長(zhǎng)距離復(fù)合曲線頂管施工關(guān)鍵技術(shù)控制要點(diǎn)分析

范一超

（上海市水利工程集團(tuán)有限公司，上海 201612）

0 引言

近年來，我國(guó)供水工程建設(shè)規(guī)模持續(xù)增大，頂管施工的質(zhì)量和效率越來越受到企業(yè)的重視。長(zhǎng)距離過江頂管的施工，可以在提升供水運(yùn)輸效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下供水系統(tǒng)的良好構(gòu)建[1]。但是在復(fù)雜地層條件下，過江長(zhǎng)距離施工難度較大，再加上頂管施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，所以如何借助關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜地層過江長(zhǎng)距離頂管高質(zhì)量、高效率施工，成為業(yè)內(nèi)的重點(diǎn)關(guān)注問題。

1 工程背景

某過江長(zhǎng)距離供水工程包括DN1600（JPCCP）頂管8260m，頂管接收井及工作井各13座，壓力井26座。單頂長(zhǎng)度超過400m 以上的共有10 段，其中3 段由于沿線存在大量高壓電纜線、化工管線、信息管線、河道、構(gòu)筑物等，且分布于各個(gè)高程區(qū)間，無法采用直線頂管和單曲線頂管，只有采用復(fù)合曲線頂管施工。WP13～WP14段最長(zhǎng)頂管長(zhǎng)度為687m，沿線位于道路西側(cè)綠化帶內(nèi)，施工井位見縫插針設(shè)置在2根高壓電纜線中間。

2 工程技術(shù)控制難點(diǎn)

由于一次頂進(jìn)長(zhǎng)度過長(zhǎng)（3段復(fù)合曲線頂進(jìn)均超過500m），過程中多次轉(zhuǎn)變曲率方向?qū)е马斶M(jìn)參數(shù)難以控制，擾動(dòng)較大，更容易引起地表異常沉降；部分段落在砂質(zhì)粉土夾粉砂層穿越，容易出現(xiàn)造漿困難、機(jī)頭偏移、后期下沉等問題，加大了復(fù)合曲線頂進(jìn)的難度；管線長(zhǎng)，管內(nèi)光線暗且不通視，只能在彎道處設(shè)置中間測(cè)站，測(cè)量上容易產(chǎn)生誤差；管內(nèi)測(cè)量困難大、測(cè)量周期長(zhǎng)、糾偏頻繁，容易引起地面沉降；曲線段管節(jié)與管節(jié)的接觸面受力不均勻，管縫處的混凝土容易壓碎，或者管節(jié)間受力較大，從而導(dǎo)致脫節(jié)；地下管線等障礙物多且距離近，該工程頂管距離最近的電力管僅約1.0m[1]。

3 技術(shù)控制措施

3.1 管線調(diào)查

該工程涉及管線種類眾多，管道頂進(jìn)過程中穿越范圍內(nèi)存在天然氣管、自來水管道、信息、移動(dòng)、聯(lián)通、鐵通、電力特高壓管、電力通訊管等重要市政基礎(chǔ)設(shè)施[2]。WP13～WP14段障礙物中以輸油管線、化工管線、電力管線最為危險(xiǎn)。穿越過程中對(duì)于管徑較大的高壓電力管采用高精度慣性陀螺儀探測(cè)方法，對(duì)于化工管線和輸油管線則采用地震映像法、超聲成像法探測(cè)。特別注意的是，雖然高精度慣性陀螺儀探測(cè)精度最高可達(dá)0.03%L，但仍需考慮陀螺儀的慣性累計(jì)誤差，在管線中弧段累計(jì)誤差最大處留足安全距離。

3.2 整體建模

采用Revit和Navisworks 對(duì)頂進(jìn)過程進(jìn)行BIM 模擬（見圖1），對(duì)主要施工安全設(shè)施和安全專項(xiàng)方案進(jìn)行模擬、優(yōu)化。在頂進(jìn)過程中通過采集土壓、頂速、頂力、沉降等數(shù)據(jù)，信息化分析，與設(shè)定參數(shù)實(shí)時(shí)對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)了過程中趨勢(shì)預(yù)測(cè)，優(yōu)化控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了穿越過程微擾動(dòng)。

圖1 頂進(jìn)過程BIM建模

3.3 頂力計(jì)算與中繼間設(shè)置

頂管頂進(jìn)時(shí)，頂力由迎面頂力和管道與土體的摩擦力組成，泥水平衡頂管機(jī)在曲線頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)考慮附加摩阻力系數(shù)f，這是對(duì)計(jì)算結(jié)果影響最大的因素。地質(zhì)條件的差異和采用不同的機(jī)械工況以及減阻效果的好壞都會(huì)直接影響摩阻力的大小[3]，所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)充分應(yīng)用規(guī)范參考值，合理選擇頂進(jìn)設(shè)備，設(shè)置中繼間。

3.3.1 管道總頂力

計(jì)算管道摩擦力：

式中：D——管道外徑；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度；

fk——管道外壁摩阻力，取3.5kN/m2。

計(jì)算迎面阻力：

式中：D——頂管機(jī)外徑；

γs——土的重度，取19.0kN/m3；

Hs——覆蓋土層厚度，取7.48m。

由于采用曲線頂管，曲率半徑600m，依據(jù)《頂管工程施工規(guī)程》（DG/TJ 08-2049-2016）規(guī)定，頂力計(jì)算考慮頂力附加值系數(shù)K=1.1。

管道總頂力為迎面阻力和管道摩擦力之和：

3.3.2 管材允許最大頂力計(jì)算

頂力計(jì)算結(jié)束后仍需考慮所用JPCCP 管允許最大頂力，公式如下：

式中：Fc——混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，C50混凝土，F(xiàn)c=23.1MPa；

Ap——管道的最小有效傳力面積，mm2,按截面的1/4 保守計(jì)算；

kdc——混凝土管綜合系數(shù)，取kdc=0.372。

計(jì)算得出單根頂管頂力最大達(dá)9713.75kN，以整體穩(wěn)定性為原則，后靠背的強(qiáng)度、剛度在滿足頂進(jìn)施工的前提下，考慮方便安裝和拆卸，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)合理的要求，后靠背采用鋼筋混凝土加5cm 原鋼板的復(fù)合模式，不僅節(jié)約了混凝土，鋼板還可進(jìn)行重復(fù)周轉(zhuǎn)使用。

3.3.3 中繼間設(shè)置

該工程工作井的設(shè)計(jì)最大頂力為5000kN，為防止頂力超出設(shè)計(jì)最大值，通過調(diào)整壓力閥使系統(tǒng)總頂力限制在5000kN 以下。當(dāng)主推千斤頂?shù)捻斄咏试S最大頂力時(shí)，啟動(dòng)中繼環(huán)接力降低后座頂力。中繼環(huán)為12 個(gè)500kN 的油缸，裝備最大總推力合計(jì)6000kN，油缸行程為350mm。在中繼環(huán)內(nèi)安置了油壓傳感器，由中央控制室集中控制，當(dāng)主推千斤頂頂力接近工作井設(shè)計(jì)最大頂力時(shí)，開啟上一級(jí)中繼環(huán)。每套中繼環(huán)內(nèi)還設(shè)置了行程儀傳感器，通過數(shù)據(jù)傳輸在操作平臺(tái)上顯示出油缸的行程讀數(shù)，方便操作人員調(diào)整控制。結(jié)合工程情況，第一道中繼間確定設(shè)置在頂管機(jī)后方30m處，其后面按下列公式計(jì)算間隔距離：

式中：S′——中繼間的間隔距離；

F3——控制頂力，取6000kN；

F2——頂管機(jī)的迎面阻力，取0kN；

F——管道外壁與土的平均摩阻力，取2～3.5kN/m2；

D——管道外徑，取2m；

k——頂力系數(shù)，取0.6。

隨著頂進(jìn)施工的不斷深入，漿套慢慢形成，長(zhǎng)度越長(zhǎng)摩阻力越小，摩阻力在第二道中繼間處取3.5kN/m2，計(jì)算第二道中繼間距離L=163m；摩阻力在第三道中繼間處取2.5kN/m2，計(jì)算第三道中繼間距離L=229m；摩阻力在第四道中繼間處取2.0kN/m2，計(jì)算第四道中繼間距離L=287m；依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)過程中的阻力和管節(jié)的長(zhǎng)度分析，在WP13～WP14段實(shí)際中繼間設(shè)置如表1。

表1 中繼間設(shè)置情況

由于中繼間行程短，在頂進(jìn)過程中反復(fù)伸縮，密封圈易磨損失效而產(chǎn)生漏水、漏漿、漏泥等問題。為此該工程的中繼間結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先采用徑向可調(diào)密封形式，并設(shè)置二道密封圈。為減小密封圈的磨損，在密封圈之間設(shè)置4只油嘴，用以壓注潤(rùn)滑油脂。同時(shí)還布置了4只注漿孔，頂進(jìn)過程中可進(jìn)行同步注漿，以發(fā)揮減少頂進(jìn)摩阻力的作用。

3.4 觸變泥漿

頂進(jìn)過程中控制的關(guān)鍵點(diǎn)是最大程度地減少頂進(jìn)摩阻力，而減少摩阻力最有效的方法是注漿。減阻泥漿膠凝狀態(tài)在填滿管道下部區(qū)域時(shí)效果最佳，即讓管道處于懸浮的狀態(tài)，此時(shí)摩阻力最小，然而這就需要注漿后泥漿產(chǎn)生的浮力要大于管道的結(jié)構(gòu)自重。制備前要驗(yàn)算管道的質(zhì)量，得到最佳泥漿比重，同時(shí)在制備時(shí)要保證膨潤(rùn)土充分溶解和漿液的均勻度最優(yōu)。

該工程曲線頂管較多，頂進(jìn)地層軟弱且多穿越河流，對(duì)注漿減阻有著更高要求，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定觸變泥漿的注漿性能和漿液配方，再根據(jù)不同地層進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終確定該段漿液配合比，保證泥漿的減摩效果和支承能力[4]。不同管材和土層選擇的注漿孔布置不同，施工前可根據(jù)具體情況優(yōu)化布置。該工程每6m 設(shè)置1環(huán)壓漿管，即每2根管道設(shè)置1環(huán)壓漿閥管（管道長(zhǎng)度為3m/節(jié)），每環(huán)壓漿孔90°均布4 個(gè)壓漿球閥。為便于控制注漿壓力，在工具管尾部、壓漿泵等部位加裝壓力表，根據(jù)施工參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。注漿時(shí)，注漿壓力直接關(guān)系到潤(rùn)滑減阻的作用大小，壓力根據(jù)覆土厚度、地下水壓、地層性質(zhì)等確定。為避免過度擾動(dòng)，在實(shí)踐中，多取注漿壓力為1.1～1.2倍靜水壓力（泥水壓力）。施工時(shí)要特別注意管口雙O型橡膠圈的安裝質(zhì)量及內(nèi)襯帶破裂情況。減阻泥漿從開始注入到形成完整的泥漿套過程中，在壓力的作用下泥漿會(huì)滲流侵入到附近土層從而形成觸變泥漿滲流區(qū)，為確保泥漿套的穩(wěn)定，同步注漿還要對(duì)頂進(jìn)范圍內(nèi)的管子周圍進(jìn)行二次注漿。注漿時(shí)，必須從管節(jié)出洞口開始，避免引起背土，導(dǎo)致泥漿環(huán)套不完整。在復(fù)合曲線的頂進(jìn)過程中，減阻泥漿的用量比直線和單曲線的大，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論計(jì)算用量，因此施工過程中必須堅(jiān)持“先壓后頂、隨壓隨頂、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則，做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整[5]。

3.5 測(cè)量糾偏與姿態(tài)控制

測(cè)量是所有曲線頂管的技術(shù)保障，DN1600 復(fù)合曲線中測(cè)量視線差，須經(jīng)過多次轉(zhuǎn)站，而人工測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，精度差，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和頂進(jìn)精度。該工程采用自動(dòng)引導(dǎo)測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)，通過全自動(dòng)全站儀、自動(dòng)安平基座等設(shè)備，在測(cè)控軟件的控制下，逐站進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)線測(cè)量，通過無線中繼通訊實(shí)現(xiàn)狹長(zhǎng)管道內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，用測(cè)量流程及相應(yīng)算法來降低頂管內(nèi)外溫度變化引起的折光誤差。為了監(jiān)測(cè)頂管機(jī)的姿態(tài)，在頂管機(jī)頭部縱向設(shè)一對(duì)水平橫尺和全站儀接收棱鏡，利用布設(shè)的三維坐標(biāo)控制點(diǎn)，測(cè)量各尺讀數(shù)，經(jīng)精確計(jì)算得頂管轉(zhuǎn)角、頂管中心方向偏差值、頂管坡度、頂管中心高程等數(shù)據(jù)，從而相應(yīng)調(diào)整頂管機(jī)的各個(gè)施工參數(shù)。為了進(jìn)一步提高頂管機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)的精度，測(cè)量時(shí)采取自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相互糾正[2]。

在測(cè)控中由于機(jī)頭較重且位于復(fù)合曲線的最前端，在糾偏過程中機(jī)頭部位的管道會(huì)因?yàn)橐延械膽T性頂力向原曲線方向持續(xù)偏移，所以在糾偏過程中考慮了管道的慣性趨勢(shì)，通過測(cè)量繪制管道走勢(shì)圖，預(yù)判頂進(jìn)偏差趨勢(shì)，以形成糾偏趨勢(shì)為原則，采用“取中法”進(jìn)行糾偏，即下一頂進(jìn)最大糾偏值為機(jī)頭當(dāng)次測(cè)量位置與軸線偏差值的一半，防止因?yàn)榧m偏過大導(dǎo)致機(jī)頭姿態(tài)發(fā)生較大偏移，無法形成順滑的軸線，或出現(xiàn)較為明顯的拐點(diǎn)、折點(diǎn)。

3.6 管道張角及曲率的實(shí)現(xiàn)

復(fù)合曲線實(shí)際上是多條折線三維銜接的呈現(xiàn)，張縫越大，縱向越易失穩(wěn)、線型越易失控。為防止上述問題出現(xiàn)，頂進(jìn)前利用BIM 模型進(jìn)行最大張縫的計(jì)算模擬，根據(jù)管道的性能參數(shù)評(píng)估張縫安全性。即開口量δ=L×D/R，θ=2arcsin（L/2R），經(jīng)計(jì)算在雙曲率轉(zhuǎn)變時(shí)最大δ為13.3mm。由于總張開量=幾何張開量+力學(xué)約束，而力學(xué)約束使得張開量減少，主要包括機(jī)頭超挖、木楔、木襯墊受壓、雙O 橡膠止水帶、鋼套環(huán)以及周圍土體等對(duì)接縫張開的約束。根據(jù)模擬的結(jié)果在頂進(jìn)過程中，定制特殊厚度松木襯墊和短管作用于張縫較大管節(jié)處，從而擴(kuò)散糾偏產(chǎn)生的徑向分力，同時(shí)在前4節(jié)管道間設(shè)置拉桿，以便控制縫隙變化，做好張縫的安全控制，同時(shí)也可以通過調(diào)整中繼間的合力中心，驅(qū)使管節(jié)間的頂力作用點(diǎn)向張角擴(kuò)大的方向移動(dòng)，改善力的傳遞方向，使得張角恢復(fù)正常。過程中借助粘貼在張縫處的長(zhǎng)度紙片，觀察實(shí)際張開量S1與計(jì)算量Sj和管道臨界值Sl的關(guān)系。邊角關(guān)系如圖2所示。

圖2 邊角關(guān)系

4 結(jié)束語

長(zhǎng)距離復(fù)合曲線頂管相比普通曲線頂管對(duì)地層產(chǎn)生的擾動(dòng)更大，要求更高，所以在頂進(jìn)前需要做好充足的管線調(diào)查，制定科學(xué)合理的頂進(jìn)曲線和參數(shù)，嚴(yán)格控制中繼間的使用，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況采取措施減少摩阻力，調(diào)整注漿參數(shù)和用量，嚴(yán)格控制土體擾動(dòng)，從而提高施工精度，降低施工難度，提高施工效益。