淺談大口徑超長(zhǎng)距離鋼頂管施工頂力控制

李鳳梧

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的飛躍發(fā)展,市政工程的大量通信、電力、水管等管線的鋪設(shè),需要穿越地面構(gòu)筑物和地下管線及公路、鐵路、河道等。頂管施工技術(shù)是一種較好保護(hù)環(huán)境的敷設(shè)地下管線的非開挖技術(shù),因此在市政工程建設(shè)中得到廣泛使用。

影響頂管的施工因素較多,頂力是頂管施工中必須確定的一個(gè)重要參數(shù),平均摩阻力則是衡量頂進(jìn)效果的一個(gè)重要指標(biāo)。尤其大口徑超長(zhǎng)距離頂管施工頂進(jìn)推力過(guò)大是困擾頂管施工多年的技術(shù)難題?？刻岣唔敼芄懿牡目箟簭?qiáng)度,加固頂管工作坑及后背等方法不僅不經(jīng)濟(jì),還受到技術(shù)方面因素的制約,頂力控制得不好,將無(wú)法完成頂進(jìn)。所以控制頂力成了頂管施工的關(guān)鍵。本文以上海青草沙嚴(yán)橋支線工程C6標(biāo)J26號(hào)～J25號(hào)井大口徑超長(zhǎng)距離頂管施工過(guò)程頂力變化情況,對(duì)頂力和平均摩阻力隨頂程變化規(guī)律及其影響因素作了深入分析。

1 工程及地質(zhì)概況

青草沙嚴(yán)橋支線工程C6標(biāo)J26號(hào)～J25號(hào)井頂進(jìn)長(zhǎng)度1 119 m,埋深13 m。采用DN3 600雙管,管道呈南北走向,東、西雙線管道中心間距7.2 m,鋼管壁厚34 mm。根據(jù)頂管施工段工程地質(zhì)剖面圖分析(見圖1),頂管施工主要涉及第③1和④層。大部分頂管穿越第④層,部分頂管處于兩層交界處。第③1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,含云母、有機(jī)質(zhì)條紋,夾少量淤泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土,局部地段夾多量粉性土,呈流塑狀態(tài),飽和,壓縮性中等,土質(zhì)不均勻。管道沿線土性有一定變化。第④層灰色淤泥質(zhì)黏土,含云母、有機(jī)質(zhì)條紋及貝殼碎屑,夾薄層粉砂,局部夾少量淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,飽和,壓縮性高,土質(zhì)較均勻。

2 頂管施工中的頂力組成

在頂管頂進(jìn)施工中,總頂力由兩部分組成,即管節(jié)前端迎面阻力和管道摩阻力[1]。

作用在管道上的迎面阻力與土壓力的大小、管徑的大小有關(guān),隨著頂進(jìn)距離的加長(zhǎng),迎面阻力占總頂力的百分比會(huì)減小,對(duì)整個(gè)頂力的影響不大。

管道摩阻力是頂力的重要組成部分,其大小直接影響頂力的大小。它與土層的土性參數(shù)、管道埋深、管材的種類、管徑大小以及管道與土體之間的接觸應(yīng)力等因素有關(guān)。因此控制好摩擦力是超長(zhǎng)距離頂管成敗的關(guān)鍵。

3 影響頂力因素分析及采取控制頂力的措施

在頂進(jìn)施工的全過(guò)程中,采集記錄了主千斤頂?shù)捻斄?shù)值。由于頂進(jìn)過(guò)程影響頂力因素復(fù)雜多變,頂力全程呈較為劇烈震蕩上升的趨勢(shì),平均摩阻力則在經(jīng)過(guò)初期的高位震蕩后,由于施工趨于穩(wěn)定,如泥漿套已成型、軸線控制已相對(duì)穩(wěn)定,以及頂程對(duì)影響因素的稀釋作用而迅速下降并變得比較平穩(wěn)。

圖2就是根據(jù)J26號(hào)～J25號(hào)井頂程的頂力繪制的頂力曲線圖,頂力數(shù)值記錄的間隔是每頂進(jìn)0.5 m。

分析頂力曲線的變化,并結(jié)合管道頂進(jìn)施工的過(guò)程,可得出以下結(jié)論:

1)嚴(yán)格控制軸線偏差是保持較小頂力的保證。J26～J25頂程長(zhǎng)度1119 m,頂力控制情況良好,其中西線貫通時(shí)頂力約12 000 kN,東線貫通時(shí)頂力只有6 000 kN左右,兩條線的平均摩擦阻力分別只有0.7 kPa和0.5 kPa。這與良好的頂進(jìn)軸線控制是密不可分的,東線由于高程偏差控制更加精確,頂力明顯小于西線,平均要小2 000 kN左右。由于頂力不大,這兩條線都只安放了一個(gè)中繼間,而且中繼間最終都沒有啟動(dòng)使用。

2)大口徑頂管頂力中的迎面阻力較大。兩條線開始頂進(jìn)時(shí)初始頂力都達(dá)到3 000 kN以上,這個(gè)數(shù)值也基本上就是迎面阻力的大小。頂管的直徑越大,其迎面阻力也越大,并且大口徑頂管的迎面阻力占總頂力的比例也要比小直徑頂管所占的比例大。大口徑頂管中不能忽視迎面阻力這個(gè)重要因素。特別要注意剛開始頂進(jìn)時(shí)迎面阻力大于摩阻力,基本上當(dāng)管道頂進(jìn)約250 m～300 m,總頂力達(dá)到6 000 kN時(shí),摩擦阻力才開始超過(guò)迎面阻力,在這期間都有可能發(fā)生管道隨著千斤頂回縮一起后退的現(xiàn)象,要特別小心。

3)長(zhǎng)時(shí)間停頓會(huì)造成頂力大幅上升。從圖2中可以看出,頂力曲線基本上是由許多波長(zhǎng)一致的波浪線組成的,波峰就是每節(jié)鋼管焊接完畢后開始頂進(jìn)時(shí)的起始頂力。而隨著在鋼管頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)觸變泥漿套進(jìn)行補(bǔ)充,頂力會(huì)逐漸下降。頂力上升的幅度從500 kN～4 000 kN不等,它與停頓的時(shí)間密切相關(guān),停頓時(shí)間小于6 h時(shí)頂力上升并不明顯,而停頓時(shí)間達(dá)到10 h后,頂力最少上升2 000 kN。因此,在大口徑鋼頂管施工中,要盡最大的努力提高焊接效率,縮短頂進(jìn)停頓的時(shí)間。從圖中還可以看到一個(gè)現(xiàn)象,東線頂進(jìn)到最后100 m時(shí)頂力持續(xù)大幅下降,從11 000 kN左右很快降至8 000 kN,直至最后降至約6 000 kN。其中的一個(gè)重要原因是,東線頂管比西線晚約150 m,當(dāng)西線率先貫通后,同一工作井內(nèi)只剩下東線繼續(xù)頂進(jìn)施工,沒有了相互干擾,東線施工速度大幅提高,特別是焊接時(shí)間明顯縮短。

4)觸變泥漿潤(rùn)滑套是控制頂力的關(guān)鍵。從圖2頂力曲線中不難得出這樣的結(jié)論:由于泥漿套的作用,頂力并不是隨著頂進(jìn)距離的增加而線性遞增的。當(dāng)泥漿套完整時(shí),頂力整體上升放慢或是在下降。所以,如何在管外壁形成完整的觸變泥漿潤(rùn)滑套是頂管施工的關(guān)鍵。隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加,泥漿套得到不斷的補(bǔ)充和修復(fù),從兩條線最后300 m的頂力曲線可以明顯看出,頂力不僅沒有繼續(xù)上升,反而呈現(xiàn)出下降的態(tài)勢(shì),特別是東線頂力下降非常明顯。

5)觸變泥漿流失會(huì)造成頂力突變。由于需要穿越河道覆土較淺和沿線存在多個(gè)不明的鉆探孔等原因,曾經(jīng)多次出現(xiàn)過(guò)泥漿從地層的孔隙中泄露到地面或河道內(nèi)的現(xiàn)象,泥漿的流失使得泥漿潤(rùn)滑套的完整性被破壞,泥漿套的完整性被破壞又會(huì)使得頂進(jìn)阻力急劇上升。

從圖2中可看出鋼管頂進(jìn)至400 m～480 m時(shí),正在穿越一條名為華漕達(dá)港的小河浜,此處覆土深度只有4.9 m,且河底有一層厚厚的淤泥層。由于泥漿大量泄漏到河浜中,兩條線頂力均大幅上升,其中西線從7 000 kN上升到10 000 kN,而東線也從在地層中存在嚴(yán)重孔隙的地方重新修復(fù)并建立泥漿潤(rùn)滑套確實(shí)比較困難,需要較長(zhǎng)的施工過(guò)程才能夠逐漸得到修復(fù)。因此,加強(qiáng)對(duì)注漿過(guò)程的管理,避免出現(xiàn)泥漿冒頂現(xiàn)象,保持完整的觸變,泥漿潤(rùn)滑套就顯得非常重要了。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上對(duì)J26～J25頂程頂力曲線圖的分析可以得出以下結(jié)論:大口徑超長(zhǎng)距離鋼頂管施工初期頂力的大小主要是迎面阻力,是頂管施工初期主要控制目標(biāo),而隨著頂程的增加,摩阻力逐漸增大并成為影響頂力的關(guān)鍵因素。嚴(yán)格控制軸線偏差減少糾偏量,避免長(zhǎng)時(shí)間停頓,保證觸變泥漿的注漿效果,減少觸變泥漿流失,形成完整的泥漿套是減小頂進(jìn)摩阻力的有效途徑。

[1] 韓選江.大型地下頂管施工技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[2] 王 爭(zhēng).非開挖頂進(jìn)施工技術(shù)探析[J].山西建筑,2008,34(11):179-180.