超長距離曲線頂管跟進(jìn)管軸線控制技術(shù)

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 曲線頂管管節(jié)分析

相比直線頂管，曲線頂管的受力條件更為復(fù)雜[1]，如圖1所示，頂管工具管進(jìn)入曲線段后管道之間推進(jìn)力傳遞面逐漸靠向曲線內(nèi)側(cè)，管道受到單邊荷載作用，內(nèi)弧側(cè)偏心受力。由于各個(gè)管節(jié)頂力方向不一致，存在指向曲線外側(cè)的徑向分力，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。受工具管取土擾動(dòng)影響，周圍土體反力能夠提供的最大抵抗力矩小于轉(zhuǎn)動(dòng)力矩時(shí)，工具管將無法維持在設(shè)計(jì)曲線路徑上[2-4]。這也是工具管在曲線段內(nèi)糾偏張角大于理論張角的原因之一。但這種情況對(duì)于跟進(jìn)管節(jié)來說有著很大的不同，跟進(jìn)管節(jié)與外部土體之間有著更為復(fù)雜的聯(lián)系。這個(gè)現(xiàn)象在直線入曲線點(diǎn)最為突出[5]。在入曲線點(diǎn)的跟進(jìn)管節(jié)會(huì)有這樣一個(gè)過程（圖2）。

（a）第一階段。頂管直線段管節(jié)間隙相同，進(jìn)入曲線的那一刻外弧側(cè)被拉出了張縫，對(duì)于這條管節(jié)接口來說，體積增大了。這造成了外弧側(cè)的表面積大于內(nèi)弧側(cè)的表面積，從而使得跟進(jìn)管節(jié)獲得了指向內(nèi)弧側(cè)的徑向分力。與此同時(shí)，跟進(jìn)管內(nèi)弧側(cè)會(huì)持續(xù)擾動(dòng)與其接觸的土體，這種持續(xù)的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生“帶土”效應(yīng)，即管節(jié)將與其接觸的土體向頂進(jìn)方向牽引。這種擾動(dòng)會(huì)使得管節(jié)的入曲線段有“變直”的趨勢。

圖1 工具管進(jìn)入曲線

圖2 跟進(jìn)管管節(jié)形態(tài)

（b）第二階段。對(duì)于入曲線點(diǎn)這個(gè)位置的后續(xù)跟進(jìn)管節(jié)來說，頂管向前頂進(jìn)距離越長，該處管節(jié)所傳遞的頂力越大。由于入曲線點(diǎn)夾角的存在，會(huì)使得跟進(jìn)管節(jié)受到外弧側(cè)徑向分力的影響也越來越大。當(dāng)其超過了第一階段跟進(jìn)管所受的徑向分力時(shí)，管節(jié)開始向外弧側(cè)移動(dòng)[6]。這會(huì)造成內(nèi)弧側(cè)在第一階段被擠壓的土體迅速釋放應(yīng)力，轉(zhuǎn)而開始擠壓外弧側(cè)土體。

2 工程概況

上海污水治理白龍港片區(qū)南線東段口徑4 640 mm曲線頂管，管線總長2 040 m，曲率半徑為800 m。在里程430 m位置的入曲線點(diǎn)內(nèi)弧側(cè)，設(shè)置了3 個(gè)測斜管監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)距離頂管2 m。在整個(gè)頂管期間持續(xù)對(duì)該3 處監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。由于超長距離曲線頂管后續(xù)跟進(jìn)管的軸線變化會(huì)反映在測斜管數(shù)據(jù)上的變化，從而可以知道跟進(jìn)管在什么情況下軸線發(fā)生了變化。

經(jīng)過連續(xù)約1 400 m頂進(jìn)長度的監(jiān)測，入曲線位置數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 入曲線點(diǎn)測斜數(shù)據(jù)

圖3中可以看出如下特點(diǎn)：

（a） 頂管機(jī)穿過入曲線點(diǎn)430 m里程向前頂進(jìn)過程中，測斜管持續(xù)向內(nèi)弧側(cè)彎曲，一直持續(xù)到了704.7 m，A～B的274.7 m頂進(jìn)過程中跟進(jìn)管在向內(nèi)弧側(cè)施加壓力，屬于第一階段；

（b） 從704.7 m（B點(diǎn)）開始，內(nèi)弧側(cè)土體停止向內(nèi)弧側(cè)位移，轉(zhuǎn)而開始向外弧側(cè)移動(dòng)，一直到C點(diǎn)（914.9 m）屬于第二階段；

（c）從C點(diǎn)到D點(diǎn)（1 570 m），內(nèi)弧側(cè)土體又繼續(xù)向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)，屬于第一階段；

（d）從D點(diǎn)到E點(diǎn)（1 899 m），內(nèi)弧側(cè)土體又繼續(xù)向外弧側(cè)移動(dòng)，屬于第二階段。

從上述實(shí)例的分析可以看出，跟進(jìn)管節(jié)的軸線是處于一種變化狀態(tài)，它對(duì)外部土體會(huì)產(chǎn)生截然不同的2 種結(jié)果，這和曲線的曲率、土層土力學(xué)性能以及頂管頂力有著直接的關(guān)系。

3 跟進(jìn)管軸線控制措施

通過上述分析以及實(shí)例監(jiān)測，可以了解到超長距離曲線頂管跟進(jìn)管在曲線中受力形態(tài)的變化。在這條長2 040 m的超長距離曲線頂管施工中，采取了多樣的施工措施來確保跟進(jìn)管在曲線段的穩(wěn)定。

3.1 開啟中繼環(huán)降低頂力

開啟中繼環(huán)后，每個(gè)中繼環(huán)僅需頂進(jìn)整條頂管的其中一段距離，只需要克服一小段距離管節(jié)的側(cè)壁阻力即可完成頂進(jìn)，這使得曲線段管節(jié)受力將大大降低。

3.2 調(diào)節(jié)中繼環(huán)合力位置

中繼環(huán)合力調(diào)節(jié)主要涉及到位于曲線段或附近的中繼環(huán)，若曲線段非常長，則有必要在曲線段內(nèi)開啟中繼環(huán)需要調(diào)節(jié)合力中心位置，方法是關(guān)閉中繼環(huán)外弧側(cè)的部分油缸。若中繼環(huán)開始向內(nèi)弧側(cè)位移，則需要繼續(xù)調(diào)整中繼環(huán)合力中心位置向外弧側(cè)，方法是減少關(guān)閉油缸的數(shù)量。

調(diào)節(jié)合力中心位置是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，隨著中繼環(huán)位置的變化需要及時(shí)調(diào)整，調(diào)整后仍然需要觀察中繼環(huán)以及前后管節(jié)的張縫變化，來判斷中繼環(huán)合力中心位置調(diào)整是否起到效果。

3.3 針對(duì)性實(shí)施觸變泥漿跟蹤補(bǔ)漿

曲線段的補(bǔ)漿有別于直線段的補(bǔ)漿，曲線段的管節(jié)張角在曲線段里受巷道的趨勢平滑度、曲率半徑等影響下持續(xù)變化，而這種角度的變化將會(huì)產(chǎn)生一定的體積變化。壓漿產(chǎn)生的泥漿套在這種抽吸或擠壓狀態(tài)下容易被坍塌破壞。必須在管節(jié)張縫發(fā)生變化的部位針對(duì)性地多補(bǔ)充漿液。這種控制方法人工控制難度較高，應(yīng)引入自動(dòng)壓漿技術(shù)。

4 結(jié)語

超長距離曲線頂管跟進(jìn)管軸線控制技術(shù)應(yīng)用于白龍港超長距離曲線頂管，最終使得頂管順利進(jìn)行，不僅完成了超長距離曲線頂管，而且極大地提高了施工效率，為以后更為復(fù)雜的頂管積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于曲線頂管甚至更為復(fù)雜的雙曲線、S曲線頂管，其曲線路由設(shè)定宜盡量滿足如下條件：

（a）若頂管存在曲線，則曲線段盡量置于頂管的后端（靠近接收井），從而降低總頂力，減少對(duì)土體的擾動(dòng)；

（b）若頂管包含小曲率半徑曲線，則頂管長度不宜過長，避免長時(shí)間擾動(dòng)帶來不利影響；

（c）頂進(jìn)完成后需對(duì)曲線段頂管外注漿，固結(jié)外部擾動(dòng)土體，減少后期沉降；

（d）對(duì)于小曲率半徑的曲線頂管，由直線進(jìn)入曲線可逐漸緩和過渡到設(shè)計(jì)曲率，避免過快進(jìn)入小曲率半徑。