淺談大口徑鋼頂管過江段施工控制要點

婁秋林

【摘要】本文以黃浦江上游閔奉原水支線3標工程為例，由于其復(fù)雜的水文和地質(zhì)條件，施工中存在一定的難點和技術(shù)風險，通過對頂管施工的設(shè)備選型、頂進速度、注漿減阻等重要環(huán)節(jié)進行探討總結(jié)，從而對相關(guān)工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】大口徑；過江段；頂管機選型；泥漿減阻

一、前言

現(xiàn)階段大口徑頂管技術(shù)由于其顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，在不開挖地面、不破壞地面建筑物的前提下能節(jié)約一大筆征地拆遷費用、減少對周圍環(huán)境污染和道路堵塞，其獨特的優(yōu)越性被廣泛的應(yīng)用于城市地下管線的施工建設(shè)中，相關(guān)施工技術(shù)也越發(fā)趨于成熟。但在一些特定的復(fù)雜地質(zhì)條件下，比如在穿越江底河床的局部較淺覆土層時，其施工過程還是存在一定的難點和風險，。本文結(jié)合工程實例闡述復(fù)雜地質(zhì)條件下大口徑鋼頂管過江段的施工控制要點，提出了一系列的解決方案和技術(shù)措施，為復(fù)雜地質(zhì)條件下確保施工安全順利進行提供思路。

二、工程主要描述

1、工程概況：

黃浦江上游閔奉原水支線工程是黃浦江上游水源地連通管工程的支線工程。工程范圍為連通管末端閔奉分水點至閔行區(qū)現(xiàn)狀黃浦江各取水泵站、奉賢區(qū)現(xiàn)狀黃浦江各取水泵站、松浦泵站。至閔行設(shè)計輸水規(guī)模110萬m3/d，至奉賢設(shè)計輸水規(guī)模80萬m3/d（近期60萬m3/d），黃浦江過江管設(shè)計輸水規(guī)模130萬m3/d（閔行+車墩20萬m3/d）。本標段DN3000mm鋼頂管管長共計436m，從JN1至JB1區(qū)間，穿越黃浦江，頂管穿越⑤2層（灰色粉砂易產(chǎn)生坍塌、流砂、管涌現(xiàn)象）、⑤3-1層灰色粉質(zhì)粘土（軟塑狀態(tài)，工程性質(zhì)一般），管頂最淺覆土7.95m。

2、地基承載力評價

天然地基承載力設(shè)計值fd根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DGJ08-11-2010）第5.2.3條計算，并結(jié)合原位測試成果和工程經(jīng)驗綜合確定。如下表：

三、頂進過程中存在的難點、特點分析

本標段管道為穿越黃浦江的大口徑輸水鋼頂管，江底河床地形變化大且地質(zhì)條件復(fù)雜、局部覆土較淺，施工過程中容易出現(xiàn)透水、冒頂?shù)纫幌盗械氖┕わL險，對于關(guān)系頂管成敗的關(guān)鍵因素——頂管機的選擇必須適應(yīng)地層和特點要求，性能必須高效、可靠。頂管機在過江段頂管不允許出現(xiàn)較大的故障，否則處理難度和風險極大，這要求頂管機具備處理復(fù)雜土層的施工能力。從而對本項目頂管設(shè)備選型和設(shè)計研發(fā)提出非常高的技術(shù)要求。另外本工程過江鋼頂管埋深較大，覆土變化特別大，地質(zhì)條件復(fù)雜，頂管施工控制難度大，而根據(jù)施工經(jīng)驗大口徑鋼頂管在過江淺覆土區(qū)域易產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，從而導致管道軸線偏差，中繼環(huán)滲漏水，嚴重影響輸水管道的安全和質(zhì)量。這些都是影響頂管正常施工的不確定因素，從而對過江段頂管施工控制提出非常高的技術(shù)和管理要求，必須采取多項針對性措施，保障頂管順利穿越黃浦江。

四、施工重點、難點的針對性措施

1、優(yōu)選適合本項目施工特點的頂管機

本工程鋼頂管為壓力管道，頂管穿越黃浦江的土質(zhì)情況具有如下特點：頂管需穿越⑤2粉砂層及⑤3-1粉質(zhì)黏土層，管穿越土層存在土質(zhì)特性差異明顯的“夾層”。 根據(jù)以上工程特點并結(jié)合以往類似過江頂管工程經(jīng)驗，綜合掘進適應(yīng)性、工期、質(zhì)量、安全等多方面因素，擬選用刀盤式泥水平衡頂管機進行本工程過江鋼頂管施工。由于泥水平衡頂管工藝已經(jīng)非常成熟且土層變化抗干擾能力強、對環(huán)境擾動小、施工安全等特點，非常適用于本工程較硬的粉質(zhì)黏土層、粉砂層、含承壓水土層以及江河底等特殊地段。應(yīng)用泥水平衡頂管施工工藝，可達到良好的施工效果，確保安全、高效穿越黃浦江。

為適應(yīng)本工程特點，泥水平衡過江頂管機需具有如下一些技術(shù)特點：

1）刀盤驅(qū)動采用變頻調(diào)速形式，驅(qū)動功率配置應(yīng)有較大富余：一是可以滿足地下多變土質(zhì)的切削能力；二是解決頂管電壓降引起的刀盤啟動困難問題；三是可以更好地穩(wěn)定開挖面的水土壓力。

2）刀盤、面板、殼體的厚度和結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)過計算能夠滿足特殊條件，如深埋、砂土、硬黏土、遇到地下障礙物等情況下的受力條件，滿足強度和剛度要求。刀具結(jié)構(gòu)形式、開口大小和開口率考慮到頂進效率粉砂層的耐磨性和防止泥水艙內(nèi)進泥口堵管等因素。

3）頂管機主軸密封對頂管機的施工安全尤其重要。本次工具管主軸承密封設(shè)計采用施工單位的專利技術(shù)，該技術(shù)成功完成了長江底0.5MPa壓力下的長距離砂土層頂管工程。該技術(shù)可使得主軸密封在長距離粉砂地層頂管，具有足夠的可靠性和耐久性。

4）本項目的泥水平衡工具管具有遠程自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)工具管的實時施工技術(shù)參數(shù)進行自我判別與報警，幫助施工技術(shù)人員調(diào)整工具管的各項參數(shù)值。同時該工具管在高水壓砂性土層中可通過泥水系統(tǒng)有效平衡開挖面；在粘性土層中可有效防止土體包鉆，便于頂進等特點。且切削土體通過管道接力以泥漿形式排出，施工效率高。

2、保障頂管開挖面的穩(wěn)定

本工程采用泥水平衡頂管機，在過江管頂進過程中，開挖面泥水平衡是一種動態(tài)的平衡，故加強泥水壓平衡管理，保持開挖面的穩(wěn)定是施工控制重點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

采取保障開挖面穩(wěn)定的措施主要如下：

1）切口泥水壓控制

應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)地質(zhì)條件、管道埋深、線路平面與坡度、施工監(jiān)測結(jié)果、初始頂進階段的經(jīng)驗設(shè)定泥水壓力和流量、排土量等頂進參數(shù)。由于本項目過江頂管覆土變化大，切口泥水壓不易于控制。泥水倉壓力應(yīng)根據(jù)切口土壓和水壓等參數(shù)進行合理設(shè)置，并隨頂進后覆土等參數(shù)的變化及時進行動態(tài)調(diào)整，同時盡可能減小切口水壓的波動值，通過江中淺覆土段時將切口水壓波動值控制在±0.005MPa，保持正面土體穩(wěn)定，控制河床面沉降。

2）掘進速度和出土量控制

在過江段頂進中需控制合理的頂進速度，不宜過快或過慢，盡量在淺覆土區(qū)域保持勻速頂進狀態(tài)；若出現(xiàn)輕微冒漿，在不降低開挖面泥水壓的前提下，應(yīng)加快頂進迅速穿過冒漿區(qū)。為達到開挖面穩(wěn)定在設(shè)定和保持合理的泥漿壓力與開挖面的水土壓力的同時，還必須使排出渣土量與開挖渣土量相平衡，并根據(jù)掘進狀況進行調(diào)整和控制。在淺覆土段可適當欠挖，保持土體密實，以免出現(xiàn)冒頂和冒漿，根據(jù)送泥泵的流量計和密度計測定各數(shù)據(jù)，對送排泥漿中含掘削的干土體積進行計算，反饋頂管每米出入量。當出土量過大或過小時，及時進行各掘進參數(shù)調(diào)整。

3、減阻泥漿控制措施

減阻泥漿系統(tǒng)作為頂管頂力控制不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)，能有效減少頂管摩擦力，從而減少在頂管施工過程中中繼環(huán)的使用數(shù)量，若注入的潤滑泥漿能在管子的外圍形成一個比較完整的泥漿套，則其減摩效果較好，一般情況摩阻力可由12KN/m2～30KN/ m2減至3KN/ m2～5KN/ m2。此外，當管壁周圍形成完成泥漿套后，可通過減少頂進帶土現(xiàn)象達到控制沉降的目的。本標段內(nèi)頂管穿越土層涉及第⑤2層灰色粉砂、⑤3-1層灰色粉質(zhì)粘土，要求在頂進過程中形成完整的泥漿套以便有效降低頂力，保證在淺覆土層頂管時順利通過。

1）泥漿制作

頂管機略大于鋼管，穿越土體后產(chǎn)生的空隙需要泥漿來填充彌補，即泥漿形成支撐面，若支撐不足則土體就會塌落于管外壁使滑動摩擦主要作用因素為干摩擦，此時整個管段摩阻力會大幅上升。因此，泥漿制作須考慮一定的粘滯度和注漿的厚度。潤滑泥漿材料主要采用鈉基膨潤土，純堿、CMC。結(jié)合本工程土質(zhì)，泥漿物理性能為：比重1.02～1.08g/cm3，粘度30～40g（力）/cm2，泥皮厚3～5mm。膨潤土將選用鈉基膨潤土，為了在復(fù)雜地質(zhì)條件下有效提高漿液的剪切力和潤溶性，經(jīng)過上海地區(qū)多個大口徑頂管工程中減阻泥漿的研究及運用，本項目采用的基本配合比為膨潤土：CMC：堿：水=10：0.8（8%膨潤土重）：0.4（4%膨潤土重）：100 。

2）管段壓漿控制

本工程采用頂管機同步注漿和管段補漿兩種方式進行減阻，即頂管機尾環(huán)設(shè)壓漿環(huán)，泥漿由此在管外壁形成泥漿套；其后管段部分在頂進時分步、同時補漿，補漿孔環(huán)形布置。考慮管道直徑較大，擬每環(huán)6個壓漿孔，60度間隔布置。管段補漿第一環(huán)布置在頂管機后10m，其后約每10m一環(huán)。每道補漿環(huán)有獨立的閥門控制。頂進時應(yīng)貫徹同步壓漿與補漿相結(jié)合的原則，頂管機尾部的壓漿孔要及時有效地進行跟蹤注漿，確保能形成完整有效的泥漿環(huán)套，管道內(nèi)的壓漿孔須進行一定量的補漿，補壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)施工情況而定。壓漿時注漿壓入口的壓力應(yīng)稍大于該處的靜止水壓力、泥水壓力之和。注漿壓力不能過大，防止管外土層受到劈裂擾動，而造成過大的后期沉降與跑漿，對淺覆土段的施工尤為不利，容易造成冒頂、冒漿等事故；而注漿壓力過小，則漿液充填過慢。間隙填不密實，地表變形也將加大。在實踐中，多取注漿壓力為 1.1～1.2倍靜止水壓力、泥水壓力，同時堅持“先壓后頂、隨壓隨頂、及時補漿”的原則。

五、總結(jié)

大口徑過江鋼頂管施工技術(shù)在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下會遇到諸多施工難題，不確定的風險因素隨時可能導致工程事故的發(fā)生，以前類似的安全事故也屢見不鮮，但隨著施工經(jīng)驗的積累和施工技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)難點不斷被攻克，其可操作性和安全性得到較大保障，為保證頂管安全順利施工，施工過程中必須時刻注意周圍環(huán)境的變化，針對不同的狀況采取相應(yīng)的技術(shù)措施，從而適應(yīng)現(xiàn)代化城市發(fā)展中給排水工程長距離復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工要求。

參考文獻：

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

[2]葛春輝.頂管工程設(shè)計與施工.中國建筑工業(yè)出版社，2012.