城市道路下超長(zhǎng)距離曲線頂管技術(shù)優(yōu)化和保障措施

凌興安

（上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司，上海 201103）

0 引言

近年來(lái)，頂管工程朝著大口徑、超長(zhǎng)距離和曲線頂進(jìn)的趨勢(shì)發(fā)展。超長(zhǎng)距離對(duì)頂管施工提出了設(shè)備可靠性、頂力控制、通風(fēng)照明、電力供應(yīng)等技術(shù)難題。曲線頂管對(duì)頂管工具頭姿態(tài)控制、頂管測(cè)量、管道接口密封提出了更高的要求。毛海明等［1］闡述了中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)在超長(zhǎng)距離頂管中的實(shí)際應(yīng)用。張立新［2］結(jié)合實(shí)例介紹了超長(zhǎng)距離頂管觸變泥漿的材料特點(diǎn)、壓漿管布置和壓力控制等施工要點(diǎn)。本文結(jié)合上海某污水總管施工中超長(zhǎng)距離曲線頂管工程案例，介紹頂管中技術(shù)難點(diǎn)，可供類似頂管設(shè)計(jì)和施工參考。

1 工程實(shí)例

上海某污水總管管徑 DN 3 000 mm，采用鋼筋混凝土“F”管節(jié)，管道全長(zhǎng)約 1 772 m，管道埋深約 10 m，頂管平面布置圖如圖 1 所示。。原設(shè)計(jì)為 2 座工作井，1 座接收井，頂管分為 2 段，第 1 段為3 # 井→2 # 井，長(zhǎng)度約 648 m；第 2 段為 2 # 井→1#井，長(zhǎng)度約 1 124 m。施工單位進(jìn)場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)2#井位置有大量既有管線無(wú)法搬遷，同時(shí) 2 # 井施工對(duì)道路交通影響很大，經(jīng)參建單位綜合比較后，取消 2 # 工作井，改為騎馬井，頂管從3#井一次頂進(jìn)到 1 # 井。其中曲線段為125.8 m，曲率半徑為 610 m。頂管場(chǎng)地土層參數(shù)如表 1 所示。

圖1 頂管平面布置圖

表1 土層參數(shù)

頂管位于市政道路下，該區(qū)域道路狹窄、周邊建筑與道路距離小，施工過(guò)程的噪聲、光、振動(dòng)、施工排污等污染將對(duì)附近居民、單位的出行帶來(lái)不便和影響。頂管井施工范圍內(nèi)涉及通訊、電力管線的搬遷、翻排以及道路的掘路施工。頂管沿線穿越雨水管道、污水管道、穿越軌道交通高架橋。

由于頂管工作井和接收井位于市政道路下，場(chǎng)地比較狹小，基坑圍護(hù)采用鉆孔灌注樁，高壓旋噴樁止水帷幕，內(nèi)設(shè) 2～3 道型鋼支撐，工作井設(shè)鋼筋混凝土內(nèi)襯井。

2 方案優(yōu)化

相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為一次頂進(jìn)，總長(zhǎng) 1 772 m。優(yōu)化方案后頂進(jìn)距離加長(zhǎng)增加了頂管施工難度，也增加了減阻措施、中繼間等費(fèi)用，所以對(duì)兩個(gè)方案從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行了比較（見(jiàn)表 2）。

表2 方案比較

根據(jù)表 2 方案對(duì)比，優(yōu)化后的方案施工措施費(fèi)有所增加，但考慮到管線搬遷和交通封閉導(dǎo)致的社會(huì)影響和工程費(fèi)用，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案仍然是比較好的選擇。

3 技術(shù)難點(diǎn)和措施

3.1 工具管選型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及地質(zhì)勘探報(bào)告，結(jié)合本標(biāo)段頂管沿線穿越的土質(zhì)、建構(gòu)筑物情況，頂管設(shè)計(jì)軸線均在道路下方，現(xiàn)狀道路上車流量大，沿線道路兩側(cè)建筑較多，地下管線復(fù)雜，對(duì)頂管施工的沉降控制要求極高，因此 DN 3000 擬選用大刀盤(pán)泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)。DN 3000 頂管機(jī)技術(shù)參數(shù)如表 3 所示。

表3 工具管參數(shù)

主頂進(jìn)系統(tǒng)采用 200 t 雙沖程等推力油缸，行程3 500 mm，雙沖程油缸組裝在油缸架內(nèi)，主頂油缸數(shù)量 10 臺(tái)，主頂系統(tǒng)配置頂力 20 000 kN。

3.2 頂力控制

管道的總頂力按照式（1）、（2）估算［3］：

式中：F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道外徑，m；L 為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，取 2.0 kN/m2；NF為頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

式中：D 為頂管機(jī)外徑，m；γs為土的重度，kN/m3，取 18.0 kN/m3；Hs為覆蓋土層厚度，m。

由于本工程部分采用曲線頂管（曲率半徑約172D1），頂力計(jì)算考慮頂力附加值系數(shù) K=1.225［4］。頂力計(jì)算如表 4 所示。

表4 頂力計(jì)算

工作井設(shè)計(jì)最大頂力 5 000 kN，管材最大允許頂力為 22 000 kN［5］。施工中按工作井所能承受的最大頂力 5 000 kN 計(jì)算。中繼間裝備頂力 15 000 kN，按頂力系數(shù) K=0.5 計(jì)算可達(dá) 7 500 kN。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，隨著頂進(jìn)的深入，漿套逐漸形成，摩阻力逐漸減小，摩阻力在第一只中繼間處取 3.5 kN/m2，第二只中繼間處取 2.0 kN/m2，第三只中繼間及以后取 1.5 kN/m2。第一只中繼間距離計(jì)算：L1=126 m；第二只中繼間距離計(jì)算：L2=265 m；第三只中繼間及以后距離計(jì)算：L3=414 m。施工中應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)際布置中繼間的數(shù)量和里程要在試驗(yàn)段根據(jù)注漿效果和頂程阻力計(jì)算確定。根據(jù)計(jì)算和初步分析，中繼間布置間距如表 5 所示。

頂力控制的關(guān)鍵是最大限度地降低頂進(jìn)阻力，而降低頂進(jìn)阻力最有效方法是注漿。合理布置注漿孔，使所注潤(rùn)滑泥漿在管道外壁形成比較均勻的泥漿套。壓漿時(shí)必須堅(jiān)持“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則，壓漿泵和輸出壓力控制在 0.15～0.2 MPa。同時(shí)為了管道與土層黏結(jié)，在管道外涂刷石蠟。

3.3 管材選用

超長(zhǎng)距離曲線頂管機(jī)頭糾偏和曲線轉(zhuǎn)彎時(shí)，頂管管節(jié)容易漏水，必須采用可靠的接頭形式。根據(jù)上海地區(qū)頂管施工經(jīng)驗(yàn)，頂管管材均采用雙道楔型橡膠圈的 F 型接口形式承插鋼混凝土管節(jié)，管節(jié)單節(jié)長(zhǎng)度 2.5 m。鋼承環(huán)加長(zhǎng)為 380 mm×14 mm。管接口端面的襯墊板宜選用 25 mm 厚的松木板，保證超長(zhǎng)距離曲線頂管施工防水性能。接口詳圖如圖 2 所示。

圖2 接口詳圖（單位：mm）

3.4 頂管測(cè)量

在頂管頂進(jìn)施工過(guò)程中，對(duì)軸線的測(cè)量工作至關(guān)重要?，F(xiàn)有的頂管導(dǎo)向測(cè)量大多是基于傳統(tǒng)的人工導(dǎo)線測(cè)量技術(shù)，人工測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，總的導(dǎo)向測(cè)量次數(shù)少，這些因素大大影響了工程的施工進(jìn)度和貫通精度，測(cè)量不及時(shí)甚至將導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問(wèn)題。測(cè)量站點(diǎn)布置如表 6 所示。

表6 測(cè)量站點(diǎn)布置

針對(duì)本工程頂管長(zhǎng)距離曲線頂進(jìn)的特點(diǎn)，擬采用超長(zhǎng)頂管自動(dòng)引導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行施工。該技術(shù)由自動(dòng)驅(qū)動(dòng)全站儀、計(jì)算機(jī)、棱鏡及其它輔助產(chǎn)品組成。利用自動(dòng)驅(qū)動(dòng)全站儀的坐標(biāo)測(cè)量功能實(shí)時(shí)控制頂管方向；利用全站儀三角高程測(cè)量功能實(shí)時(shí)控制管道標(biāo)高，以保持管道的設(shè)計(jì)坡度；利用便攜式電腦及軟件獲取實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，繪出偏差軌跡，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前里程與機(jī)頭中心位置。

3.5 工具管姿態(tài)控制

為了監(jiān)測(cè)頂管機(jī)的姿態(tài)，頂管機(jī)上安裝了激光導(dǎo)向系統(tǒng)，測(cè)量裝置由目標(biāo)測(cè)量板即激光靶板和傾角羅盤(pán)裝置組成，激光靶板測(cè)量激光入射點(diǎn)和入射角，傾角羅盤(pán)儀測(cè)量機(jī)器在兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)角。測(cè)量時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相互糾正，以進(jìn)一步提高頂管機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)的精度。

頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整包括：①滾動(dòng)糾偏；②豎直方向糾偏；③水平方向糾偏。頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整時(shí)要隨時(shí)根據(jù)開(kāi)挖面地層情況及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，修正頂進(jìn)方向，避免偏差越來(lái)越大。頂進(jìn)時(shí)要及時(shí)進(jìn)行糾偏，削除偏差后，再繼續(xù)向前頂進(jìn)。

表5 中繼間布置表

4 實(shí)施效果和結(jié)論

4.1 實(shí)施效果

1）頂管施工時(shí)間約 9 0 d，實(shí)際最大頂力約5 400 kN，施工中除一次清理垃圾土，停機(jī) 14 h，重啟頂力達(dá)到 9 300 kN，其余施工過(guò)程頂力正常。

2）穿越軌道交通高架橋處，最大地面沉降為 16.2 mm。

4.2 結(jié)論

1）實(shí)例表面，在一定的技術(shù)措施下，1.7 km 超長(zhǎng)距離曲線頂管在市中心區(qū)域可以成功實(shí)現(xiàn)。

2）超長(zhǎng)距離頂管核心技術(shù)是頂力控制，需要對(duì)注漿減摩精細(xì)化管理，同時(shí)合理布置和操作中繼間。

3）曲線頂管從管材接頭、工具管姿態(tài)控制等方面保證了線形和防水效果。

5 結(jié)語(yǔ)

上海城市道路下某污水總管管徑 DN3000 mm，頂進(jìn)距離為 1 772 m，其中曲線段為 125.8 m，曲率半徑為 610 m，穿越軌道交通高架橋和市政管線。頂管施工時(shí)，通過(guò)工具管選型、泥漿套減阻和中繼間布置等技術(shù)措施，管道順利頂通并有效控制了超長(zhǎng)距離曲線頂管對(duì)周邊設(shè)施的影響，可供類似頂管設(shè)計(jì)和施工參考。