顧利軍

(上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海200065)

0 引言

青草沙水源地原水工程的陸域管道都是采用頂管法施工，而且多為大直徑長距離鋼頂管。其中，嚴(yán)橋支線全長27km雙線，管徑DN3600，分為12個(gè)標(biāo)段，最長一次頂進(jìn)距離為1 960 m，最大埋設(shè)深度22m；金海支線全長8.6 km雙線，管徑DN2800，分為4個(gè)標(biāo)段。

由于施工點(diǎn)多、線路長、施工單位多，加上沿線的環(huán)境比較復(fù)雜，頂管要穿越許多重要的節(jié)點(diǎn)，如地鐵隧道、磁懸浮軌道線、合流污水總管、電力隧道、建筑群等。這些對地面沉降控制提出了非常高的要求。如何有效地加強(qiáng)全線的工程質(zhì)量管理，規(guī)避工程的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，對下一步工程的順利實(shí)施至關(guān)重要。

本文針對頂管工作井出洞施工、鋼頂管的姿態(tài)控制、地面沉降控制、頂力控制等施工風(fēng)險(xiǎn)，通過部分工程案例進(jìn)行了分析。

1 頂管機(jī)出洞施工

該工程工作井?dāng)?shù)量多，如果出洞處的地質(zhì)是黏土層，出洞的風(fēng)險(xiǎn)比較??；但是，如果出洞處含有粉砂透水層，出洞的風(fēng)險(xiǎn)非常大，主要表現(xiàn)為：

(1)在打開洞門的過程中，前方的流砂不斷涌入井內(nèi)，以至于根本無法將頂管機(jī)推進(jìn)到洞門內(nèi)。

(2)在出洞過程中，盡管頂管機(jī)已經(jīng)推進(jìn)到洞門內(nèi)，但是由于各種原因使得前方水土從洞口止水裝置流入到工作井內(nèi)。這不僅會引起機(jī)頭磕頭，頂管姿態(tài)失去控制，而且還會造成出洞處地面出現(xiàn)較大沉降。

上述的出洞風(fēng)險(xiǎn)不僅會嚴(yán)重影響施工的工期目標(biāo)，而且對下一步的正常頂管帶來很大的困難。下面舉兩個(gè)案例。

1.1 案例一

某標(biāo)段的工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，外側(cè)采用三軸攪拌樁隔水帷幕，在鉆孔樁與攪拌樁之間用壓密注漿填充。該處管道的中心以上是8m厚的粉砂透水層，當(dāng)頂管一切準(zhǔn)備就序，在鉆孔樁上鉆小孔的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有流砂涌入，后立即封堵小孔。對出洞口的鉆孔樁與攪拌樁之間增加高壓旋噴樁加固措施。但是，大量的高壓旋噴樁的水泥漿液從許多鉆孔樁之間的空隙中噴入井內(nèi)，后不得不在井內(nèi)對較大范圍鉆孔樁進(jìn)行掛網(wǎng)錨噴，再對夾縫層空隙進(jìn)行雙液注漿加固，同時(shí)又在出洞口增加了二口深井疏干井。最后雖然得以勉強(qiáng)出洞，但是嚴(yán)重影響了工期，增加了工程的成本。

原因分析及措施建議：

(1)對于粉砂透水層的頂管出洞，工作井的結(jié)構(gòu)應(yīng)該優(yōu)先考慮沉井、三軸攪拌樁和連續(xù)墻的形式，對鉆孔樁圍護(hù)則應(yīng)該慎用。應(yīng)當(dāng)指出的是，目前三軸攪拌樁的設(shè)備已經(jīng)能夠滿足該工程挖土深度的要求，工程費(fèi)用比鉆孔樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)低。

(2)如果必須采用鉆孔樁圍護(hù)形式的工作井，對外側(cè)的隔水帷幕則建議采用雙排高壓旋噴樁加固措施。在基坑挖土之前，必須針對粉砂地層的特點(diǎn)對鉆孔樁的質(zhì)量和高壓旋噴樁的加固質(zhì)量嚴(yán)格控制。因?yàn)橐坏┗娱_挖以后，再去處理補(bǔ)強(qiáng)加固的難度就非常大了。該項(xiàng)目在鉆孔樁與攪拌樁之間的空隙采用壓密注漿法，在透水層中很難起到隔水效果。

(3)該工程在管道中心以下是黏土層，降水井點(diǎn)布置較高，完全依靠降水解決頂管出洞的漏水是比較困難的。但是，只要成井質(zhì)量好，還是可以減小地下水水頭，對保證出洞安全也是十分必要的。如果出洞處為全斷面的粉砂層并且基坑較深，做好出洞處的深井降水工作是保證出洞安全的主要環(huán)節(jié)。原因主要是，在這種情況下，注漿加固的質(zhì)量往往得不到保證，而降水的質(zhì)量卻是可控的。

1.2 案例二

某標(biāo)段的工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，外側(cè)采用高壓旋噴樁隔水帷幕，在出洞口的兩側(cè)打了兩口深井降水。出洞口的地層為粉質(zhì)黏土。當(dāng)破墻以后，正面加固土體非常穩(wěn)定。頂管采用泥水平衡掘進(jìn)機(jī)施工。頂管機(jī)在切削加固體的過程中，較多的水泥塊進(jìn)入D100排泥管道，產(chǎn)生排泥管的堵管現(xiàn)象。排泥管的堵管引起了正面泥水艙的泥水壓力劇增，由于這時(shí)的機(jī)頭刀盤距離洞口較近，所以大量的泥水從機(jī)頭殼體的外壁并經(jīng)過止水裝置流到井內(nèi)，這一現(xiàn)象還使得洞口橡膠止水法蘭向井內(nèi)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)一步加劇了向工作井內(nèi)的水土流失。洞口的水土的流失導(dǎo)致出洞口的地面出現(xiàn)較大的沉降，還使得機(jī)頭的姿態(tài)出現(xiàn)下沉。當(dāng)頂管機(jī)推出加固區(qū)以后，正好是第一節(jié)鋼管的焊接拍片環(huán)節(jié)，較長時(shí)間的停頓，又進(jìn)一步增加了機(jī)頭姿態(tài)的下沉。后經(jīng)過啟用二節(jié)糾偏系統(tǒng)，機(jī)頭姿態(tài)逐漸恢復(fù)正常。

原因分析及措施建議：

(1)泥水平衡頂管機(jī)面板上的開口大小和切削刀的寬度應(yīng)該與排泥管路的口徑相匹配，以避免進(jìn)入泥水艙內(nèi)的加固碎塊堵管。有可能的話，將泥水管路改為D150，堵管的可能性就更小了。

(2)在初始頂進(jìn)過程中，應(yīng)該適當(dāng)減小頂管機(jī)泥水艙的泥水壓力，防止正面泥水壓力對洞口止水裝置造成過大的壓力。

(3)引起出洞段地面沉降和機(jī)頭磕頭的根本原因是水土從洞口流失。所以，洞口止水裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠滿足較好的水密性要求，必要時(shí)采用組合密封形式和防止橡膠法蘭反轉(zhuǎn)的措施。由于機(jī)頭殼體的外徑一般要比焊接鋼管的外徑大，一般為20 mm左右，所以，止水裝置的設(shè)計(jì)和安裝都應(yīng)該充分考慮二個(gè)不同工況，滿足有效的止水要求。

(4)在機(jī)頭出洞過程中，盡可能地縮短停止頂進(jìn)的時(shí)間，也是保持機(jī)頭姿態(tài)的重要措施。

2 鋼頂管的姿態(tài)控制

鋼頂管與混凝土頂管施工有相似的地方，也確實(shí)存在不同點(diǎn)，主要就是姿態(tài)控制。因?yàn)榛炷凉苁怯稍S多柔性的F型接口的鉸組成，比較容易滿足糾偏的要求；而鋼頂管是由一根整體剛性較大的焊接鋼管道組成的，而且，一般都是直線頂進(jìn)。這樣，一旦發(fā)生較大的偏差，糾偏的難度比較大。

目前，對于鋼頂管的糾偏，各施工單位的做法不一。有的在機(jī)頭后面直接就是焊接鋼管，依靠機(jī)頭的一組糾偏裝置糾偏；也有的在機(jī)頭后面緊跟一到二套F型鋼管，鋼管之間用法蘭連接，在接口之間還設(shè)置了糾偏裝置，以備應(yīng)急糾偏之用；還有的在機(jī)頭后面跟一套中繼間來滿足輔助糾偏的目的。

如果頂管的姿態(tài)控制是有效的，包括機(jī)頭糾偏液壓系統(tǒng)的可靠性，開挖面的穩(wěn)定控制，施工測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和機(jī)頭糾偏操作的合理性等。在這些基礎(chǔ)上，上述各單位的做法都是可行的。對直線鋼管的頂進(jìn)，依靠機(jī)頭的一組糾偏裝置也是能夠滿足姿態(tài)控制要求的。但是，對于異常的施工情況，采用多組糾偏導(dǎo)向的可靠性可能更好。關(guān)于鋼頂管的姿態(tài)控制，更加重要的問題是應(yīng)該充分認(rèn)識鋼管的整體剛性特點(diǎn)。所以，凡是對管道中的柔性接口，或者說是可以活動的鉸，往往是應(yīng)力集中的點(diǎn)，應(yīng)該倍加重視，比如機(jī)頭后的過渡管的接口，中繼間的伸縮部位。除了必須滿足接口的密封要求以外，還應(yīng)該具有足夠的連接強(qiáng)度和剛度。另外，鋼頂管對出洞段的姿態(tài)控制要求比較高，一般應(yīng)控制在3 cm以內(nèi)。下面舉一個(gè)工程案例進(jìn)行分析。

某標(biāo)段平行兩根頂管，頂進(jìn)長度為684 m，一根頂進(jìn)到280 m，機(jī)頭水平偏差70 cm，高程偏差20 cm。其中，機(jī)頭與過渡管的7.2m長度范圍的水平偏差56 cm，高程偏差24 cm（見圖1）。在過渡管的前后接口處張開量達(dá)到20 cm以上時(shí)，施工被迫暫時(shí)停止。無獨(dú)有偶，在邊上的另一根管道頂進(jìn)到480 m時(shí)，水平偏差超過1 m，也不得不停止頂進(jìn)。頂管的姿態(tài)如圖1所示。該區(qū)間頂管的地層為粉質(zhì)黏土，并沒有流砂現(xiàn)象。為什么會出現(xiàn)頂管姿態(tài)嚴(yán)重失控的現(xiàn)象呢？

原因分析及措施建議：

(1)該頂管采用土壓平衡頂管機(jī)施工，在機(jī)頭后面的管道中用鋼板筑了二道壩，作為開天窗的泥水艙，螺旋機(jī)排出的土體進(jìn)入泥水艙，用水槍破泥，然后由泥水管路輸送到地面。由于泥水艙內(nèi)的泥水將過渡管的下部接口淹沒了，施工中根本無法知道過渡管接口的異常變化情況，加之機(jī)頭處的施工環(huán)境非常惡劣，無疑給工程的質(zhì)量控制管理帶來了隱患。

圖1 頂管姿態(tài)曲線圖

(2)在機(jī)頭后的一節(jié)過渡管設(shè)計(jì)為二端都是插口，沒有經(jīng)過立車加工，尺寸精度差，不能滿足基本的密封要求。更加危險(xiǎn)的是該過渡管與機(jī)頭尾套和首節(jié)鋼管的連接沒有采用法蘭形式，而是僅用4根拉桿連接。該鉸接處的連接強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了鋼頂管的要求。如前所述，由于機(jī)頭后面焊接鋼管整體性特點(diǎn)，全部的應(yīng)力往往都會集中在柔性接口處。在過去的鋼頂管工程中也曾經(jīng)發(fā)生多次類似嚴(yán)重工程失敗教訓(xùn)，即使采用法蘭連接的方式，如果忽視這一問題，也會出現(xiàn)接口張開量過大，流砂涌入管內(nèi)，進(jìn)而釀成嚴(yán)重工程事故的情況。

(3)頂管的偏差應(yīng)該有報(bào)警值。出現(xiàn)如此大的偏差才反映出來，說明在偏差發(fā)生異常變化的過程中，始終抱有僥幸的心理?？傄詾橥ㄟ^自己的努力能夠把偏差糾正過來，沒有從根本上找出原因給予解決。換言之，如果偏差達(dá)到10 cm，過渡管還沒有出現(xiàn)較大的張開量的時(shí)候，及時(shí)地將過渡管二端焊接固定，僅依靠機(jī)頭的一組糾偏裝置導(dǎo)向糾偏，頂管的姿態(tài)還是可以控制的。

3 地面沉降控制

鋼頂管與混凝土頂管的地面沉降控制措施基本相同，不同的是混凝土頂管基本可以做到連續(xù)施工，而鋼頂管的現(xiàn)場焊接時(shí)間比較長，頻繁發(fā)生的較長時(shí)間停止和重新啟動頂進(jìn)過程對沉降的控制可能會造成不利的影響。

在正常的頂進(jìn)過程中，頂管的地面沉降取決于兩個(gè)方面；一是開挖面穩(wěn)定控制，需要減少超挖和欠挖現(xiàn)象。對土壓平衡頂管機(jī)，理論上應(yīng)該通過PLC建立泥土艙的土壓力、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速和頂進(jìn)速度三者之間的自動平衡關(guān)系。實(shí)際施工中可以通過信息化施工手段優(yōu)化施工參數(shù)，以指導(dǎo)施工；對泥水平衡頂管機(jī)，通過嚴(yán)格控制泥水艙的泥水壓力，將這一壓力控制在比所處的地下水壓力高0.01 MPa，即使在較長的停止頂進(jìn)過程中，也必須采取措施使得泥水艙的壓力維持在穩(wěn)定的壓力范圍內(nèi)。二是管外壁完整的觸變泥漿潤滑套的建立，可以及時(shí)填充各種原因引起的建筑空隙，并防止管外壁背土對土體的擾動。施工經(jīng)驗(yàn)表明，在上述施工技術(shù)措施的支持下，頂管總的土體損失率可以控制在1%左右，對周邊環(huán)境影響很小。但是，在出洞段頂進(jìn)過程中，往往沉降量比較大，主要原因一是洞口的土體流失，二是出洞段的泥漿潤滑套不易建立，三是出洞段的開挖面的穩(wěn)定壓力也比較難以建立。所以應(yīng)對出洞段的地面沉降引起足夠的重視。下面舉一個(gè)工程案例進(jìn)行分析。

某標(biāo)段頂管長度940 m。管道穿越地層為砂質(zhì)粉土，該透水層的厚度約8 m。管頂覆土厚度約8.7 m。工程采用泥水平衡掘進(jìn)機(jī)施工。頂管的周邊環(huán)境比較復(fù)雜；沿頂管軸線北側(cè)有一條小河。在頂進(jìn)到380 m處，有一條與頂管軸線正交的大河，河面寬度約30 m，過大河以后是一幢緊貼大河邊無樁基的廠房。頂管穿越該廠房以后引起了較大的沉降量，沉降值為40 mm。建筑物測點(diǎn)平面圖及沉降曲線如圖2所示。在穿越周邊無河道建筑物的沉降比較小。

圖2 建筑物測點(diǎn)平面圖及沉降曲線圖

原因分析及措施建議：

(1)該頂程的地層條件比較差，為砂質(zhì)粉土。周邊環(huán)境比較復(fù)雜，沿線有小河，尤其是在廠房前有一條大河，廠房與河道的距離僅2～4 m左右，又是無樁基的廠房。廠房的荷載和河道的坡度是產(chǎn)生頂管沉降的主要原因。在另外的工況，頂管穿越無河道的建筑物沉降值為1～2 cm。但是，造成廠房沉降的根本原因還是開挖面的水土壓力沒有得到穩(wěn)定控制。

(2)由于焊接的時(shí)間比較長，頂進(jìn)速度比較慢，不能滿足連續(xù)頂進(jìn)的條件。當(dāng)停止頂進(jìn)的時(shí)候，面板式刀盤前的粉砂地層在動水壓力的作用下流向泥水艙內(nèi)，從而引起正面的土體超挖和土體損失。所以，提高頂進(jìn)速度是減少地面沉降的重要措施之一。

(3)如果在停止頂進(jìn)之前，向泥水艙內(nèi)壓入一定量的膨潤土泥漿，并建立平衡壓力。這樣，在刀盤和粉砂地層之間就可以形成隔水泥膜，阻止粉砂向泥水艙涌入。土體損失也可以得到有效的控制。

(4)該工程如果采用土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)施工，由于開挖面是充滿的土體，沒有泥水艙的空間和泥水對正面土體的影響，所以開挖面的土體損失比較容易控制。如果再采取在開挖面壓入膨潤土泥漿的土體改良措施，正面土體的穩(wěn)定會得到進(jìn)一步改善。

4 頂力控制

在完整的泥漿潤滑套的作用下，鋼頂管與混凝土頂管的管外壁側(cè)向摩阻力是相似的，也就是說不會因?yàn)殇摴芘c土體之間的摩擦系數(shù)小，而使得摩阻力減小。恰恰相反，由于鋼頂管的焊接時(shí)間比較長，在每次焊接后的啟動頂力往往會比較大，這又與焊接的時(shí)間有關(guān)系。頂進(jìn)阻力由頂管機(jī)的迎面阻力和管外壁側(cè)向摩阻力兩部分組成。機(jī)頭的迎面阻力一般是與管徑、埋深、頂管機(jī)類型和地層有關(guān)，對某一工程來講是定值。通常我們關(guān)心的是管外壁側(cè)向摩阻力的大小，準(zhǔn)確地說是關(guān)心管外壁平均單位面積側(cè)向摩阻力f值的大小。在頂進(jìn)過程中，平均的f值是隨著頂進(jìn)距離的增加而遞減的。在粉砂地層中頂進(jìn)，不同的泥漿潤滑套工藝會使得f值的差異達(dá)到10倍以上。注漿減阻工藝的重要性可見一斑。頂力控制的關(guān)鍵：一是在控制頂力的要求下，盡可能利用主頂進(jìn)裝置一次頂進(jìn)最長的距離，也就是最大限度地減少頂進(jìn)阻力；二是如何設(shè)置中繼間，設(shè)置幾套中繼間，中繼間間距怎么確定。如果從正常頂進(jìn)的角度分析，目前的青草沙頂管的頂進(jìn)距離在1 000 m左右可以不啟用中繼間。但是，并不是說可以不設(shè)置中繼間。因?yàn)榈叵鹿こ逃性S多的不可確定性。比如在頂進(jìn)過程中遇到不明的障礙物、遇到暗浜和異常地質(zhì)都可能使得頂進(jìn)阻力急劇上升。所以按照預(yù)定的計(jì)劃設(shè)置中繼間是明智的決定。下面舉一個(gè)工程案例進(jìn)行分析。

某標(biāo)段頂管斷面為砂質(zhì)粉土，地上有較多的河道，管道覆土厚度較淺，采用泥水平衡頂管機(jī)施工。施工時(shí)，頂進(jìn)速度比較慢。在同一個(gè)工作井的二個(gè)頂管：北線頂進(jìn)距離819 m，總頂力11 500 kN，南線頂進(jìn)距離473m，總頂力11 000 kN?？傢斄﹄S頂進(jìn)變化如圖3所示，可以看出，右線頂力增長較快。為什么在相同的地質(zhì)、相同的環(huán)境、相同的頂管設(shè)備和作業(yè)人員，會產(chǎn)生截然不同的頂力結(jié)果呢？

原因分析及措施建議：

圖3 頂力變化曲線圖

(1)在這座工作井的二節(jié)頂管中，頂進(jìn)距離相差346 m，曾經(jīng)出現(xiàn)頂進(jìn)距離短的比頂進(jìn)距離長的頂力反而大的情況。目前的頂力比較接近，但是頂進(jìn)距離相差較多。從各標(biāo)段的頂力曲線圖不難得出這樣的結(jié)論：由于泥漿套的作用，頂力并不是隨著頂進(jìn)距離的增加而線性遞增的。所以，如何在管外壁形成完整的觸變泥漿潤滑套是頂管施工的關(guān)鍵工藝。

(2)頂進(jìn)距離短的這節(jié)頂管，由于砂質(zhì)粉土、覆土淺和河道比較多的原因，曾經(jīng)多次出現(xiàn)過泥漿冒頂?shù)默F(xiàn)象，泥漿的冒頂使得泥漿潤滑套被破壞。泥漿套的破壞又會使得頂進(jìn)阻力急劇上升。要在粉砂地層中重新修復(fù)并建立泥漿潤滑套確實(shí)比較困難，需要較長的施工過程，才能夠逐漸得到修復(fù)。因此，加強(qiáng)對注漿過程的管理，避免出現(xiàn)泥漿冒頂現(xiàn)象，保持完整的觸變泥漿潤滑套，就顯得非常重要了。

（3）目前，國內(nèi)泥漿材料的抗泥水滲透性能，也就是泥漿的致密性還不如人意。當(dāng)停止頂進(jìn)較長時(shí)間以后，一般重新啟動頂進(jìn)的初始頂力比較大。尤其在粉砂層中，這一現(xiàn)象更加突出。所以，一是應(yīng)該盡可能提高頂進(jìn)效率，減少停頓時(shí)間。二是有必要對泥漿材料和配方進(jìn)行研究。

5 結(jié)語

通過對大直徑長距離鋼頂管的施工風(fēng)險(xiǎn)的案例分析，以下幾點(diǎn)是大直徑長距離鋼頂管施工中應(yīng)該特別注意的：

(1)鋼頂管的工作井出洞之前，應(yīng)該認(rèn)真分析水文地質(zhì)情況，選擇合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和出洞加固方式，并落實(shí)各項(xiàng)質(zhì)量控制措施，對出洞頂進(jìn)是至關(guān)重要的。另外，出洞的姿態(tài)控制精度和洞口止水裝置的密封性能對順利完成隨后的頂進(jìn)也是十分重要的。

(2)對鋼頂管全線的所有柔性接口，應(yīng)滿足密封性能、連接強(qiáng)度和剛度的要求，在頂進(jìn)過程中，還要給予高度的關(guān)注，以防止接口的變形和破壞導(dǎo)致工程風(fēng)險(xiǎn)。

(3)在正常頂進(jìn)過程中，鋼頂管的地面沉降是可控的。但是，有必要研究非正常頂進(jìn)過程中的地面沉降難題。比如，地質(zhì)條件的異常、復(fù)雜的周邊環(huán)境、停止較長時(shí)間后的重新啟動，泥漿潤滑套的破壞等引起的沉降。

(4)頂進(jìn)阻力的大小與頂進(jìn)的效率是負(fù)相關(guān)的。如何提高頂進(jìn)效率是最大限度降低頂進(jìn)阻力的有效途徑。

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