超大口徑鋼頂管施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

匡志文

上海上咨建設(shè)工程咨詢有限公司 上海 200003

1 工程概況

上海黃浦江上游水源地連通管工程C3標(biāo)段共有8座頂管井及9個(gè)頂進(jìn)區(qū)間，采用DN4 000 mm鋼管。

本工程場(chǎng)地地形稍有起伏，地面標(biāo)高為＋2.18～＋4.34 m。頂進(jìn)施工斷面所經(jīng)過(guò)的土層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、黏土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土等。頂管施工將先后穿越泖口河、南大港、環(huán)橋港、東塘港、青松港、中心河等河道及水閘。本工程場(chǎng)地內(nèi)，局部區(qū)域有承壓水。

2 頂進(jìn)施工的機(jī)械設(shè)備

結(jié)合本標(biāo)段頂管所穿越的土層條件和沿線建（構(gòu)）筑物的情況，我們選用了先進(jìn)的大刀盤土壓平衡式工具管。本工程的主頂裝置由8只2 000 kN雙沖程等推力油缸組成，行程3 500 mm，總推力16 000 kN。8只雙沖程油缸組裝在油缸架內(nèi)。主頂裝置的液壓動(dòng)力站有2臺(tái)大流量斜軸式軸向柱塞泵，采用大通徑的電磁閥和系統(tǒng)管路，可以減小系統(tǒng)阻尼。8只油缸可以單動(dòng)，亦可聯(lián)動(dòng)。主頂系統(tǒng)由PLC可編程序計(jì)算器控制，并采用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)級(jí)調(diào)速。根據(jù)推力估算，本工程共有6個(gè)頂程需要設(shè)置中繼間。

3 頂進(jìn)施工流程

3.1 洞口土體加固和洞口止水裝置

1）本工程頂管進(jìn)、出洞口均采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁加固土體。進(jìn)、出洞口的土體加固范圍為：以頂進(jìn)軸線為基準(zhǔn)，上下各3 m，左右各3 m，長(zhǎng)度為4 m。

2）本工程管徑大，頂進(jìn)距離較長(zhǎng)，傳統(tǒng)的橡膠“抹套”已不能滿足洞口止水要求。根據(jù)工程特點(diǎn)，結(jié)合以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)，決定采用鋼法蘭盤根止水裝置（圖1）。

3.2 工具管出洞及試頂進(jìn)

1）在工具管出洞前，先通過(guò)打觀測(cè)孔對(duì)洞口外的土體加固效果進(jìn)行檢測(cè)，在確認(rèn)土體達(dá)到預(yù)期的止水效果和強(qiáng)度后，才能進(jìn)行工具管的出洞施工。

2）將工具管出洞后的前50 m頂進(jìn)作為頂進(jìn)試驗(yàn)段。設(shè)置頂進(jìn)試驗(yàn)段的目的是盡早熟悉工具管的操作方法、掌握工具管各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制方法；熟練掌握減阻泥漿的工藝流程和合理的壓漿量；監(jiān)測(cè)頂進(jìn)軸線沿線的地面沉降情況，并據(jù)此分析不同土層中各種推進(jìn)參數(shù)的設(shè)定規(guī)律，減少施工對(duì)周邊環(huán)境和頂進(jìn)軸線沿線的建（構(gòu)）筑物的影響；熟練掌握拼接鋼管節(jié)的方法，提高焊接的質(zhì)量和速度等[1-2]。

3.3 正常頂進(jìn)施工

工具管出洞階段結(jié)束后，即可進(jìn)入正常的頂進(jìn)施工。在頂進(jìn)過(guò)程中，要經(jīng)常對(duì)頂進(jìn)的管道軸線進(jìn)行測(cè)量，一般情況下，每頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)測(cè)量1次，有特殊要求的可以增加測(cè)量的頻次。每次測(cè)量的結(jié)果要及時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)施工的管理人員，用來(lái)指導(dǎo)頂進(jìn)施工。

3.4 進(jìn)洞施工

工具管接近接收井時(shí)，根據(jù)貫通測(cè)量的結(jié)果，在洞口封門中心位置鑿出一個(gè)φ10 cm左右的圓洞，查看外部土質(zhì)情況，并確定好大刀盤的中心位置。做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作后，頂進(jìn)工具管平穩(wěn)、快速地進(jìn)洞。進(jìn)洞后，及時(shí)將工具管吊離，并按要求對(duì)接收井的洞口進(jìn)行處理。

4 頂進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鋼管焊接施工

4.1.1 鋼管節(jié)

本工程頂管采用鋼管，直徑為DN4 000 mm，管節(jié)長(zhǎng)度為6.0 m。管節(jié)由制管廠生產(chǎn)，管節(jié)的外防腐也是在廠內(nèi)施工的。經(jīng)駐廠監(jiān)理驗(yàn)收合格后再運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)。

由于管節(jié)“體形大”，質(zhì)量大，故在施工現(xiàn)場(chǎng)只能單層堆放，管節(jié)堆放時(shí)底部要放置托座，以確保管節(jié)的穩(wěn)定和安全。

本工程的管節(jié)坡口采用單邊“V”形40°坡口，上半圓180°為外開口“V”形坡口，下半圓180°為內(nèi)開口“V”形坡口（圖2）。

圖1 洞口止水裝置

圖2 鋼管節(jié)的坡口

4.1.2 鋼管焊接

當(dāng)一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，縮回主頂千斤頂，斷開各種管路和線路，然后吊放下一節(jié)管節(jié)。利用主頂千斤頂和一些輔助措施，將吊放的管節(jié)和前一節(jié)對(duì)接拼裝好，拼裝好的管節(jié)用點(diǎn)焊固定，然后便可進(jìn)行焊接工作。焊接時(shí)將整條焊縫分為4段，由4個(gè)電焊工同時(shí)作業(yè)。焊接完成后，及時(shí)清除焊渣和金屬飛濺物。

4.1.3 檢測(cè)和防腐

1）管節(jié)焊接完成后，先進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，具體要求：焊縫和熱影響區(qū)表面不得有裂紋、氣孔、斷弧、弧坑和灰渣等缺陷；表面要光順、均勻，焊道與母體應(yīng)平穩(wěn)過(guò)渡；相鄰管節(jié)錯(cuò)位不大于2 mm，無(wú)未焊滿現(xiàn)象。

2）外觀質(zhì)量檢查合格后，在焊縫附近打上焊工代號(hào)，再對(duì)焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)。超聲波檢測(cè)合格的，進(jìn)入下一道工序；超聲波檢測(cè)不合格的，要對(duì)不合格的焊縫進(jìn)行返工，返工完成后再對(duì)返工部分進(jìn)行超聲波檢測(cè)，直到合格。

3）焊縫檢測(cè)合格后，施工管節(jié)接頭處的防腐層。防腐涂料要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配合比調(diào)制，分層涂刷，寬度要和前后管節(jié)的防腐層搭接，厚度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 減阻泥漿的運(yùn)用

4.2.1 注漿孔的布置

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合同類工程的經(jīng)驗(yàn)，本工程的注漿孔布置方法是：每個(gè)注漿斷面布置6個(gè)注漿孔，環(huán)向均勻布置（圖3），注漿孔在制管廠家開設(shè)。為保證能夠形成良好的泥漿套，在工具管后的3節(jié)鋼管中每一節(jié)都布置6只注漿孔，后續(xù)管節(jié)中每2節(jié)鋼管布置1組（6只）注漿孔，即后續(xù)管節(jié)中注漿孔的縱向間距為12 m。

圖3 注漿孔布置

為了保證補(bǔ)壓漿的效果，在每個(gè)中繼間處也均勻布置了6個(gè)注漿孔。

4.2.2 注漿量

本工程工具管外徑為4 100 mm，鋼管外徑為4 080 mm，單邊空隙10 mm，管節(jié)長(zhǎng)度6.0 m。正常情況下，注漿量可按下式估算：

其中，倍率的取值和管徑、地質(zhì)條件、管節(jié)外壁和土層之間的間隙等有關(guān)。本工程的倍率取400%，則單節(jié)管節(jié)的注漿量為：V=3.14×(2.052－2.042)×6×400%=3.08 m3。

注漿量主要由跟蹤注漿和補(bǔ)壓漿這2部分組成。跟蹤注漿是指在頂進(jìn)時(shí)，利用工具管尾部的注漿孔向管道外壁壓注減阻泥漿，及時(shí)填充管節(jié)外壁和土層之間的空隙，形成完整的泥漿環(huán)套。泥漿環(huán)套既能減少管節(jié)外壁和土層之間的摩阻力，又能對(duì)周邊的土層起到支承作用。隨著頂進(jìn)距離的增加，泥漿環(huán)套中的泥漿會(huì)流失，因此要通過(guò)布置在管道中的注漿孔進(jìn)行補(bǔ)壓漿，向泥漿套補(bǔ)充減阻泥漿，使其保持良好的減阻和支承作用。為了控制頂進(jìn)軸線沿線的地面沉降或者保護(hù)頂進(jìn)影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物，在頂進(jìn)施工期間，應(yīng)經(jīng)常在管道內(nèi)對(duì)管道沿線進(jìn)行補(bǔ)壓漿，并在建（構(gòu)）筑物下方進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)壓漿[3-4]。

4.2.3 減阻泥漿的配合比

在綜合考慮本工程的地質(zhì)條件、所使用的膨潤(rùn)土的特性并結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)確定本工程的泥漿配比。

在頂進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)頂進(jìn)斷面的土質(zhì)變化和頂進(jìn)施工的具體情況，可以對(duì)泥漿配合比進(jìn)行合理的調(diào)整，以更好地滿足頂進(jìn)施工的要求。

4.2.4 減阻泥漿的效果

在頂進(jìn)施工過(guò)程中，施工人員根據(jù)頂進(jìn)斷面的土層變化及時(shí)調(diào)整泥漿的配合比，并嚴(yán)格按照壓漿的操作規(guī)程進(jìn)行跟蹤壓漿和補(bǔ)壓漿，達(dá)到超預(yù)期的效果。以本工程JB11—JB12頂進(jìn)區(qū)間為例，減阻泥漿的效果論述如下：

1）減阻的效果。JB11—JB12頂進(jìn)區(qū)間長(zhǎng)424.64 m，布置1個(gè)中繼間。在實(shí)際頂進(jìn)時(shí)，由于頂力控制得很好，故沒(méi)有采用中繼間接力頂進(jìn)。根據(jù)頂進(jìn)時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可繪制出該頂進(jìn)區(qū)間的頂力（摩阻力）與頂進(jìn)距離的曲線（圖4）。通過(guò)圖4可以看出，在出洞階段，由于不能建立起完整的泥漿環(huán)套，故頂力較大且隨頂進(jìn)距離的增加上升也很快，此時(shí)，摩阻力也很大。隨著頂進(jìn)距離的增加（頂進(jìn)50 m后），管道外建立起了完整的泥漿環(huán)套，頂力開始下降并趨于穩(wěn)定，在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，摩阻力也快速下降并趨于穩(wěn)定，波動(dòng)很小。由此可見，本工程減阻泥漿的減阻效果非常明顯。

圖4 頂力與頂進(jìn)距離曲線

2）控制地面沉降的效果。根據(jù)本頂進(jìn)區(qū)間的竣工測(cè)量資料，可繪制出頂進(jìn)軸線沿線的地面沉降曲線。經(jīng)分析，本頂進(jìn)區(qū)間的地面沉降控制得非常好。沿線最大的沉降量只有9.9 mm，遠(yuǎn)小于允許的沉降量，這對(duì)沿線的建（構(gòu)）筑物的保護(hù)也是十分有利的。

3）保護(hù)建（構(gòu)）筑物的效果。本區(qū)間的頂進(jìn)要先后穿越青松港和中心河2條河道，頂進(jìn)期間要對(duì)河道的堤岸、擋墻和外側(cè)平臺(tái)等的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并要根據(jù)沉降情況制訂相應(yīng)的措施，確保它們的安全。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，工具管從出洞到接近測(cè)點(diǎn)下方土體的這一過(guò)程中，平臺(tái)的沉降量變化很小，工具管穿過(guò)此點(diǎn)后，沉降量快速增加。通過(guò)采取跟蹤壓漿和定點(diǎn)補(bǔ)壓漿的措施，有效地減小了沉降的速率和總沉降量。頂進(jìn)至80 m時(shí)，平臺(tái)的沉降速率開始減小，至100 m之后，沉降量緩慢增加，并漸趨穩(wěn)定。在整個(gè)施工期間，該平臺(tái)的沉降量始終控制在允許值的范圍內(nèi)，頂管沿線建（構(gòu)）筑物和地下管線的沉降也都控制在允許的范圍內(nèi)。

4.3 中繼間接力頂進(jìn)

本工程使用的中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式鋼結(jié)構(gòu)件，由前體、后體、千斤頂、動(dòng)力油泵站、止水密封圈5個(gè)部分組成。每個(gè)中繼間有20只千斤頂，每只千斤頂?shù)闹睆綖?60 mm，行程為300 mm，推力為80 kN。中繼間采用計(jì)算機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，在特殊情況下，也可以用手動(dòng)方式控制中繼間的運(yùn)行。

4.3.1 中繼間頂進(jìn)程序

中繼間的頂進(jìn)程序是從工具管向后按順序一次將每段管節(jié)向前頂進(jìn)。一個(gè)中繼間頂進(jìn)時(shí)，其他中繼間應(yīng)保持不動(dòng)，當(dāng)所有中繼間依次完成頂進(jìn)后，由主頂完成最后的頂進(jìn)作業(yè)。

一個(gè)頂程有多個(gè)中繼間時(shí)，為了提高頂進(jìn)效率，采用中繼間編組的方式運(yùn)行，比如某一個(gè)頂程中放置了3個(gè)中繼間，則頂進(jìn)次序?yàn)椋?#中繼間頂進(jìn)→2#中繼間頂進(jìn)→3#中繼間頂進(jìn)→主頂頂進(jìn)，依此循環(huán)。

為保證施工安全，在每個(gè)中繼間的位置，各種管路要采用柔性接頭過(guò)渡；各種線路要留有足夠的伸長(zhǎng)余量。

4.3.2 中繼間的處理

頂進(jìn)施工結(jié)束后，通過(guò)對(duì)中繼間的處理，使其成為管道的一部分，具體的處理步驟如下：頂進(jìn)結(jié)束，整條管道定位后，對(duì)中繼間前后管道壓注雙液漿，防止外側(cè)泥漿通過(guò)中繼間滲漏進(jìn)來(lái)；壓漿完成后，從第1個(gè)中繼間開始，依次拆除各中繼間的千斤頂和附屬結(jié)構(gòu)件；封堵中繼間處的注漿孔；割除多余中繼間筋板，保留與鋼管內(nèi)壁緊貼的一圈環(huán)向鋼板，端部鋼板割除后進(jìn)行焊接；對(duì)焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢查、檢測(cè)；施工內(nèi)防腐。

4.4 軸線測(cè)量和糾偏

4.4.1 軸線測(cè)量的方法

本工程使用的測(cè)量?jī)x器和設(shè)備主要有全站儀、水準(zhǔn)儀、光靶測(cè)量板等。

設(shè)置在管道內(nèi)的接收激光束的光靶傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成了頂進(jìn)姿態(tài)測(cè)量的控制系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量安裝在工具管切削艙上的測(cè)量板的垂直和水平位移、激光入射水平角以及工具管切削艙仰角和滾動(dòng)角。操作人員通過(guò)遠(yuǎn)距離攝像監(jiān)控及微機(jī)系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果（工具管的軸線偏差）顯示在操作室的屏幕上，頂進(jìn)施工人員可以據(jù)此對(duì)工具管進(jìn)行糾偏。工具管出洞前，先測(cè)出安裝在工具管切削艙上的測(cè)量板的仰角、滾動(dòng)角、水平角這3個(gè)數(shù)據(jù)，再測(cè)出激光基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)于工具管的位置，將上述測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算程序，作為工具管初始位置的參數(shù)。

在實(shí)踐中，還采用了測(cè)工具管“趨勢(shì)”的方法。激光束發(fā)射到測(cè)量板上后，測(cè)出光點(diǎn)在測(cè)量板上的位置，計(jì)算出工具管軸線與激光束軸線的關(guān)系、工具管的仰角和滾動(dòng)角，控制系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出測(cè)量板對(duì)應(yīng)的頂管軸線與頂管設(shè)計(jì)軸線的偏差值。通過(guò)工具管實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線夾角，可以預(yù)測(cè)出工具管切削艙的偏差趨勢(shì)。通過(guò)這些顯示在頂管機(jī)操作屏上的數(shù)據(jù)，施工人員可以及時(shí)調(diào)整工具管的頂進(jìn)方向，將軸線偏差控制在合理的范圍內(nèi)。

4.4.2 軸線糾偏

頂進(jìn)軸線的糾偏主要是通過(guò)工具管尾部的糾偏系統(tǒng)進(jìn)行的，方法是通過(guò)調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，改變工具管的姿態(tài)，使頂進(jìn)軸線逐步向設(shè)計(jì)軸線靠攏，達(dá)到糾偏的目的。例如，當(dāng)頂進(jìn)軸線向左的偏移值達(dá)到或超過(guò)允許值時(shí)，即可將糾偏系統(tǒng)左側(cè)的千斤頂伸出一定的量（根據(jù)糾偏量的大小確定），然后鎖定糾偏系統(tǒng)，通過(guò)一段距離的頂進(jìn)，軸線會(huì)逐漸向設(shè)計(jì)軸線靠近。在進(jìn)行軸線糾偏時(shí)，還可以結(jié)合工具管的姿態(tài)進(jìn)行。根據(jù)工具管姿態(tài)的變化，可以確定頂進(jìn)軸線大致的發(fā)展趨勢(shì)，從而提前對(duì)軸線進(jìn)行微量糾偏，這種方法的好處是糾偏緩和、軸線平滑。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)竣工測(cè)量及第三方監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，本項(xiàng)目的管道軸線誤差均小于3 cm，遠(yuǎn)小于允許值[5-7]。

4.4.3 工具管旋轉(zhuǎn)糾偏

工具管的刀盤在切削正面的土體時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭矩，這會(huì)導(dǎo)致工具管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。由于刀盤正反轉(zhuǎn)均可以出土，故通過(guò)控制工具管刀盤的正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)的交替使用，就可以糾正工具管的旋轉(zhuǎn)。工具管旋轉(zhuǎn)角度較大時(shí)，可能會(huì)對(duì)相關(guān)的設(shè)備和機(jī)械的運(yùn)行造成不利影響，因此在本工程中設(shè)定了工具管的允許旋轉(zhuǎn)角度≤1.5°，當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到1.5°時(shí)，工具管的自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提示操作人員切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本工程的實(shí)踐，我們成功地實(shí)施了超大口徑鋼頂管施工中的管節(jié)焊接、減阻泥漿應(yīng)用、中繼間接力頂進(jìn)、軸線測(cè)量與糾偏等關(guān)鍵技術(shù)。

這些關(guān)鍵技術(shù)既可供類似工程借鑒，也為更大口徑、更長(zhǎng)距離的鋼管頂進(jìn)施工做了技術(shù)準(zhǔn)備，并積累了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。