大直徑長(zhǎng)距離曲線頂管在軟硬土層中的綜合應(yīng)用

文｜廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 余劍鋒

1 前言

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，土地緊缺、交通擁擠等問(wèn)題日益加劇，合理開(kāi)發(fā)地下空間已成為解決上述問(wèn)題的有效途徑，頂管法以其非開(kāi)挖敷設(shè)管道的技術(shù)在地下空間開(kāi)發(fā)上越來(lái)越多地采用。在實(shí)際工程中，由于地下管線的綜合性越來(lái)越強(qiáng)，穿越土質(zhì)越來(lái)越復(fù)雜，且平面上受到道路形狀的制約、地面建筑物保護(hù)的影響，豎向上存在地質(zhì)條件的差異性等因素，促使頂管工程向大直徑、長(zhǎng)距離、曲線方向發(fā)展。

在珠江三角地區(qū)，地下水十分豐富，泥水平衡式頂管較多應(yīng)用于工程實(shí)踐，本文依據(jù)三山島內(nèi)110kV及220kV架空線路改遷工程中的一段頂管實(shí)例，介紹大直徑長(zhǎng)距離曲線頂管在軟硬土層中的綜合應(yīng)用，對(duì)以后類(lèi)似工程提供參考。

圖1 頂管軸線上地表情況

圖2 曲線繞過(guò)廣珠西線橋墩

圖3 2#-1#管道平面圖

2 工程概況

三山島內(nèi)110kV及220kV架空線路改遷工程位于佛山市南海區(qū)三山大道側(cè)，該工程主線路采用DN3500鋼筋混凝土頂管施工。其2#～1#段為一次性頂進(jìn)679m，且為曲線頂進(jìn)，在距2#始發(fā)井420m處進(jìn)入曲線段繞開(kāi)廣珠西線橋墩，曲線段長(zhǎng)度約154m，曲率半徑R=1000m，管頂平均覆土厚度為5.5m，全段穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化砂巖、粉質(zhì)粘土和淤泥層，其中硬巖段巖石單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)88.6MPa。沿途存在大量高壓電纜、軍用光纖電纜、自來(lái)水管和雨水管等管線。

3 復(fù)合地層大直徑長(zhǎng)距離曲線頂管技術(shù)

本工程為大直徑（外徑4.14m）、長(zhǎng)距離（長(zhǎng)度679m）、硬巖（抗壓強(qiáng)度88.6MPa）、曲線（曲率半徑1000m）頂管集成為一體的綜合頂管工程。根據(jù)以往完成的大直徑、長(zhǎng)距離、硬巖和曲線頂管經(jīng)驗(yàn)，從刀盤(pán)刀具選擇、曲線控制、注漿減阻、中繼接力、電壓降補(bǔ)償?shù)瓤刂埔蛩爻霭l(fā)，分析各因素的綜合影響，研究探索綜合性頂管施工技術(shù)。

3.1 頂管機(jī)選型

工程穿越地層為復(fù)合地層，頂管段需要穿越地層依次有：強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖—粉質(zhì)粘土—微風(fēng)化砂巖(長(zhǎng)度約90m，單軸抗壓強(qiáng)度約88.6MPa)—粉細(xì)砂—粉質(zhì)粘土—淤泥，巖層芯樣如圖4。同一斷面土質(zhì)軟硬不均，沿頂進(jìn)方向土質(zhì)變化大，頂管機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)和刀具布設(shè)具有較大難度。

（1）刀盤(pán)面板

為了克服硬質(zhì)巖層，頂管機(jī)采用6根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅(qū)動(dòng)裝置并且作為刀盤(pán)面板的基座，刀盤(pán)采用面板式設(shè)計(jì)，在巖層施工中，

圖4 頂進(jìn)地層巖石芯樣圖

圖5 頂管機(jī)刀盤(pán)刀具圖

圖6 頂管機(jī)刀盤(pán)改造圖

圖7 測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖8 曲線頂管測(cè)量

這種刀盤(pán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，可承受更大的推力和扭矩。刀盤(pán)開(kāi)口率約為25%，滾刀設(shè)計(jì)為12”雙刃滾刀，共17把。

（2）破碎艙改造

破碎艙在頂管機(jī)的前端，與刀盤(pán)共同形成對(duì)大塊巖石第二次破碎。刀盤(pán)開(kāi)口允許進(jìn)入的最大顆粒尺寸為200 mm。當(dāng)大塊石塊經(jīng)刀盤(pán)開(kāi)口進(jìn)入破碎艙后，刀盤(pán)背部的牛腿與錐形破碎艙下部的突起耐磨破碎筋組成剪切破碎機(jī)構(gòu)。

刀盤(pán)牛腿的耐磨板表面到錐形破碎艙表面的距離是不同的，不同的間距可把大塊石頭分級(jí)破碎，最后令碎石顆粒尺寸滿足排渣要求。每根牛腿到錐形破碎艙表面的距離從10 – 80 mm不等，地面的排渣口允許最大通過(guò)顆粒尺寸為50 mm。

3.2 曲線頂管施工技術(shù)

曲線頂管與直線頂管不同，直線頂管只要求后續(xù)管節(jié)隨頂管機(jī)直線運(yùn)動(dòng)，而曲線頂管要求直線狀管節(jié)沿弧線運(yùn)動(dòng)，這樣就要求頂管機(jī)擴(kuò)孔超挖，否則管節(jié)就無(wú)法進(jìn)入圓弧段。

（1）曲線段超挖量計(jì)算

曲線頂管的曲線段孔洞須有足夠的超挖量，超挖量大小與曲率半徑、管節(jié)長(zhǎng)度有關(guān)，管道理論超挖量可按下式計(jì)算：

式中 M—理論超挖量(m)；

R—曲率半徑(m)；

D1—管道外徑(m)；

L—管節(jié)長(zhǎng)度(m)。

（2）曲線段線型控制

在曲線段頂進(jìn)過(guò)程中，整體管節(jié)的線型需要通過(guò)管節(jié)接口張開(kāi)程度來(lái)控制。曲率越小，管節(jié)間張口越大；反之，曲率越大，管節(jié)間張口越小。為保持曲線頂管線型，管節(jié)張口應(yīng)隨著頂管頂進(jìn)過(guò)程發(fā)生變化。為控制張口量的變化，需在管節(jié)張口間塞鋼墊片，墊片厚度有5mm、8mm、10mm，并可互相組合。

施工過(guò)程中，對(duì)進(jìn)入曲線段管節(jié)接口及時(shí)塞墊片，并觀察每一接口墊片的松緊，對(duì)松動(dòng)墊片進(jìn)行更換或增加，并注意管節(jié)張口間的止水效果。

（3）曲線段線型測(cè)量

在曲線頂管中因管內(nèi)測(cè)站位置會(huì)隨著管節(jié)頂進(jìn)而變化，且管內(nèi)測(cè)站需在隧道內(nèi)采用“之”字形折線布置才能保證通視。

曲線頂管中，為提高測(cè)量精度，利用固定轉(zhuǎn)點(diǎn)測(cè)站進(jìn)行引測(cè)，防止測(cè)點(diǎn)在測(cè)量過(guò)程中移動(dòng)影響測(cè)量精度。為提高測(cè)量速度，每個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中法進(jìn)行儀器安裝；為配合測(cè)點(diǎn)安平，每個(gè)棱鏡頭配一個(gè)棱鏡基座。

測(cè)量時(shí)，由頂管工作井安裝一臺(tái)固定于儀器墩上的自動(dòng)全站儀T1及固定于井壁上的二個(gè)后視點(diǎn)（PL和PR）組成頂管貫通測(cè)量地下導(dǎo)線的起始基準(zhǔn)點(diǎn)，隨頂管頂進(jìn)的長(zhǎng)度和線形在管道內(nèi)固定安置T2，T3，…中轉(zhuǎn)測(cè)站。由離機(jī)頭最近的全站儀最后測(cè)量固定安置于機(jī)頭內(nèi)的棱鏡P1、P2坐標(biāo)，然后求算當(dāng)前機(jī)頭位置中心P0坐標(biāo)。

（4） 中繼間線型調(diào)整

曲線頂管時(shí)，孔洞軸線與頂進(jìn)管節(jié)軸線往往是不一致的，頂進(jìn)管節(jié)軸線會(huì)向曲線外側(cè)偏移，這樣管節(jié)頂力的合力中心會(huì)偏向曲線內(nèi)側(cè)，如果這時(shí)管節(jié)中設(shè)置了中繼間，可通過(guò)調(diào)整中繼間的合力中心，使其與管節(jié)頂力的合力中心一致，以保持曲線段平穩(wěn)頂進(jìn)。

圖9 施工中的曲線頂管

圖10 成型的曲線頂管

圖11 滾刀磨損情況

中繼間頂力調(diào)整的辦法是曲線外側(cè)的中繼油缸停用，停用數(shù)量可理論計(jì)算，也可通過(guò)觀察調(diào)整。簡(jiǎn)便一點(diǎn)的方法是在中繼間工作時(shí)觀察前后段管節(jié)間轉(zhuǎn)角的變化，若轉(zhuǎn)角增加，表示要增加停用的油缸數(shù)量；反之則減少停用油缸數(shù)量；當(dāng)轉(zhuǎn)角不變時(shí)，可認(rèn)為到達(dá)平衡。

3.3 復(fù)合地層頂管施工技術(shù)

對(duì)于軟硬綜合地層中曲線頂進(jìn)施工，除了對(duì)頂管機(jī)選型、曲線線型控制外，還要對(duì)頂進(jìn)過(guò)程的施工參數(shù)進(jìn)行控制。針對(duì)不同土質(zhì)，調(diào)整不同的頂進(jìn)參數(shù)，以適應(yīng)不同地層施工。

（1）粘土層

在粘土層地質(zhì)頂進(jìn)施工中，由于粘土的粘性造成在頂進(jìn)中極易形成泥餅，裹住頂管機(jī)刀盤(pán)，前方土體無(wú)法切屑和排出，會(huì)造成頂管頂力偏大，刀盤(pán)電流突增等問(wèn)題。

該地層頂進(jìn)需要減慢頂進(jìn)速度（頂進(jìn)速度<20mm/min），同時(shí)通過(guò)改變頂管機(jī)電機(jī)運(yùn)行頻率加快刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，讓粘土充分進(jìn)行攪拌。并使用高壓清水進(jìn)行沖洗，減少泥餅的形成。循環(huán)泥漿粘度控制低于22s。同時(shí)可采用化學(xué)添加劑改善粘土性能。

（2） 淤泥層

淤泥地層含水率大、孔隙比大、壓縮性高、承載力較差，由于頂管機(jī)自身重量較大，在承載力較差的淤泥層極易產(chǎn)生下沉。因此，在頂管機(jī)進(jìn)入淤泥層時(shí)，應(yīng)將頂管機(jī)下糾偏千斤頂稍稍伸出，并加快頂進(jìn)速度，將泥水倉(cāng)泥水壓力提高至比地下水位高出20kPa左右，泥漿粘度控制在22s以上，并控制好進(jìn)排漿壓力。

（3）硬巖層

頂管機(jī)在硬巖段頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)采取慢速頂進(jìn)，減少刀具的貫入度，避免滾刀蹦口的現(xiàn)象，如圖11a、11b所示；同時(shí)，在頂進(jìn)中應(yīng)進(jìn)行高壓清水的輸送，一是為了降低刀具的溫度，二是對(duì)滾刀上粘土進(jìn)行沖洗，減少偏磨的現(xiàn)象，如圖11c。另外，頂管機(jī)在巖石切削中會(huì)產(chǎn)生石粉，容易在沉底堆積，抬升管節(jié)，使管節(jié)與頂部巖層擠壓卡死，所以要控制好循環(huán)泥漿的濃度，及時(shí)補(bǔ)充新的觸變泥漿。

在硬巖段頂進(jìn)時(shí)，軸線控制也非常關(guān)鍵。硬巖段糾偏難度大，糾偏空間有限，且會(huì)加大刀具磨損量，存在頂管機(jī)卡住的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在巖石層頂進(jìn)時(shí)要控制好頂管機(jī)姿態(tài)。

3.4 長(zhǎng)距離頂管施工技術(shù)

在長(zhǎng)距離頂管中，不僅需要通過(guò)注漿減阻來(lái)減少頂進(jìn)過(guò)程中的阻力和通過(guò)中繼接力來(lái)增加頂進(jìn)中的推力，還需要考慮電壓降的問(wèn)題。

（1）注漿減阻技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)距離硬巖頂管，需要克服頂進(jìn)過(guò)程中管體外表面與巖層之間摩阻力大的問(wèn)題，首先采用壓注觸變泥漿減少摩擦阻力。注漿可使管周外壁形成泥漿潤(rùn)滑套，使管節(jié)受到一定的浮力，減少管節(jié)與周邊土體的接觸面積，從而降低了頂進(jìn)時(shí)的摩阻力。

根據(jù)試驗(yàn)研究表明，采用膨潤(rùn)土配置的觸變泥漿其濃度對(duì)粘度、潤(rùn)滑性有影響，從而改變摩擦阻力系數(shù)，下表1對(duì)比了觸變泥漿濃度的變化對(duì)其粘度、比重和流動(dòng)性、凝膠性能的影響。

在頂管施工中，為了壓注觸變泥漿后在管道外壁能形成穩(wěn)定的泥漿套，漿體應(yīng)保持一定粘度，不能離析，才能具有膠凝護(hù)壁的效果；同時(shí)，考慮到注漿管中的漿體流動(dòng)性及注漿持續(xù)性，漿體粘度又不宜過(guò)大，這就要求泥漿根據(jù)地層特性取其綜合性能。

表1 觸變泥漿配比表

觸變泥漿壓注要以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔，先注后頂，隨頂隨注，及時(shí)補(bǔ)漿。在停止頂進(jìn)及開(kāi)始頂進(jìn)前應(yīng)壓注觸變泥漿，減小再次啟動(dòng)的頂推力。在頂進(jìn)過(guò)程中，注漿壓力應(yīng)比地下水壓力略高，但也要避免擊穿地面影響注漿效果。泥漿注漿量應(yīng)控制在管土間縫隙空間體積的1.5～2.0倍。

（2）中繼接力技術(shù)

圖12 觸變泥漿配置

圖13 觸變泥漿壓注

圖14 管節(jié)中的中繼環(huán)

圖15 中繼環(huán)中的千斤頂

圖16 變壓器降壓裝置

長(zhǎng)距離頂管中，克服頂進(jìn)過(guò)程中管體外表面與巖層之間摩阻力大問(wèn)題第二個(gè)方法是采用中繼接力。中繼接力是在頂進(jìn)管節(jié)中放置一個(gè)或幾個(gè)由數(shù)十個(gè)小千斤頂組成的中繼環(huán)，這些中繼環(huán)以后部的管節(jié)段獲取后座力來(lái)推動(dòng)前部的管節(jié)段，然后再在其后部中繼環(huán)或主頂千斤頂?shù)捻斖屏ψ饔孟滦∏Ы镯攺?fù)位，以備下一次頂推。這樣，長(zhǎng)距離頂管就被中繼環(huán)分成數(shù)小段依次頂進(jìn)，減小了主頂千斤頂所需配備的后座力，降低了對(duì)井體結(jié)構(gòu)的性能要求。

（3）長(zhǎng)距離配電技術(shù)

長(zhǎng)距離頂進(jìn)后，由于傳輸用電纜不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致電功率損耗加大，電壓下降，頂管前端電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

采用升降壓裝置，在始發(fā)井內(nèi)放置升壓裝置，將380V輸入電壓升至1000V輸出電壓，再用中壓電纜輸送至離頂管機(jī)30m左右位置的降壓器，轉(zhuǎn)換成380V電壓輸出給頂管電機(jī)。

這樣可以節(jié)省管道內(nèi)輸電線纜的布設(shè)，減小輸送電纜損耗的功率，滿足長(zhǎng)距離頂管電機(jī)用電功率要求。但目前也存在升降變壓器體積較大，管內(nèi)運(yùn)輸和安放都較困難的確定，需要以后進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)大直徑長(zhǎng)距離曲線頂管在軟硬地層施工的工程實(shí)例總結(jié)了該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：

（1）在復(fù)雜地層曲線頂管時(shí)，刀盤(pán)刀具的配置應(yīng)綜合考慮刀盤(pán)抗扭、刀具破巖和破碎倉(cāng)二次破碎問(wèn)題。

（2）由于曲線頂管不能通視，曲線段測(cè)量應(yīng)采用測(cè)站進(jìn)行轉(zhuǎn)點(diǎn)，并強(qiáng)制對(duì)中、多次測(cè)回進(jìn)行測(cè)量誤差的控制。

（3）軟硬土層施工時(shí)應(yīng)根據(jù)不同土層調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，達(dá)到各不同地層的平順過(guò)渡和順利頂進(jìn)。

（4）長(zhǎng)距離頂進(jìn)時(shí)可考慮采用利用觸變泥漿綜合性能進(jìn)行注漿減阻施工和合理布設(shè)中繼環(huán)，達(dá)到頂力分步傳遞，同時(shí)注意電壓保證措施。

本文總結(jié)了在復(fù)雜地質(zhì)條件下采用大直徑、長(zhǎng)距離曲線頂管需要注意事項(xiàng)，在城市地下空間迅速發(fā)展的今天，大直徑曲線頂管施工技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，本文可為今后類(lèi)似工程提供借鑒意義。