超大直徑頂管施工遇障回退技術應用

王冬兵，陳楓

（中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著我國城市現代化不斷發展，各類工程管線的改擴建需求不斷增加。受城市內復雜施工環境的影響，常規明挖施工難以滿足要求，非開挖管道施工技術逐漸引起重視。頂管施工技術因具有施工精度高、掘進速度快、對地層擾動小、施工安全度高、綜合成本低等優點[1-2]，尤其在繁華路段或下穿建構筑物等施工中獨具優勢，其應用也日益廣泛。

地下工程施工環境復雜多變、不確定因素較多，頂管施工過程中會遇到地下孤石、未探明管線、重要建筑物樁基等地下障礙物，給頂管施工帶來極大的困擾。因此，如何安全快速、經濟有效地處理障礙問題具有非常大的工程意義。

1 工程概況

某城市污水管道工程，線路橫穿市內湖泊，采用頂管施工，管道為外徑4.8 m 的鋼筋混凝土管，單段頂管距離超過1 500 m，屬于超大直徑、超長距離頂管。頂管段主要穿越淤泥質粉質黏土、黏土、粉質黏土及粉質黏土夾粉土等地層，上覆土層厚度在7.5～8 m 左右。根據地質條件，采用泥水平衡式頂管機施工。

在累計頂進8 節管道（約20 m）時，發現頂力突變異常，總頂力達到1 350 t，遠超過設計頂力，現場立即停止頂進。在采取注水反沖、注減摩泥漿、刀盤面板高壓供水等措施后，頂力仍未降低。

通過鉆孔取芯、頂管機刀盤上開孔檢查等，在地層中發現粒徑超過200 mm 的礫石塊。綜合分析，認為大粒徑礫卵石堵孔，導致刀盤切削進渣不暢，從而造成頂力超限，頂進困難。

2 處置方案設計

2.1 處置方案比選

遇障處置技術分為避讓技術和清除技術。由于始發、接收井均已施作完成，管道改線并不具備可行性，故主要考慮清除技術。

清除技術分地面處理及地下處理技術，其中地面處理技術主要包括：豎井開挖技術及鉆孔清除技術；地下處理技術有：慢速磨頂技術、開倉清除技術、套管技術、頂管回退（反頂退管）技術、頂管對接技術及鉆爆清除等[3]。

頂管遇障處場地較狹窄，無大規模開挖作業條件，且后續剩余距離長，大概率存在大粒徑孤石，常規的開挖、局部清除障礙物措施不適用。

已頂進距離較短，具備退管條件，且反頂退管施工成本低、環境影響小，安全風險較低，綜合比選下，決定采用頂管回退方式處置遇障問題。

2.2 頂管回退施工總體方案

頂管回退系統主要包括反推裝置（反頂千斤頂）、傳力裝置（反力架）、傳力拉索（精軋螺紋鋼）及注漿回填系統（系統布置如圖1 所示）。

圖1 頂管回退系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipe jacking withdrawal system

退管時，4 臺千斤頂同步反推反力架，反力架通過螺紋鋼組帶動頂管機及管道同步回退。同時，向頂管機前方泵送回填料，對退管空腔進行回填，防止管道上方土體出現沉降，導致地面發生塌陷。

待頂管機機頭退至洞口時，采用鋼板樁對洞口進行封閉，確保洞口封堵嚴密后，方可完全退出、更換新頂管機（整體施工工藝流程圖見圖2）。

圖2 頂管回退施工工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of pipe jacking withdrawal construction

2.3 退管頂力分析計算

退管過程中，頂管機和管節主要受周邊土體摩擦阻力及前端注土壓力的作用[5]，反頂退管所需總頂力計算如下：

式中：F 為反頂力設計值；D 為管道外徑，取4.8 m；L 為退管總長度（含頂管機長度）；fk為管道外壁與土的平均摩阻力；F0為頂管機的機頭面板受到注土壓力，按最不利情況考慮，推力取0。

針對不同退管條件，分階段進行摩擦阻力分析。初始階段（松管過程），停滯較長時間，使管道外泥漿發生固結，退管阻力最大，取25 kN/m2；整體退管時，管道外周注入新鮮泥漿，形成泥漿套，摩擦阻力降低，取10 kN/m2。

計算可知，松管階段最大反頂力為2 826 kN，整體退管階段最大反頂力為3 466 kN。

2.4 反頂退管附屬結構及設施

反頂退管設施主要包括反頂后背墻、反頂千斤頂、反力架（反頂鋼梁）及精軋螺紋鋼組等[4-5]。其具體布置如圖3 所示。

圖3 頂管回退施工設施布置Fig.3 Facilities layout of pipe jacking withdrawal construction

1）反頂后背墻

后背墻采用C30 鋼筋混凝土結構，其表面預埋3 cm 厚鋼板作為鋼靠背，為保證受力均勻，鋼墊板安裝平整度應滿足：垂直方向≤5 mm，水平方向≤1 mm。

2）反力架

反力架采用雙拼H900×400×20×26 型鋼加工而成，長8m，在螺紋鋼連接處預留DN45 孔洞，內外層均采用綴板補強加固（反力架結構如圖4所示）。

圖4 反力架結構示意圖（mm）Fig.4 Schematic diagram of reaction frame structure（mm）

3）精軋螺紋鋼

退管拉索采用φ40 mm 的PSB830 型精軋螺紋鋼，極限拉力為129 t（設計拉力按90 t 考慮），共8 根，可提供720 t 拉力，滿足退管拉力要求。

精軋螺紋鋼組對稱布置在管道內兩側，兩端分別與頂管機機頭及反力架連接，采用螺栓錨固（精軋螺紋鋼組安裝見圖5）。為防止螺紋鋼過長，在自重作用下彎曲，影響傳力效果，在螺紋鋼下每隔6 m 設置一處臨時托架。

圖5 精軋螺紋鋼組安裝Fig.5 Installation diagram of fine rolled rebar group

4）反頂千斤頂

采用STG-H280×3 500 mm 型千斤頂，其最大頂力為200 t。考慮到地下環境的復雜性，適當考慮性能富余量，共配置4 臺反頂千斤頂，最大提供8 000 kN 的退管頂力。

3 方案具體實施及效果

3.1 分段松管

退管初始階段阻力大，整體退管難度大，對材料設備要求高，施工風險大。通過逐段松管、注漿減阻等方法，可有效將退管阻力化整為零，解決初期泥漿固結造成阻力過大的問題。

松管前，在特殊管節的糾偏油缸倉內設置小型千斤頂，每個斷面均勻對稱布置6 臺千斤頂，用于反推松管。

按從沉井端向機頭端方向逐段松管。具體如圖6 分段松管布置圖所示。

圖6 分段松管布置Fig.6 Layout of segmented loosening pipes

具體過程如下：先啟動6 號管節內松管千斤頂，反向推動6 號、7 號管節向洞口移動，使6號管節與5 號管節分離。為防止管節間發生滲漏，管節脫開距離不得超過接口鋼圈寬度，故單次松管間距按5～7 cm 控制。按同樣步驟，依次完成4號、2 號管節的松管工作。最后，剩余1 號管節及機頭則通過螺紋鋼組拉動松管。

在松管的同時，不斷向管道外壁注入新鮮泥漿，為后續整體退管創造條件。

3.2 整體退管

整體退管前，需進行試拉試驗。試拉時，按總設計頂力的20%（約180 kN）逐級加壓。當達到設計頂力后，管道仍未拖動時，立即停止退管，查明原因。必要時，可多次重復分段松管過程，通過分節段、小行程松管，達到逐段退管的目的，直至能正常整體退管。

退管過程中，嚴格控制好退管速率，速度控制在0.5 m/h 以內，每次退管長度不超過30 cm，并同步向頂管機前方泵送回填料。

為保證兩側千斤頂同步頂進，在反力架兩側設置行程監測點，實時進行監測（見圖7），要求兩側千斤頂行程差不超過30 mm。同時，也可以通過千斤頂的壓力差來輔助判斷其同步性。

圖7 行程監測點布置示意圖Fig.7 Layout of route measurement monitoring points

3.3 同步注漿回填

管道回拉時，端部若形成空腔，可能引起周邊土體坍塌，導致地面發生沉降。為保證施工安全，需同步向空腔內注回填料填充，保證地層的穩定性。

1）回填料制備

用于填充空腔的回填料，要求其流動性好，具有一定承載性，且有利于后期頂管切削破碎。

針對這些要求，進行配比試驗，按粉煤灰∶水泥∶水=150∶7.5∶50 的比例進行調配。

回填料攪拌成型后，較為黏稠，呈“果凍狀”，有較好的流動性，其初凝時間為5 h，終凝時間為12 h。終凝后，整體抗壓強度較高，強度達到1 MPa，按壓困難。但抗剪切能力較弱，手捻易碎，較好滿足耐壓不耐剪切的要求。

2）混合料回填

混合料通過泵送進行回填，邊退管、邊注回填料，泵送壓力控制在0.2 MPa 左右，注漿與退管需保持同步。注漿壓力可根據退管速度進行調整，但不低于前方土壓力。

注漿回填過程中，采取單位注漿量及注漿壓力雙重指標控制。以注漿量控制為主，嚴格控制回填料注入量，確保退管空間全部填充密實；壓力控制為輔，泵送注漿過程要保持壓力穩定，以保持頂管機前方水土壓力穩定。

此外，退管速度與注漿壓力、速率及混合料的初凝時間等相匹配。每回退一節管道（2.5 m）后，停滯12 h，待混合料達到終凝后，方可繼續回退剩余管節。

3.4 退管過程止退措施

隨著管道的逐節退出，管外壁總摩阻力逐漸變小，當管外壁摩阻力小于頂管機正面主動土壓力時，為防止管道在前方土壓力作用下被推出洞口，造成地面沉降，必須采取止退措施，止退裝置如圖8 所示。

圖8 止退裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of backstop device

阻退措施主要包括：1）退管過程中，通過正頂千斤頂在頂住管道后方，并隨管道的退出逐步回縮油缸，從而限制管道移動速度及范圍；2）吊管階段，將鋼銷插入管節吊裝孔內，同時利用阻退三腳架進行固定，以起到止退效果。

3.5 洞口封閉

頂管機完全退出前，需對洞口進行封閉，防止洞內水土涌出洞口，造成洞口坍塌。為方便復頂時拆卸，采用鋼板樁進行洞口封閉（見圖9）。

圖9 鋼板樁施工示意圖Fig.9 Schematic diagram of steel sheet pile construction

鋼板樁設置在沉井壁與止水帷幕樁之間，鋼板樁施作寬度為6 m，兩側與井壁合圍封閉。為保證良好的封閉效果，鋼板樁樁底插入管底下1 m以上。

3.6 退管過程安全分析與監測

3.6.1 地表沉降分析

退管施工過程主要風險是退管造成地面沉降過大，引發的地面及周邊結構物穩定性風險。除退管施工本身，地面臨時存管及鋼板樁施工對地面產生的額外荷載，也會影響地表的穩定性。

采用Midas GTS 建立三維計算模型，對不同工況下地表沉降變形進行模擬分析，分析結果見圖10。

圖10 不同工況沉降變形云圖Fig.10 Settlement deformation cloud map under different working conditions

通過模擬結果可知，無荷載時，退管過程最大沉降值約為1.58 cm；受管節堆放荷載或機械荷載作用時，地表最大沉降約為1.8 cm。3 種工況下，地表沉降均處于安全范圍內，表明地面臨時荷載對退管安全影響較為有限。

3.6.2 地表沉降控制措施

為控制地面沉降，可采取以下保護措施：

1）加強泵送設備維護，確保填料泵送及時，防止出現注土壓力不足引起的土體塌陷；

2）控制回退速度，在地面沉降較大時，降低退管速度（50 cm/d），并根據每天測量參數不斷調整相關施工參數[6-7]；

3）重視同步注土回填，最大限度消除機頭產生的帶土損失；

4）控制好減摩泥漿的注漿壓力及注漿量，有效降低摩阻的同時，避免引起地面隆起等情況。

3.6.3 施工監測及分析

施工中加強沉降監測是工作的重點，監測要及時準確，根據監測數據進行退管參數進行調整，做到信息化施工。

退管過程主要對退管區地面及兩側門機基礎進行監測。專人嚴格按測量方案進行測量監控，對各沉降情況進行詳細記錄和動態分析。

地表沉降變化速率按5 mm/d，累計沉降按30 mm（門機基礎按20 mm）進行控制[8]，分級設置警戒閾值。當出現異常時，及時調整施工方案，采取地表加固等措施進一步控制土體位移，減小施工對周圍環境的影響。

根據施工階段監測數據顯示，地表最大變化速率為3 mm/d，累計最大沉降為22 mm（地表），退管施工過程整體處于安全狀態。

4 結語

超大直徑超長距離頂管施工遇障情況下，通過多方案比選，選擇頂管回退工藝進行處理。采取“逐段松管，整體退管，同步注漿”等多重手段，確保頂管機及管道安全高效退出，且后續復頂較為成功。從整體效果來看，頂管回退施工為項目節約了大量工期及成本，且其施工安全性、效率已得到充分證明。

基于本次遇障處理過程分析總結，在頂管施工前應加強地質復勘等工作，充分掌握地質條件；其次，頂管機選型時，需考慮足夠的安全儲備系數，尤其是針對長大距離頂管，設備二次選型、更換成本過高，容易給工程帶來不可挽回的損失；此外頂管施工遇障后，應結合具體環境及作業條件，合理制定處置措施，且充分考慮對后續施工的影響。