大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管在復(fù)雜環(huán)境條件下的頂管施工技術(shù)

金順清

上海南匯建工建設(shè)（集團）有限公司 上海 201206

1 工程概況

因城市發(fā)展速度加快，上海滬南公路現(xiàn)狀污水總管規(guī)模已無法滿足污水量日益增長的排放需求，為保障區(qū)域污水出路、保證區(qū)域發(fā)展建設(shè)需要，實施對滬南公路污水總管的改擴建工程。項目西起閘航公路，東抵灶東泵站，全長約27 km，整體沿滬南公路、同發(fā)路、拱極東路敷設(shè)。

滬南公路污水總管改擴建4標(biāo)是沿滬南公路最東的標(biāo)段。項目穿越惠南鎮(zhèn)東城區(qū)和老港鎮(zhèn)，向東鄰近兩港大道，最后接入灶東泵站至海濱污水處理廠，是整個項目的末端實施標(biāo)段。全線管道基本沿現(xiàn)狀滬南公路重疊實施（除部分跨河段外側(cè)繞行），線路先后穿越G1503高速公路、軌交16號線、9條河道，與沿線18條道路相交。

設(shè)計污水總管管徑為D N 8 0 0 ～D N 2 4 0 0，全長12 989 m，其中DN2 400管為9 518 m。本項目除長度為2 359 m的DN1 400管采用開槽埋管外，其余均采用非開挖頂管施工，頂管管材采用離心澆筑玻璃鋼夾砂管。全線共設(shè)28個工作井，22個接收井，開挖深度均超過8 m，最大深度達到16.7 m；其主線頂管管道埋深10.17～13.38 m，支線頂管埋深為4.50～10.50 m。

2 工程周邊環(huán)境和地質(zhì)條件

頂管管道穿越G1503高速公路、軌交16號線和9條河道。由于該區(qū)段為最東段，已鄰近大海，為濱海平原地貌類型，屬Ⅳ類建筑場地，軟弱土類型。其中③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③夾層灰色黏質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土土層均較厚，分布不均，在⑦層局部存有承壓含水層。

施工沿線經(jīng)過惠南鎮(zhèn)東城區(qū)、老港鎮(zhèn)區(qū)、老港工業(yè)園區(qū)及多個村落，施工期間要保證滬南公路及周邊居民的通行安全。

3 工程特點、難點

3.1 頂管管徑大、線路長、埋深深、頂進長

本項目頂管施工長度10 630 m，其中DN2 400頂管施工長度9 518 m，占總量的89.5%，最長頂管頂進長度為550 m，最大管道深度為13.38 m。

3.2 離心澆筑玻璃鋼夾砂管的應(yīng)用

大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管作為新型節(jié)能環(huán)保型材料首次在本地區(qū)應(yīng)用于DN2 400大口徑頂管中。管材在復(fù)雜地質(zhì)條件和大頂力作用下的性能需得到進一步驗證，施工中需加強對管材材料性能的檢驗、觀測和記錄。

3.3 穿越高速公路、地鐵線和多條河道

本項目主線基本位于滬南公路下方，全線還穿越G1503高速公路、軌交16號線和9條河道。頂管施工對道路、橋梁的變形影響必須降到最低，必須保證滬南公路、G1503高速公路、軌交16號線通行安全。

3.4 地下管線和障礙物錯綜復(fù)雜

滬南公路為上海市歷史久遠(yuǎn)的公路，已經(jīng)過多次修建。地下各類管線多，主要有軍事通信、航油管、信息通信、電力、燃?xì)?、雨污水等管線，且還存在情況不明的廢棄管道和地下結(jié)構(gòu)層。前期需要經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)查、現(xiàn)場勘探和增做物探精探，明確地下管線和障礙物的平面位置、深度、規(guī)格、尺寸等詳盡數(shù)據(jù)，確保頂管管位準(zhǔn)確避讓、順利推進，有針對性地制定可行的對周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線的保護措施。

3.5 管道穿越層地質(zhì)條件差

頂管管道主要穿越土層為②3層灰色黏質(zhì)粉土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③夾層灰色黏質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土。②3層和③夾土層在動水壓力作用下更易造成頂進工作面產(chǎn)生流砂現(xiàn)象；③層和④層具有含水量高、強度低、靈敏度高、高觸變性及流變性等特點，頂管頂進阻力小，應(yīng)重視下沉及偏向問題，土體受擾動，強度會突變。

4 施工方法和技術(shù)措施

4.1 選用泥水平衡頂管掘進機施工工藝

由于本項目屬于濱海平原地貌類型，屬Ⅳ類建筑場地，軟弱土類；大口徑頂管作業(yè)量大；頂管作業(yè)必須有效控制地面沉降。故綜合比較選用泥水平衡頂管機。該機型適用于黏性土、粉性土、滲透系數(shù)不大于1×10－3cm/s的砂性土，輔以機械平衡措施，可用于在淤泥及淤泥質(zhì)土中。其主要優(yōu)點為：適用范圍廣，最適合于滲透系數(shù)小于1×10－3cm/s的砂性土；挖掘面穩(wěn)定，有利于控制地面沉降；棄土采用管道排放，施工速度快，可以連續(xù)出土。

4.2 施工技術(shù)參數(shù)選用和優(yōu)化

由于頂管在不同性質(zhì)土層、頂進距離、穿越G1503高速和需要保護建（構(gòu)）筑物時的技術(shù)參數(shù)會產(chǎn)生變化，通過信息化手段監(jiān)測頂管頂進狀態(tài)和周邊地形監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化調(diào)整施工參數(shù)，確保頂管作業(yè)順利安全的推進。因此，在每一個頂進段、不同地質(zhì)變化條件段、不同地形地貌段，在頂進初始階段必須嚴(yán)格對各類技術(shù)參數(shù)的變化和變形情況進行統(tǒng)計和分析，及時修正優(yōu)化各類技術(shù)參數(shù)。主要涉及參數(shù)為水土壓力、頂進速度、出土量、觸變泥漿指標(biāo)、頂力等[1-6]。

4.3 確保頂管頂進姿態(tài)，嚴(yán)控管道測量精度

本工程頂管直徑大，頂管機質(zhì)量較大，頂管機在剛出洞時，基本不受浮力作用，出洞時如操作不當(dāng)，易造成磕頭現(xiàn)象。

1）導(dǎo)軌鋪設(shè)時在穿墻洞口內(nèi)通過預(yù)埋件安裝導(dǎo)軌延伸段，防止頂管機進入洞口后由于力矩的不平衡，發(fā)生向下突然磕頭。

2）頂管機就位后，糾偏油缸等記錄歸零位，將機頭墊高3 mm，保持出洞時頂管機有向上的趨勢。

3）出洞加固土體要求均勻，不留死角。頂管機出洞前進行驗收，加固強度達到要求后，才能進行出洞。

4）調(diào)整后座主推千斤頂?shù)暮狭χ行?，頂力合力中心低于管中心（為管半?/5～1/4）。

5）出洞時觀察頂管機的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)下磕趨勢，立即用后座千斤頂進行糾偏。

由于土層變化、管道內(nèi)布置質(zhì)量不均、頂管距離長等因素，易造成管道發(fā)生不同程度的扭轉(zhuǎn)。

1）在頂管機內(nèi)設(shè)置扭轉(zhuǎn)指示燈，便于發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況后及時采取對應(yīng)措施。

2）管道內(nèi)布置設(shè)備、管材時，盡量均衡兩側(cè)質(zhì)量。若無法滿足，通過單側(cè)加壓達道兩側(cè)質(zhì)量均勻。

3）通過控制掘進機刀盤轉(zhuǎn)向（順時針和逆時針方向），對在掘進時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進行糾扭。

4）當(dāng)仍無法達到效果時，可在管道內(nèi)單側(cè)加壓配重的方法進行糾扭。

需提高頂管軸線測量精度，以保證各管段管道精確順利到達。

1）采用雙井定向測量，利用空導(dǎo)點和地面導(dǎo)線點建立平面控制網(wǎng)，采用鉛垂儀垂直投射至井內(nèi)固定基準(zhǔn)點，用全站儀定位激光控制投射點至機頭，自動化跟蹤觀測偏差方向。

2）頂進工程中，要分析管道偏移軌跡的變化，確定合理的糾偏方向和幅度，提前作出判斷和采取措施。

3）通過頂管機高精度傾斜儀的讀數(shù)變化，分析機頭軌跡變化，是高程糾偏和評估糾編效果的重要數(shù)據(jù)。

4）頂管機4只糾偏油缸的油路上，設(shè)有壓力監(jiān)控裝置，通過分析監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)來分析頂進中的不平衡外力的狀況，預(yù)測頂管機的前進軌跡，為采取糾偏提供輔助參考信息。

5）頂管機剛產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)時，用改變刀盤的轉(zhuǎn)向來校正，方法是頂管機向哪個方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，刀盤就朝哪個方向轉(zhuǎn)動。頂管機設(shè)有高精度傾斜儀，能精確顯示頂管機0.01°的旋轉(zhuǎn)角變化，可及時判斷頂管機的偏轉(zhuǎn)和校正效果。

4.4 提高觸變泥漿施工質(zhì)量

通過注漿使管外壁與土層之間形成良好性能的觸變泥漿套，不僅可以有效降低頂進阻力，而且能有效控制地表變形。本項目頂管所處地質(zhì)較差、管徑較大、頂管距離長，故對觸變泥漿的配制和壓注施工質(zhì)量尤為重視。

選擇優(yōu)質(zhì)的膨潤土，根據(jù)頂管所穿越的土質(zhì)和地表環(huán)境、頂力變化，不斷總結(jié)和優(yōu)化泥漿配比（基本配合比：膨潤土∶CMC∶純堿∶添加劑＝940∶15∶40∶5）。同時控制泥漿攪拌質(zhì)量，拌制好的泥漿靜置24 h后使用，漏斗黏度時間大于30 s，在使用前再次攪拌。

出洞口的止水裝置確保不滲漏，管接口密封性能保持良好，這是管道形成漿套的先決條件。

頂管機出洞口就開始壓漿，出洞口的壓漿可以避免管子進入土體后被握裹，否則會引起背土的惡劣情況。管道在背土條件下的運動將對土體產(chǎn)生很大的擾動。

機尾的同步壓漿很重要，要使?jié){套隨機頭不斷延伸，若不及時壓漿，機殼外面很容易產(chǎn)生背土現(xiàn)象。有效控制注漿壓力，記錄注漿量，避免部分注漿孔堵塞，防止管外壁泥漿套不均勻，形成制動效應(yīng)。

要對管道沿線定時進行補漿，不斷彌補漿液向土層的滲透量。

4.5 不同地質(zhì)和環(huán)境條件下的頂進速度控制

適當(dāng)降低頂管頂進速度并勻速推進，可有效降低頂管施工在特殊地層、穿越保護建（構(gòu)）筑物所帶來的風(fēng)險。

1）通過降低頂進速度，可以降低對頂管上部和周邊土體的變形量和變形速率。

2）降低頂進速度后，可更有效地觀測地面變形、頂管各技術(shù)參數(shù)的變化，及時進行參數(shù)優(yōu)化和制定應(yīng)對措施。

3）通過降低頂進速度，提高控制測量精度，確保管位與周邊建（構(gòu)）筑物保持有效的安全距離。本項目在始發(fā)洞口加固區(qū)段推進速度均為10 mm/min；在穿越G1503高速公路、軌交16號線、地下壓力管道等重點保護區(qū)段時，頂進速度為10～20 mm/min，其余正常區(qū)段不大于30 mm/min。

4.6 加強變形監(jiān)測

通過頂管頂進變形監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，不僅可以通過設(shè)定報警值有效控制變形量對道路路面、管道和周邊建（構(gòu)）筑物進行保護，還可以通過數(shù)據(jù)變化分析優(yōu)化各項頂管施工技術(shù)參數(shù)，降低頂管頂進對地面、管道和周邊建（構(gòu)）筑物的不利變形影響。

通過組織管線交底、收集地下管線資料、現(xiàn)場勘察、增做物探和精探、與周邊建（構(gòu)）筑物權(quán)屬單位取得聯(lián)系，掌握詳細(xì)的地形地貌和建（構(gòu)）筑物、地下各類管線的具體數(shù)量、位置、規(guī)格、結(jié)構(gòu)形式、使用狀況等精確數(shù)據(jù)，是制定監(jiān)測方案的前提條件。

委托第三方專業(yè)監(jiān)測單位對本項目進行現(xiàn)場變形測量作業(yè)。編制有針對性的變形監(jiān)測方案，每天完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的匯總、分析和報告，及時提出指導(dǎo)性意見。

在穿越G1503高速公路、軌交16號線、壓力管道等變形受控要求較高的區(qū)時域，通過提高變形控制報警值、布點數(shù)量、監(jiān)測頻率等方法，更有效地控制變形量，獲得更好的保護作用。在頂管完成后進行水泥漿注入置換，提高管道外壁外側(cè)土體硬化強度，降低后期沉降變形量。

本項目頂管頂進過程中的主要監(jiān)測項目為：頂管沿線地面變形、地下管線變形監(jiān)測、鄰近建筑物變形監(jiān)測。

1）地面垂直變形：沿軸線每5 m設(shè)點，每50 m設(shè)沉降剖面。每天監(jiān)測2次，變形速率應(yīng)≤3 mm/d，累計變形量應(yīng)≤10 mm。

2）沿線地下管線：每10～15 m布設(shè)一點，每天監(jiān)測2次，變形速率應(yīng)≤2 mm/d；累計變形量應(yīng)≤10 mm。加強對煤氣管、燃?xì)夤芗按罂趶浇o水管的檢測，它們是剛性壓力管，對差異沉降較敏感，接頭處是薄弱環(huán)節(jié)。

3）鄰近建（構(gòu)）筑物的監(jiān)測點1點/柱（相鄰橋墩臺），建筑物的四角、大轉(zhuǎn)角處及沿外墻每10～15 m一處。監(jiān)測頻率重要區(qū)域為2次/d，其他區(qū)域為1次/d。橋墩立柱垂直位移變形速率報警值為1 mm/d，累計變形量報警值為5 mm，橋墩立柱傾斜累計變形量報警值為1/3 500；其他構(gòu)筑物變形速率報警值為2 mm/d，累計變形量報警值為

20 mm。

本項目頂管工程在穿越G1503高速區(qū)段施工難度相對較大。施工過程中每天進行2次變形監(jiān)測和全程的巡視檢查，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織和精心的施工管理，各監(jiān)測項目日變量和累計最大變量均未超出報警值。

5 結(jié)語

隨著我國城市建設(shè)的日新月異，城鎮(zhèn)化的擴大改造不斷深入。在復(fù)雜繁多的地下管網(wǎng)中，需要更經(jīng)濟、耐用、綠色、環(huán)保，滿足可持續(xù)發(fā)展的新工藝、新材料的推廣和使用。本項目采用離心澆筑玻璃鋼夾砂管大口徑頂管在沿海地質(zhì)條件復(fù)雜情況下的順利使用，為今后城市管網(wǎng)改造升級、大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管頂管管材的應(yīng)用和復(fù)雜地質(zhì)條件下的頂管施工均提供了有力的經(jīng)驗借鑒。