攻克水下軟土地層全國最大外直徑鋼筋混凝土頂管技術(shù)的監(jiān)理質(zhì)量控制

薛振友（英泰克工程顧問（上海）有限公司， 上海 200122）

0 引 言

超大直徑 φ3 000～φ4 000 鋼筋混凝土頂管工程陸續(xù)在國內(nèi)實施，特別是在上海、廣州等發(fā)達城市，已有較多的工程實踐。超大直徑頂管工程造價高，工程質(zhì)量要求高，一旦產(chǎn)生頂進失敗，將帶來極大的經(jīng)濟損失和社會負面影響，基于頂管工藝的特殊性，處理難度也極大。為保障頂進施工的順利進行，須保證頂管管材的加工質(zhì)量和有效控制頂進施工的施工工藝。

1 工程概況

昆明尾水外排工程(二期)工程位于滇池之濱，主線東起大清河沉砂池，西至西園隧道旁提升泵站，中間由頂管鋼筋混凝土管道連接，主要工程有構(gòu)建筑物 15 座，管道7 206 m。項目總投資 5.4 億元，工期 20 個月，其處理尾水的規(guī)模為 77.5 萬 m3/d。

主線管道：DN3000 管道 1 131 m；DN3500 道 4 052 m；DN4000 管道(下穿滇池草海) 1 188 m，管道埋深水底 10 m左右，單段頂通。

經(jīng)查閱，DN4000 (外徑 4 700 mm)超大直徑、超長距離水下頂管項目是目前國內(nèi)最大的頂管工程。

DN4000 (外徑 4 700 mm)超大直徑頂段(K5+183—K6+371)，處于泥炭地層，具有高含水量、高孔隙比(11.9 kN/m3)、高壓縮比、地基承載力低的特點。在頂進過程中，容易造成頂管掘進機方向失控。在設(shè)計工況運行階段，易引發(fā)管節(jié)上浮或沉降，造成管道脫節(jié)，致使工程失敗。

2 國內(nèi)外發(fā)展狀況

2.1 國外典型頂管工程案例(如表1 所示)

表1 國外典型頂管工程案例

2.2 近年我國大直徑長距離頂管工程的成功案例(如表2 所示)

3 工程難點

(1) 頂管管徑大。本工程采用的鋼筋混凝土管道有DN3000、DN3500、DN4000 三種規(guī)格，其中外徑 φ4 700 mm管道為目前國內(nèi)最大外徑頂管，對掘進機設(shè)計選型和各個系統(tǒng)的配置，以及頂進工藝和測量都是一個挑戰(zhàn)。

(2) 一次頂進距離長。本工程共有 9 個頂段，其中外徑φ4 700 mm 管道的頂段最長，頂距為 1 188 m。長距離頂進造成供電、通風(fēng)、出渣、減阻泥漿加注及中繼間控制、導(dǎo)向測量、方向控制等施工監(jiān)理難度成倍增加。

(3) 地質(zhì)條件復(fù)雜。本工程管道穿越軟土層，特別是外徑 φ4 700 mm 管道的頂段(K5+183～K6+371)全部位于滇池草海水下，處于泥炭地層，具有高含水量、高孔隙比(11.9 kN/m3)、高壓縮比、地基承載力低(不足 50 KPa)的特點。在頂進過程中，由于承載力低，不能為頂管機糾偏提供足夠的反作用力，容易造成頂管掘進機方向失控。在頂進及設(shè)計工況運行階段，易引發(fā)管節(jié)上浮或沉降，造成管道脫節(jié)，致使工程失敗。

表2 我國大直徑長距離頂管工程的成功案例

4 超大管徑在軟弱土層頂進施工監(jiān)理的質(zhì)量控制

4.1 制管質(zhì)量

本工程的重點為 DN4000 大直徑混凝土管的預(yù)制質(zhì)量，直徑大、工期短、在西南地區(qū)首次施工，采用定型鋼模板、蒸汽養(yǎng)護及人工振搗，整個制作工藝試生產(chǎn)，原材料的選擇、模具、設(shè)備采購，工藝的實驗，必須滿足頂進需要。

在大直徑管道的加工預(yù)制過程中，駐廠監(jiān)理工程師的監(jiān)理要點：原材料的控制；鋼筋骨架的成型；模具的拼裝；混凝土的質(zhì)量控制；鋼套環(huán)控制環(huán)節(jié)；止退環(huán)插口檢量；預(yù)埋件橡膠圈檢查；性能檢測；管材運輸保護。

4.2 軟弱土層泥漿減阻技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)

超大管徑長距離頂管施工的最大障礙是隨著頂進長度的增加管外壁摩擦阻不斷增大，以至于達到或超過靠背和管材的抗壓能力，因此需要在機頭位置注漿和沿線補漿，形成潤滑泥漿套，降低阻力，使得頂進能夠順利進行。

向管壁外壓注觸變泥漿是降低長距離頂進阻力的重要措施，常規(guī)頂管觸變泥漿主要成分是膨潤土，減阻泥漿配比單一，性能不能滿足在不同土質(zhì)條件下的頂管施工。在軟弱土層中使用易造成護壁效果差、泥漿套形成不完整、泥漿消耗量大、減阻性能不佳。針對本工程長距離頂進，且穿越軟土地層的難點，采用聚丙烯酰胺等潤滑材料配制的新型化學(xué)漿液，通過實驗室對潤滑減阻漿液的配方進行了試驗性研發(fā)及穩(wěn)定性評價，最終確定了兩種最優(yōu)配方，即：膨潤土聚合物漿液和無粘土聚合物漿液，分別用于機頭注漿與沿線補漿，同時優(yōu)化注漿管道和壓注方法，對有效控制管外摩擦力起到了重要作用。從該頂段的頂力與摩阻系數(shù)曲線圖得知摩阻系數(shù)僅為 0.21 t/m3，實現(xiàn)了管道順利頂進。

4.3 軟弱土地層中繼間接力技術(shù)的控制

在軟土地層中進行超大直徑頂管施工，由于地基承載力不足容易造成管道失穩(wěn)、并且軸向頂力越大，越容易造成頂力失穩(wěn)。為了減小頂管軸向頂力，根據(jù)工程現(xiàn)場具體情況，應(yīng)用模塊計算分別對軟弱土層的頂管工況、中繼間的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)、中繼間的密封、管道頂進阻力、中繼間的阻力和中繼間的應(yīng)用等要素進行了技術(shù)分析，且進行了水下軟土層頂管新型中繼間接力技術(shù)的攻關(guān)研討。決定采用可拆卸式鋼混組合中繼間，頂管結(jié)束后，拆除千斤頂與止水裝置，即可直接合攏中繼間，不需要進行任何特殊處理。實踐證明這一研發(fā)取得了制作簡單、密封效果好、頂力頂速均勻、安拆方便、可回收利用。此項成果正在申報實用新型專利。

4.4 軟弱土地層管道穩(wěn)定性的技術(shù)控制

該頂段下穿滇池草海，全長 1 188 m，管頂?shù)母餐梁穸刃?9 m～10 m)，管道主要穿越泥炭質(zhì)土層，在頂進過程中和完工后地層經(jīng)過擾動，管道可能因承載力不足或浮力過大造成失穩(wěn)，導(dǎo)致管道發(fā)生位移而脫節(jié)。為防止管道失穩(wěn)，采用了管道拉結(jié)處理措施。施工前組織專家組對施工專項方案進行了專家論證，在頂進過程中在管節(jié)兩端增設(shè)預(yù)埋螺桿拉結(jié)，將管道連接為一個整體，可以增加頂進過程中管節(jié)的剛度，并防止?jié)M載時管道下沉造成的脫節(jié)。

4.5 頂管機頭進出洞控制

嚴禁帶水進洞的違規(guī)作業(yè)，機頭出洞時要檢查洞口加固措施是否合理有效；檢查洞口止水橡膠圈尺寸、平整度是否符合設(shè)計要求；水密性是否良好；在拆除洞口封門時采用靜態(tài)破碎法，減少土體擾動，同時盡量縮短正面土體暴露時間。機頭出洞時放慢頂進速度，復(fù)核機頭正確位置，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正。在接收井內(nèi)做好接引導(dǎo)軌和防止土體流失措施等，機頭到達洞口封門時放慢頂進速度，嚴禁大力擠壓，進洞前準備好堵漏材料，同時準備好應(yīng)急物資，防止洞口大量涌水引起地表塌陷和機頭被水淹。

4.6 測量與糾偏

利用預(yù)測站和基準點軌跡的技術(shù)，完善了測量的導(dǎo)向系統(tǒng)，將已成型管節(jié)的前進軌跡預(yù)設(shè)為后續(xù)管節(jié)前進軌跡，每 42 s 自動測量1次，無需中斷頂管施工。監(jiān)理工程師根據(jù)數(shù)據(jù)分析有針對性地展開復(fù)測修正，確保測量的運行精度。

在水下軟土層中進行糾偏時，泥炭土層不能為糾偏提供足夠的反力，可能造成頂進方向失控。必須掌握偏差在較小的波動內(nèi)、勤測勤糾、小幅度糾和看趨勢糾的原則。在通過頂管機糾偏節(jié)進行糾偏的同時，增加了采用糾偏特殊管節(jié)進行糾偏。一旦發(fā)現(xiàn)頂管機自身糾偏動作效果不佳，偏差數(shù)據(jù)急劇發(fā)展時，啟動設(shè)置的特殊管節(jié)進行輔助糾偏。

5 工程效果

5.1 頂進速度快

全長 6 249 m 的鋼筋混凝土管道僅歷時 9 個月就完成頂管施工，日平均頂進 22.5 m，創(chuàng)下了單日頂進 30 m 的最高記錄。

5.2 工程質(zhì)量優(yōu)異(見表3)

5.3 施工成本降低

監(jiān)理工程師注重先進工藝過程的應(yīng)用控制，強化各環(huán)節(jié)的優(yōu)化及監(jiān)督，提高了作業(yè)效率，DN4000 超長距離頂管作業(yè)每班僅需 14 人，使得施工成本大大降低。

5.4 施工安全平穩(wěn)

全長 6 249 m 的頂進施工順利，在水下總安全頂進長度達 2 667 m，其中 DN4000 超大直徑頂管安全穿越 1 188 m滇池草海湖底。施工沉降監(jiān)測最大值 5 mm，沿途的湖濱公路、海埂大壩、西山纜車站、水上碼頭及岸邊大廈等敏感設(shè)施，沒有出現(xiàn)裂縫、傾斜及變形現(xiàn)象，施工頂進中正常運行使用。

5.5 文明施工節(jié)能環(huán)保

本工程通過技術(shù)改造，依靠科技進步，實現(xiàn)節(jié)能減排。設(shè)備節(jié)電 8 萬kW·h；通過長距離泥漿管道輸送集中處置，沒有造成揚塵、噪聲、泥漿四溢污染滇池水體的現(xiàn)象。被中國建筑業(yè)協(xié)會確定為“第三批全國建筑業(yè)綠色施工示范工程”。

6 結(jié) 語

隨著我國“基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)不斷推進，非開挖地下施工技術(shù)的優(yōu)勢也將得到發(fā)揮，超大直徑長距離頂管施工的發(fā)展空間巨大，如管徑加大到 5 000 mm 以上，工程的應(yīng)用領(lǐng)域范圍將有革命性的突破。今后的發(fā)展趨勢是圓形、矩形、圓拱形、多邊形等，以適應(yīng)箱涵頂進等各種工程的需要，故截面形狀多元化是必然趨勢。我們將在以后的工程監(jiān)理中繼續(xù)開展活動，運用 QC 管理知識，努力探索新技術(shù)、新工藝，不斷攻克施工中的難題，確保施工質(zhì)量，創(chuàng)出更多的精品和優(yōu)質(zhì)工程。