長距離小直徑隧道垂直頂升施工技術

方 華

上海市機械施工集團有限公司 上海 200070

垂直頂升目前在大直徑長距離盾構中已有應用，但因其垂直度難以控制導致重復頂升的通病亟待解決，而在小直徑盾構隧道中，垂直頂升施工難度更高。長距離小直徑盾構隧道具有承載力較小、設備布置難、盾構臺車超長等多個特點，使得垂直頂升的施工技術難度大大增加。

本文結合工程實際，研究解決長距離小直徑盾構隧道內測量專用垂直頂升頂力對小直徑盾構隧道沉降影響大，垂直頂升位置與臺車斷開和糾偏距離之間的矛盾，以及垂直頂升垂直度控制難制約盾構進洞測量的難題[1-2]。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某工程為穿越長江的天然氣主干管道越江隧道工程，采用小直徑泥水平衡盾構機（直徑4 110 mm）進行推進，盾構機臺車長206 m，隧道長度達到8.237 km，用于安裝超高壓天然氣管道。圓隧道的襯砌結構內徑為3.40 m，外徑為3.96 m，襯砌厚280 mm，環(huán)寬為1.35 m，裝配式襯砌環(huán)全環(huán)分成6塊，由小封頂F、2塊鄰接塊L和3塊標準塊B構成。采用通用楔形襯砌環(huán)形式，環(huán)間錯縫拼裝。

1.2 垂直頂升概況

垂直頂升穿越土體高度26 m，頂升管高度30 m，頂升管外徑0.72 m。垂直頂升需要臨時斷開臺車方能實施，為保證垂直頂升可靠性，盾構推進時預設間距5～6環(huán)的2個垂直頂升特殊鋼管片（非全環(huán)鋼管片，僅頂升孔一片為鋼管片），采用“一用一備”的方式，垂直頂升測量采用單孔貼片＋陀螺全站儀測量方法（圖1）。

圖1 垂直頂升測量方法示意

2 垂直頂升穿越土層情況

根據(jù)詳勘報告，擬建場地地層平面分布及深度如下：①1吹填土厚約0.8 m、②3-1砂質黏土厚約3.0 m、②3-3粉砂厚約7.0 m、②3-4黏質粉土夾粉質黏土厚約3.2 m、④淤泥質黏土厚約7.0 m，管道位于⑤1-1黏土頂面下約5.0 m處，且以⑤1-1黏土作為反力承載區(qū)。

3 垂直頂升施工技術

3.1 頂升位置的選取

根據(jù)盾構的掘進糾偏能力以及超長距離隧道的測量偏差預估。垂直頂升位置至少距離工作井200 m。隧道過崇明島大堤后即到達工作井，中間大堤與工作井之間距離均只有60 m左右且有河道和道路設施，導致了這些距離范圍內不適合設置垂直頂升孔位。

根據(jù)調查，崇明島大堤南有一段灘涂，標高范圍1.0～3.4 m不等。灘涂處長江近年水位平均標高2.0 m，高潮時可達到3.6 m，低潮時可降至0.6 m。灘涂區(qū)域距離工作井在200～250 m之間，基本滿足頂升位置要求。灘涂區(qū)域垂直頂升管需高于高潮水面，測量作業(yè)盡量利用潮汐窗口期進行。

隧道內部，盾構臺車長度200 m，選擇在臺車70 m處臨時拆除連接板，保留大部分盾構機功能的前提下，停機垂直頂升。

3.2 垂直頂升的頂力參數(shù)確定

根據(jù)使用功能需要，垂直頂升管需高于最高水面，長度約30 m，外徑720 mm，壁厚15 mm。其中需穿越土層厚度26 m。

3.2.1 頂力估算一

根據(jù)DG/T J08-2049—2016《頂管工程施工規(guī)程》，垂直頂升的最大頂力估算，可按式（1）計算：

經(jīng)計算，最大頂力為1 092.7 kN，其中：頂蓋處水壓力值58.7 kN，頂蓋處土的破土力值368 kN，頂升管壁與土的摩阻力值588 kN，管節(jié)重力78 kN。

3.2.2 頂力估算二

根據(jù)經(jīng)驗公式進行計算。計算模式為頂升管上端的土柱受剪切。根據(jù)地質報告、施工規(guī)范及現(xiàn)場情況，頂推力估算相關參數(shù)確定如下：穿越土體高度26 m，頂升管高度30 m，頂升管外徑0.72 m，頂升管壁厚0.015 m，土的加權平均重度18 kN/m3，破土阻力500 kN/m2，海水深度4 m，摩阻力10 kN/m2。

經(jīng)計算，最大頂力為1 130.3 kN，其中：土壓力215.6 kN，水壓力18.4 kN，管重力78 kN，破土阻力230.3 kN，摩阻力588 kN。

出于頂進施工安全考慮，最大頂力選用上述估算中的較大值，即1 130.3 kN，同時留有1.5倍的安全系數(shù)，即總頂力按1 695 kN考慮。主頂油缸采用4只800 kN的油缸，共計3 600 kN的推力，頂進時頂力控制在1 300 kN以內，以保證安全。如果所需頂力大于1 300 kN，應立即停止上升頂進施工，查明原因并經(jīng)研究討論后再繼續(xù)頂進施工。

3.3 垂直頂升成套設備研究與設計

3.3.1 垂直頂升反力基礎設計

由于臺車難以實現(xiàn)拉開后復原，根據(jù)現(xiàn)場情況考慮僅利用臺車間距斷開空間垂直頂升，垂直頂升的反力基礎（分載梁）與現(xiàn)場預制塊相結合，反力基礎采用分段制作、現(xiàn)場連接。

垂直頂升分載梁反力基礎采用與盾構推進臺車軌枕相結合的預制拼裝式垂直頂升分載梁，將頂升反力平均分布于整段隧道結構，確保隧道本身施工質量與安全。該分載梁采用鋼結構制作，高度為隧道內緣最低點至臺車行走軌道底面的高差，徑向（隧道軸線方向）寬度為一環(huán)隧道襯砌環(huán)管片寬度（圖2）。

圖2 與臺車軌枕相結合的預制拼裝式分載底座示意

3.3.2 頂升架設計

受現(xiàn)場條件限制，本工程頂力架采用圓環(huán)式鋼板頂升架，結構如圖3所示。

圖3 頂升架示意

采用4個800 kN的同步主頂升千斤頂和整體式頂升架組成，4個主頂升千斤頂采用1個具有4個獨立液壓控制閥的同步液壓泵站提供液壓，并且4個主頂升千斤頂均設置行程儀，可判斷千斤頂是否同步頂進；4個主頂升千斤頂上下左右對稱布置，具有徑向和左右4個方向的垂直度調控能力。

3.3.3 垂直頂升止退環(huán)設計

止退環(huán)采用9根φ30 mm高強度螺栓固定頂升管節(jié)，止退環(huán)下部采用3根20#槽鋼支撐，采用止退鋼管插銷可以將管節(jié)和止退架卡住。止退環(huán)安裝如圖4所示。

圖4 止退環(huán)示意

3.3.4 垂直頂升預留悶蓋設計

垂直頂升的預留悶蓋采用圓錐形，悶板上安裝4個高壓水龍頭。在頂進過程中，遇到頂力較大時，啟動高壓龍頭對頂進方土層進行沖刷，以減小頂進時的破土阻力。在頂部第2節(jié)管壁上預留4個φ25 mm注漿孔，必要時進行觸變泥漿壓注〔觸變泥漿采用高分子添加劑（聚丙烯酰胺）配制，增強觸變泥漿的減阻性能〕。預留悶蓋中心需精加工預留激光筆安裝口，采用激光筆確定垂直度，可以避免長距離垂直頂升鉛垂線接長的質量和安全風險，提高垂直度控制的施工效率（圖5）。

圖5 垂直頂升悶蓋示意

3.3.5 管節(jié)接頭設計

考慮到隧道內施工的特殊性，電焊作業(yè)不滿足隧道內的通風防火要求，故本工程的管節(jié)采用插銷連接，每節(jié)管長1.0 m左右。管節(jié)采用壁厚15 mm的鋼管加工定制，上下管節(jié)間通過內插鋼管連接，內插鋼管與下節(jié)管段在工廠內通過焊接連接，內插鋼管與上節(jié)管段在現(xiàn)場通過插銷連接，插銷連接固定后采用點焊加固。插銷孔沿管節(jié)徑向等距布置在承插口中間位置，孔徑20 mm。在承口的插銷孔上側軋制2道5 mm深凹槽，安裝φ8 mm的“O”形氯丁橡膠密封圈（圖6）。

圖6 管節(jié)接頭示意

3.3.6 止水結構設計

垂直頂升專用鋼管片預留的頂升孔和悶蓋之間有1道楔形密封橡膠圈，預留頂升孔直徑為D，垂直頂升管直徑d＝D－2 mm，使垂直頂升管與預留頂升孔之間存在一定的活絡度，在隧道軸線和旋轉具有施工誤差時，可以通過初始調節(jié)鉛垂度控制垂直頂升的始發(fā)垂直度。

垂直頂升頂進過程中的施工止水，在上述楔形密封橡膠圈的基礎上，采用扎蘭將2道圓形橡膠密封圈、中間夾1道壓環(huán)、螺旋緊固壓環(huán)套在垂直頂升管外圍并固定于垂直頂升專用鋼管片上，通過螺旋緊固壓環(huán)的螺栓擰緊，可以擠壓圓形橡膠密封圈變形，具有垂直頂升施工止水的作用。扎蘭預留有聚氨酯注入口，在擰緊螺栓無法止水的情況下，可以注入聚氨酯以到達止水效果（圖7）。

圖7 垂直頂升施工止水結構

3.4 垂直頂升施工控制點

3.4.1 分層注漿

利用預制垂直頂升分載梁預留注漿孔位置和管片預留注漿孔，對隧道周圍土體進行分層注漿加固。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿加固，使隧道地基土體得到快速加固。加固范圍為隧道底部下半圓外圓弧以外0～2 m土體。分層注漿漿液分甲、乙兩液：甲液配合比為水∶水泥∶膨潤土＝120 kg∶200 kg∶10 kg；乙液為水玻璃50 kg，加適量水稀釋。另外，再在甲、乙兩液中分別加入適量的促進劑，甲、乙兩液配比（體積比按1∶1）由現(xiàn)場試驗確定，初凝時間為10～20 min，必要時確定為30～60 s。上述漿液配合比僅考慮注漿為一次性施工，如注漿孔需多次打開重復，應適當降低水玻璃用量或采用單液漿，以保證再次注漿時注漿孔能順利被打開。依據(jù)漿液具體配比，分別配制甲液、乙液，按比例混合后，立即注漿，以保證混合液通過注漿管最短時間內注入土體，避免管內凝固。垂直頂升需在注漿完成7 d以后進行，以保證地基加固效果。

3.4.2 分載反力基礎安裝與調平

考慮到盾構隧道實際上具有徑向坡度和隧道拼裝旋轉，預制拼裝式垂直頂升分載梁連接后與隧道坡度一致。測量確定隧道實際坡度和左右水平偏差，在垂直頂升設備下方還需要用厚20 mm鋼板和小角度三角形鋼楔制作調平鋼板，使垂直頂升底座水平。

3.4.3 頂升垂直度控制與糾偏

頂升采用千斤頂行程控制，以悶蓋上的激光筆為垂直度控制措施，吊鉛垂線以校核激光筆偏差，確定初始垂直度是否符合要求。通過4個糾偏油缸可使殼體在需要的方向產生折角，在頂進過程中產生糾偏效果。本機有4臺200 kN推力的糾偏用千斤頂，糾偏角上向2.0°，下向2.0°，左向1.5°，右向1.5°。

若發(fā)現(xiàn)豎管垂直度略有偏差，應及時調整總頂力作用點，確保豎管垂直度。在頂升后接管，頂進千斤頂?shù)募m偏作用較弱，此時需根據(jù)激光筆的偏差方向指示，計算相應偏差率，打開鉸接千斤頂引導糾偏。

3.4.4 垂直頂升防滲控制

在頂升時如發(fā)現(xiàn)滲漏，可旋緊壓板螺栓，增加“O”形密封圈的壓縮量。如果還有較大滲漏，則退出壓板，嵌入石棉盤根，然后再用壓板壓緊。

4 結語

通過上海天然氣主干管道越江隧道工程垂直頂升的實際應用與研究，總結出一套針對長距離小直徑盾構隧道測量專用垂直頂升成套施工技術。

1）將臺車軌枕與垂直頂升分載梁底座相結合，不需要斷開臺車快速作業(yè)，減少盾構停機時間，有利于隧道施工安全。

2）通過分層注漿和預制裝配式分載梁底座的配合，將垂直頂升的力均勻分散于多環(huán)隧道的地基中，減少隧道沉降影響，有利于隧道結構長期的質量安全。

3）通過主頂升千斤頂和鉸接管節(jié)的前后期垂直度控制，使垂直頂升一次性頂升到位并具備進洞測量要求的鉛垂線無干擾懸掛標準，避免垂直頂升失敗增加其他措施的安全和經(jīng)濟風險。