長距離、小曲率、大口徑鋼頂管施工技術(shù)探究

繆紹勇

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著社會的發(fā)展，頂管在地下工程中的運(yùn)用越來越廣泛，但對頂管施工的要求也越來越高，頂管施工受到更多周邊環(huán)境的限制，在工況條件受限的情況下，直線頂管往往會采取復(fù)雜的措施，付出高昂的代價。

供水管等壓力管道，一般都采用鋼管施工，但是鋼管適用于直線頂管施工，而直線施工往往不能滿足現(xiàn)場條件，會存在費(fèi)用高、工期長、影響大等缺點(diǎn)。因此在此領(lǐng)域就有必要采取合理、有效的措施，在考慮成本和工期的同時，又要保證管道順利貫通。長距離、小曲率鋼頂管施工工藝能夠滿足復(fù)雜工況下管道建設(shè)的需求，使得鋼管也可以不采用直線頂管進(jìn)行施工，從而為工程順利實(shí)施提供最優(yōu)方案。

1 工程背景

廣南梅供水管工程是某市區(qū)為緩解西水東調(diào)來水到北部庫群的補(bǔ)水瓶頸制約問題的原水輸送系統(tǒng)完善工程。北起河道北岸的1#井，沿河道南岸至3#井。1#井—3#井區(qū)間為輸送管，該工程管道設(shè)計(jì)線路涉及當(dāng)?shù)卮迩f，為避免直線頂管穿越民宅，選擇了河道岸邊的一塊地作為2#接收井，由1#和3#頂管工作井向2#接收井頂進(jìn)，在2#井完成管道的貫通。

兩直線段鋼頂管分別長約582、520 m，管道外徑2 020 mm，壁厚20 mm。因2#井位于村莊中心，周邊村民房屋眾多，緊鄰老舊民房且運(yùn)輸不便，給施工造成了極大困難，施工影響范圍的房屋也極易造成損壞。

2 方案比選

針對背景工程中的施工難點(diǎn)，對3種方案進(jìn)行調(diào)研和比選研究，采用直線與曲線2類頂管方案進(jìn)行對比分析，直線頂管主要是在村中心位置設(shè)置頂管接收井，完成2段直線頂管的施工，具體如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)直線頂管平面

2.1方案1：直線頂管

方案1為拆解運(yùn)輸方案，將2#井施工所需物資、建材、設(shè)備等拆解后分散運(yùn)輸至施工場地，需要使用420 m進(jìn)村道路（其中200 m鄰近老舊民房）作為出入通道，涉及房屋約3 600 m2。

2#井采用沉井施工，為保證周邊環(huán)境安全，沉井下沉采用水力沖吸不排水下沉法，頂管施工完成后將頂管機(jī)頭在井內(nèi)分2次拆解吊出。

2.2方案2：直線施工

方案2為施工碼頭方案，考慮在3#井附近臨時建造1號施工碼頭，用于施工材料和施工機(jī)械設(shè)備上船（機(jī)頭、吊車等），在2#井位置處建造2號施工碼頭，用于施工材料和施工機(jī)械設(shè)備上岸。

2.3方案3：曲線頂管

方案3為曲線頂管方案，取消2#接收井，3#作為接收井，采用長距離曲線頂進(jìn)的方式從1#井頂至3#井，長度約1.1 km，如圖2所示。

圖2 超長距離曲線頂管施工示意

2.4方案對比研究

針對上述3個方案，分別進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)、施工工期以及費(fèi)用三方面的對比分析，綜合比選出最優(yōu)方案。

1）直線頂管（方案1）：該方案雖是常規(guī)直線頂管施工，但由于接收井沉井采用不排水下沉，會導(dǎo)致施工時間增長；頂管機(jī)頭須在井內(nèi)拆解，損耗大、費(fèi)用高；沉井施工占用場地大，協(xié)調(diào)費(fèi)用高；同時將產(chǎn)生大量轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用；還考慮補(bǔ)償費(fèi)用且征拆補(bǔ)償時間不確定。綜合測算施工工期達(dá)13個月，費(fèi)用10 083萬元。

2）直線施工（方案2）：同樣具有直線頂進(jìn)施工方式的優(yōu)勢，但建造臨時中轉(zhuǎn)施工碼頭需要樁基礎(chǔ)施工，相應(yīng)的施工設(shè)備存在水運(yùn)運(yùn)輸不便的施工難題，且同方案1一樣，沉井施工占用場地大。綜合測算施工工期達(dá)13個月，費(fèi)用3 891萬元。

3）曲線頂管（方案3）：該方案由于實(shí)際工程案例少，無相應(yīng)具體規(guī)范和工法借鑒，施工難度極高，對周邊較近位置存在一定擾動的風(fēng)險(xiǎn)。但其優(yōu)勢在于通過技術(shù)研發(fā)可以減少大量輔助措施，不占用村道，不影響周邊民生。且其工期僅11個月，所需費(fèi)用3 111萬元。

通過方案比選，曲線頂管可以避免搬遷和降低對村民房屋影響，具有工期可控、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，故采用曲線頂管施工具有較大的優(yōu)勢。

3 長距離曲線頂管施工技術(shù)研究

3.1工程難特點(diǎn)分析

依據(jù)上述采用曲線頂管方案進(jìn)行工程分析。本背景工程鋼頂管外徑為2 020 mm，頂進(jìn)距離為1 110 m，直線頂進(jìn)354 m后，進(jìn)入曲線段頂進(jìn)502 m（曲率半徑為3 000 m，對應(yīng)轉(zhuǎn)角為9.58°），最后直線頂進(jìn)256 m后進(jìn)洞，則有758 m鋼管通過曲線段，為小曲率、超長距離、大口徑曲線頂管。

首先該曲線頂管在②1層淤泥土層中頂進(jìn)，土體承載力僅為40 kPa，主動土壓力值極小，曲線段頂管易出現(xiàn)擠土、管道失穩(wěn)等問題。

另外，工程曲線頂管3 0 0 m 范圍距離房屋僅為10～14 m，環(huán)境影響大；同時曲線頂管不能通視，且受到管內(nèi)設(shè)備干擾，對測量施工及精度控制提出挑戰(zhàn)，整體軸線控制難度大。

3.2鋼頂管曲線設(shè)計(jì)

依據(jù)CECS 246：2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，對于長距離的直線鋼頂管，除滿足水平軸線和高程允許偏差外，尚應(yīng)限制曲率半徑R1：當(dāng)D1＞1 600 mm時，應(yīng)滿足R1≥1 260D1（D1為鋼管外徑，為2 020 mm），即R1≥2 545 m。

因此，設(shè)計(jì)鋼管曲率半徑3 000 m，滿足計(jì)算及規(guī)范要求；且采用多個中繼環(huán)分?jǐn)傓D(zhuǎn)角和應(yīng)力，進(jìn)一步滿足要求，并有足夠安全余量。

3.3小曲率鋼頂管轉(zhuǎn)向機(jī)制研發(fā)

1）中繼環(huán)設(shè)計(jì)。中繼環(huán)采用自行研制的組合式密封中繼環(huán)，其主要特點(diǎn)是密封裝置可調(diào)節(jié)、可組合、可在常壓下對磨損的密封圈進(jìn)行調(diào)換，適合曲線頂管施工。中繼環(huán)安裝22只350 kN油缸，合計(jì)頂力7 700 kN，曲線段設(shè)計(jì)允許頂力2 500 kN，每只油缸安裝獨(dú)立的控制閥，可根據(jù)張縫位置情況，調(diào)整中繼環(huán)的使用部位和只數(shù)，控制油壓、頂力，能有效控制和調(diào)節(jié)張縫大?。▓D3）。

圖3 中繼環(huán)結(jié)構(gòu)示意

2）轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)。由于中繼環(huán)形式復(fù)雜、造價高，因此研制結(jié)構(gòu)簡單的轉(zhuǎn)向節(jié)，轉(zhuǎn)向節(jié)的允許轉(zhuǎn)角為2°，采用雙道橡膠密封止水，并焊接環(huán)向和縱向的加勁板，在加固環(huán)板中間墊木襯墊，環(huán)板用螺栓連接，起到限位和固定的作用。在曲線頂管時，依靠壓縮木襯墊形成張縫，使用中要防止木襯墊壓碎。螺栓伸長要均勻，且要有一定余量，防止環(huán)板等受力集中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)失效。

轉(zhuǎn)向節(jié)的張縫可以通過前后中繼環(huán)進(jìn)行調(diào)整控制，分?jǐn)倧埧p。轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

3）糾偏節(jié)設(shè)計(jì)。同時在機(jī)頭糾偏時增加1個糾偏節(jié)，以滿足頭部糾偏的余量和有效性，糾偏最大角度也為2°，糾偏節(jié)油缸可以自由伸縮，與工具管形成三段兩鉸，使糾偏、轉(zhuǎn)向更加靈活，糾偏節(jié)設(shè)計(jì)具體如圖5所示。

圖5 工具頭后糾偏節(jié)設(shè)計(jì)

4）中繼環(huán)、轉(zhuǎn)向節(jié)布置設(shè)計(jì)。曲線頂管是依靠內(nèi)接圓多段折線形成的，折線的形成和中繼環(huán)的轉(zhuǎn)角有關(guān)，利用圓的弦長公式〔式（1）〕：

普通中繼環(huán)的轉(zhuǎn)角一般不大于1°，采用組合式中繼環(huán)可以將中繼環(huán)允許轉(zhuǎn)角做到2°，考慮滿足施工時有足夠的安全余量，中繼環(huán)的安全轉(zhuǎn)角為1.5°時，對應(yīng)弦長為78.5 m；安全轉(zhuǎn)角為1°時，則對應(yīng)弦長為52.3 m，取鋼管節(jié)長度的整數(shù)倍。

5）轉(zhuǎn)向節(jié)、中繼環(huán)間布置間距設(shè)計(jì)。布置原則：為保證施工曲線與設(shè)計(jì)軸線吻合，頂管前段必須靈活，便于糾偏和轉(zhuǎn)向，以達(dá)到曲線的形成和控制的目的，因此頂管前段采取加密布置，按照1°弦長54 m間距布置，并在中間位置增加轉(zhuǎn)向節(jié)，前5個中繼環(huán)之間增加活絡(luò)鉸接接頭。根據(jù)背景工程特點(diǎn)，共布置15個中繼環(huán)、4個轉(zhuǎn)向節(jié)和1個糾偏節(jié)，具體參見表1。

表1 中繼環(huán)、轉(zhuǎn)向節(jié)布置排列

3.4長距離、小曲率鋼頂管關(guān)鍵技術(shù)研究

3.4.1 中繼環(huán)布置間距計(jì)算

針對長距離頂管，首先保證頂力滿足施工要求，采用中繼環(huán)輔助頂推時，中繼環(huán)的合理布置也是順利施工的關(guān)鍵要素。中繼環(huán)間布置的間距要求按照式（2）計(jì)算：

根據(jù)背景工程的實(shí)際情況，計(jì)算得到機(jī)頭迎面阻力N＝320 kN，管壁線摩阻力F＝25.4 kN/m，故L≤(2 500－320)/25.4≈85.8 m。

考慮第1道中繼環(huán)的糾偏作用，第1道中繼環(huán)布置在工具管后14 m，并在工具頭后布置1個轉(zhuǎn)向節(jié)，滿足糾偏和線形控制要求，后續(xù)根據(jù)頂管管節(jié)長度取54 m滿足要求，具體參考表1。

3.4.2 曲線段穩(wěn)定性驗(yàn)算。

由于背景工程曲線頂管在淤泥土、淺覆土層中頂進(jìn)，要減少土體擾動，避免管道失穩(wěn)導(dǎo)致對周邊房屋等影響，因此要核算側(cè)向土壓力值，當(dāng)頂力側(cè)向分力小于主動土壓力時，不會對周邊土體造成影響，可確保周邊安全，根據(jù)土力學(xué)主動土壓力計(jì)算公式計(jì)算得到Fh,k＝92.4 kN/m2＞頂力側(cè)向分力的10.02 kN，則管道不會發(fā)生位移、擠土。

3.4.3 曲線頂管測量技術(shù)

頂管測量是頂管成敗的關(guān)鍵，曲線頂管的測量對于線形的控制顯得尤為重要，但是曲線頂管管內(nèi)要布置大量的設(shè)備和管路等，需要根據(jù)曲率和管內(nèi)情況設(shè)置足夠的轉(zhuǎn)站，很難采用常規(guī)人工測量方法實(shí)現(xiàn)，故研究采用三維自動導(dǎo)向測量系統(tǒng)來進(jìn)行頂管導(dǎo)向測量。

三維自動導(dǎo)向測量系統(tǒng)采用自動測量全站儀與編程計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件依次指揮設(shè)置在管道內(nèi)的各臺全站儀自動、快速地進(jìn)行逐站測量，最終獲得頂管機(jī)頭三維實(shí)際坐標(biāo)，及其與設(shè)計(jì)軸線的平面和高程偏差信息，以此指導(dǎo)頂管施工。根據(jù)線形計(jì)算和管內(nèi)實(shí)際情況，共布置7個轉(zhuǎn)站，如圖6所示。

圖6 曲線頂管測量系統(tǒng)

在曲線段施工時每頂進(jìn)200 m進(jìn)行一次軸線復(fù)核，若頂進(jìn)中偏差變化較大，需要加大復(fù)核軸線頻率，同時加大偏差測量頻率。

施測過程中提前將曲線段坐標(biāo)輸入測量軟件內(nèi)，根據(jù)每次測量自動計(jì)算出機(jī)頭與設(shè)計(jì)軸線的偏差以指導(dǎo)頂管機(jī)頭糾偏。因曲線頂管受張縫值的影響，糾偏施行緩糾原則，可沿相對的偏差進(jìn)行軸線控制，不可盲目地進(jìn)行大角度糾偏。

4 結(jié)語

通過關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，背景工程超長距離、小曲率鋼頂管順利貫通，中繼環(huán)、轉(zhuǎn)向節(jié)張縫都在允許張角范圍內(nèi)，頂管軸線在允許偏差范圍內(nèi)。通過頂管機(jī)頭頂進(jìn)控制，使曲線段中繼環(huán)、轉(zhuǎn)向節(jié)均勻分?jǐn)傓D(zhuǎn)角張縫，有效地形成了所需要的曲線。中繼環(huán)在頂進(jìn)過程中，均為自然張縫，未主動調(diào)節(jié)使用。管道未發(fā)生變形，焊縫位置良好，都在控制范圍內(nèi)。在施工過程中，對周邊房屋等建（構(gòu)）筑物進(jìn)行了跟蹤測量和房屋檢測，最大沉降未超過3 mm，房屋安全。工程的順利實(shí)施，為長距離、小曲率鋼頂管施工領(lǐng)域提供了寶貴的借鑒意義，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，值得廣泛推廣并進(jìn)一步研究與運(yùn)用。