黃志偉，王 盛

（宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海市 200030）

1 概述

2010年上海市城市污水采用分片治理，白龍港片區(qū)服務(wù)人口約712萬，服務(wù)面積約1 255 km2。南線東段SST2.5標(biāo)施工內(nèi)容主要包括DN4000輸送干管9 370 m，工作井4座、接收井3座，見圖1。

輸送干管采用頂管施工工藝，曲率半徑1 000～5 009.6 m，沿線穿越102戶民房和6家廠房、地鐵2#線、川楊河等敏感設(shè)施；輸送干管采用預(yù)制“F”型鋼承口鋼筋混凝土成品管，抗?jié)B等級P8的C50混凝土強(qiáng)度，單節(jié)長度2.5 m，外徑4.64 m，重約30 t，是目前國內(nèi)最大口徑的鋼筋混凝土管頂管工程。

2 地質(zhì)水文條件

南線東段SST2.5標(biāo)輸送干管管底標(biāo)高處在-10.64～-10.75 m，沿線上部土層較穩(wěn)定，頂管主要在第③④淤泥質(zhì)粘性土中穿過，該層為軟弱土層，頂進(jìn)阻力較小，其具有強(qiáng)度低、滲透性差、含水量高、壓縮性高、靈敏度高等特點(diǎn)，具有觸變性和流變性，施工易受擾動，容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。

輸送干管所涉及的承壓（微承壓）水主要為⑤32層微承壓水，承壓水位一般低于潛水位，呈周期性變化，埋深3.0～11.0 m。

3 施工設(shè)備

本標(biāo)段采用DN4000土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，其工作原理為頂管推進(jìn)時其前端刀盤旋轉(zhuǎn)切削土層，當(dāng)切削下來的土充滿擋土艙時，由于頂管的推進(jìn)作用，致使土體對開挖面加壓；當(dāng)該施加壓力與地層的土壓水壓相等，隨后調(diào)節(jié)螺旋出土機(jī)的排土量與刀盤的切土量相等，這種穩(wěn)定的出土狀態(tài)就是土壓機(jī)頭的開挖面平衡。

DN4000土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)主要特點(diǎn)包括：

（1）對所有頂進(jìn)的管線進(jìn)行全面切削，其刀盤的最大扭矩達(dá)到2 150 kN·m，最大對抗土壓力40 t/m2，能夠有效控制頂管正面土壓力；

（2）頂管機(jī)設(shè)有二級糾偏裝置，其油缸總行程為150 mm，最大推力1 600 t,糾偏角度最大也能達(dá)到3°，便于頂管施工過程中控制其曲線軌跡；

（3）掘進(jìn)機(jī)螺旋輸送機(jī)排土量可達(dá)57 m3/h，滿足長距離頂管施工中所產(chǎn)生的出土方量，在減小土體擾動的情況下使頂管施工順利頂進(jìn)。

4 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)[1-5]

4.1 進(jìn)出洞措施

（1）為了確保頂管機(jī)進(jìn)出洞安全，采用φ500高壓旋噴樁+三排φ850三軸攪拌樁復(fù)合進(jìn)行加固（以圓形工作井為例）；并在距井外壁72.5 cm處的排樁中插入500 mm×300 mm×11 mm×15 mm H型鋼6根，長度為預(yù)留孔洞以下3.0至起沉標(biāo)高，見圖2。

（2）洞口破除前，洞門加固土體應(yīng)采用取芯和探孔檢查。取芯主要確定加固土體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求1.5 MPa以上；探孔主要檢驗(yàn)加固土體正面是否存在滲漏現(xiàn)象。探孔開設(shè)在洞門中心，共4個，探孔直徑40 mm，見圖3。

監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取芯強(qiáng)度平均在2.75 MPa左右，洞口滲漏現(xiàn)象情況良好，不滲水率達(dá)到98.7%。

（3）在頂管井內(nèi)側(cè)預(yù)留洞口處安裝止水裝置，止水裝置采用雙道止水（鋼壓板+橡膠板），橡膠板采用天然橡膠制成，橡膠板物理力學(xué)性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度不小于15 MPa,拉斷伸長率不小于380%撕裂強(qiáng)度不小于30 N/㎜2，邵爾A級硬度60±5。

圖1 頂管平面示意圖

圖2 洞口外土體加固示意圖（單位：mm）

圖3 探孔布置示意圖

4.2 穿越川楊河施工

本標(biāo)段頂管管道下穿川楊河，現(xiàn)狀河底標(biāo)高-0.540～-2.320 m，河口寬約67 m左右，頂管覆土厚度4.03 m(扣除淤泥厚度后為3.13 m)，見圖4。

為滿足管道抗浮要求（經(jīng)驗(yàn)算抗浮系數(shù)1：1時，管頂覆土厚度需不小于2.8 m），進(jìn)行河底臨時壓重措施，壓重措施采取在頂管穿越范圍內(nèi)進(jìn)行水下清淤，清淤完成后鋪設(shè)防滲土工膜，并在河道上下游土工膜上設(shè)置麻袋砂擋墻，再在擋墻中間采用吹填砂的方式進(jìn)行壓重措施，在頂管施工結(jié)束并沉降穩(wěn)定后，將土工膜、麻袋砂及相關(guān)臨時設(shè)施清出運(yùn)河。

頂管穿越川楊河時，對施工各項(xiàng)參數(shù)加以嚴(yán)格控制，頂進(jìn)速度在20 mm/min～35 mm/min；出土量平均控制36.5 m3/節(jié)；注漿壓力控制在0.06～0.09 MPa，避免注漿壓力過高而發(fā)生泥漿冒頂現(xiàn)象。

4.3 穿越地鐵2號線施工

頂管穿越越軌道交通2#線東延伸段時為直線頂管，兩管的管軸中心間距為9.6 m；該處穿越的高架承臺中心距約為28.4m，，地坪標(biāo)高約為4.00m，管道內(nèi)底標(biāo)高-10.450 m，頂管外壁距軌道交通2號線承臺最近距離約為2.83 m，見圖5。

4.4 MJS土體加固

頂進(jìn)施工前，在軌道交通2#線東延伸段承臺外進(jìn)行φ2000“MJS”高壓旋噴樁土體加固施工，以減小管道頂進(jìn)過程中對地鐵橋樁的的沉降影響。

MJS具有量測和調(diào)控地內(nèi)壓力系統(tǒng)，調(diào)節(jié)地內(nèi)壓力就是通過調(diào)節(jié)排泥口大小從而調(diào)節(jié)排出廢泥漿的流量來控制；空氣壓力控制在0.7 MPa,流量控制在 1～2 m3/min，噴嘴間隙：1～2 mm。

穿越地鐵2號線，施工各項(xiàng)參數(shù)參照穿越川楊河施工，頂進(jìn)速度平均控制在20mm/min～30mm/min；出土量平均亦控制36.5 m3/節(jié)；注漿壓力控制在0.06～0.12 MPa。

4.5 長距離頂進(jìn)

4.5.1 優(yōu)質(zhì)泥漿減摩

曲線頂管在頂力配置時要考慮管道單位摩阻力的增加，觸變泥漿的配比和施工控制是關(guān)鍵。觸變泥漿作為一膠體，其土顆粒與水分離的程度不能太大，并且要有一定的穩(wěn)定性。泥漿的失水量不能太大，當(dāng)失水量較小時，能在土壁上形成一層薄而致密的泥皮，保護(hù)土壁和防止泥漿流失，此時造壁能力較好。

圖4 頂管穿越川楊河縱向剖面圖（單位：mm）

圖5 頂管穿越軌道交通2號線剖面示意圖（單位：mm）

為滿足施工需要，本工程在泥漿中添加聚丙烯酰胺外摻劑來改善泥漿性能，與水以0.02：1的質(zhì)量比添加。按泥漿套厚度為10mm的量計(jì)算，每米需注漿潤滑材料用量：3×(D2-d2)×Л/4=3×（4.662-4.642）×0.785 4=0.438（m3/m）。

頂管結(jié)束后，在拆除觸變泥漿壓注孔接頭之前，對每個孔用純水泥漿置換觸變泥漿，以填充管外泥漿固結(jié)后體積縮小產(chǎn)生管外周空隙，減少管道的后期沉降。

4.5.2 中繼間設(shè)置

根據(jù)本工程的實(shí)際情況大多頂段都超過500m，最長頂管達(dá)到了1 km，規(guī)范要求當(dāng)頂管計(jì)算頂力達(dá)到工作井最大承受力60%時，需安置中繼環(huán)。

本工程中繼間結(jié)構(gòu)采用徑向可調(diào)密封形式，共有四道密封裝置?？稍诔合聦δp的密封圈進(jìn)行更換。每套中繼間配置800 kN油缸30臺，總推力24 000 kN，控制頂力12 000 kN。工程結(jié)束后，拆除油缸，然后按照管材的結(jié)構(gòu)形式，澆制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，見圖6。

圖6 中繼間剖面圖

據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，隨著頂進(jìn)的深入，漿套逐漸形成，摩阻力逐漸減小，摩阻力在第一個中繼間處取5 kN/m2；同時通過下列公式計(jì)算得到第一套中繼間的安裝位置及設(shè)置間距。

第一套中繼間安裝位置：

式中：Pf—工具管迎面阻力，kN；

f2—單位面積管道摩阻力，kN/m2；

k1—頂力系數(shù)，取0.60。

設(shè)置間距：式中：△L—設(shè)置間距，m；

K2-頂力系數(shù)，普通中間環(huán)取0.7,組合密封中繼間取0.8。

余下中繼間安裝位置

式中：Pf—工具管迎面阻力，kN；

P3—控制頂力，kN；

f2—單位面積管道摩阻力，kN/m2，宜取 2～5；

D—管道外徑，m。

4.6 曲線線型控制

要實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土管節(jié)的順利曲行，機(jī)頭的精確的導(dǎo)向作用十分重要，通過軌跡控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的姿態(tài)控制和鋼筋混凝土頂管的線型控制。

本標(biāo)段頂管軌跡控制系統(tǒng)由四部分組成：機(jī)頭糾偏系統(tǒng)、二級糾偏鋼管、自適應(yīng)伸縮節(jié)、糾偏特殊管。通過四部分的聯(lián)合作用，解決曲線頂進(jìn)軌跡控制難題。

（1）機(jī)頭糾偏系統(tǒng)：頂管機(jī)分為前、后兩段，采用鉸接形式連接。將調(diào)整上下左右個方向的糾偏油缸統(tǒng)一布置在頂管機(jī)后段的一個斷面上，每個方向一組，一組兩個.

（2）二級糾偏鋼管：緊隨頂管機(jī)機(jī)頭后增加輔助糾偏油缸的糾偏特殊管，糾偏油缸布置形式及數(shù)量與機(jī)頭相同，形成第二套糾偏系統(tǒng)。它起到轉(zhuǎn)角分散和過渡承接的作用，見圖7。

圖7 頂管機(jī)二級糾偏裝置示意圖

（3）自適應(yīng)伸縮節(jié)：在二級糾偏鋼管焊接一節(jié)自適應(yīng)伸縮節(jié)，采用兩端一鉸的可伸縮的套筒承插式鋼結(jié)構(gòu)件。進(jìn)入曲線軌跡時，自適應(yīng)伸縮節(jié)的油缸在外力作用下可以自行伸縮，提高了機(jī)頭轉(zhuǎn)角的靈敏度。

（4）糾偏特殊管：其對前三節(jié)F型鋼筋混凝土管進(jìn)行特殊處理，在管末端面上下左右各方向預(yù)留四個油缸槽，放置4個糾偏短油缸，使其成為特殊管，它不僅可以調(diào)節(jié)三節(jié)特殊管的開口量，同時也對提高了頂管軌跡控制整體的系統(tǒng)的靈敏度，見圖8。

圖8 頂管軌跡控制系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)語

工程頂管施工及附屬結(jié)構(gòu)全部完成后，構(gòu)筑物沉降量最大為25.91 mm，水平軸線和豎向軸線偏差值分別為+35 mm和-37 mm。監(jiān)測結(jié)果說明，通過針對性采取各項(xiàng)技術(shù)措施后，長距離大口徑鋼筋混凝土曲線頂管能夠順利完成的。本文從案例、理論、實(shí)施等層面總結(jié)與分析幾項(xiàng)關(guān)鍵施工技術(shù)，并優(yōu)化其操作工序，希望為類似大口徑鋼筋混凝土曲線頂管工程提供參考。

[1]DG/TJ08-2110-2012,城鎮(zhèn)排水工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]金文航.長距離曲線頂管技術(shù)分析與研究[D].浙江杭州：浙江大學(xué),2006.

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[4]劉培榮.長距離曲線頂管技術(shù)的應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技,2003(3)：38-39.

[5]羅付軍,吳紀(jì)東,陳華嶺.大口徑頂管出洞技術(shù)措施[A].第四屆全國給水排水青年學(xué)術(shù)年會論文集[C].2000,