超長距離曲線鋼頂管施工技術(shù)

徐 玉 夏

(1.上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司,上海 200002； 2.上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心,上海 200002)

1 項(xiàng)目背景

珠海某原水供應(yīng)管道工程，全長約20.34 km，本工程為其昌村(沿豬母涌北側(cè)布置)2號(hào)橋至屏西八路段，長約1.10 km。初步設(shè)計(jì)階段考慮該段管道在其昌村拆遷改造后實(shí)施，因昌村拆遷改造項(xiàng)目滯后，該原水供應(yīng)管道工程其他管道已完工多時(shí)，急需接通該段管道。為避免直線頂管穿越民宅，因而采用曲線鋼頂管，避開村民住宅，從住宅北側(cè)相距約8 m的位置穿越。

背景工程1號(hào)井(工作井)～3號(hào)井(接收井)區(qū)間頂管，長度為1 101.35 m，共分為2段直線段和1段曲線段，直線段1的長度為369.01 m，直線段2的長度為306.02 m，曲線段長度為426.32 m，曲率半徑R=3 000 m，管道外徑DN2 020，壁厚22 mm，管道中心標(biāo)高為-8.84 m，單節(jié)鋼管長度為6 m，屬超長距離曲線鋼頂管。

2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，勘探深度內(nèi)揭露地層主要有：素填土①、淤泥②1、淤泥質(zhì)砂②2、淤泥質(zhì)黏土②3屬軟弱土；黏土②4。頂管穿越地層主要為淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3。淤泥②1：灰褐、深灰色，呈飽和，流塑狀態(tài)，含少量貝殼碎屑，略具腥臭味。淤泥質(zhì)黏土②3：灰褐色，呈飽和，流塑狀態(tài)，韌性中等，刀切面光滑，光澤反應(yīng)強(qiáng)。

3 曲線鋼頂管難度分析

曲線鋼頂管施工主要是利用頂管機(jī)在頂進(jìn)過程中向某一個(gè)方向造成人為的軸線偏差，并使這個(gè)偏差符合設(shè)計(jì)曲線要求，隨著頂進(jìn)長度的增加，就形成了曲線。曲線鋼頂管不同于曲線混凝土管，鋼管管節(jié)沒有張角，整體性好，主要依靠在曲線段上設(shè)置中繼環(huán)張角及鋼管自身的彈性變形來實(shí)現(xiàn)曲線線形。在頂管過程中，主要靠頂管機(jī)糾偏引導(dǎo)及中繼間的分段頂進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。

該段頂管穿越地層主要為淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3。該類軟土層適宜常規(guī)直線頂管法施工，但由于土層較軟，不適合長距離曲線鋼頂管，主要有以下幾方面：

1)由于鋼管自身變形彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力較大，而淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3土層軟，無法為頂管糾偏提供足夠的反力。

2)為減少對(duì)村民住宅影響，頂管路由選擇沿豬母涌河邊位置，頂管右側(cè)河堤與頂管左側(cè)河床高差在4.5 m左右，河床位置管道覆土5 m～6 m，頂管左右兩側(cè)土壓力反差大，進(jìn)一步導(dǎo)致頂管向右糾偏困難。

3)由于淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3土層軟頂管機(jī)在穿越圓弧線后，后續(xù)管道推進(jìn)時(shí)，管道容易向圓弧外側(cè)外移動(dòng)(頂管左側(cè))，導(dǎo)致住宅出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，而不能達(dá)到調(diào)整方案的初衷。

4 超長距離曲線鋼頂管施工

4.1 曲線頂管主要設(shè)備

根據(jù)本工程實(shí)際情況，本工程選用泥水平衡頂管機(jī)，條幅刀盤結(jié)構(gòu)，糾偏油缸選用100 t雙作用千斤頂，頂管機(jī)糾偏角度為2°。本工程中繼環(huán)安裝30只250 kN油缸，合計(jì)頂力7 500 kN，中繼間允許轉(zhuǎn)角為2°。第一道中繼環(huán)布置在頂管機(jī)后，第二道布置在第一道后12 m，第三道中繼環(huán)布置在第二中繼環(huán)后12 m處，第四道中繼環(huán)布置在第三中繼環(huán)后42 m處，其后每72 m布置一道中繼間，直線段每96 m布置一個(gè)中繼間，共布置15個(gè)中繼環(huán)。

4.2 雙作用轉(zhuǎn)向中繼間

本工程前4個(gè)中繼間采用雙作用轉(zhuǎn)向中繼間[1](已申請(qǐng)國家專利)，直徑2 000 mm中繼間，鉸接油缸分4組布置，每組3只雙作用油缸。單個(gè)雙作用油缸參數(shù)：向前推力為80 t，向后拔力為40 t，工作壓力31.5 MPa，油缸行程150 mm。每組雙作用油缸進(jìn)、出油口通過管路連接到閥組上，可獨(dú)立控制。不用時(shí)，閥組鎖定，油缸不動(dòng)作，使整條管道形成一個(gè)整體。雙作用轉(zhuǎn)向中繼間主要具備以下功能：

1)向前接力頂進(jìn)鋼管。

在長距離和超長距離鋼頂管施工中，根據(jù)頂力的需要，依次從頂管機(jī)后第一個(gè)中繼間開始啟動(dòng)，逐段向前推進(jìn)，最后由后座主頂千斤頂頂進(jìn)。

2)向后接力拔退鋼管。

普通中繼間，采用單向千斤頂，不具備后拔功能。采用雙作用轉(zhuǎn)向中繼間，可以從頂管工作井最近的中繼間開始依次后退，在頂管機(jī)后退時(shí)，可以利用頂管機(jī)正面壓漿壓水及第一個(gè)中繼間的拉力將頂管機(jī)向后拔退。特別適合在巖層中頂管需要更換刀具時(shí)，將頂管機(jī)進(jìn)行短距離的后退。

3)可以進(jìn)行強(qiáng)制糾偏。

普通中繼間，采用單向千斤頂，不具備強(qiáng)制糾偏功能。采用雙作用轉(zhuǎn)向中繼間，特別適合進(jìn)行曲線鋼頂管的強(qiáng)制糾偏，如需頂管機(jī)向左偏，可以將中繼間右邊千斤頂伸出，左邊千斤頂收回，中繼間右側(cè)張縫大于左側(cè)張縫，使管道形成向左轉(zhuǎn)彎趨勢(shì)；在經(jīng)過曲線段后，可將油缸收回，恢復(fù)正常頂進(jìn)。

本工程在頂管正常頂進(jìn)時(shí)，將1號(hào)、2號(hào)中繼間鎖定，確保3號(hào)中繼間以前的鋼管與頂管機(jī)尾部形成整體。頂管在進(jìn)入曲線段后，初始時(shí)在沒有啟用中繼間糾偏功能情況，頂管機(jī)正常糾偏達(dá)不到預(yù)定效果，最大偏差達(dá)到33 cm，因而將1號(hào)、2號(hào)，左側(cè)張開0.2°(理論張角)后鎖定，發(fā)現(xiàn)頂管向右糾偏速度太快，以至頂管機(jī)需要向左糾偏；經(jīng)摸索，將1號(hào)、2號(hào)中繼間張角控制在0.1°(理論張角50%)比較適合，在后續(xù)曲線段頂進(jìn)過程中，管道最大偏差在12 cm，較為理想。

4.3 曲線頂管糾偏原則

在曲線頂管中，頂管糾偏應(yīng)遵循“勤測(cè)勤糾、預(yù)測(cè)緩糾、預(yù)糾強(qiáng)糾”的原則[2]：

1)勤測(cè)勤糾：在正常推進(jìn)的情況下，頂管實(shí)際軸線偏差較小，頂管每推進(jìn)一個(gè)沖程，應(yīng)測(cè)量一次頂管機(jī)軸線及標(biāo)高偏差情況，并結(jié)合頂管機(jī)的前進(jìn)趨勢(shì)情況，及時(shí)進(jìn)行有效的糾偏，使頂管機(jī)不致出現(xiàn)較大偏差。每次糾偏角度要小，每次糾偏角度變化值一般的都不大于0.5°，當(dāng)累計(jì)糾偏角度過大時(shí)應(yīng)特別慎重。

2)預(yù)測(cè)緩糾：如果頂管實(shí)際軸線偏差較大，根據(jù)頂管機(jī)前進(jìn)偏離趨勢(shì)的加大、平穩(wěn)、減小等工況，調(diào)整工具管糾偏角度，及時(shí)進(jìn)行有效的糾偏。但每次糾偏角度要小，不能大起大落，要保持管道軸線以適當(dāng)?shù)那拾霃街鸩?、緩和地返回到軸線上來，避免相鄰兩段間形成的夾角過大。

3)預(yù)糾強(qiáng)糾：如果頂管實(shí)際軸線偏差很大，且工具管前進(jìn)偏離趨勢(shì)加大，在常規(guī)糾偏方法失效時(shí)，應(yīng)采取預(yù)糾強(qiáng)糾措施：即通過調(diào)節(jié)雙作用轉(zhuǎn)向中繼間左右行程差，使工具管后部管道整體保持反向趨勢(shì)，進(jìn)行預(yù)糾偏；當(dāng)頂管軸線偏差減小時(shí)，應(yīng)根據(jù)頂管機(jī)的趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整中繼間的行程差，避免糾偏過頭。

5 曲線頂管失穩(wěn)計(jì)算

按頂管技術(shù)規(guī)程[3]，鋼管管壁應(yīng)力分為環(huán)向應(yīng)力和縱向應(yīng)力，并共同組成組合折算應(yīng)力。其中縱向應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中第1項(xiàng)為環(huán)向應(yīng)力對(duì)應(yīng)，第2項(xiàng)為溫度應(yīng)力影響，曲線和施工偏差引起的縱向應(yīng)力即為第3項(xiàng)。

按照以下條件進(jìn)行計(jì)算分析：管頂覆土厚度為6 m，壁厚為0.01D；管頂土的內(nèi)摩擦角φ=3°，管頂土的粘聚力系數(shù)C=5 kPa；管周原狀土的變形模量為2.0 N/mm2；土弧基礎(chǔ)中心角為120°；管道閉合溫差為20 ℃；管道工作內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為0.8 MPa，工程重要性系數(shù)1.1。

計(jì)算本工程曲線鋼頂管在純?cè)O(shè)計(jì)曲線下的允許曲率半徑約為2 400 m，對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)力為86 MPa。考慮施工偏差的疊加影響，按每100 m偏差60 mm計(jì)算，相當(dāng)于曲率半徑減少10%左右，則疊加施工偏差后，設(shè)計(jì)允許曲率半徑約為2 600 m。因此本工程設(shè)計(jì)3 000 m的曲率半徑可以滿足計(jì)算要求。

根據(jù)管道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，后續(xù)管道在經(jīng)過圓弧段時(shí)，管道豎向最大變形在3 cm以內(nèi)，在鋼管彈性變形范圍以內(nèi)，不影響管道目前施工安全及后期的使用安全；管道在離開圓弧段后，鋼管變形逐漸恢復(fù)。

6 結(jié)語

頂管施工過程中及頂管結(jié)束時(shí)，多次對(duì)管道軸線每2 m一個(gè)點(diǎn)(即每道環(huán)向焊縫)進(jìn)行復(fù)測(cè)，對(duì)比原始數(shù)據(jù)與復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在直線段原來出現(xiàn)較大偏差的位置，后續(xù)管道通過后，管道逐漸拉直，管道偏差在不斷變小。在曲線段，管道存在向圓弧外側(cè)移動(dòng)現(xiàn)象，最大位移達(dá)到22 cm，但管道整體線形更加圓順。為防止地面沉降，從管道內(nèi)向管道外注粉煤灰漿(用頂管觸變泥漿拌粉煤灰)，效果明顯，頂管結(jié)束后再注水泥漿進(jìn)行固結(jié)。

頂管前、頂管施工過程中及頂管結(jié)束后兩個(gè)月連續(xù)監(jiān)測(cè)，村民住宅最大沉降沒有超過3 mm。順利實(shí)現(xiàn)進(jìn)行曲線鋼頂管預(yù)期目標(biāo)，村民住宅沒有產(chǎn)生沉降開裂等擾動(dòng)。