平潭及閩江口水資源配置工程長距離頂管施工難點及解決措施

黃智剛

(福州水務平潭引水開發(fā)有限公司，福建 福州 350000)

1 引 言

頂管施工是一種現(xiàn)代化的非開挖地下管道施工技術，具有土方工程量少、環(huán)境影響小、施工工期短、綜合成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于城市地下管網系統(tǒng)、原油通信管道工程及公路鐵路等基礎設施建設中。當頂管穿越江河時，與圍堰施工和沉管施工相比較具有回填量小、不受季節(jié)洪水影響、對通航沒有影響等優(yōu)點[1]，但其對河床地質要求高，施工技術復雜難度大，施工技術研究和質量控制尚需進一步提升和完善。

魏綱等[2]對某頂管工程進行了地面變形、孔隙水壓力、深層土體移動、地下水位、土壓力以及頂管施工現(xiàn)場記錄的監(jiān)測，結果表明土體擾動受地質條件、施工方法和現(xiàn)場控制程度的影響，其中現(xiàn)場控制程度的影響最大。余劍鋒[3]對頂管施工引起的地表變形進行解析計算和數(shù)值模擬研究，得出頂管施工過程中和施工后的地表變形規(guī)律。李萬才[4]利用注漿減摩技術，在土層和頂管外壁注入潤滑液以減少摩擦阻力，可有效降低頂進阻力。任宇寧等[5]以廈門新機場翔安東路過海段頂管施工為例，介紹了CT探測技術在復雜地層頂管施工中可還原真實的地質情況。然而上述研究多集中于頂管的力學性能研究，對施工過程的質量控制研究較少。

鑒于此，本文以福建省平潭及閩江口水資源配置工程為例，對長距離頂管施工的難點問題進行梳理與總結，并提出相應的施工方法和質量控制措施，為今后類似工程施工提供參考。

2 工程概況

2.1 頂管布置情況

福建省平潭及閩江口水資源配置工程第3標段詳謙農場—城門水廠段頂管，頂管始發(fā)井樁號為QC3+828.672，接收井樁號為QC2+690.993。頂管采用DN2000鋼管，全長1137.679m。頂管材料采用Q355B(鎮(zhèn)靜鋼)，直縫埋弧焊制，管節(jié)長度7.2m。

頂管始發(fā)后，首先以3.5°曲線下坡入土，以半徑6000m的曲線頂進過渡到水平直線段頂進，水平直線段總長183.501m(樁號：QC3+217.26～QC3+400.761)，最后再以半徑6000m的曲線頂進過渡到坡度為2.5°的上坡段出土頂進至接收井，頂管從全—強風化巖層穿越至中砂淤泥層。

2.2 工程地質

烏龍江主河道寬約2.951km，河道底高程-5～-15m。兩岸地形右岸較緩而左岸較陡，根據(jù)鉆孔揭示，管道區(qū)地表多為第四系全新統(tǒng)長樂組沖海積層淤泥和中砂層覆蓋，厚30～50m，管道區(qū)地下水類別主要為孔隙潛水，烏龍江河道水深5～15m，兩岸地下室埋深于第四系全斷統(tǒng)長樂組沖海積層淤泥中，地下水位0～1.5m。

根據(jù)勘探資料分析，頂管段巖土層主要有淤泥、中砂、弱—強風化凝灰熔巖、砂質黏土與全風化基巖、淤泥和中砂層，利于頂管施工，但后段約541m為強—弱風化凝灰熔巖，頂管施工難度較大。

3 施工難點分析及控制措施介紹

3.1 施工測量控制技術難度大

頂管施工測量工作是為了確保每節(jié)管道中心線符合施工圖紙要求，這也是頂管精準施工的關鍵。頂管施工中的測量工作可分為以下四個部分。

3.1.1 地上平面、高程控制測量

由于地面測量誤差所引起的橫向貫通中誤差的允許值，可用式(1)表達：

m橫允=±Δ

(1)

式中m橫允——橫向貫通中誤差，mm；

Δ——總的橫向貫通中誤差，mm。

可知，地面控制測量誤差將是總橫向中誤差的0.58倍，占比非常大，絕不如忽視。

3.1.1.1 地面平面控制網的布設與施測

布設地面控制網時的主要原則有：導線的各個邊長盡量相等，導線點的俯仰角不大于±32°，近井點要設置為強制對中點，并經常對近井點進行復測，地面平面控制網邊長相對中誤差不超過±3mm，角度相對中誤差不超過±4″[6]。

3.1.1.2 高程控制網的布設與施測

在復核精密水準點之后進行地上高程控制測量，以給定的精密水準點為依據(jù)，根據(jù)施工進度需要對施工現(xiàn)場臨時水準點進行加密測量，也可將已知高程引測到近井點上，隧道高程貫通誤差通過精密水準聯(lián)測來控制[7]。施工前、施工中期和進洞前須進行高程控制復測。

3.1.2 地上與地下平面、高程聯(lián)系測量

地上與地下聯(lián)系測量是為了將地上點與地下點的平面坐標和高程合并到同一個測量系統(tǒng)中，從而為地下各類測量提供可靠依據(jù)，提高地下測量的準確性[8]。平面控制加密控制網的技術要求見表1。

表1 平面控制加密控制網的技術要求

3.1.2.1 地上與地下平面聯(lián)系測量

地上與地下平面聯(lián)系三角形測量(俗稱定向或方向傳遞)主要采用兩井定向法和直傳法[9]。

為了確保地下測量點的準確性，將在工程中采用聯(lián)系三角形對地下控制點進行復核。采用三根鋼絲，以兩組方位傳遞的方式傳遞至井下固定起始邊，其中固定邊長度不應小于200m，整個頂管區(qū)間定施測次數(shù)不得少于三次，三次互差不得超過8″～10″。

3.1.2.2 地上與地下高程聯(lián)系測量

高程聯(lián)系測量主要是將地上精密水準點的已知高程傳遞到地下臨時水準點上，也就是將地下與地上高程數(shù)據(jù)合并到同一個測量系統(tǒng)[10]。

高程控制加密的技術要求見表2。

表2 高程控制加密的技術要求

高程傳遞采用懸吊鋼尺的方法進行，見圖1，整個頂管施工中高程點的傳遞次數(shù)不得少于三次。使用與鋼尺標準拉力等量的重錘將鋼尺懸掛在工作井內，地面和工作井中的水準儀同時進行觀察，視線高最大高差不得大于2～3mm。井下布設2～3個地下起始高程控制點。

圖1 水準測量示意圖

3.1.3 地下平面、高程控制測量

地下平面控制測量采用布設支導線的方式進行[11]。井下導線的起始邊為定向測量結果，導線布設為等邊直伸導線，隨著頂管頂進依次布設地下頂管貫通導線點，在測量定向過程中，布設交叉導線即雙導線，由兩條交叉導線測得每一個新導線點的坐標，取其平均值作為新點的測量數(shù)據(jù)，采用單導線左右角觀測法等有效測量手段來收斂地下導線重點自由度，以確保測量數(shù)據(jù)的準確性，提高測量精度。

3.1.4 頂管中心線控制測量

頂管頂進軸線誤差直接影響進洞姿態(tài)與地表沉降，測量誤差過大，將導致進洞時頂管機頭與洞口難以對準，影響管道的整體軌跡，需要花費大量的人力和時間對誤差進行糾偏，頂進效率大幅下降，因此必須在管道頂進過程中進行實時測量[12]。

本頂管工程為直線段+曲線段的布置形式，且曲線段的曲率半徑為6000m，為保證測量數(shù)據(jù)的準確性，在頂管施工過程中，采用綜合測量方法，分兩步進行量測：起始下坡可以通視段頂管施工采用激光經緯儀測軸線、水準儀復測高程；工作井內無法通視后的頂管施工采用全站儀測軸線、水準儀復測高程。

3.1.4.1 通視段軸線測量

利用激光經緯儀測量軸線，水準儀復測高程。測量過程為：在測量臺上架設激光經緯儀，使儀器中心平面及高程與頂管軸線相一致，激光走向與設計軸線相一致，在頂管機后殼體上固定安裝激光接收裝置，激光點在光靶上能夠準確反映機頭在水平方向與豎直方向的偏移，通過觀測激光點走向以確定頂管在頂進過程中的偏離值。激光經緯儀測量見圖2。

圖2 激光經緯儀測量示意圖

3.1.4.2 無法通視后軸線測量

沿著頂進軸線，激光經緯儀激光導向無法滿足施工要求，因此采用全站儀進行測量。由于本工程長距離頂管，并有曲線，不能從井內直接測量到頂管機靶心坐標，因此管道內必須設置轉點。測量方法為：在機頭尾部安放棱鏡，從工作井出發(fā)，以出洞口中心點為起始測點A，由于起始測點的坐標已知，利用全站儀測量結果可以確定下一測點C的平面、高程坐標，接力至機尾測點，通過機尾測點計算出頂管機切口的平面、高程坐標。編制相應的專用計算機程序，輸入相應的測量數(shù)據(jù)，便可得出頂管的偏離值，頂管機的姿態(tài)一目了然。全站儀測量示意見圖3。

圖3 全站儀測量示意圖

3.2 頂管機的姿態(tài)控制難度大

在管道頂進過程中，對頂管機的所處位置與管道設計軸線的關系要進行實時監(jiān)測，以便在機器出現(xiàn)偏差之前采取適當?shù)拇胧┍苊鈾C器超出誤差所允許的范圍(即實時糾偏)。長距離頂管施工時碰到的最大困難是隨著施工的進行整條管道都處于連續(xù)運動狀態(tài)，所以按照傳統(tǒng)的方法不可能在已被頂入的管道上設置基準點來為后續(xù)的施工提供測量服務，頂進過程中的頂管機姿態(tài)控制難度大[13]。為解決以上問題，本工程采用SLS-RV頂管激光導向系統(tǒng)作為頂管機導向系統(tǒng)，利用軟硬件結合的優(yōu)勢, 為頂管機位置的實時測量，特別是在掘進過程中頂管機的姿態(tài)測量提供了一條新的途徑。

SLS-RV頂管激光導向系統(tǒng)可以實現(xiàn)對頂管機姿態(tài)的自動實時監(jiān)控，并對長距離復雜線路的頂管施工進行精確的導向；系統(tǒng)采用可編程機動激光全站儀及自動追蹤活動激光靶，以數(shù)字和圖形兩種形式將頂管機的姿態(tài)信息顯示在操作人員面前；在測量工程中可以自動對已安裝的管道進行測量，生成導向基準線，并顯示頂管機的趨向；可實現(xiàn)遠程控制及數(shù)據(jù)的自動存檔。SLS-RV主操作界面見圖4。

傳統(tǒng)的測量方法為了確定頂管機的準確位置，每一次測量都必須從工作井開始重新測量一遍數(shù)據(jù)，隨著施工的進行，管道長度增加，測量時間和測量難度也逐步增大，時間和人力的成本顯著增加，并且原有的測量方法只能在頂管機停止掘進的情況下進行測量，在頂管機掘進過程中無法控制頂管機姿態(tài)，只能在掘進完成后發(fā)現(xiàn)偏差進行事后糾偏， 而采用SLS-RV系統(tǒng)進行導向則可以實現(xiàn)對頂管機和整段管道具體坐標以及頂管機姿態(tài)的實時測量，為工作人員提供及時、準確的糾偏數(shù)據(jù)。

圖4 SLS-RV主操作界面

3.3 中繼間施工技術要求及閉合要求嚴格

3.3.1 中繼間設計

中繼間是解決長距離頂進施工頂力過大最有效的措施之一。本工程頂管中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式鋼結構件。中繼間采用雙道徑向可調的橡膠密封，另增加二道饅頭形橡膠止水圈。中繼間伸縮時密封裝置采用雙道徑向可調的橡膠密封圈，在雙道徑向可調的橡膠密封圈之間設置4只注油孔，以減少橡膠圈的磨損[14]。一道饅頭形橡膠止水圈用于頂管結束以后，切割法蘭和拆卸二道徑向可調的橡膠密封時的臨時防水。密封配合面應經過立車的精加工，并經過拋光處理，涂抹潤滑脂[15]。若在頂管過程中出現(xiàn)局部漏漿現(xiàn)象，也可以在端面設置一道盤根和法蘭止水的應急措施。中繼間圖片見圖5。

圖5 DN2000中繼間照片

每套中繼間安裝24只雙作用油缸，總推力10000kN，油缸行程為500mm。為提高工程的可靠性，在每套中繼間處設一臺三柱式液壓動力機組，其液壓泵具有耐高壓的特性，尤其適用于中繼間使用。啟用時一名操作人員就可控制。中繼間主要參數(shù)見表3。

表3 中繼間主要參數(shù)

3.3.2 中繼間的間距確定

本工程中繼間設置根據(jù)相關建設規(guī)范要求，頂管機后方20～50m處布置第一道中繼間。后續(xù)中繼間布置按照式(2)計算確定。

S′=k(F3-F2)/(πDf)

(2)

式中S′——中繼間的間隔長度，m；

k——頂力的系數(shù)，一般取0.5～0.6。

F2——頂管機的迎面阻力，kN；

F3——控制頂力，kN；

f——管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2，取2～5kN/m2；

D——管道外徑，m。

根據(jù)式(2)，結合以往鋼頂管的施工經驗，本工程需要設置7個中繼間才能滿足頂力要求，為了防止地質變化、頂進方向偏差等原因造成頂力增大，降低因為頂力增大而出現(xiàn)抱死的風險，參考設計圖紙，將中繼間的個數(shù)增加到11個。

中繼間布置位置計算如下：因為第一個中繼間不但要克服地層的摩擦力，還要克服刀盤頂進過程中的反作用力及曲線鋼頂管的線形控制，所以第一個中繼間一般安裝于頂管機后40～60m。本工程第一個中繼間布置于頂管機頭之后50m位置，第二個中繼間布置于頂管機后130m，后續(xù)第三至第十一個中繼間分別布置于230m、330m、430m、530m、630m、730m、830m、930m、1030m，主頂負責末端115m的頂進力。

中繼間與鋼管焊接以后，為了增強啟用中繼間時管材和中繼間的整體剛性。在兩端焊接處增加筋板，筋板長度50mm，筋板高度15cm，間距30cm焊接一道筋板。

3.3.3 施工后的中繼間處理

為防止中繼間發(fā)生外側泥漿滲漏，可在頂管機進入工作井后，對中繼間預留的注漿孔注入雙液漿；確保中繼間前后段和中繼間內殼和外殼之間壓密注實[16]。

注漿完成后，從第一個中繼間起依次拆除油缸，并將空當合攏；封堵注漿孔；割除多余的筋板，保留緊貼頂管內壁的鋼板，端部割除鋼板后進行焊接。焊接質量按100%進行超聲波檢測。

3.4 頂管穿越烏龍江的控制措施

頂管位于烏龍江江底巖土層，形為半徑6000m的豎曲線，最小覆土約8m，局部覆土較淺，須選擇適合的頂管施工工藝，避免形成流土、流沙造成土體塌陷或地層下降。

3.4.1 施工參數(shù)調整

泥水艙壓力是頂管施工的重要參數(shù)之一，其大小直接決定掘進機前艙土壓力[17]。在淺覆土層中施工，若泥水艙壓力設置過大，容易造成淺覆土被頂穿，導致河水進入頂管機前艙，影響頂管施工；泥水艙壓力設置過小，則頂管機無法支持前方土體，造成大量地層損失，引起過大沉降[18]。通過對淺覆土層的分析計算，并結合土體開挖面的性質，最終確定頂管淺覆土施工中，泥水艙壓力控制在0.08～0.12MPa。

3.4.2 注漿方式改進

膨潤土潤滑泥漿套的使用是頂管施工的重要步驟：一方面，可以有效地起到減摩降阻的作用，降低頂力值，使長距離頂進成為可能；另一方面，可以補償一部分頂管開挖造成的地層損失，減小由此引起的土體位移，降低頂管施工對周圍環(huán)境的影響。

為了保證頂管施工中頂管機尾部注漿和管道沿線補漿的需要，使注入的膨潤土泥漿形成潤滑泥漿套，確保頂管正常頂進，注漿時需要施加一定的注漿壓力[19]。本工程中注漿壓力控制在0.2MPa左右，由壓漿機提供壓力。在此壓力下，頂管潤滑泥漿套的形成見圖6。

圖6 潤滑泥漿套形成示意圖

淺覆土下頂管施工時，注漿壓力可能造成膨潤土泥漿穿透上覆土層的情況發(fā)生，此時，不僅無法形成潤滑泥漿套，影響頂管順利頂進，而且浪費建材，損失大量配制膨潤土泥漿的材料，更嚴重的是污染河道，破壞周圍環(huán)境[20]。為防止這種情況發(fā)生，淺覆土下頂管施工時，掘進機機尾注漿及管道沿線補漿時，關閉上面兩只注漿孔，膨潤土泥漿通過下面兩只注漿孔，在注漿壓力下，也可形成泥漿套。

在中風化凝灰熔巖中進行頂進的過程中，使用黏度大于30s的鈉基膨潤土，配合比1∶5～1∶6，在中砂層中頂進時，配合比控制在1∶6～1∶8之間。

3.4.3 頂管淺覆土穿越控制方法

a.穿越掘進的主要技術參數(shù)為：推進速度2～3cm/min；均勻、慢速。

b.設置合理的水土壓力值，取靜止土壓力的1.00～1.05倍。

c.注漿方法：以管道下端注漿為主，管道上端注漿為輔，觸變泥漿的黏度適當提高，注漿量相對減少，在管外壁形成完整的泥漿潤滑套。

d.減少進入開挖面的泥水流量。在進水管路中加入一定量的黏土和膨潤土泥漿，在刀盤切削面形成泥膜，提高開挖面的穩(wěn)定條件。

e.在穿越段保持勻速連續(xù)頂進，避免停頓時間。如遇短時間停止，設置專人對泥水艙內的泥水壓力進行監(jiān)控；在停止頂進前，須向泥水艙內壓注一定量的膨潤土泥漿，在停止頂進的過程中如遇壓力下降情況，也可向泥水艙內注入膨潤土泥漿，以保持開挖面的平衡壓力[21]。

f.降低推進速度，減少糾偏，特別是大量值糾偏。

g.淺覆土穿越后，在拆除觸變泥漿壓注孔接頭之前，必須采用純水泥漿對每個孔的球閥進行固化，以避免管道出現(xiàn)后期沉降[22]。固化漿應邊放漿邊壓注水泥漿，依次進行，直到整個管道全部完成[23]。

4 結 語

a.福建省平潭及閩江口水資源配置工程越烏江頂管工程全長1137.679m，屬于超長距離頂管施工，測量工作量大且復雜，采用科學合理的施工測量體系，可以極大地提高測量精度，這是保證施工質量的前提。

b.采用SLS-RV頂管激光導向系統(tǒng)作為頂管機導向系統(tǒng)，可在掘進過程中對頂管姿態(tài)進行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)自動化程度高，可進行實時糾偏，節(jié)約施工成本，提升施工效率。

c.合理的中繼間布置，可減少管道的頂力，保證長距離頂管施工中的頂力要求，增加管道頂進長度，但會相應地增加施工的材料費、機械費以及安裝和拆除費用，須從經濟的角度出發(fā)，綜合考慮工程工期和成本，設置最佳的中繼間數(shù)量。

d.越江工程頂管施工過程中，通過施工參數(shù)的調整和注漿技術的改進，適當增大注漿壓力，減慢推進速度，可有效減少地表沉降和管道豎向位移。

e.長距離頂管施工依然存在周圍土體干擾大、頂進設備維修困難、焊接工藝要求高等問題，須通過大量的工程實踐，不斷總結施工成功經驗，進一步提升施工水平和施工效率，以達到節(jié)省工期和節(jié)約施工成本的目的。