小口徑急曲率半徑鋼頂管的施工控制

中國上海外經(jīng)（集團(tuán)）控股有限公司 上海 200032

0 引言

早在上世紀(jì)90年代上海市相關(guān)單位就針對(duì)混凝土曲線頂管進(jìn)行了深入的研究。例如由上海市政工程研究院1996年研制的大口徑泥水機(jī)械平衡式頂管機(jī)在1999年成功完成了曲率半徑396 m、管徑2.2 m的混凝土曲線頂管施工[1]。目前我國在混凝土曲線頂管施工技術(shù)方面發(fā)展已相對(duì)成熟。但是對(duì)于曲線鋼頂管施工一般為大口徑大曲率的工程項(xiàng)目，曲率半徑一般在5 000 m以上，隨著曲線頂管施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，曲線的曲率半徑越來越小，口徑也向多樣化發(fā)展。這些都使頂管施工的難度不斷增大，頂管施工過程中的控制難度也不斷增大。

1 工程概況

某水廠支線工程中一段支線采用頂管施工工藝，鋼管外徑1 432 mm。其中頂管1#（北側(cè)）管直線長251 m，曲線長L1=223 m，曲率半徑R1=618.4 m。鋼頂管長474 m，管線中心標(biāo)高－5 m，管材厚16 mm。2#（南側(cè)）管直線長250 m，曲線長L2=224 m，曲率半徑R2=621.6 m。建設(shè)場(chǎng)地地貌類型屬濱海平原，為古河道沉積區(qū)。場(chǎng)地標(biāo)高一般為3.90 m，頂管中心標(biāo)高為－5.8 m，頂管埋深約9.7 m，土層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。潛水位埋深隨季節(jié)、氣候等因素而有所變化，勘察期間測(cè)得鉆孔中地下水水位埋深為0.50～1.50 m，相應(yīng)水位為2.20～3.74 m。場(chǎng)區(qū)地下水、土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)為微腐蝕性影響，在長期浸水時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性影響，在交替浸水時(shí)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性影響。

根據(jù)施工工藝要求，頂管施工直線段采用5 m管節(jié)，共49 個(gè)管節(jié)，其中布置一個(gè)中繼間，2 段鉸接管，總長度250 m；曲線段施工采用3.0 m管節(jié)，并安排布置一個(gè)首節(jié)中繼間、一個(gè)中間中繼間和62 個(gè)鉸接管，長度224 m；鋼管曲線段頂管施工時(shí)，依靠各管節(jié)之間的承插口進(jìn)行轉(zhuǎn)折形成設(shè)計(jì)曲線線形（圖1）。

圖1 頂管剖面

2 頂力施工控制

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[1,2]，在曲線頂管施工中，只要能形成良好的泥漿套，推進(jìn)中的頂力仍然能和直線頂管時(shí)一樣，通過泥漿套傳力。

本工程頂進(jìn)施工過程中共安裝了3 套中繼站，其中直線段安裝1 套中繼站、曲線段首節(jié)安裝1 套中繼站、曲線段中間安裝1 套中繼站。根據(jù)頂進(jìn)力變化圖（圖2）可以看出，在1#管、2#管頂進(jìn)施工時(shí)，最大頂力為2 500 kN，并未啟動(dòng)中繼站。根據(jù)計(jì)算實(shí)際管道側(cè)面摩阻力為1.1 kN/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算取值4 kN/m2。由此證明整條曲線頂管管道泥漿套相對(duì)比較完整，在頂進(jìn)過程中泥漿套的減阻效果明顯，且頂進(jìn)過程中曲線段與直線段產(chǎn)生的摩擦阻力并沒有大的區(qū)別。因此在頂力計(jì)算分析中可進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，減少中繼站的安裝個(gè)數(shù)。

圖2 頂進(jìn)力變化效果示意

3 地面沉降施工控制[3,4]

3.1 地面沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)于地面沉降監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)地面深層垂直位移，其測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)通過穿透路面結(jié)構(gòu)硬殼層來達(dá)到深層監(jiān)測(cè)的要求。根據(jù)監(jiān)測(cè)要求沿線共布置39 個(gè)地面沉降測(cè)點(diǎn)。深層垂直位移測(cè)點(diǎn)布置要求和標(biāo)準(zhǔn)如下：

（a）垂直位移標(biāo)桿采用Φ25 mm螺紋鋼標(biāo)桿，螺紋鋼標(biāo)桿深入原狀土60 cm以上，垂直位移標(biāo)桿外側(cè)采用內(nèi)徑大于13 cm的金屬套管保護(hù)；

（b）保護(hù)套管內(nèi)的螺紋鋼標(biāo)桿間隙用黃砂回填。金屬套管頂部設(shè)置管蓋，管蓋安裝須穩(wěn)固，與原地面齊平；

（c）為確保測(cè)量精度，螺紋鋼標(biāo)桿頂部應(yīng)在管蓋下20 cm。

含柔直系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流在線優(yōu)化控制功能作為福建省調(diào)EMS系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用模塊，首先定時(shí)獲取電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，主要包括接線方式、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷、機(jī)組出力等，以及柔直系統(tǒng)的運(yùn)行信息，主要包括控制模式、換流變檔位、設(shè)備狀態(tài)等。

深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 沉降控制結(jié)果

根據(jù)沉降觀測(cè)，井邊圍護(hù)最大沉降為20.50 mm，對(duì)于頂管軸線上方最大沉降為19.93 mm，發(fā)生在空間曲線轉(zhuǎn)彎段。沿線房屋最大沉降為15.62 mm，房屋未出現(xiàn)裂縫。在穿越橋梁時(shí)，橋梁基礎(chǔ)沉降控制在6 mm內(nèi)，沉降控制獲得了成功（表1）。

根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出：

（a）壓漿對(duì)地面沉降控制具有很大的意義。由于漿液可以滲透到土層深處，對(duì)土體形成及時(shí)的支撐，以達(dá)到減小地面沉降的目的。

（b）地面沉降與頂進(jìn)控制具有一定的關(guān)系。在曲線頂進(jìn)過程中，由于在糾偏過程中對(duì)土體得超切，從而引起地面沉降。

圖3 地表深層土體垂直位移布點(diǎn)示意

表1 沉降觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表

（c）對(duì)于有荷載及重要結(jié)構(gòu)物的地方，一定要遵循安全、快速通過的原則，以此減小地面沉降。

4 線形施工控制[5-8]

4.1 線形測(cè)量

該曲線頂管分左右2 只頂管，其中曲線段長約220 m。曲線段的線形測(cè)量采用支導(dǎo)線法將地面控制點(diǎn)引入到管道內(nèi)，并以井下架儀點(diǎn)作為測(cè)站，井壁架儀點(diǎn)作為后視來控制頂管頂進(jìn)。施工管道軸向測(cè)量采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量主要用導(dǎo)線測(cè)量法（圖4），測(cè)量平臺(tái)設(shè)在頂管后座處。測(cè)量光靶安裝在掘進(jìn)機(jī)頭部，測(cè)量時(shí)電子全站儀直接測(cè)量機(jī)頭的測(cè)量光靶的三維坐標(biāo)，算出機(jī)頭的平面和上下位置偏差，并根據(jù)機(jī)頭內(nèi)的傾斜儀計(jì)算機(jī)頭實(shí)際狀態(tài)。

4.2 線形控制結(jié)果

工具頭在頂進(jìn)過程中由于受不均勻外力的作用，頭部會(huì)產(chǎn)生偏離軸線現(xiàn)象，因此在頂進(jìn)過程中需經(jīng)常對(duì)工具管加以糾偏。每頂進(jìn)20 cm左右測(cè)量一次掘進(jìn)機(jī)偏差，分析管道運(yùn)動(dòng)軌跡，并決定糾偏大小，每次糾偏角度應(yīng)控制在10～20′，最大不得大于1°。糾偏操作中不能大起大落，即使在某處已經(jīng)出現(xiàn)了較大的偏差，也要保持管道軸線以適當(dāng)?shù)那拾霃街鸩椒祷剌S線上來，避免相鄰兩段間形成的夾角過大。

圖4 導(dǎo)線控制網(wǎng)

本工程左右、上下軸線偏差如圖5、圖6所示。

圖5 1#頂管軸線偏差示意

圖6 2#頂管軸線偏差示意

根據(jù)1#頂管、 2#頂管軸線偏差圖可以看出：

（a）大部分測(cè)點(diǎn)偏差控制在5 cm內(nèi)。

（b）1#管在進(jìn)洞過程中由于悶土，出現(xiàn)了一定偏差，最大偏差達(dá)10 cm。

（c）2#管由于設(shè)備問題，在頂進(jìn)350 m左右時(shí)，出現(xiàn)了20 cm的偏差，但是通過4 個(gè)節(jié)段的調(diào)整，逐步將其調(diào)整到設(shè)計(jì)軌跡上來，并未影響管道線形質(zhì)量。

根據(jù)頂管呈線形結(jié)果可知，整體線形平順，未出現(xiàn)影響管道質(zhì)量的大的轉(zhuǎn)折角的出現(xiàn)，其線形控制是成功的。

5 結(jié)語

某水廠支線小口徑急曲率半徑鋼頂管于2014年1月16日順利貫通。在頂力控制、地面沉降控制、軸線偏差控制等方面均取得了良好的效果，使得頂管工程順利完成，不僅取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，而且也為同類型頂管工程積累了寶貴的頂管施工控制經(jīng)驗(yàn)。在小口徑急曲率半徑鋼頂管施工控制方面取得的經(jīng)驗(yàn)和成果如下：

（a）在頂進(jìn)過程中泥漿套的減阻效果明顯，且頂進(jìn)過程中曲線段與直線段產(chǎn)生的摩擦阻力并沒有大的區(qū)別。在施工過程中并未啟用中繼站，因此在頂力計(jì)算分析中可進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，減少中繼站的安裝個(gè)數(shù)。

（b）在地面沉降控制方面。沿線房屋最大沉降為15.62 mm，房屋未出現(xiàn)裂縫。在穿越橋梁時(shí)，橋梁基礎(chǔ)沉降控制在6 mm內(nèi)，沉降控制獲得了成功。

（c）在軸線控制方面。要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在軸線偏差較大時(shí)，要逐節(jié)段調(diào)整，保證調(diào)整曲線的平穩(wěn)過渡，防止影響管道質(zhì)量的大的轉(zhuǎn)折角的出現(xiàn)。

（d）在頂管進(jìn)洞中，要加強(qiáng)施工控制管理，防止“悶土”現(xiàn)象的發(fā)生，保證進(jìn)洞的質(zhì)量。