大直徑超長距離鋼頂管施工技術(shù)應(yīng)用分析

羅維高，林惠庭，章 志，盧榮富，施 雨，周曉敏

（1、珠海市斗門區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站 廣東珠海 519125；2、上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200001）

0 前言

頂管施工技術(shù)具有對地面干擾小、施工速度快、綜合成本低等特點。超長距離頂管施工工藝可以穿越河流、湖泊、海洋等天然屏障，避免了修建人工島工作井的復(fù)雜工況。但由于施工難度大，單次頂進長度超過2 000 m 的頂管工程案例屈指可數(shù)，類似工程的實施仍缺少成熟理論的指導(dǎo)和成套技術(shù)的支持。截止目前，國內(nèi)一次頂進距離超過2 000 m 的主要工程案例有：①嘉興污水處理排海管道工程，鋼筋混凝土頂管內(nèi)徑2 m、單次頂進距離2 050 m，2001 年完成［1］；②汕頭第二過海輸水管道續(xù)建工程，鋼管通徑2 m、單次頂進距離2 080 m，2008年完成［2］；③過珠海市磨刀門水道的大直徑超長距離鋼頂管工程，鋼管通徑2.4 m，單次頂進距離2 330 m，2019 年完成；④蘇州城區(qū)第二水源陽澄湖引水管道工程，鋼管通徑2 m，單次頂進距離2 686 m，2020年完成［3］。

與常規(guī)頂管施工相比，超長距離頂管施工需要考慮以下幾個主要問題：

⑴千斤頂最大頂進阻力計算的準(zhǔn)確性，中繼間的設(shè)計計算的準(zhǔn)確性，泥漿減摩的效果等因素是決定超長距離頂管成敗的關(guān)鍵。

⑵設(shè)備的可靠性，尤其是不易更換的核心部件，如刀盤、軸承等。

⑶與管道口徑有關(guān)的頂管施工難點多，比如通風(fēng)問題、長距離測量等。

珠海地處廣東省中部沿海、珠江三角洲的南部前緣，地貌單元以沖積平原和海積平原為主，軟土分布范圍廣泛，沉積物以淤泥層占陸地總面積的50%～60%，局部厚度達50 m 以上［4?7］。本文依托過珠海市磨刀門水道的大直徑超長距離鋼頂管工程施工應(yīng)用案例，重點對頂管裝備與施工工藝、中繼間的設(shè)置、激光經(jīng)緯儀導(dǎo)向系統(tǒng)等測量控制技術(shù)方法進行研究分析。

1 工程概況

珠海市某引水工程目前只有一條輸水管線，已滿足不了供水需求，急需建設(shè)第二條輸水管線［8］。第二條輸水管線的主要施工內(nèi)容為從珠海市斗門區(qū)平崗泵站再建設(shè)一條至珠海市香洲區(qū)廣昌泵站輸水管線，管外徑DN2448。平崗泵站位于斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)境內(nèi)磨刀門水道的西側(cè)上游，廣昌泵站位于香洲區(qū)南屏鎮(zhèn)境內(nèi)磨刀門水道東側(cè)的下游，該輸水管線的線路走向為：從平崗泵站沿磨刀門水道西側(cè)海堤至廣昌泵站對岸，然后穿越磨刀門水道至廣昌泵站，輸水管道全長約21.33 km，其中穿越10處水閘，天生河、磨刀門水道2處河道。

該輸水管線設(shè)計全長21.33 km，其中開槽施工管道10.00 km，其余管道均采用鋼頂管施工，設(shè)計全長共采用36個工作井，本文重點對過磨刀門水道35#井～36#井區(qū)間大直徑超長距離鋼頂管的施工技術(shù)進行研究，過磨刀門頂管段地理位置如圖1所示，兩側(cè)為磨刀門水道，中間為磨刀門水道中心島。

圖1 過磨刀門頂管段地理位置Fig.1 Location of the Top Pipe Section of the Sharpened Knife Door

1.1 工程地質(zhì)情況

過磨刀門水道頂管工程主要施工內(nèi)容為頂管工作井一座，設(shè)計編號為35#井，位于磨刀門水道西岸；接收工作井一座，設(shè)計編號為36#井，位于磨刀門水道東岸，以及頂管工作井外洞口加固、后靠背及進出洞口管底土體加固等工程。

35#井～36#井區(qū)間頂管為單線施工，頂管長度為2 329.61 m（35#井中心～36#井中心點距離），管道外徑為2 448 mm，壁厚為24 mm，管道中心黃海標(biāo)高為?19.2 m，屬超長距離鋼頂管施工。

35#井～36#井區(qū)間頂管段覆蓋土層厚度約為8.5～20.0 m，覆蓋土層淺薄處均位于穿越磨刀門水道東、西兩側(cè)河道，范圍較長，其中，在磨刀門水道東側(cè)頂管長度約為705 m，在磨刀門水道西側(cè)頂管長度約為635 m。覆蓋土層較厚處位于磨刀門水道中心島。

場地內(nèi)埋藏的地層主要有人工填土（Q4ml）層、第四系海陸交互相沉積（Q4mc）層和殘積（Q4el）層，基巖為燕山期（γ35）花崗巖。場地內(nèi)發(fā)育的地層按由新到老順序分述如下：

⑴第①層素填土，褐黃、灰褐色，由粘性土不均勻混大量砂礫及花崗巖成分的碎石、角礫，多呈松散狀態(tài)。該層主要分布在管線東、西兩側(cè)海堤及廣昌泵站內(nèi)，且海堤堤身夾有0.5～3.9 m 厚花崗巖塊石，塊徑最大可達1.2 m。鉆孔PGXK248～PGXK251、PGXK276、PGXK278、TBZK10、ZK4、ZK6 分布有該層，層厚1.40～7.50 m，平均厚度5.00 m。

⑵第②層淤泥：間夾淤泥質(zhì)黏土，灰褐色，飽和、流塑，含有機質(zhì)及約10%的粉砂。主要分布于磨刀門水域，水上各鉆孔均揭露該層，層厚1.40～31.00 m，平均厚約20.00 m。

⑶第③層淤泥質(zhì)黏土：灰褐、深灰色，飽和、流塑，不均勻含大量粉細(xì)砂及貝殼碎屑。該層分布廣泛，層厚1.40～40.10 m，平均厚度25.00 m。地基承載力特征值60 kPa。

⑷第③1層淤泥質(zhì)砂，灰褐、深灰色，不均勻含貝殼碎屑及淤泥質(zhì)粘土，飽和、松散。該層主要分布于沙仔洲及磨刀門西側(cè)農(nóng)墾區(qū)淺部，層厚1.70～12.70 m，平均厚度7.00 m。地基承載力特征值90 kPa。

⑸第④粉質(zhì)黏土：灰白、黃褐色，可塑，粘性較好，韌性中等。含大量粉細(xì)砂。鉆孔PGZK212～216遇見該層，層厚1.60～3.00 m。

⑹第④1層黏土：棕紅、黃褐色，可塑，粘性較好，韌性高。鉆孔PGXK248、PGXK249 遇見該層，層厚6.90～7.60 m。

⑺粗砂⑤：灰褐、黃褐色，石英質(zhì)為主，泥質(zhì)充填，局部含較多礫石，飽和，中密狀態(tài)。伏于淤泥質(zhì)粘土之下。鉆孔PGXK248、ZK4、ZK6 遇見該層，層厚5.10～7.30 m。

根據(jù)勘探資料，35#井～36#井區(qū)間頂管位于第②層淤泥層和第③層淤泥質(zhì)黏土，上述兩層土層分布穩(wěn)定，厚度較厚，但土質(zhì)較差，呈流塑狀，高壓縮性，高靈敏度。其中，第②層淤泥層抗剪強度ck=4.5kPa，φk=2°，承載力特征值fak=50 kPa；第③層淤泥質(zhì)黏土抗剪強度ck=6 kPa，φk=7°，承載力特征值fak=60 kPa。②層和③層地層均比較適合頂管施工。

1.2 水文情況

⑴地下水類型：該區(qū)間地下水為第四系土層孔隙水，主要賦存的地層為淤泥②、淤泥質(zhì)黏土③、淤泥質(zhì)砂③1、粉質(zhì)黏土④、黏土④1、粗砂⑤、中砂⑤1、礫砂⑤2、圓礫⑤3、礫質(zhì)黏性土⑥1，其埋深較淺，水量豐富，地下水補給來源主要為大氣降水及潮水補給。

⑵潛水：地下水位埋深為0.3～2.6 m（高程1.45～4.18 m），受潮汐、降水量、季節(jié)、氣候等因素影響而發(fā)生變化。

1.3 工程技術(shù)難點

⑴珠海市磨刀門水道存在深厚軟土，淤泥②具有流變性、觸變性，變形難以控制。

⑵過磨刀門水道大直徑超長距離鋼頂管施工的鋼管外徑DN2448，為國內(nèi)工程第一，單次頂進距離2 330 m，為國內(nèi)第二。

⑶35#井～36#井區(qū)間頂管要穿越磨刀門河道兩岸防汛大堤。因此，對大堤的保護工作也是頂管施工的難點之一［9］。

2 頂管設(shè)備選型

2.1 頂管設(shè)備選型

根據(jù)頂管機的工作原理和土壓力的平衡方式不同，頂管施工工藝大致分為自然平衡式、機械平衡式、氣壓平衡式、泥水平衡式和土壓平衡式等幾種施工工藝，其中應(yīng)用最為廣泛的為泥水平衡式及土壓平衡式兩種施工工藝［10］。

泥水平衡式頂管機的施工工藝主要是利用進排泥漿泥水倉內(nèi)建立的泥水壓力來平衡頂管機前端的土壓力和地下水壓力。泥水平衡式頂管機施工采用泥漿泵進行除土。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：①采用排漿管道輸送切削的土體，頂管隧道空間內(nèi)無裸土，現(xiàn)場干凈整潔；②泥水壓力控制靈敏高效，對地層擾動小，地表沉降小。

土壓平衡式頂管機的施工工藝主要是利用土倉內(nèi)的壓力和螺旋出土器出土來平衡頂管機前端的土力和地下水壓力。其優(yōu)點主要表現(xiàn)為：①無需泥漿池、泥漿泵等后端配套裝置，適合大直徑管道施工；②無需泥漿處理，施工成本相對較低。由于本項目穿越磨刀門河道兩岸防汛大堤，對沉降控制要求極其嚴(yán)格，因此，應(yīng)選擇采用泥水平衡式頂管機施工工藝進行施工。

同時，頂管施工有一個最突出的特點就是頂管機與穿越土層地質(zhì)的適應(yīng)性問題，針對不同的土質(zhì)、不同的施工條件和不同的要求，必須選用與土層地質(zhì)相適應(yīng)的頂管施工設(shè)備，本工程頂管主要穿越淤泥質(zhì)黏土③，呈流塑狀，高壓縮性，高靈敏度，且頂管過程中須穿越磨刀門水道兩岸的防汛大堤，對沉降控制要求極其嚴(yán)格。根據(jù)上述頂管施工工藝要求，結(jié)合本工程的特點，決定采用泥水平衡式頂管機進行過磨刀門水道頂管段施工。選用一臺φ2 448 mm 泥水平衡頂管機，工具管長度約5 426 mm。

2.2 導(dǎo)軌及千斤頂安裝

頂管導(dǎo)軌選用型鋼材料制作，通過底板上的預(yù)埋件焊接在鋼筋混凝土底板上。另外，井壁上預(yù)設(shè)預(yù)埋件，在導(dǎo)軌安裝到位后，須用型鋼在平面方向支撐在井壁上。

頂管導(dǎo)軌安裝必須牢固、軸線及標(biāo)高位置必須準(zhǔn)確，滿足頂進軸線的精度要求。

頂管后靠背必須具有足夠的強度和剛度，能承受全部頂力。為確保后靠背安全，在混凝土后靠背前安裝一塊300 mm 厚度鋼墊后靠背，主要采用剛性后靠背后現(xiàn)澆C20混凝土來控制。

后靠背的平面必須與頂進軸線相垂直，以防頂管施工過程中管節(jié)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。后靠背精度控制要求如下：后背垂直度偏差為0.1%H，H為后背的高度（mm）；后背水平度偏差為0.1%L，L為后背的水平長度（mm）。

在頂進過程中應(yīng)隨時進行檢查，如有發(fā)現(xiàn)頂管后靠背有傾斜，松動情況則必須重新安裝，滿足頂進施工需求。

后座千斤頂最大頂進阻力計算按《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范：GB 50268—2008》［11］計算如下：

Fp=π D0Lfk+NF⑴

式中：Fp為頂進阻力（kN）；D0為管道的外徑（m）；L為管道設(shè)計頂進長度（m），取最長的中繼間第23 道中繼間至35#井內(nèi)壁之間距離167 m；fk為管道外壁與周圍土層的單位面積平均摩阻力（kN/m2），一般情況下采用試驗確定，本工程采用觸變泥漿減阻施工技術(shù)，按文獻［11］的表6.3.4?2 選用，本工程fk值取4.0 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力（kN）。

后座千斤頂為主千斤頂，采用德國進口油泵車，本工程采用分兩列布置每列各3 只共6 只的組合式千斤頂，如圖2所示。每單支千斤頂?shù)男谐叹鶠?.70 m，每只千斤頂?shù)淖畲箜斄? 000 kN。在頂進過程中，保證千斤頂最大頂力大于設(shè)計最大阻力，即頂進時不大于10 000 kN，大于后座千斤頂最大頂進阻力計算值7 295.45 kN。

圖2 導(dǎo)軌及千斤頂安裝Fig.2 Installation of Guide Rail and Jack

主千斤頂安裝固定在千斤頂支座上，組合千斤頂合力作業(yè)線與管道斷面中心的軸線重合，其合力的作用點應(yīng)位于管道斷面中心的軸線上。

油泵車與千斤頂之間油路連接應(yīng)順直，盡量減少轉(zhuǎn)角及接頭數(shù)量，連接接頭無漏油情況，安裝完成進行試車檢驗，在頂進施工過程中應(yīng)隨時進行檢修維護，及時排除各種故障。油泵車設(shè)置在防雨棚內(nèi)。

后座主千斤頂裝置與鋼管之間設(shè)置頂鐵，頂鐵采用高強度鋼材焊接而成，具有足夠的強度和剛度，相鄰頂鐵應(yīng)順直，頂鐵安裝完成后其軸線應(yīng)與管道設(shè)計軸線重合，如圖3所示。

圖3 頂鐵及頂管標(biāo)準(zhǔn)節(jié)Fig.3 Jacking Iron and Pipe Jacking Standard Section

2.3 垂直運輸

本工程鋼頂管的基本單元是由2.00 m×7.60 m 鋼板加工成長2 000 mm、外徑2 448 mm的鋼筒，如圖4?所示。再把每5 個鋼筒通過環(huán)向焊縫連接成10 m 的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，10 m 長標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重量約為143 kN，井位垂直運輸采用70 t 履帶吊負(fù)責(zé)完成，如圖4?所示。35#工作井最大起重物為工具管及頂管機，重量約為280 kN。將10 m標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)安裝至導(dǎo)軌上后，與已經(jīng)頂入土層中的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)焊接連接，每10個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)組成一個100 m長的中繼間單元。

圖4 鋼頂管制作和垂直運輸Fig.4 Steel Roof Control and Vertical Transport

3 中繼間的設(shè)置

增加頂進距離的措施有很多，如混凝土管可以提高混凝土的抗壓強度；采用鋼管增加頂管強度；采用泥漿減阻技術(shù)可以減小管壁與土層的摩擦阻力。但是在以上措施都不能滿足頂進距離要求之時，就只能采用中繼間。

本工程一次頂進距離2 329.61 m，應(yīng)采用中繼間技術(shù)。按照文獻［11］的規(guī)定，中繼間間距不應(yīng)大于100 m，因此，本工程中繼間最大間距按100 m 設(shè)置。考慮到第一道中繼間的糾偏作用，第一道中繼間布置在工具管后10 m，如圖5?所示，第二道中繼間布置在距離第一中繼間30 m處，第三道至第二十三道中繼間按100 m 等間距布置，其它中繼間及千斤頂設(shè)置如圖5?所示。35#井～36#井中心點之間距離為2 329.61 m，井內(nèi)壁之間的距離為2 312.0 m，頂管機帶工具管長度約5.426 m，工具管至第一道中繼間10 m，第二道中繼間至第三道中繼間30 m，第三道中繼間至二十三道中繼間間距均為100 m，第23 道中繼間至35#井內(nèi)壁剩167 m。經(jīng)計算本工程35#井～36#井區(qū)間頂管需設(shè)置23道中繼間。所有中繼間縱向布置如圖6所示。

圖5 中繼間現(xiàn)場Fig.5 Scene of Relay Room

圖6 中繼間縱向布置Fig.6 Longitudinal Layout of Trunks

2#～23#中繼間的頂進阻力計算按式⑴計算，其中L=100 m，則：

頂力計算雖然考慮了安全系數(shù)，但由于頂進過程中涉及因素非常多，頂力會超過設(shè)計控制范圍。為確保頂進時安全，當(dāng)總推力達到中繼間允許頂力的70%時，即需安放第1 個中繼間。而當(dāng)主頂油缸達到中繼間允許總推力的80%時就必須啟用中繼間［12?13］。

中繼間安裝25 只350 kN 油缸千斤頂，合計頂力8 750 kN，大于頂進阻力計算值5 235.41 kN；中繼間設(shè)計允許轉(zhuǎn)角為1°，完全能滿足本工程管道曲線轉(zhuǎn)折角度要求。

4 頂管測量系統(tǒng)

4.1 地面上及工作井內(nèi)測量系統(tǒng)的設(shè)置

頂管測量系統(tǒng)包括地面測量系統(tǒng)和工作井內(nèi)測量系統(tǒng)兩部分組成。地面測量系統(tǒng)按設(shè)計施工圖提供的井位軸線坐標(biāo)，用經(jīng)緯儀測量放線定位。

在頂管施工準(zhǔn)備階段，測量確定管道頂進設(shè)計進軸線并將設(shè)計軸線投放到沉井測量平臺上和井壁上。在沉井四周混凝土筒壁上建立管道設(shè)計軸線測量控制網(wǎng)，并定期對各控制點進行復(fù)核。沉井上下點的投放采用索佳PD?3天底儀（精度<1/200 000）進行復(fù)核。

工作井內(nèi)測量系統(tǒng)采用激光經(jīng)緯儀導(dǎo)向系統(tǒng)。激光經(jīng)緯儀導(dǎo)向系統(tǒng)由高精度激光經(jīng)緯儀、頂管工具頭配套光靶、管道設(shè)計控制軸線3 個部分組成。調(diào)整激光發(fā)射方向使之與設(shè)計軸線重合，激光點投射于頂管工具頭配套光靶中心位置。在整個頂進過程中，通過觀察激光點在光靶上的移動方向，即可判斷頂管機偏移姿態(tài)，用于指導(dǎo)糾偏工作。每頂進50 m 距離后，應(yīng)對已完工管道進行人工復(fù)測，頂管測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖7所示。

圖7 頂管測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Pipe-jacking Measurement System

4.2 頂進施工過程中測量控制

激光經(jīng)緯儀導(dǎo)向系統(tǒng)中的測量平臺設(shè)置在頂管后座處，如圖8?所示。安裝固定高精度激光經(jīng)緯儀，調(diào)整激光經(jīng)緯儀的激光發(fā)射方向使之與設(shè)計軸線重合，將激光點投射于頂管工具頭配套光靶中心位置。在工具頭尾部安裝測量光靶，測量時，把激光經(jīng)緯儀發(fā)射的激光直接瞄準(zhǔn)機頭尾部的測量光靶，并根據(jù)激光與機頭尾部的測量光靶的交點位置判定機頭實際狀態(tài)，如圖8?所示。

圖8 激光經(jīng)緯儀導(dǎo)向系統(tǒng)Fig.8 Laser Theodolite Steering System

頂進施工測量前，再次對沉井內(nèi)的測量控制網(wǎng)基準(zhǔn)點進行復(fù)核，檢查管道斷面中心的設(shè)計軸線與激光經(jīng)緯儀發(fā)射的激光線之間的偏差，發(fā)生偏差時及時調(diào)整。

在管道頂進過程中，隨時進行管道水平軸線和標(biāo)高測量檢測，頂管機從沉井剛進入土層時，每頂進500 mm，檢測一次；正常頂進施工時，管道每進入1 000 mm，檢測一次，每次測量完畢，及時作好測量記錄。通過觀察激光點在光靶上的移動方向，即可判斷頂管機偏移的狀態(tài)。管道頂進施工過程中應(yīng)有專人負(fù)責(zé)繪制頂管機水平軸線變化和高程變化軌跡圖、頂力變化曲線圖、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)編號圖，隨時掌握管道頂進長度、方向和狀態(tài)，并根據(jù)上述結(jié)果分析產(chǎn)生過大偏差的原因和發(fā)展趨勢，及時調(diào)整頂管機前進方向和狀態(tài)。

當(dāng)頂管機接近接收工作井時，加強對管道設(shè)計水平軸線和標(biāo)高、頂管機工具管位置等進行測量檢測，進入接收工作井前50 m應(yīng)增加測量檢測次數(shù)，每頂進500 mm 時，檢測一次，每次測量完畢，及時作好測量記錄。提前檢測測定頂管機位置和狀態(tài)，并根據(jù)現(xiàn)狀位置提前進行調(diào)整。

管道糾偏應(yīng)采用小角度糾偏方式，按照“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則進行糾偏。

5 結(jié)論

通過珠海市大直徑超長距離鋼頂管施工技術(shù)應(yīng)用分析，得出以下結(jié)論：

⑴過磨刀門水道超長距離頂管取消了磨刀門水道中心島上的工作井，采用一次頂進泥水平衡鋼頂管的施工方案，是最優(yōu)方案。

⑵對比按文獻［11］計算后座千斤頂最大頂進阻力的計算值與實際施工情況相符，表明文獻［11］計算方法適用于珠海市磨刀門水道深厚軟土地層。

⑶經(jīng)計算35#井～36#井區(qū)間頂管需設(shè)置23 道中繼間，滿足實際施工要求，適用于管外徑DN2448大直徑、長度超過2 000 m的超長距離鋼頂管施工。

⑷激光經(jīng)緯儀導(dǎo)向系統(tǒng)能根據(jù)測量結(jié)果分析偏差產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢，確定糾偏的措施，滿足施工測量精度要求。

⑸本工程在至今國內(nèi)的超長距離頂管中，外徑排第一，長度排第二，在施工過程中采用的泥水平衡頂管機、中繼間技術(shù)、激光經(jīng)緯儀導(dǎo)向系統(tǒng)等一系列技術(shù)，應(yīng)用效果良好，完全滿足大直徑超長距離鋼頂管施工要求。