上海市政建設(shè)有限公司 上海 200438

1 工程概況

嚴(yán)橋支線工程是上海青草沙水源地原水工程陸域輸水系統(tǒng)的一根支線，是連接五號(hào)溝泵站與中心城區(qū)各水廠之間的重要輸水干線，輸水管線采用2根φ3 600 mm鋼管供水，管道中心間距7.2 m，鋼管壁厚34 mm，采用頂管施工。

為了解決φ3 600 mm大直徑超長(zhǎng)距離鋼頂管施工難題，主要從頂進(jìn)控制、軸線控制、出土等3個(gè)方面進(jìn)行研究，形成了一套大直徑超長(zhǎng)距離鋼頂管施工工藝，取得了大直徑頂管施工的飛躍。

2 頂進(jìn)控制技術(shù)

結(jié)合上海青草沙引水工程嚴(yán)橋支線項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，建立了長(zhǎng)距離頂管施工穩(wěn)定性力學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算模型。

為了解決超長(zhǎng)距離頂管施工過(guò)程中頂管整體穩(wěn)定和中繼間之間管道的局部穩(wěn)定難以得到保證的問(wèn)題，著重從頂進(jìn)系統(tǒng)、中繼間布置、泥漿減阻等3個(gè)方面著手分析[1]。

2.1 長(zhǎng)距離大直徑鋼頂管頂進(jìn)系統(tǒng)

2.1.1 頂力系統(tǒng)

頂力控制技術(shù)是長(zhǎng)距離鋼頂管施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。工作井內(nèi)主頂進(jìn)系統(tǒng)由6個(gè)4 000 kN雙作用千斤頂和電動(dòng)油泵車（32MP/22 kW×2）組成，4 000 kN雙作用千斤頂型號(hào)為CG1065，其缸徑400 mm，行程1 100 mm，桿徑280 mm，長(zhǎng)度1 700 mm。

頂管的輔助頂力系統(tǒng)主要是中繼間，其在長(zhǎng)距離頂管中可起到重要作用。通常中縫間的開(kāi)啟為人工手動(dòng)開(kāi)啟，人工手動(dòng)開(kāi)啟增加了施工費(fèi)用，又不能很好地控制中繼間的開(kāi)啟情況。因此，通過(guò)設(shè)置自動(dòng)化控制室，利用攝像裝置和位移傳感器對(duì)頂管頂進(jìn)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí)反饋數(shù)據(jù)。

自動(dòng)化控制室具有如下功能：可以控制各中繼間按程序要求自動(dòng)/手動(dòng)進(jìn)行頂管；可以按要求改變頂進(jìn)程序；可以按受力情況調(diào)整每環(huán)頂進(jìn)距離；計(jì)算機(jī)可以從自動(dòng)控制臺(tái)自動(dòng)采集，設(shè)置中繼間自動(dòng)/手動(dòng)工作，并適時(shí)打印各類數(shù)據(jù)，供技術(shù)人員分析。

2.1.2 中繼間頂力的計(jì)算

中繼間頂力的計(jì)算依據(jù)有：掘進(jìn)機(jī)正面阻力、每米管壁摩阻力、穿越土層性狀[2-5]。

考慮到第1道中繼間主要用于糾偏，3.6 m鋼頂管為大口徑長(zhǎng)距離鋼頂管，總體剛度比較大，因此0#中繼間安置在工具頭后4.4 m處，亦即考慮頂管掘進(jìn)機(jī)的部分設(shè)備要設(shè)置在4.4 m的短管節(jié)內(nèi)。1#中繼間安裝在0#中繼間之后的13.2 m處。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，后續(xù)中繼間布置間距為210 m。主推推距根據(jù)實(shí)際頂進(jìn)時(shí)的頂力控制情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

根據(jù)青草沙工程的嚴(yán)橋支線輸水管線施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況（頂進(jìn)長(zhǎng)度1 960.04 m）以及鋼頂管施工設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算得到φ3 600 mm頂管中繼間的布置：中繼間共需布置9道，0#中繼間位于掘進(jìn)機(jī)后4.4 m處，1#中繼間位于0#中繼間后13.2 m，2#中繼間位于1#中繼間后82.4 m，3#～5#中繼間間隔210 m一道，主頂推距間隔250 m一道。根據(jù)頂力情況，最后480 m無(wú)需中繼間。

2.2 管道穩(wěn)定分析與中繼間優(yōu)化布置

2.2.1 頂力對(duì)管道的影響

根據(jù)計(jì)算頂力引起的管道最大應(yīng)力為123 MPa，集中在管道的側(cè)壁、底部以及頂部，最小應(yīng)力為15.7 MPa。頂力引起的管道頂進(jìn)方向，最大位移分布在管道的中部，兩端發(fā)生的位移相對(duì)較小，管頂下降，管底隆起。

2.2.2 中繼間的布置分析

通過(guò)建立相應(yīng)的數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果充分表明本工程選擇的中繼間布置是合理的。

2.2.3 中繼間的最優(yōu)開(kāi)啟數(shù)量的分析

為了確定中繼間的最優(yōu)開(kāi)啟個(gè)數(shù)，需要確定鋼頂管正面阻力的大小。在中繼間頂力的計(jì)算中，已經(jīng)求出迎面阻力為3 300～5 200 kN，以此可計(jì)算出由于正面阻力引起的鋼頂管正面應(yīng)力在8.5～14.2 MPa之間。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以及結(jié)合鋼頂管正面阻力引起鋼頂管管道正面的應(yīng)力分布，可以準(zhǔn)確控制中繼間的啟閉時(shí)間及狀態(tài)。

2.2.4 最大頂力的研究

根據(jù)力學(xué)模型以及工況，建立相應(yīng)的數(shù)值模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。頂力由12 000 kN逐漸增大，直至管道整體或管道局部失穩(wěn)破壞，得出最大頂力。研究結(jié)果表明，頂力達(dá)到20 000 kN后，頂力與最大軸向變形成直線關(guān)系[6]。

結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可以看出頂力在20 000 kN以內(nèi)，管道未發(fā)生屈服，是穩(wěn)定的，因而可以確定鋼頂管管道的最大頂力為20 000 kN。

2.2.5 偏心頂力作用下管道應(yīng)力狀態(tài)分析

通過(guò)對(duì)不同偏角下最長(zhǎng)管段的應(yīng)力分布和變形情況的對(duì)比，可以看出，當(dāng)管道發(fā)生0.3°的偏轉(zhuǎn)時(shí)，管道的最大應(yīng)力由30.9 MPa增大到115.3 MPa，約3.7倍，軸向最大變形從56 mm增大到160 mm，約2.9倍，沿著頂進(jìn)方向管道應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢(shì)發(fā)生了顯著的變化，無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)，管段應(yīng)力隨著頂進(jìn)距離的增加而減小，而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，管道應(yīng)力隨著頂進(jìn)距離的增大而增大，管尾有波動(dòng)現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，偏轉(zhuǎn)對(duì)管道的應(yīng)力狀態(tài)和變形影響較大，在實(shí)際施工中，要避免管道在鋼頂管頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)[7]。

2.3 泥漿減阻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與摩阻力控制技術(shù)

通過(guò)模擬頂管頂進(jìn)施工和注漿減阻的整管摩阻試驗(yàn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)材料與土體泥漿的直剪試驗(yàn)裝置，對(duì)混凝土管、玻璃鋼夾沙管、鋼管等不同管材與土體的摩擦特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)[8]。

1）針對(duì)φ3 600 mm、頂管坡度上行0.23%、工作井總設(shè)計(jì)頂力12 000 kN的特點(diǎn)，在注漿孔的布置上設(shè)計(jì)了幾種方案，根據(jù)頂管工程單次頂進(jìn)長(zhǎng)度及頂管直徑進(jìn)行比選：

（1）方案一：全斷面6點(diǎn)均分布置，設(shè)6孔；

（2）方案二：上半圓4點(diǎn)均分布置，設(shè)4孔；

（3）方案三：靠近頂管頭部5道采用A型泥漿孔布置（全斷面4孔），第6道及后面采用B型泥漿孔布置形式（上半斷面4孔），如圖1所示。

經(jīng)過(guò)3種設(shè)計(jì)方案比選，本工程選用方案三。

2）潤(rùn)滑泥漿壓漿情況如表1所示。

表1 頂進(jìn)距離、壓漿量、壓漿時(shí)間關(guān)系

2根頂管成功進(jìn)洞，起始頂力控制在10 000～12 000 kN，表明頂管潤(rùn)滑泥漿有效降低了頂管摩阻力，保證了頂管順利進(jìn)行。頂力情況如表2所示。

表2 頂進(jìn)距離與頂力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 工程實(shí)施效果分析

1）鋼管外防腐：從頂入J17#接收井后回收的鋼管來(lái)看，1#和2#管頭部幾節(jié)鋼管外防腐仍舊保持完好。嚴(yán)橋支線鋼管外防腐整體采用熱熔環(huán)氧粉末噴涂，管接頭處施工現(xiàn)場(chǎng)采用人工手動(dòng)涂刷環(huán)氧重防腐涂料，從而也說(shuō)明了減阻效果較好。

2）從頂管的總頂力情況來(lái)測(cè)算摩阻力系數(shù)已降到0.9 kPa以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)的摩阻力系數(shù)3～5 kPa，另外從頂管進(jìn)接收井后回收的管子外防腐的完整性情況來(lái)看，減阻效果非常明顯，外防腐絲毫沒(méi)有破損[10-12]。

3 軸線控制技術(shù)

嚴(yán)橋支線C4標(biāo)利用自主開(kāi)發(fā)的新型超長(zhǎng)距離測(cè)量裝置（自身發(fā)光的電子激光測(cè)量靶）和基于連通管原理的長(zhǎng)距離高程測(cè)量裝置，并由鋼頂管偏轉(zhuǎn)受力分析確定糾偏控制角度，形成了跟蹤測(cè)量與糾偏技術(shù)相結(jié)合的施工工藝，有效地實(shí)現(xiàn)了1 960 m超長(zhǎng)頂管的軸線控制[13]。

在頂管施工過(guò)程中，常規(guī)頂管施工單位是每節(jié)頂管完成后測(cè)量1次，而我們研發(fā)的新型測(cè)量裝置（發(fā)光測(cè)量靶）形成的跟蹤測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了每塊頂鐵就能測(cè)量1次，每節(jié)8.8 m頂管就能測(cè)量9次，確保了測(cè)量的精度，真正做到勤測(cè)勤糾和精測(cè)精糾的施工理念。

3.1 超長(zhǎng)距離鋼頂管跟蹤測(cè)量技術(shù)

3.1.1 管道高程跟蹤測(cè)量控制

頂管管道內(nèi)設(shè)備多、空氣濕度大且光線暗，當(dāng)頂管距離較長(zhǎng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)目標(biāo)變小且通視條件極差。此外，頂管基站在管道頂進(jìn)中的移動(dòng)和微動(dòng)、后視距離短等問(wèn)題都會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度[14]。本項(xiàng)目研制了頂管工程中能實(shí)時(shí)測(cè)定掘進(jìn)機(jī)實(shí)際坐標(biāo)的跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，滿足了管內(nèi)可通視或不能通視的測(cè)量條件，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離頂管的自動(dòng)精確測(cè)量、連續(xù)頂進(jìn)施工和及時(shí)糾偏控制。

3.1.2 糾偏原則及操作控制要點(diǎn)

1）勤測(cè)勤糾及精測(cè)精糾：即每頂進(jìn)一個(gè)沖程（就是每一塊頂鐵），測(cè)量一次掘進(jìn)機(jī)軸線及標(biāo)高偏差情況。一般往往是等到一節(jié)管子全部頂進(jìn)完畢，再進(jìn)行測(cè)量，如果有偏差，糾偏相對(duì)比較困難。我們一般8.8 m的一節(jié)管子由9塊頂鐵組成，就是每頂進(jìn)一節(jié)鋼管，測(cè)量就要9次，雖然測(cè)量的工作量增加，但因?yàn)椴捎眯录夹g(shù)后并不會(huì)影響頂進(jìn)速度，而且9次測(cè)量后，頂進(jìn)的軸線更準(zhǔn)確，糾偏也很容易[15]。

2）小角度糾偏：每次糾偏角度要小，做到微糾和精糾[16,17]。

3）根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，實(shí)際施工中控制管道的糾偏角在1°之內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)管道發(fā)生屈服。

3.2 超長(zhǎng)距離鋼頂管糾偏數(shù)值分析

利用有限元方法分析頂管偏轉(zhuǎn)作用下管道內(nèi)力和變形的基本性能，分析中考慮管道與周圍土體接觸面摩擦特性，對(duì)不同偏轉(zhuǎn)角度的管道進(jìn)行受力分析，以此指導(dǎo)后續(xù)糾偏。

3.2.1 有限元分析工況

在有限元模型中，土體的存在主要是為了在管道周圍生成復(fù)雜的土壓力，因此分析中不注重土體的變形情況，在平衡地應(yīng)力及后續(xù)偏轉(zhuǎn)分析中，都不探究土體變形情況。本工程頂管偏轉(zhuǎn)角控制在0.5°，施工中最大允許偏轉(zhuǎn)角為2°。

在此基礎(chǔ)上，有限元中的分析工況如下：

1）施加初始應(yīng)力，并平衡地應(yīng)力，此時(shí)管道頂進(jìn)完成，管道尾部無(wú)頂力作用，模擬管道靜止?fàn)顟B(tài)；

2）在管節(jié)上施加豎直方向上的位移，使其偏轉(zhuǎn)角度分別為0.5°、1°、1.5°、2°，并在管道右端施加均布頂力，而在管道左端約束其法向位移（圖2）。

圖2 位移施加方式

3.2.2 糾偏結(jié)果分析

管道頂進(jìn)過(guò)程中被土體包圍，土體既對(duì)管道提供一定的支持作用，同時(shí)土體也是管道外荷載的來(lái)源，當(dāng)管道偏轉(zhuǎn)時(shí)必然對(duì)周圍土體有所影響，造成土體變形，并改變初始狀態(tài)的土壓力。

為確定鋼管的最大允許偏轉(zhuǎn)角，需要在1°～1.5°中對(duì)鋼管的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，因此對(duì)鋼管偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行細(xì)化，分別為1.1°、1.2°、1.3°、1.4°。若以鋼管Mises應(yīng)力作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)角度細(xì)化后的鋼管最大應(yīng)力隨偏轉(zhuǎn)角度的變化曲線如圖3所示。

圖3 管道最大Mises應(yīng)力與偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系

管道應(yīng)力變化在1°～1.5°之間近似為直線，以屈服應(yīng)力210 MPa計(jì)，則管道的允許偏轉(zhuǎn)角約為1.25°。在1.25°以內(nèi)，管道仍處于彈性狀態(tài)；超過(guò)1.25°之后，管道部分區(qū)域達(dá)到屈服狀態(tài)，若偏轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，則可能導(dǎo)致大面積屈服，將給施工帶來(lái)危險(xiǎn)。

3.3 工程實(shí)施效果分析

青草沙嚴(yán)橋支線C4標(biāo)1 960 m超長(zhǎng)距離鋼頂管的軸線控制非常成功，雙管進(jìn)洞軸線偏差中，上下偏差均小于2 cm，左右偏差均小于1 cm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，達(dá)到了對(duì)超長(zhǎng)距離鋼頂管軸線精確控制的預(yù)期目標(biāo)。

4 土壓平衡連續(xù)出土技術(shù)

4.1 土壓平衡頂管連續(xù)出土技術(shù)

本工程（QYZ-C4標(biāo)段）屬于大口徑超長(zhǎng)距離鋼頂管，選用土壓平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。

4.1.1 掘進(jìn)機(jī)選型

掘進(jìn)機(jī)的選型原則主要有以下4個(gè)方面：與土質(zhì)相適應(yīng)原則；與施工條件相適應(yīng)原則；施工安全性原則；施工經(jīng)濟(jì)性原則。

由于工程條件復(fù)雜，特別是需穿越航油管、地面道路、防汛墻和眾多地下管線，對(duì)地面的沉降要求較高，頂管出洞時(shí)需穿越土體加固區(qū)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭的切削能力也有一定的要求，綜合施工單位以往的頂管經(jīng)驗(yàn)及以上因素，為了有效地保護(hù)地下管線、周圍構(gòu)（建）筑物，本工程頂管掘進(jìn)時(shí)采用對(duì)地面沉降影響較小的大刀盤(pán)土壓平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)。土壓平衡頂管機(jī)出土效率較高，不易堵塞，為加快施工速度創(chuàng)造了條件。

4.1.2 出泥系統(tǒng)

出泥系統(tǒng)直接決定著C4標(biāo)的1 960 m超長(zhǎng)距離頂管的施工工效，因此需要在原來(lái)的土壓平衡干出土的方式下進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)本工程的需要。

4.1.3 出泥技術(shù)改進(jìn)

通過(guò)設(shè)計(jì)了一座泥水轉(zhuǎn)換裝置與土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)的螺旋輸送機(jī)排泥口相連，將土轉(zhuǎn)換成泥漿，而后通過(guò)管道輸送排出至地面沉淀池，完成了整個(gè)出土方式的轉(zhuǎn)變。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果分析

在青草沙工程中采用了土壓平衡式頂管新型出泥技術(shù)，該技術(shù)可隨時(shí)準(zhǔn)備出土配合頂進(jìn)，節(jié)約了大量施工時(shí)間，縮短施工間隙，有利于頂管的正面土體穩(wěn)定。

通過(guò)嚴(yán)橋支線C4標(biāo)頂管中泥水轉(zhuǎn)換裝置的應(yīng)用實(shí)踐，證明土壓平衡式掘進(jìn)及施工泥水輸送法技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的效果顯著，該技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單且實(shí)用價(jià)值也高，在頂管施工中尤其是長(zhǎng)距離大口徑的頂管工程，將會(huì)有不錯(cuò)的使用前景。

土壓平衡式掘進(jìn)及泥水輸送法施工改善了管內(nèi)作業(yè)環(huán)境，減少了土壤中有害物質(zhì)揮發(fā)及掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)作噪聲對(duì)人體產(chǎn)生的傷害，而且縮小了施工占地面積，更方便交通及出行。

5 結(jié)語(yǔ)

1）基于對(duì)大口徑鋼頂管正面土體穩(wěn)定、地層損失、頂進(jìn)速度和注漿量等動(dòng)態(tài)控制的理論研究成果，形成了超長(zhǎng)距離大口徑鋼頂管頂進(jìn)控制核心技術(shù)，攻克了超長(zhǎng)距離超大直徑鋼頂管的糾偏控制、頂力控制、軸線控制、鋼管穩(wěn)定控制等一系列難題，首次高精度完成了1 960 m和φ3 600 mm大口徑鋼頂管的近距離雙管同時(shí)一次連續(xù)頂進(jìn)。

2）為解決φ3 600 mm鋼頂管雙管同時(shí)頂進(jìn)中土壓平衡頂管設(shè)備出土效率低的難題，在攻克土壓平衡頂管機(jī)排泥口處渣土轉(zhuǎn)換泥水、泥水輸送與分離等核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)的連續(xù)出土裝置，在國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)土壓平衡頂進(jìn)與泥水輸送出土相結(jié)合的工藝，達(dá)到了高效連續(xù)出土要求，該工藝比傳統(tǒng)施工工藝提高了68%的出土效率。