頂管工程之退管施工技術(shù)研究

陳銘輝（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707）

1 工程概況

1.1 總體簡介

白龍港南線輸送干線SST1.2標管道主要位于上海市徐浦大橋外環(huán)線外側(cè)，從華涇路提升泵站出發(fā)，穿越黃浦江，沿林浦路、S20公路到達濟陽路交匯井。管道采用鋼筋混凝土管頂管施工，總長3 687 m，其中過江管管徑為Φ2 700 mm，長為1 087 m；黃浦江連接管管徑為Φ2 700 mm，長為2 600 m，沿線包括頂管工作井3座，頂管接收井4座。管道施工采用沉井、鉆孔灌注樁、旋噴樁等圍護結(jié)構(gòu)形式。頂管沿線穿越黃浦江等重要河道和城市軌道交通8號線、S20公路濟陽路立交等建（構(gòu)）筑物。

白龍港南線輸送干線SST1.2標管道施工平面示意圖，如圖1所示。其中，W2號－W1號過江管段頂管工程（以下簡稱“工程”）為超長距離復合曲線頂管工程，管道覆土變化大、地下水壓力大、穿越土層及周邊環(huán)境特別復雜，管道頂進上下坡度達到40‰，江底最高點和最低點之間的落差為16 m，在黃浦江底呈“V”字型，可以稱之為上海市歷史上難度最大的頂管工程之一。該工程施工幾乎涵蓋了頂管在軟土地層中頂進的復雜問題，施工難度巨大。

圖1 白龍港南線輸送干線SST1.2標管道施工平面示意圖

1.2 頂管穿越土層地質(zhì)情況

W2號－W1號段頂管主要位于⑤2-2層灰色粉砂、⑤2t層灰色粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、⑤2-1層灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑥層暗綠色粉質(zhì)黏土等土層，頂管穿越⑥層暗綠色粉質(zhì)黏土層段長度約為588 m。土層物理力學性質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

表1 土層物理力學性質(zhì)參數(shù)

1.3 周邊環(huán)境

1.3.1 地形地貌

擬建場地位于上海市浦東新區(qū)三林鎮(zhèn)外環(huán)線S20公路南側(cè)、林浦路東側(cè)綠化帶內(nèi)，地勢較為平坦，管道覆土厚度為14.05～21.40 m，地面標高在＋4.97 m～＋5.00 m。

1.3.2 管道與沿線建（構(gòu)）筑物的關(guān)系

管道與沿線建（構(gòu)）筑物的關(guān)系，如表2所示。

表2 管道穿越沿線建（構(gòu)）筑物情況匯總

2 退管施工概況

2.1 退管施工方案

原W2號－W1號段過江頂管（從W2號浦東工作井向W1號浦西接收井頂進）在頂進至336 m處，遭遇立新船廠廠區(qū)下方樁基礎(chǔ)障礙物，導致該段頂管無法繼續(xù)頂進。因此考慮將W1浦西井作為頂管工作井，調(diào)整頂進軸線后重新頂進，同時將已頂管道的部分管節(jié)拔出，將W2號浦東井作為接收井，并以W2號浦東井原洞口進洞的施工方案來實施擬建管道施工。

2.2 已頂管道頂管機與障礙物位置關(guān)系

在第134節(jié)管節(jié)頂進過程中發(fā)現(xiàn)，頂管機操作臺上儀表所顯示的數(shù)據(jù)異常，頂管機遭遇障礙物，隨即停止頂進作業(yè)。經(jīng)現(xiàn)場勘察、測量、調(diào)閱圖紙，確定過江頂管的頂管機頭已位于立新船廠船體車間辦公樓東側(cè)墻體下方，障礙物為立新船廠船體車間辦公樓東側(cè)3號立柱下方樁基礎(chǔ)。

樁基為滬G501《上海市結(jié)構(gòu)通用圖集》中的450 mm×450 mm混凝土預制樁，樁長25 m。立新船廠廠區(qū)內(nèi)地面標高4.70 m（以下描述中采用地面相對標高±0.00 m表示），承臺底位于地面以下1.35 m，樁底插入深度為－26.35 m；頂管管底埋深為25.9 m，管頂覆土厚度為22.7 m；樁底標高低于頂管機底部45 cm以上，樁基中心位于頂管機刀盤面板中心左側(cè)36.65 cm位置[1]。船體車間的地下樁基在過江頂管設計軸線范圍內(nèi)共有6根，目前已磨除1根并遭遇到頂管軸線方向上的第2根樁基，若頂管繼續(xù)頂進需磨除5根樁基。頂管機與樁基相對位置平面圖和剖面圖，如圖2、圖3所示。

圖2 頂管機與樁基相對位置平面圖

圖3 頂管機與樁基相對位置剖面圖

該管道在之前頂進中已磨除1根樁基，并已遭遇船體車間下方第2根樁基，第1根樁基目前坐落于頂管機上方，若退管施工連同頂管機頭一起退出，將會對船體車間的下方土體產(chǎn)生二次擾動，加劇車間結(jié)構(gòu)的破壞程度。退管施工時廢棄原過江頂管機頭前殼體，將頂管機可拆卸的零件回收，并將機頭采用粉煤灰砌塊填充，將機頭后方134節(jié)管節(jié)退出。頂管倒退施工示意圖，如圖4所示。

圖4 頂管倒退施工示意圖

3 工程重點與難點

3.1 沉降控制要求高

退管施工過程中，再次擾動管道周圍土體，使土體強度和位移產(chǎn)生較大變化，從而造成地面進一步沉降，并波及頂管管道上部的建（構(gòu)）筑物[2]。因此，在施工過程中需要控制沉降，減少對周邊環(huán)境的影響。

3.2 退管、復頂工藝難度大

本工程W2號－W1號過江管段由于遭遇船廠未知樁基無法繼續(xù)頂進，需將長達95 m管節(jié)退出。W2號－W1號段管道95 m退管施工可參考的以往類似工程經(jīng)驗較少，退管距離長，管道沿線存在多處民房，沿線土層經(jīng)過原頂管頂進的擾動土體較不穩(wěn)定，施工技術(shù)難度高、風險大。

3.3 退管施工洞口止水難度高

退管施工是將頂進的管節(jié)從井外向井內(nèi)退出，在退出洞口的管節(jié)容易出現(xiàn)背土現(xiàn)象。本段管道在W2號工作井洞口段的土層為⑤2-2層灰色粉砂，該土層含水量豐富，補給極快，通常的洞口止水裝置不能有效應對退管施工中的洞口止水問題，極易造成洞口橡膠止水圈產(chǎn)生外翻，致使洞口出現(xiàn)漏水、漏砂現(xiàn)象，存在洞口附近地面發(fā)生沉降事故的隱患。

3.4 施工質(zhì)量要求嚴格

本工程為上海市重點工程，工程的施工質(zhì)量是上海市污水處理系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的保障。過程中需對每一道工序的施工質(zhì)量嚴格把關(guān)。

4 退管施工技術(shù)措施

4.1 鋼結(jié)構(gòu)封門設計制作

為了避免退管對立新船廠建筑結(jié)構(gòu)帶來不利的影響，經(jīng)過充分研討決定本次實施退管施工的管道長度為95 m，因此，需廢棄已頂管道②號中繼間前方240 m的管節(jié)長度（含93節(jié)鋼筋混凝土管節(jié)及1套鋼中繼間）。退管施工前需拆除管道內(nèi)所有設備，對廢棄管道內(nèi)部進行填充，并在②號中繼間前殼體部位制作鋼封門。鋼結(jié)構(gòu)封門設計位置，如圖5所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)封門設計位置示意圖

鋼結(jié)構(gòu)封門應具備足夠的剛度和強度，不能因受外力產(chǎn)生變形而影響擋土止水效果。經(jīng)抗彎、受拉、焊縫強度計算，確定采用δ30鋼板作為胸板、封板；δ25鋼板作為結(jié)構(gòu)筋板。為便于填充管道內(nèi)腔，在胸板上設置水泥漿等填充注漿孔及壓力表的預留孔、放氣孔、觀測孔等。預留洞的孔徑和數(shù)量，如表3所示。DN2700 mm機頭后殼體封板注漿孔、探測孔、壓力表布置示意圖，如圖6所示。

表3 鋼結(jié)構(gòu)封門胸板預留洞配置

圖6 DN2700 mm機頭后殼體封板注漿孔、探測孔、壓力表布置示意圖

4.1.1 焊縫強度計算（受正面土壓力）

（1）鋼封門強度計算：主焊縫是沿直徑Φ2 760 mm分布，焊接高度（鋼板為δ＝30 mm的80%）為25 mm；

（2）焊縫的環(huán)狀面積：A＝2 760×π×25＝216 770 mm2；

（3）按剪切強度計算，許用剪切強度：[τ]＝80 N/mm2（材料為Q345-B鋼材）；

（4）焊縫所能承受的力：P＝A×[τ]＝173 416 400 N≈17 341.6 kN；

（5）鋼封門受力面積：A0＝πr2＝5 982 850 mm2；

（6）鋼封門受均布壓力：P＝1 MPa；

（7）鋼封門實際受力：P0＝P×A0＝5 982 850 N＝5 982.85 kN；

綜上，P＞P0，滿足要求。

4.1.2 焊縫強度計算（受鋼絞線拉力）

（1）2道水平弧長焊縫為2 218 mm，9道垂直焊縫長度為9×30 mm＝270 mm，焊接高度（鋼板為δ＝30 mm的80%）為25 mm。焊縫示意圖，如圖7所示。

圖7 焊縫示意圖

（2）焊縫面積：A＝2 488×25＝62 200 mm2；

（3）按剪切強度計算，許用剪切強度：[τ]＝80 N/mm2（材料為Q345-B鋼材）；

（4）焊縫所能承受的力：P＝A×[τ]＝4 976 000 N＝4 976 kN；

要做好企業(yè)的財務預算管理是需要企業(yè)的各個部門之間的相互配合相互合作的。又有關(guān)部門制作出多套財務預算方案，在經(jīng)過企業(yè)中的各個部門的認真挑選，選擇住一套最合理有效的方案。而這套方案需要企業(yè)中的各個部門去完成的。所以說財務預算管理具有系統(tǒng)性。需要企業(yè)的各個部門的積極配合團結(jié)協(xié)作才能把企業(yè)的財務預算管理完成好。如果有一個部門沒有將這個財務預算完成好，將會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。所以每個部門必須嚴格要求自己，認真完成制定好的企業(yè)財務預算計劃。企業(yè)可以規(guī)定相應的獎罰制度。對完成好的給與相應的獎勵反之對完成不好的部門加以批評教育。這樣可以使各個部門更好的去完成方案。

（5）鋼絞線束單側(cè)允許最大拉力：P0＝2 525 kN；

綜上，P＞P0，滿足要求。

4.1.3 鋼封門受拉抗彎強度計算

鋼封門橫向、縱向分別設有4根主筋板，共計8根主筋板，最長主筋板的長度為2 710 mm，鋼絞線在鋼封門上的受力點位于橫向兩側(cè)、縱向中心部位。鋼封門結(jié)構(gòu)剖面，如圖8所示；筋板受力分析，如圖9所示；筋板抗彎截面積，如圖10所示。

圖8 鋼封門結(jié)構(gòu)剖面圖

圖9 筋板受力分析圖

圖10 筋板抗彎截面積簡圖

計算橫向4根主筋板的抗彎強度，具體計算如下。

（3）鋼封門抗彎強度計算：σmax＝Mmax/Wx＝6.02×10-3MPa＜[σ]＝160 MPa。其中，Q345-B鋼材抗彎強度為160 MPa。

經(jīng)計算可知，橫向4根主筋板的抗彎強度滿足拔管施工要求。

4.1.4 圓形鋼封門中心應力和周界應力計算

板厚h＝30 mm；半徑r＝1 380 mm；

均布載荷q＝1 N/mm2；

中心應力σr、σt計算：σr＝σt＝±1.24q(r/h)2＝57.04 MPa＜(σ＝120 MPa)；

周界應力σr、σt計算：σr＝0；σt＝±0.52q(r/h)2＝23.92 MPa＜(σ＝120 MPa)。

經(jīng)驗算，該鋼結(jié)構(gòu)封門強度滿足拔管施工要求。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)封門安裝

退管施工前，需拆除管道內(nèi)所有設備，對廢棄管道內(nèi)腔進行填充；在②號中繼間前殼體部位制作鋼封門，②號中繼間前方廢棄管道側(cè)砌筑磚擋墻。鋼結(jié)構(gòu)封門安裝位置剖面圖，如圖11所示。

圖11 鋼結(jié)構(gòu)封門安裝位置剖面圖

4.3 廢棄管道填充

擬建管道與廢棄管道最小間距為1.1 m，頂管頂進過程中，隨著頂進距離的增加，管道兩側(cè)土壓力將產(chǎn)生變化，管道左側(cè)土壓力相比于右側(cè)較大，對擬建管道與廢棄管道產(chǎn)生側(cè)向擠壓力。因此，拔管施工前，需將廢棄的239 m管道填充，防止新建管道在頂進過程中因側(cè)向土體壓力過大，廢棄管道的管節(jié)接縫出現(xiàn)漏水、漏泥現(xiàn)象，造成地面沉降。

填充材料采用黏土加水拌合后，通過預留注土孔注入填充土，將廢棄管道填充滿。

4.4 鋼絞線安裝

本次退管施工采用φ15 mm、7芯的鋼絞線。每股鋼絞線理論最大受拉力約為20 t（即75%的破壞強度），實際使用單股拉力約為13.3 t（即50%的破壞強度）。在管道左右兩側(cè)布設鋼絞線，單側(cè)鋼絞線組由19股、38根構(gòu)成，可以提供約505 t的拉力。鋼絞線組端頭采用夾片固定在19孔的錨板上，錨板分別焊接在②號中繼間前殼體及井內(nèi)的反拉支架上。

在管道內(nèi)左右兩側(cè)安裝鋼絞線，將②號中繼間與反拉支架進行連接。為防止鋼絞線架設距離過長，因鋼絞線自重產(chǎn)生彎曲并影響傳力，在鋼絞線下方架設支架，支架設置間距為7.5 m。

4.5 井內(nèi)反拉支架安裝

受力固定點選擇在②號中繼間后殼體及反推架部位，采用500 mm×300 mm型鋼制作反推架，管道拔出施工中的力均勻分散到②號中繼間后殼體及反拉支架上，防止因受力不均引發(fā)型鋼彎曲等破壞現(xiàn)象。

4.6 退管注漿

隨著需退管節(jié)不斷地退出W2號井洞口，當后殼體退至距離洞口加固區(qū)1 m時，切換使用水泥漿進一步充填退管施工產(chǎn)生的空隙。通過鋼封門預留的25.4 mm注漿孔，采用2臺活塞泵將水泥漿注入洞口加固區(qū)。

水泥漿液采用水泥、粉煤灰、細砂調(diào)配而成。水泥漿液配比，如表4所示。

表4 水泥漿液配比

當注水泥漿退管時，管節(jié)需保持連續(xù)后退。應避免管節(jié)在水泥漿中停留的時間過長，防止水泥漿固化后包裹住后殼體的承插口，使退管施工無法繼續(xù)進行。退管切換注水泥漿階段示意圖，如圖12所示。

圖12 退管切換注水泥漿階段示意圖

當首節(jié)管節(jié)后退至剩余50 cm時，停止管節(jié)后退，主頂油缸抵住管節(jié)防止其后退，同時持續(xù)注漿，提升注漿壓力至1.3 MPa后，停止注漿，關(guān)閉注漿閥。后殼體退至洞口階段示意圖，如圖13所示。

圖13 后殼體退至洞口階段示意圖

等待W1號－W2號頂管機進入加固區(qū)抵住后殼體鋼封門后，頂管機推動后殼體退出W2號洞口，同時完成W1號－W2號段過江管頂管出洞和W2號－W1號段退管施工，即可拆除W2號井內(nèi)主頂油缸及井內(nèi)設備。

5 技術(shù)創(chuàng)新

本工程開發(fā)了復雜地質(zhì)條件下，大口徑長距離鋼筋混凝土頂管退管施工工藝，有效解決了大口徑長距離鋼筋混凝土頂管在復雜江底環(huán)境下，遇到障礙物需重新調(diào)整線路繼續(xù)頂進的施工難題。在白龍港南線輸送干線SST1.2標過江管段首次成功將已頂進337 m含2套中繼間的大口徑長距離鋼筋混凝土頂管退回②號中繼間及后方95 m管道，并對廢棄管道和原頂進線路進行填充，最終從廢棄管線下方成功穿越。

6 結(jié) 語

本次退管經(jīng)抗彎、受拉、焊縫強度等計算滿足要求后，將兩側(cè)裝有鋼絞線的鋼封門焊接在中繼間殼體上，利用反推架將鋼絞線拉動，使管節(jié)逐步拔出，同時通過注漿填充的緊密配合，使95 m管道順利退到W2號井洞口，為W1號－W2號段過江管頂管順利頂進提供了管位，使得本工程最終順利貫通，也為長距離頂管退管施工提高了寶貴的經(jīng)驗。