超大斷面矩形頂管的施工及管理要點

嚴(yán) 妍

（上海市寶山區(qū)政府重大工程建設(shè)項目管理中心，上海 201999）

0 引言

頂管施工技術(shù)可以有效地減少對交通、周圍環(huán)境的干擾，具有施工周期短、綜合成本低以及施工安全等特點。該文以上海市寶山區(qū)陸翔路-祁連山路貫通工程Ⅱ標(biāo)段為例，對超大斷面矩形頂管的施工管理要點進(jìn)行探討。

1 工程概況

上海市陸翔路-祁連山路貫通工程（Ⅱ標(biāo)段）位于上海市寶山區(qū)顧村鎮(zhèn)、大場鎮(zhèn)，呈南北走向，全長約1.1 km，該工程內(nèi)容主要包括道路工程、橋梁工程以及地道工程等，其中地道工程段需要穿越顧村公園區(qū)域及現(xiàn)狀S20 外環(huán)高速線，為減少對公園環(huán)境及道路交通的影響，該工程采用頂管法與淺埋暗挖法共同施工，其中采用頂管法施工的地道段長度為445 m。頂管段施工選用9.90 m×8.15 m 的土壓平衡矩形頂管機(jī)，單條頂管一次頂進(jìn)長度為445 m，共有2 條平行頂管，間距約10 m。

2 技術(shù)原理

頂管施工前先在預(yù)施工管道兩端設(shè)置好工作井和接收井，由工作井內(nèi)驅(qū)動系統(tǒng)中的液壓千斤頂進(jìn)行推進(jìn)，頂管機(jī)頭后方布置有中繼間進(jìn)行分級頂進(jìn)與糾偏，使管沿著預(yù)定的路線到達(dá)接收井內(nèi)設(shè)計好的位置上，最后完成管道的鋪設(shè)，頂進(jìn)過程中切削下來的土體經(jīng)由螺旋出土機(jī)與泥水轉(zhuǎn)換系統(tǒng)排出后處理。

該工程采用土壓平衡式頂管機(jī)，在頂進(jìn)過程中，利用刀盤后泥土倉內(nèi)的壓力和螺旋出土機(jī)排土來平衡開挖面的水土壓力，頂進(jìn)時對頂進(jìn)面的土體進(jìn)行注漿改良，排出的土為含水量較多的泥漿。土壓平衡頂管施工方法在中、大口徑的管道施工中較為常見，能夠在覆土比較淺的狀態(tài)下正常工作，頂進(jìn)時能保持開挖面的穩(wěn)定，地面變形小，對于該工程的頂管施工尤為適用。

3 超大斷面矩形頂管風(fēng)險與對策

3.1 頂管超大斷面、超長距離頂進(jìn)

該工程頂管斷面尺寸為9.90 m×8.15 m，單條頂進(jìn)距離為445 m，在全國名列前茅，在世界范圍內(nèi)也屬于大斷面長距離頂管工程，缺乏可靠的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，施工風(fēng)險與難度較大。為了保證頂管正常頂進(jìn)和施工安全，該工程采取：1）在頂進(jìn)過程中，采用自動壓漿系統(tǒng)（同時備有手動壓漿），保證漿液壓注充分，形成減摩泥漿套，降低總頂力。2）設(shè)置中繼間。3）匹配進(jìn)尺及出土量，保證連續(xù)頂進(jìn)。4）實時監(jiān)控軸線及機(jī)頭姿態(tài)。

3.2 超淺覆土頂進(jìn)

頂管段上覆土埋深普遍較淺，最淺位置不足4.0 m，主要位于粉質(zhì)黏土、黏土層，刀盤擾動下地表沉降較敏感，需要保護(hù)的構(gòu)建筑物較多，頂管頂進(jìn)較為困難，對于控制周圍環(huán)境的位移與沉降要求嚴(yán)格。1）土體改良，同時增加頂進(jìn)段上方覆土厚度或進(jìn)行堆載壓重。2）沿頂進(jìn)方向布設(shè)監(jiān)測點，重點保護(hù)區(qū)域加密監(jiān)測點。3）嚴(yán)格控制頂進(jìn)參數(shù)。4）匹配進(jìn)尺及出土量，杜絕欠挖超挖。5）頂進(jìn)中采用“稀漿”及“厚漿”相結(jié)合的方式。6）均勻壓漿，充實土體，做到先壓后頂、隨頂隨壓、及時補(bǔ)漿。7）頂進(jìn)完成后，及時漿液置換，固結(jié)周邊土體減少后期沉降[1]。

3.3 下穿現(xiàn)狀外環(huán)高速

頂管頂面距離現(xiàn)狀S20 外環(huán)高速路面僅3.3 m～3.95 m，施工時要保證交通正常通行，對S20 的沉降控制，以及對道路兩側(cè)分布的雨水、給水、燃?xì)狻㈦娦诺裙芫€進(jìn)行保護(hù)。該工程采取：①對S20 下方的基礎(chǔ)仔細(xì)摸排，對管線分布情況及其標(biāo)高進(jìn)行詳細(xì)確認(rèn)；②穿越時加強(qiáng)監(jiān)測，采用自動測量系統(tǒng)結(jié)合人工測量復(fù)核保證沉降傳遞的及時性和準(zhǔn)確性；③在S20 外環(huán)高速和頂管段之間施工鋼管幕，以減小頂管施工對S20 的影響；④穿越前，設(shè)立試驗段、控制段，具體摸索、檢驗所設(shè)定參數(shù)的可靠性，優(yōu)化確定頂管頂力、頂進(jìn)速度、出土量、注漿量及注漿壓力等參數(shù)；⑤及時進(jìn)行漿液固化，必要時進(jìn)行二次補(bǔ)壓漿；⑥做好充足的應(yīng)急預(yù)案，有備無患[2]。

4 施工管理要點

4.1 設(shè)備選型

針對該工程9.9 m×8.15 m 超大斷面的特點，以及地質(zhì)條件、施工環(huán)境等，確定采用土壓平衡式6 刀盤矩形頂管機(jī)設(shè)計方案：1 只直徑4 700 mm 的刀盤和5 只直徑4 200 mm刀盤。通過最大限度地加大頂管機(jī)刀盤切削和攪拌的范圍，力求切削、攪拌面積最大化，以盡量減小地面沉降，同時大刀盤能夠平衡頂管機(jī)頂進(jìn)時產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)扭矩，當(dāng)頂管機(jī)受偏轉(zhuǎn)扭矩時，可以通過各個大刀盤的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來提供相反力矩，控制頂管機(jī)不會側(cè)向翻轉(zhuǎn)。

4.2 工作井設(shè)置

根據(jù)施工紅線與需要，將頂管始發(fā)工作井設(shè)置在交通運(yùn)輸條件便利的頂管段北側(cè)，以便于頂管機(jī)頭及管節(jié)等材料的運(yùn)輸，主要設(shè)施也布置在此側(cè)，包括泥漿池、拌漿間、管節(jié)材料堆場及一部120 t 的行車等[3]。

4.3 主頂力設(shè)定

4.3.1 正面土壓力設(shè)定

土壓平衡式頂管機(jī)是利用土壓力平衡開挖面土體，達(dá)到支護(hù)開挖面土體和控制地表沉降的目的，平衡土壓力的設(shè)定是頂進(jìn)施工的關(guān)鍵。

土壓力采用Rankine 壓力理論進(jìn)行計算：

式中：p上為管道頂部的側(cè)向土壓力；p下為管道下部的側(cè)向土壓力；K0為軟黏土的側(cè)向系數(shù)（參考《基坑開挖手冊》及該工程詳勘資料），取0.5；γ為土的容重，取加權(quán)平均值，取18.0 kN/m3；Z上為上覆土深度。

上述公式所得為理論計算值，只能作為不同覆土情況下的土壓力最初設(shè)定值，隨著頂進(jìn)施工，土壓力值需根據(jù)實際頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)作相應(yīng)的調(diào)整。

4.3.2 主頂力的設(shè)定

封閉式頂管機(jī)的頂力F0估算由頂管機(jī)前端的迎面阻力NF和注入觸變泥漿后的管壁外周摩阻力F組成，公式如下：

式中：F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道的外徑，m；fk為采用注漿工藝的摩阻系數(shù)，可通過實際試驗確定，一般取4 kN/m2～7 kN/m2；L為頂進(jìn)長度，m；NF為頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

根據(jù)理論計算得出，頂管迎面阻力平均值為12 278.21 kN；

周邊摩阻力值為101 549 kN，則平均總頂力

由上述計算可知，頂管理論計算最大頂力約為11 383 t。該工程后頂力系統(tǒng)頂進(jìn)液壓千斤頂每根頂力為400 t，行程2 500 mm，共40 根，總頂進(jìn)力為16 000 t，滿足頂進(jìn)要求，頂力系統(tǒng)剖面圖如圖1 所示。

在正常頂進(jìn)時，主頂力應(yīng)隨著頂進(jìn)距離的增加而緩慢增大。頂管機(jī)機(jī)頭出洞，在進(jìn)入原狀土且正面土壓力沒有建立之前，要控制主頂力不能過大。

4.4 中繼間設(shè)置

該工程設(shè)置的中繼間有糾偏中繼間與頂進(jìn)中繼間。糾偏中繼間緊靠后殼體，用于對頂管機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行糾偏及調(diào)整頂管機(jī)頂進(jìn)方向；頂進(jìn)中繼間是在頂管機(jī)頂進(jìn)至一定里程后使用，其前后都是普通管節(jié)，通過將中繼間前的管節(jié)和頂管機(jī)一起向前頂進(jìn)來達(dá)到分段接力頂進(jìn)、減小摩阻力的作用[4]。

4.5 土體改良設(shè)置

該工程所處地層主要為粉質(zhì)黏土及黏土復(fù)合地層，通過在粉質(zhì)黏土層的頂進(jìn)中，分別向刀盤面和土倉內(nèi)注入膨潤土或泡沫；如果正面地下水過于豐富，就會增加對螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入的膨潤土；涌水較大時，注入高分子聚合物防止噴涌。土體改良可以優(yōu)化正面平衡壓力，降低透水性，維持機(jī)器頂進(jìn)或者停止期間的土倉壓力；減少土體的壓力變化；對于多孔性土質(zhì)，防止地下水侵入過多；減少因為磨損、堵塞、黏附而對頂進(jìn)工作產(chǎn)生的影響，降低刀盤扭矩，提高頂進(jìn)速度。另外，機(jī)頭切削下來的土體也具有更好的流塑性和稠度。

圖1 后頂進(jìn)系統(tǒng)剖面示意圖

4.6 注漿設(shè)置

4.6.1 漿液配置

在頂進(jìn)施工中，通過從管節(jié)內(nèi)部的注漿孔向外壓注減摩泥漿，減少土體與管節(jié)間摩阻力，使管節(jié)四周形成一圈泥漿套，一定程度充實受擾動土體。要求施工時泥漿不失水，不沉淀，不固結(jié)，作為頂管施工用的膨潤土選用鈉基膨潤土，由其拌制成的漿液，觸變以后的流動性和靜止下來的膠凝性、固化性都比鈣基膨潤土拌制的漿液要好，對土層的支承和潤滑效果好，同時針對上述特點，頂管施工中采用厚漿和稀漿相結(jié)合的注入方式：厚漿起支撐作用，稀漿起潤滑作用。

減摩泥漿（稀漿）配比（按公斤每立方米計）見表1。

表1 減摩泥漿配比

厚漿初步配比為復(fù)合膨潤土∶水=1 ∶1，塌落度為14～16。實際施工時，根據(jù)現(xiàn)場土層情況，試驗后確定配比。

4.6.2 注漿設(shè)置

4.6.2.1 稀漿

采用自動注漿系統(tǒng)+手動控制相結(jié)合的注漿方式。自動注漿系統(tǒng)分為2 個獨立的子系統(tǒng)：一路為了改良土體的流塑性，對機(jī)頭正前方及土倉內(nèi)的土體進(jìn)行注漿；另一路則是為了形成減摩泥漿套，而對管節(jié)外進(jìn)行注漿。機(jī)頭環(huán)及前5節(jié)管節(jié)每側(cè)各設(shè)置一套自動控制壓漿系統(tǒng)，后續(xù)管節(jié)則采用補(bǔ)漿措施，漿液由地面上的儲漿箱直接注入管節(jié)相應(yīng)注漿孔內(nèi)。

4.6.2.2 厚漿

厚漿壓注采用單點控制，單邊分別由13.333 cm 總管接入，由手動球閥控制。

4.6.3 漿液置換

頂管施工完成，將頂管機(jī)頭吊出接收井后，立即用預(yù)加工鋼板將特殊管節(jié)上預(yù)留的鋼環(huán)與洞門鋼洞圈進(jìn)行焊接，采用最新的漿液固化技術(shù)，替代傳統(tǒng)的漿液置換。注入新型可硬性漿液，與管節(jié)外壁的觸壁泥漿融合，實現(xiàn)漿液固化，從而提高通道整體性及穩(wěn)定性。

4.7 連續(xù)出土設(shè)置

提高連續(xù)頂進(jìn)效率，該工程采用泥水轉(zhuǎn)換系統(tǒng)出土，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)連續(xù)出土，減小頂進(jìn)間歇時間，能有效降低頂進(jìn)阻力。頂管機(jī)內(nèi)布置兩臺螺旋機(jī)，每臺螺旋機(jī)后方配備泥水?dāng)嚢杵?，將螺旋機(jī)排出來的土與注入的水進(jìn)行攪拌混合成泥漿，再用泵抽出排入泥漿池[5]。

5 施工監(jiān)測與控制措施

5.1 頂管監(jiān)測與糾偏

5.1.1 頂管監(jiān)測

采用自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工復(fù)核兩種方法進(jìn)行監(jiān)測，自動導(dǎo)向系統(tǒng)在頂進(jìn)過程中實時更新頂管姿態(tài)精確指導(dǎo)頂進(jìn)，而人工復(fù)核是用傳統(tǒng)的前后標(biāo)的方式測得頂管姿態(tài)對自動導(dǎo)線系統(tǒng)的進(jìn)行檢核，保證自動導(dǎo)線系統(tǒng)姿態(tài)的準(zhǔn)確性。

5.1.2 頂管糾偏

頂管施工姿態(tài)控制原則為監(jiān)測指導(dǎo)糾偏，勤糾勤測，微糾勤糾，始終將姿態(tài)控制在高精度狀態(tài)下。頂管頂進(jìn)過程糾偏措施有：1）注土糾偏。管節(jié)和機(jī)頭預(yù)留注土孔中注入塑性土，利用反作用力達(dá)到糾偏，調(diào)整姿態(tài)。2）掏土糾偏。底部注漿孔位置采用高壓水沖法取土，必要時配合注土糾偏，達(dá)到糾偏。如圖2 所示。3）壓重糾偏。根據(jù)頂管頂進(jìn)過程中，管節(jié)旋轉(zhuǎn)或上浮情況，采取管節(jié)內(nèi)分級壓配重措施，緩解管節(jié)偏轉(zhuǎn)或上浮。分級壓配重時，每次壓配重10 t，然后根據(jù)頂進(jìn)中監(jiān)測情況再決定配重增減。4）中繼間糾偏。利用放置于頂管機(jī)頭后方的糾偏中繼間，控制各區(qū)域糾偏油缸的伸縮量，調(diào)整前后部分間的夾角，因前半部與頂管機(jī)后殼體相固定，從而達(dá)到對頂管機(jī)姿態(tài)糾偏的目的。

圖2 注土掏土旋轉(zhuǎn)糾偏示意圖

5.2 周邊環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)

監(jiān)測范圍一般取頂管深度0～2 h 的地下管線、建筑物等。監(jiān)測的主要內(nèi)容及項目4 個部分：1）地表位移沉降監(jiān)測。2）始發(fā)井、接收井圍護(hù)體系監(jiān)測。3）建（構(gòu)）筑物、路面位移沉降與管線監(jiān)測。4）巡視監(jiān)測。

在頂管穿越過程中派專人負(fù)責(zé)監(jiān)測信息的即時收集、整理和分析，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施保證安全。

6 結(jié)語

頂管工程結(jié)構(gòu)形式日益多樣化，斷面尺寸與頂進(jìn)長度不斷增加，未來將出現(xiàn)更多超大斷面長距離異型頂管，施工要求也會隨之提升。該文對超大斷面矩形頂管施工過程中的管理要點進(jìn)行探討，為以后大斷面長距離的頂管施工提供參考。