薛振友（英泰克工程顧問（上海）有限公司， 上海 200122）

0 引 言

超大直徑 φ3 000～φ4 000 鋼筋混凝土頂管工程陸續(xù)在國內(nèi)實(shí)施，特別是在上海、廣州等發(fā)達(dá)城市，已有較多的工程實(shí)踐。超大直徑頂管工程造價高，工程質(zhì)量要求高，一旦產(chǎn)生頂進(jìn)失敗，將帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失和社會負(fù)面影響，基于頂管工藝的特殊性，處理難度也極大。為保障頂進(jìn)施工的順利進(jìn)行，須保證頂管管材的加工質(zhì)量和有效控制頂進(jìn)施工的施工工藝。

1 工程概況

昆明尾水外排工程(二期)工程位于滇池之濱，主線東起大清河沉砂池，西至西園隧道旁提升泵站，中間由頂管鋼筋混凝土管道連接，主要工程有構(gòu)建筑物 15 座，管道7 206 m。項目總投資 5.4 億元，工期 20 個月，其處理尾水的規(guī)模為 77.5 萬 m3/d。

主線管道：DN3000 管道 1 131 m；DN3500 道 4 052 m；DN4000 管道(下穿滇池草海) 1 188 m，管道埋深水底 10 m左右，單段頂通。

經(jīng)查閱，DN4000 (外徑 4 700 mm)超大直徑、超長距離水下頂管項目是目前國內(nèi)最大的頂管工程。

DN4000 (外徑 4 700 mm)超大直徑頂段(K5+183—K6+371)，處于泥炭地層，具有高含水量、高孔隙比(11.9 kN/m3)、高壓縮比、地基承載力低的特點(diǎn)。在頂進(jìn)過程中，容易造成頂管掘進(jìn)機(jī)方向失控。在設(shè)計工況運(yùn)行階段，易引發(fā)管節(jié)上浮或沉降，造成管道脫節(jié)，致使工程失敗。

2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

2.1 國外典型頂管工程案例(如表1 所示)

表1 國外典型頂管工程案例

2.2 近年我國大直徑長距離頂管工程的成功案例(如表2 所示)

3 工程難點(diǎn)

(1) 頂管管徑大。本工程采用的鋼筋混凝土管道有DN3000、DN3500、DN4000 三種規(guī)格，其中外徑 φ4 700 mm管道為目前國內(nèi)最大外徑頂管，對掘進(jìn)機(jī)設(shè)計選型和各個系統(tǒng)的配置，以及頂進(jìn)工藝和測量都是一個挑戰(zhàn)。

(2) 一次頂進(jìn)距離長。本工程共有 9 個頂段，其中外徑φ4 700 mm 管道的頂段最長，頂距為 1 188 m。長距離頂進(jìn)造成供電、通風(fēng)、出渣、減阻泥漿加注及中繼間控制、導(dǎo)向測量、方向控制等施工監(jiān)理難度成倍增加。

(3) 地質(zhì)條件復(fù)雜。本工程管道穿越軟土層，特別是外徑 φ4 700 mm 管道的頂段(K5+183～K6+371)全部位于滇池草海水下，處于泥炭地層，具有高含水量、高孔隙比(11.9 kN/m3)、高壓縮比、地基承載力低(不足 50 KPa)的特點(diǎn)。在頂進(jìn)過程中，由于承載力低，不能為頂管機(jī)糾偏提供足夠的反作用力，容易造成頂管掘進(jìn)機(jī)方向失控。在頂進(jìn)及設(shè)計工況運(yùn)行階段，易引發(fā)管節(jié)上浮或沉降，造成管道脫節(jié)，致使工程失敗。

表2 我國大直徑長距離頂管工程的成功案例

4 超大管徑在軟弱土層頂進(jìn)施工監(jiān)理的質(zhì)量控制

4.1 制管質(zhì)量

本工程的重點(diǎn)為 DN4000 大直徑混凝土管的預(yù)制質(zhì)量，直徑大、工期短、在西南地區(qū)首次施工，采用定型鋼模板、蒸汽養(yǎng)護(hù)及人工振搗，整個制作工藝試生產(chǎn)，原材料的選擇、模具、設(shè)備采購，工藝的實(shí)驗(yàn)，必須滿足頂進(jìn)需要。

在大直徑管道的加工預(yù)制過程中，駐廠監(jiān)理工程師的監(jiān)理要點(diǎn)：原材料的控制；鋼筋骨架的成型；模具的拼裝；混凝土的質(zhì)量控制；鋼套環(huán)控制環(huán)節(jié)；止退環(huán)插口檢量；預(yù)埋件橡膠圈檢查；性能檢測；管材運(yùn)輸保護(hù)。

4.2 軟弱土層泥漿減阻技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)

超大管徑長距離頂管施工的最大障礙是隨著頂進(jìn)長度的增加管外壁摩擦阻不斷增大，以至于達(dá)到或超過靠背和管材的抗壓能力，因此需要在機(jī)頭位置注漿和沿線補(bǔ)漿，形成潤滑泥漿套，降低阻力，使得頂進(jìn)能夠順利進(jìn)行。

向管壁外壓注觸變泥漿是降低長距離頂進(jìn)阻力的重要措施，常規(guī)頂管觸變泥漿主要成分是膨潤土，減阻泥漿配比單一，性能不能滿足在不同土質(zhì)條件下的頂管施工。在軟弱土層中使用易造成護(hù)壁效果差、泥漿套形成不完整、泥漿消耗量大、減阻性能不佳。針對本工程長距離頂進(jìn)，且穿越軟土地層的難點(diǎn)，采用聚丙烯酰胺等潤滑材料配制的新型化學(xué)漿液，通過實(shí)驗(yàn)室對潤滑減阻漿液的配方進(jìn)行了試驗(yàn)性研發(fā)及穩(wěn)定性評價，最終確定了兩種最優(yōu)配方，即：膨潤土聚合物漿液和無粘土聚合物漿液，分別用于機(jī)頭注漿與沿線補(bǔ)漿，同時優(yōu)化注漿管道和壓注方法，對有效控制管外摩擦力起到了重要作用。從該頂段的頂力與摩阻系數(shù)曲線圖得知摩阻系數(shù)僅為 0.21 t/m3，實(shí)現(xiàn)了管道順利頂進(jìn)。

4.3 軟弱土地層中繼間接力技術(shù)的控制

在軟土地層中進(jìn)行超大直徑頂管施工，由于地基承載力不足容易造成管道失穩(wěn)、并且軸向頂力越大，越容易造成頂力失穩(wěn)。為了減小頂管軸向頂力，根據(jù)工程現(xiàn)場具體情況，應(yīng)用模塊計算分別對軟弱土層的頂管工況、中繼間的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)、中繼間的密封、管道頂進(jìn)阻力、中繼間的阻力和中繼間的應(yīng)用等要素進(jìn)行了技術(shù)分析，且進(jìn)行了水下軟土層頂管新型中繼間接力技術(shù)的攻關(guān)研討。決定采用可拆卸式鋼混組合中繼間，頂管結(jié)束后，拆除千斤頂與止水裝置，即可直接合攏中繼間，不需要進(jìn)行任何特殊處理。實(shí)踐證明這一研發(fā)取得了制作簡單、密封效果好、頂力頂速均勻、安拆方便、可回收利用。此項成果正在申報實(shí)用新型專利。

4.4 軟弱土地層管道穩(wěn)定性的技術(shù)控制

該頂段下穿滇池草海，全長 1 188 m，管頂?shù)母餐梁穸刃?9 m～10 m)，管道主要穿越泥炭質(zhì)土層，在頂進(jìn)過程中和完工后地層經(jīng)過擾動，管道可能因承載力不足或浮力過大造成失穩(wěn)，導(dǎo)致管道發(fā)生位移而脫節(jié)。為防止管道失穩(wěn)，采用了管道拉結(jié)處理措施。施工前組織專家組對施工專項方案進(jìn)行了專家論證，在頂進(jìn)過程中在管節(jié)兩端增設(shè)預(yù)埋螺桿拉結(jié)，將管道連接為一個整體，可以增加頂進(jìn)過程中管節(jié)的剛度，并防止?jié)M載時管道下沉造成的脫節(jié)。

4.5 頂管機(jī)頭進(jìn)出洞控制

嚴(yán)禁帶水進(jìn)洞的違規(guī)作業(yè)，機(jī)頭出洞時要檢查洞口加固措施是否合理有效；檢查洞口止水橡膠圈尺寸、平整度是否符合設(shè)計要求；水密性是否良好；在拆除洞口封門時采用靜態(tài)破碎法，減少土體擾動，同時盡量縮短正面土體暴露時間。機(jī)頭出洞時放慢頂進(jìn)速度，復(fù)核機(jī)頭正確位置，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正。在接收井內(nèi)做好接引導(dǎo)軌和防止土體流失措施等，機(jī)頭到達(dá)洞口封門時放慢頂進(jìn)速度，嚴(yán)禁大力擠壓，進(jìn)洞前準(zhǔn)備好堵漏材料，同時準(zhǔn)備好應(yīng)急物資，防止洞口大量涌水引起地表塌陷和機(jī)頭被水淹。

4.6 測量與糾偏

利用預(yù)測站和基準(zhǔn)點(diǎn)軌跡的技術(shù)，完善了測量的導(dǎo)向系統(tǒng)，將已成型管節(jié)的前進(jìn)軌跡預(yù)設(shè)為后續(xù)管節(jié)前進(jìn)軌跡，每 42 s 自動測量1次，無需中斷頂管施工。監(jiān)理工程師根據(jù)數(shù)據(jù)分析有針對性地展開復(fù)測修正，確保測量的運(yùn)行精度。

在水下軟土層中進(jìn)行糾偏時，泥炭土層不能為糾偏提供足夠的反力，可能造成頂進(jìn)方向失控。必須掌握偏差在較小的波動內(nèi)、勤測勤糾、小幅度糾和看趨勢糾的原則。在通過頂管機(jī)糾偏節(jié)進(jìn)行糾偏的同時，增加了采用糾偏特殊管節(jié)進(jìn)行糾偏。一旦發(fā)現(xiàn)頂管機(jī)自身糾偏動作效果不佳，偏差數(shù)據(jù)急劇發(fā)展時，啟動設(shè)置的特殊管節(jié)進(jìn)行輔助糾偏。

5 工程效果

5.1 頂進(jìn)速度快

全長 6 249 m 的鋼筋混凝土管道僅歷時 9 個月就完成頂管施工，日平均頂進(jìn) 22.5 m，創(chuàng)下了單日頂進(jìn) 30 m 的最高記錄。

5.2 工程質(zhì)量優(yōu)異(見表3)

5.3 施工成本降低

監(jiān)理工程師注重先進(jìn)工藝過程的應(yīng)用控制，強(qiáng)化各環(huán)節(jié)的優(yōu)化及監(jiān)督，提高了作業(yè)效率，DN4000 超長距離頂管作業(yè)每班僅需 14 人，使得施工成本大大降低。

5.4 施工安全平穩(wěn)

全長 6 249 m 的頂進(jìn)施工順利，在水下總安全頂進(jìn)長度達(dá) 2 667 m，其中 DN4000 超大直徑頂管安全穿越 1 188 m滇池草海湖底。施工沉降監(jiān)測最大值 5 mm，沿途的湖濱公路、海埂大壩、西山纜車站、水上碼頭及岸邊大廈等敏感設(shè)施，沒有出現(xiàn)裂縫、傾斜及變形現(xiàn)象，施工頂進(jìn)中正常運(yùn)行使用。

5.5 文明施工節(jié)能環(huán)保

本工程通過技術(shù)改造，依靠科技進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。設(shè)備節(jié)電 8 萬kW·h；通過長距離泥漿管道輸送集中處置，沒有造成揚(yáng)塵、噪聲、泥漿四溢污染滇池水體的現(xiàn)象。被中國建筑業(yè)協(xié)會確定為“第三批全國建筑業(yè)綠色施工示范工程”。

6 結(jié) 語

隨著我國“基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)不斷推進(jìn)，非開挖地下施工技術(shù)的優(yōu)勢也將得到發(fā)揮，超大直徑長距離頂管施工的發(fā)展空間巨大，如管徑加大到 5 000 mm 以上，工程的應(yīng)用領(lǐng)域范圍將有革命性的突破。今后的發(fā)展趨勢是圓形、矩形、圓拱形、多邊形等，以適應(yīng)箱涵頂進(jìn)等各種工程的需要，故截面形狀多元化是必然趨勢。我們將在以后的工程監(jiān)理中繼續(xù)開展活動，運(yùn)用 QC 管理知識，努力探索新技術(shù)、新工藝，不斷攻克施工中的難題，確保施工質(zhì)量，創(chuàng)出更多的精品和優(yōu)質(zhì)工程。