大直徑豎曲線鋼頂管施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王建明

（上海羽暢建筑工程有限公司，上海市 201202）

1 工程概述

某頂管為雙排鋼管頂進(jìn)，頂進(jìn)長度約為741m×2，鋼管外徑1820mm，壁厚18mm，為避讓深埋管線，只能從管線下方管經(jīng)過R=12000m曲線后頂入接收井。鋼管作為頂管工程的管道已應(yīng)用比較廣泛，通常情況下，由于鋼管管道接口采用焊接形式連接，不具備形成曲線線形的條件，一般情況不采用曲線頂進(jìn)，但該工程該頂段情況特殊，方案經(jīng)過專家評審可行后采用豎曲線頂進(jìn)。

該工程整條管道位于第④層淤泥質(zhì)黏土，土質(zhì)較均有光澤，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性高。針對本標(biāo)段頂管的土層性質(zhì)，采用泥水機(jī)械平衡式頂管機(jī)。該頂管機(jī)能平衡切削面水、土壓力，有效控制地面沉降，操作安全可靠，施工進(jìn)度快。

2 曲線頂管參數(shù)及特殊管結(jié)構(gòu)

2.1 頂管軸線曲線參數(shù)

73-1#～73#段頂管總長為741m，從工作井73-1#開始450m后進(jìn)入豎曲線段（向上爬坡），約291m后曲線段完成，曲線段直接頂入73#接收井內(nèi)，如圖1所示。

2.2 特殊管節(jié)布置

73-1#～73#頂段為豎曲線頂管，管道進(jìn)入曲線段長度約為291m，鋼管長度為8m/節(jié)，曲線段每5節(jié)（41.5m）鋼管后面設(shè)置一環(huán)特殊管（1.5m/節(jié)），按此推算該段頂管曲線段需要特殊管8節(jié)（特殊管型式同中繼環(huán)）。

圖1 頂管曲線參數(shù)及周邊環(huán)境

2.3 曲線段開口量計算

73-1#～73#頂段：鋼管外徑D=1820mm，頂進(jìn)長度L=741m，設(shè)計曲率半徑R=12000m，管道長度（5節(jié)8m鋼管+特殊管1.5m）41.5m，L=41.5m。

曲線段開口夾角：β=2sin-1（L/（2R-D））=2sin-1（41.5/（2×12000-1.82））=0.19817°

曲線段開口量：Δ=2Dsin（β/2）=2×1.82×sin（0.19817/2）≈0.0063≈6mm

進(jìn)入曲線段后管道單邊張口拉開，鋼管處于單邊受力狀態(tài)，為避免特殊管承插口處鋼管與鋼管直接接觸，承口處設(shè)置1cm以上厚度的木襯墊。

特殊管結(jié)構(gòu)型式同中繼間結(jié)構(gòu)。

3 頂力控制及中繼環(huán)布設(shè)

3.1 73-1#～73#頂段頂力的計算

地面平均標(biāo)高為5.0m，管道埋深H取平均值13.58m。

機(jī)頭外徑D=1.85m，鋼管外徑D=1.82m，ht=H-D/3=13.58-0.617=12.963m。

土層的基本參數(shù)，整條管道所在土層為④層土內(nèi)，因此：r土=16.8kN/m3，C=10kPa，φ=12.5°。

頂力計算包括到刀盤正面土壓力和管道摩阻力兩部分[1]。

3.1.1 頂進(jìn)時刀盤正面平衡土壓力計算

泥水平衡設(shè)備因機(jī)殼泥水平衡正面水壓力，固 r0=r土-r水=16.8-9.8=7kN/m3。

3.1.2 頂力估計

F=F0+f×L（f為每延長米管外壁摩阻力，L為管道長度）F0為封閉式工具管迎面阻力:F0=π/4·D2·P設(shè)。F0=π/4·D2·P設(shè)=3.14/4×1.852×124.66=334.919kN

f為考慮注漿工藝時管壁外單位長度摩阻力f=f1πd（其中f1為單位面積管外壁摩阻力）。

本段頂管為直線+曲線頂管，由于曲線段采用特殊管為中繼間形式，故不考慮曲線段摩阻力，直線段 f1取 2kN/m2,f=f1πd=2×3.14×1.82≈11.43kN/m。

3.1.3 頂力F控制

頂管工作井的設(shè)計允許最大頂力為4000kN，中繼環(huán)允許頂力為8000kN（由18個500kN的油壓千斤頂組成），對頂管工作坑的最大允許頂力、管材的允許頂力以及地質(zhì)情況等因素進(jìn)行綜合考慮。該工程安全系數(shù)為60%～80%。

主頂控制頂力：F=4000×80%=3200kN中繼環(huán)控制頂力：F=4000×70%=2800kN

3.1.4 頂進(jìn)距離控制

（1）主頂頂距控制

主頂（此時用主頂油缸推進(jìn)管道和機(jī)頭），因直線段頂距為526m，超過主頂頂距，摩阻力取f直=2kN/m2，主頂頂進(jìn)時不考慮機(jī)頭正面土壓力，故F如下：

計算值：L＜280m

在頂距小于280m時，或頂力控制在3200kN以下時，可直接采用主頂油缸頂進(jìn)。

（2）中繼間布置

根據(jù)前面計算和實際施工經(jīng)驗，1#中繼間頂進(jìn)中考慮機(jī)頭正面土壓力，要靠近機(jī)頭，該段頂管前約230m處于曲線管道內(nèi)，中繼間距離間距在49.5m內(nèi)，后面為直線管道，中繼間距離控制在280m內(nèi)，最后一環(huán)與主頂間距離控制在主頂允許頂距內(nèi)。綜合曲線特殊管布置間距與上述頂力計算，73-1#～73#頂管施工中繼環(huán)布置如表1和圖2所示。

表1 曲線段中繼環(huán)設(shè)置參數(shù)表

圖2 曲線段中繼間布置示意圖

3.2 中繼環(huán)閉合

中繼環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。頂管機(jī)頭進(jìn)入接收井后，對中繼間兩道密封圈之間的專用注漿孔內(nèi)壓注聚氨脂防水堵漏劑，以防止外側(cè)泥漿通過中繼間滲漏。漿液壓注完成，割除多余中繼間肋板、法蘭，中繼環(huán)后殼體前段坡口處直接與前殼體中部焊接。中繼間閉合焊接措施：中繼間閉合焊接采用與鋼管組對焊接相同的焊絲。

圖3 中繼間結(jié)構(gòu)示意圖（施工中）（單位：mm）

圖4 中繼間結(jié)構(gòu)示意圖（施工后）（單位：mm）

焊接前將鋼板表面用磨光機(jī)打磨干凈，不得有銹蝕、油漬及其他污跡，對焊接剖口角度不符合要求的用手提沙輪機(jī)修磨。點焊時應(yīng)對稱施焊，其焊縫高度應(yīng)與第一層焊接厚度一致。

4 沉降計算及沉降控制

4.1 沉降計算

頂管施工過程的沉降量與其失土率基本成正比例關(guān)系，按規(guī)定失土率計算其最大沉降量（δmax）可按包絡(luò)公式估算：

式中：Vl=失土率×V（V=2.687m3為計算管道單位出土量，機(jī)頭外徑1.85m）；i為沉降槽寬度系數(shù)，tg38.75°）≈7.21。其中，V1為超挖量，H為管道中心深度（此處 H=14.5m），φ=12.5°。

沉降盆寬度B=2W，其中W為影響范圍，W=2.5i，B=2×2.5×7.21≈36.05m。

4.2 沉降分析

（1）開挖面引起的地層損失

與選用機(jī)頭類型有關(guān)，本公司采用DT式泥水平衡頂管機(jī)頭，采用泥水倉平衡正面土壓力，大刀盤切削正面土體，開挖面失土率約在1%，相應(yīng)的失土率體積為0.026m3。

（2）機(jī)頭糾偏引起的地層損失

式中：α%為糾偏角弧度夾角；r為工具管外半徑；V為工具管單位出土量。

該工程中，α取0.3°，D=1.82m，L=3m，α%為相應(yīng)弧度,

單位長度體積V=0.25πd2×1=2.6m3

失土體積=0.1019m3

（3）管道外周環(huán)形空隙引起的土層損失

一般機(jī)頭外徑較管道外徑大2～4cm，因此機(jī)頭頂過后管道外周產(chǎn)生環(huán)形空隙，如不能充分注漿充填，則使周圍土體擠入環(huán)形空隙，導(dǎo)致地層損失[2]。

a.機(jī)頭外徑與管道外徑不同而引起的地層損失

式中：D為機(jī)頭外徑；a為機(jī)頭外周半徑與管道外徑之差；K為注漿未充滿度，壓漿最差時K=1，注漿良好時，K=0.2～0.4。

b.長距離頂管每個中繼間穿過地層，因其外徑與管道外徑不同而引起的地層損失

我校是一所貧困縣縣城小學(xué)，近年來生源劇增，學(xué)困生數(shù)量增多。為了提高辦學(xué)質(zhì)量，急需進(jìn)行學(xué)困生轉(zhuǎn)化工作，改變現(xiàn)狀。要改變這一局面，就要對“學(xué)困生”學(xué)習(xí)困難認(rèn)知特點及教學(xué)對策進(jìn)行調(diào)查、分析，才能有針對性地加以解決。學(xué)困生形成的原因是多方面的，歸結(jié)起來有以下幾種。

式中：D2為中繼間外徑；a2為中繼間外徑與管道外周半徑之差；K2為中繼間穿過后補(bǔ)漿不足率，補(bǔ)漿最差時，K2可達(dá)0.5，而補(bǔ)漿理想時K2→0。

當(dāng)中繼環(huán)外徑與管外徑一致時Vc2=0

c.相臨管節(jié)外壁不平整度過大時，引起地層損失

式中：DP為管道外徑；aP為相臨管節(jié)的管道外周半徑的差值；KP為注漿不足率，aP＜ 5mmKP→0，aP＞10mm，KP=0.5～0（注漿良好可為 0）；n 為穿過某處地層的管節(jié)半徑值大于3mm的出現(xiàn)次數(shù)，可根據(jù)管節(jié)制造精度及安裝精度估計。

環(huán)形間隙引起的土層損失Z=0.0456+0.0218+0.0771=0.1445m3

總失土體積V1=0.026+0.1445=0.1705m3

綜上，本段頂管估算累計失土率=0.1705/2.6×100%=6.5%

最大沉降量：δmax=0.1705/（2.5×7.21）=9.6mm

4.3 沉降控制措施

因本段頂管施工過程中需要穿越較多地下公用管線，其對沉降相對要求較高，因此其穿越段失土率基本按5%以內(nèi)控制，其余部分失土率可按9%以內(nèi)控制。

（1）設(shè)備地面沉降隆起與刀盤正面水壓力、土壓力有直接關(guān)系，本泥水平衡頂管機(jī)具有自動平衡正面土壓力、水壓力的特點，故正面水土流失引起的地面沉降較易控制。穿越地物時可根據(jù)地面連續(xù)50m內(nèi)三個斷面的沉降監(jiān)測點群將正面土壓、水壓調(diào)整到最佳值。

（2）頂進(jìn)軸線偏差也會引起較大的地面沉降，故在頂進(jìn)操縱時，操縱人員要認(rèn)真、仔細(xì)分析機(jī)頭偏差量，謹(jǐn)慎糾偏，確保管道偏差控制在盡可能小的范圍內(nèi)。

（3）適當(dāng)控制泥漿排除量同樣可降低地面沉降量，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)調(diào)整出漿量來控制。

（4）認(rèn)真控制觸變泥漿注入量，適當(dāng)補(bǔ)漿有效填充管道空隙，也是控制地層沉降的有效措施。

5 鋼管曲線頂進(jìn)技術(shù)控制

（1）機(jī)頭前、后兩只鋼殼相套而成，為二段一鉸的焊接鋼結(jié)構(gòu)圓筒，糾偏油缸設(shè)置在前、后殼體之間，可使前、后兩殼體在三維作相對作用后產(chǎn)生折角糾偏。頂進(jìn)軸線的偏差與管道頂進(jìn)阻力、地面沉降、管道接口的水密性及管道水力條件有很大關(guān)系，根據(jù)測量的機(jī)頭位置數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)頭的前后殼體間折角、機(jī)頭滾動角、傾斜儀讀數(shù),即可算出機(jī)頭的現(xiàn)存偏差及發(fā)展趨勢。

（2）根據(jù)發(fā)展趨勢確定是否需要糾偏。決定糾偏時動作不要過大，根據(jù)管道行程可逐漸放大，如偏差較大時不可在同一節(jié)管道內(nèi)完成糾偏動作，應(yīng)根據(jù)機(jī)頭偏移值計算其偏離角度同糾偏最大機(jī)頭折角比較，估算糾偏油缸伸出量，通過一段管道長度修正偏移值。

（3）在頂管機(jī)尾部的過渡環(huán)后面的是第一節(jié)特殊管（中繼間形式），8m鋼管與第一節(jié)特殊管連接，根據(jù)不同曲率半徑布置相應(yīng)的特殊管間距，頂管施工時中繼間作為特殊管能起到糾偏的作用。

（4）頂管機(jī)進(jìn)入曲線段時，為避免機(jī)頭糾偏量過大或不足情況下，偏離設(shè)計軸線，將機(jī)頭和過渡套下部螺栓擰松預(yù)留3mm，并將上半部分螺栓擰緊；在頂管機(jī)頭進(jìn)入第二段向下曲線時，則應(yīng)該采用相反的措施。

（5）以姿態(tài)控制曲線圖指導(dǎo)糾偏，并確定報警值，以避免姿態(tài)失控的情況發(fā)生。

（6）當(dāng)機(jī)頭進(jìn)入曲線段，由專人24h觀察所有曲線段的管道開口量情況，量測管縫張開量，并隨時插入三夾板（大于環(huán)縫大半的部位），以均勻接口受力，控制開口量；發(fā)現(xiàn)接口的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形和破壞的隱患時，立即停止頂進(jìn)，對危險的接口進(jìn)行加固處理。

（7）73-1#～73#頂段管道前291m（曲線段），曲線段每2m設(shè)置一環(huán)壓漿閥管，即每根管道設(shè)置4環(huán)壓漿閥管，曲線后200m每4m設(shè)置一環(huán)，即每根管道設(shè)置2環(huán)壓漿閥管，剩余250m每8m設(shè)置一環(huán)，即每根管道設(shè)置1環(huán)，每環(huán)壓漿孔90°均布4個壓降球閥。

（8）漿液配制重量比：膨潤土∶CMC∶純堿∶水 =104∶1.05∶3.05∶800

6 結(jié)語

該工程采用泥水平衡式曲線頂管施工。根據(jù)地質(zhì)情況配制泥漿，運(yùn)用壓密注漿技術(shù)來控制泥水平衡式曲線頂管施工所引起的沉降，通過中繼環(huán)的設(shè)置解決了曲線管道的頂進(jìn)，提高了復(fù)雜環(huán)境下頂管的適應(yīng)性，施工技術(shù)的運(yùn)用效果良好，可供日后同種工況條件下的泥水平衡式頂管施工借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬.謝爾蓋.頂管工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1983.

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