穿越現有市政道路。工作井位于市政道路西側山坡坡腳，接收井位于道路東側的立交橋交匯處，場地空間狹小。沿道路兩側30 m 范圍內均為建筑物，頂管施工區域地表高差在2 m 范圍之內。

施工區域內工程地質條件：地表以下2 m 以內以雜填層為主，多為建筑垃圾塊體回填，質地松散且透水性好，局部為沉積砂層和卵礫石層。西側山體坡腳位置可見基巖出露，下覆為中風化砂巖和強風化花崗巖，巖石硬度為15 MPa～25 MPa。施工區域內水文地質條件：地表以下6 m 可見地下水。

3 設計思路

3.1 工作井和接收井設計

通過對施工區域內工程地質條件和水文地質條件勘察分析，同時到兩個井功用上的差異，決定對工作井采用沉井施工工藝進行，將工作井設計成D6 500 mm 圓形沉井（深度為9.8 m），這樣做主要是考慮工作井施工區域地質條件及頂管設備后靠背頂推力的需要。考慮到接收井位于立交橋下交匯處且靠近建筑物，施工區域位置狹小，因此設計采用逆作法施工。接收井的尺寸為：長6 m、寬4 m、深7.95 m。

3.2 頂管頂進軌跡設計

頂進軌跡設計在頂管工程整個過程中十分重要。通常進行設計需要考慮：地下水位、地層土體強度、穿越區域內地面及地下空間位置、周邊地質地貌等情況。由于該頂管段為兩側開挖段的連接段，頂管段兩端位置已經基本固定，根據現場地形地貌可以看出，若采用常規的直線頂管必將破壞接收井附近建筑物基礎并且可能導致頂管失敗，唯有采用曲線頂管方能避開建筑物基礎。同時由于頂管施工區域內上部地層為雜填土、質地松散，為避免在頂進過程出現冒漿，管道頂進應在比較均一穩定地層中進行，因此設計管頂埋深為5.0 m。綜合各方因素之后確定了頂管頂進軌跡為長度約180 m 曲線。

3.3 設備選型

按照設計要求，綜合考慮施工區域工程地質條件、曲線段頂管最小曲率半徑、鋪設管道外徑等因素后，選定YD2000 泥水平衡式頂管機作為工程選定設備。設備主要參數如下。

（1）頂進速度：0～100 mm/min；

（2）切削刀盤：轉速2.8 r/min；轉矩555 kN·m；破碎巖石硬度≤80 MPa；對抗土壓≤500 kN/m2；電機功率15 kW×6；

（3）糾偏系統：100 t 糾偏油缸推力4 個；最大糾偏角度為3°；糾偏泵站壓力31.5 MPa；糾偏泵排量7.25 L/min；

（4）進排泥管道通徑：φ100 mm；

（5）機頭外形尺寸：φ2 440×4 350 mm；

（6）機頭重量：25 000 kg。

4 頂管施工

頂管施工階段主要包含：頂進糾偏和測量控制技術、注漿減阻技術、泥漿循環回收技術。

4.1 頂進糾偏和測量控制技術

曲線頂管糾偏主要依靠頂管機頭內的糾偏油缸來實現。通過改變掘進機位置管節交接以及管節長度來實現糾偏導向。管節間糾偏是通過設置木墊圈方式，實時跟進糾偏，保證掘進機頭的糾偏效果。

本工程頂進軌跡分為：直線段（133.8 m），緩和過渡段（16.8 m）及曲線段（39.4 m）。根據場地條件和選用設備的性能參數，計算出本工程擬采用的曲率半徑R 為200 m，并且掘進機頭的最大糾偏角度為3°。因此由直線段進入緩和過渡段和圓曲線段后，需不斷變化管節長度以及采取糾偏導向才能按照設計軌跡頂進。

在實施曲線頂管過程中對頂管導向的測量控制是一項復雜而又關鍵的技術。圖1 給出了本工程中采用的曲線導向控制測量的原理和計算公式。

圖1 曲線頂管施工測量控制原理圖

通過第一測站P1對照目標點Q 的坐標進行曲線頂進方向的控制。

被測點Q 的坐標（x，y）的坐標可以按照下面公式（1）和公式（2）計算得到。

目標測點與設計中心線的誤差d 按式（3）計算。

上述測量控制方法優點是測量直接成本較低，并且基本能夠滿足工程的精度要求，缺點是在頂管施工過程中需要不斷復測監測，工作量很大且操作時間，使得施工中停頓過多，容易引起頂進力的增大，增加施工難度。

4.2 注漿減阻技術

頂管工程中頂進力的大小直接影響著沉井施工、頂進設備的選擇以及工程成敗。

泥水平衡頂管在曲線段頂進力計算可按照公式（4）計算得到。

式中：K 為曲線頂管的摩擦系數；K=1/（cosα-k·sinα），其中，α為每一根管節所對應的圓心角，k 為管道和土層之間的摩擦系數，k=tan（φ/2）；n 為曲線段頂進施工所采用的管節數量；F0為開始曲線段頂進時的初始推力，kN ；F′為作用于單根管節上的摩阻力，kN。

泥水平衡頂管在由曲線段進入直線段時，頂進力可按照公式（5）計算頂進力大小：

式中：Fn為曲線段頂進力大小，kN；L 為直線段頂進段的長度，m。

根據工程勘察和場地詳勘，曲線頂管段地層為全風化花崗巖及強風化花崗巖地層，最大的巖石強度可能達到60 MPa～70 MPa。

由以上計算式（4）、（5）可以看出，地層摩阻力以及管道曲線頂進所增加的頂進力直接影響到實際頂進力的大小。因此在頂進過程中我們通過采用合理的注漿減阻技術，能有效降低地層摩阻力以及管道曲線頂進所增加的頂進力，同時通過設計中繼站傳遞總頂進力，以較小頂進力實現順利頂進。因此，在曲線頂管中進行注漿減阻是有效減少頂進力，降低工程風險的關鍵措施。通常采用注漿減阻后頂力可減少到原來的1/4～1/3。

表1 給出了本工程中注漿減阻的觸變泥漿的配合比設計。隨著不同地層，需要不斷調整觸變泥漿的配合比，以實現最優的減阻效果。

表1 觸變泥漿配方

通過現場頂進力的記錄，整理得出了頂管施工過程頂進力的變化曲線如圖2。

圖2 過程頂進力的變化曲線

從圖2 中可以看出：按照理論計算公式，應該隨著頂進距離的增加，頂進力也隨著曲線式增長，但是實際頂進力卻并不是按照理論方式增長，主要是通過設置曲線段管節長度（2 m和1 m 管節）以及良好的注漿效果實現頂進力的控制，達到減阻的目的。

4.3 泥漿循環技術

泥漿在泥水平衡頂管中被稱為“血液”，主要功能為：①軟化潤滑掘進面地層，冷卻切削刀具；②輸送排除渣土；③平衡地層壓力。鑒于泥漿具有如此的功用，因此對泥漿的回收處理和循環利用將有效降低工程的直接成本，同時也能有效減少廢棄泥漿運輸對周邊環境的影響。

本工程中采用了全自動化泥漿處理回收裝置，高效、迅速的循環處理泥漿為工程提供了很好的保障并解決了市區施工泥漿污染的難題。分離出來的渣土再通過卡車運輸到郊區指定位置，有效解決了液體泥漿運輸不便的難題，同時也減少了泥漿棄置的數量，保護了環境。

5 結論與建議

本工程通過優化頂進軌跡、測量控制、注漿減阻、泥漿循環利用等關鍵環節技術，成功實現泥水平衡式曲線頂管鋪設電力管道，為今后類似工程提供借鑒和參考，更好地推動泥水平衡式曲線頂管技術在城市地下管網建設中的應用。