匡志文

上海上咨建設工程咨詢有限公司 上海 200003

1 工程概況

上海黃浦江上游水源地連通管工程C3標段共有8座頂管井及9個頂進區(qū)間，采用DN4 000 mm鋼管。

本工程場地地形稍有起伏，地面標高為＋2.18～＋4.34 m。頂進施工斷面所經(jīng)過的土層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、黏土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土等。頂管施工將先后穿越泖口河、南大港、環(huán)橋港、東塘港、青松港、中心河等河道及水閘。本工程場地內(nèi)，局部區(qū)域有承壓水。

2 頂進施工的機械設備

結(jié)合本標段頂管所穿越的土層條件和沿線建（構(gòu)）筑物的情況，我們選用了先進的大刀盤土壓平衡式工具管。本工程的主頂裝置由8只2 000 kN雙沖程等推力油缸組成，行程3 500 mm，總推力16 000 kN。8只雙沖程油缸組裝在油缸架內(nèi)。主頂裝置的液壓動力站有2臺大流量斜軸式軸向柱塞泵，采用大通徑的電磁閥和系統(tǒng)管路，可以減小系統(tǒng)阻尼。8只油缸可以單動，亦可聯(lián)動。主頂系統(tǒng)由PLC可編程序計算器控制，并采用變頻調(diào)速器實現(xiàn)流量的無級調(diào)速。根據(jù)推力估算，本工程共有6個頂程需要設置中繼間。

3 頂進施工流程

3.1 洞口土體加固和洞口止水裝置

1）本工程頂管進、出洞口均采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁加固土體。進、出洞口的土體加固范圍為：以頂進軸線為基準，上下各3 m，左右各3 m，長度為4 m。

2）本工程管徑大，頂進距離較長，傳統(tǒng)的橡膠“抹套”已不能滿足洞口止水要求。根據(jù)工程特點，結(jié)合以往類似工程的經(jīng)驗，決定采用鋼法蘭盤根止水裝置（圖1）。

3.2 工具管出洞及試頂進

1）在工具管出洞前，先通過打觀測孔對洞口外的土體加固效果進行檢測，在確認土體達到預期的止水效果和強度后，才能進行工具管的出洞施工。

2）將工具管出洞后的前50 m頂進作為頂進試驗段。設置頂進試驗段的目的是盡早熟悉工具管的操作方法、掌握工具管各項參數(shù)的調(diào)節(jié)控制方法；熟練掌握減阻泥漿的工藝流程和合理的壓漿量；監(jiān)測頂進軸線沿線的地面沉降情況，并據(jù)此分析不同土層中各種推進參數(shù)的設定規(guī)律，減少施工對周邊環(huán)境和頂進軸線沿線的建（構(gòu)）筑物的影響；熟練掌握拼接鋼管節(jié)的方法，提高焊接的質(zhì)量和速度等[1-2]。

3.3 正常頂進施工

工具管出洞階段結(jié)束后，即可進入正常的頂進施工。在頂進過程中，要經(jīng)常對頂進的管道軸線進行測量，一般情況下，每頂進一節(jié)管節(jié)測量1次，有特殊要求的可以增加測量的頻次。每次測量的結(jié)果要及時反饋給現(xiàn)場施工的管理人員，用來指導頂進施工。

3.4 進洞施工

工具管接近接收井時，根據(jù)貫通測量的結(jié)果，在洞口封門中心位置鑿出一個φ10 cm左右的圓洞，查看外部土質(zhì)情況，并確定好大刀盤的中心位置。做好相應的準備工作后，頂進工具管平穩(wěn)、快速地進洞。進洞后，及時將工具管吊離，并按要求對接收井的洞口進行處理。

4 頂進施工關鍵技術

4.1 鋼管焊接施工

4.1.1 鋼管節(jié)

本工程頂管采用鋼管，直徑為DN4 000 mm，管節(jié)長度為6.0 m。管節(jié)由制管廠生產(chǎn)，管節(jié)的外防腐也是在廠內(nèi)施工的。經(jīng)駐廠監(jiān)理驗收合格后再運往施工現(xiàn)場。

由于管節(jié)“體形大”，質(zhì)量大，故在施工現(xiàn)場只能單層堆放，管節(jié)堆放時底部要放置托座，以確保管節(jié)的穩(wěn)定和安全。

本工程的管節(jié)坡口采用單邊“V”形40°坡口，上半圓180°為外開口“V”形坡口，下半圓180°為內(nèi)開口“V”形坡口（圖2）。

圖1 洞口止水裝置

圖2 鋼管節(jié)的坡口

4.1.2 鋼管焊接

當一節(jié)管節(jié)頂進結(jié)束后，縮回主頂千斤頂，斷開各種管路和線路，然后吊放下一節(jié)管節(jié)。利用主頂千斤頂和一些輔助措施，將吊放的管節(jié)和前一節(jié)對接拼裝好，拼裝好的管節(jié)用點焊固定，然后便可進行焊接工作。焊接時將整條焊縫分為4段，由4個電焊工同時作業(yè)。焊接完成后，及時清除焊渣和金屬飛濺物。

4.1.3 檢測和防腐

1）管節(jié)焊接完成后，先進行外觀質(zhì)量檢查，具體要求：焊縫和熱影響區(qū)表面不得有裂紋、氣孔、斷弧、弧坑和灰渣等缺陷；表面要光順、均勻，焊道與母體應平穩(wěn)過渡；相鄰管節(jié)錯位不大于2 mm，無未焊滿現(xiàn)象。

2）外觀質(zhì)量檢查合格后，在焊縫附近打上焊工代號，再對焊縫進行100%超聲波檢測。超聲波檢測合格的，進入下一道工序；超聲波檢測不合格的，要對不合格的焊縫進行返工，返工完成后再對返工部分進行超聲波檢測，直到合格。

3）焊縫檢測合格后，施工管節(jié)接頭處的防腐層。防腐涂料要嚴格按照設計配合比調(diào)制，分層涂刷，寬度要和前后管節(jié)的防腐層搭接，厚度應達到設計要求。

4.2 減阻泥漿的運用

4.2.1 注漿孔的布置

經(jīng)過理論計算并結(jié)合同類工程的經(jīng)驗，本工程的注漿孔布置方法是：每個注漿斷面布置6個注漿孔，環(huán)向均勻布置（圖3），注漿孔在制管廠家開設。為保證能夠形成良好的泥漿套，在工具管后的3節(jié)鋼管中每一節(jié)都布置6只注漿孔，后續(xù)管節(jié)中每2節(jié)鋼管布置1組（6只）注漿孔，即后續(xù)管節(jié)中注漿孔的縱向間距為12 m。

圖3 注漿孔布置

為了保證補壓漿的效果，在每個中繼間處也均勻布置了6個注漿孔。

4.2.2 注漿量

本工程工具管外徑為4 100 mm，鋼管外徑為4 080 mm，單邊空隙10 mm，管節(jié)長度6.0 m。正常情況下，注漿量可按下式估算：

其中，倍率的取值和管徑、地質(zhì)條件、管節(jié)外壁和土層之間的間隙等有關。本工程的倍率取400%，則單節(jié)管節(jié)的注漿量為：V=3.14×(2.052－2.042)×6×400%=3.08 m3。

注漿量主要由跟蹤注漿和補壓漿這2部分組成。跟蹤注漿是指在頂進時，利用工具管尾部的注漿孔向管道外壁壓注減阻泥漿，及時填充管節(jié)外壁和土層之間的空隙，形成完整的泥漿環(huán)套。泥漿環(huán)套既能減少管節(jié)外壁和土層之間的摩阻力，又能對周邊的土層起到支承作用。隨著頂進距離的增加，泥漿環(huán)套中的泥漿會流失，因此要通過布置在管道中的注漿孔進行補壓漿，向泥漿套補充減阻泥漿，使其保持良好的減阻和支承作用。為了控制頂進軸線沿線的地面沉降或者保護頂進影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物，在頂進施工期間，應經(jīng)常在管道內(nèi)對管道沿線進行補壓漿，并在建（構(gòu)）筑物下方進行定點補壓漿[3-4]。

4.2.3 減阻泥漿的配合比

在綜合考慮本工程的地質(zhì)條件、所使用的膨潤土的特性并結(jié)合以往的施工經(jīng)驗，通過試驗確定本工程的泥漿配比。

在頂進過程中，根據(jù)頂進斷面的土質(zhì)變化和頂進施工的具體情況，可以對泥漿配合比進行合理的調(diào)整，以更好地滿足頂進施工的要求。

4.2.4 減阻泥漿的效果

在頂進施工過程中，施工人員根據(jù)頂進斷面的土層變化及時調(diào)整泥漿的配合比，并嚴格按照壓漿的操作規(guī)程進行跟蹤壓漿和補壓漿，達到超預期的效果。以本工程JB11—JB12頂進區(qū)間為例，減阻泥漿的效果論述如下：

1）減阻的效果。JB11—JB12頂進區(qū)間長424.64 m，布置1個中繼間。在實際頂進時，由于頂力控制得很好，故沒有采用中繼間接力頂進。根據(jù)頂進時的實測數(shù)據(jù)，可繪制出該頂進區(qū)間的頂力（摩阻力）與頂進距離的曲線（圖4）。通過圖4可以看出，在出洞階段，由于不能建立起完整的泥漿環(huán)套，故頂力較大且隨頂進距離的增加上升也很快，此時，摩阻力也很大。隨著頂進距離的增加（頂進50 m后），管道外建立起了完整的泥漿環(huán)套，頂力開始下降并趨于穩(wěn)定，在較小的范圍內(nèi)波動，摩阻力也快速下降并趨于穩(wěn)定，波動很小。由此可見，本工程減阻泥漿的減阻效果非常明顯。

圖4 頂力與頂進距離曲線

2）控制地面沉降的效果。根據(jù)本頂進區(qū)間的竣工測量資料，可繪制出頂進軸線沿線的地面沉降曲線。經(jīng)分析，本頂進區(qū)間的地面沉降控制得非常好。沿線最大的沉降量只有9.9 mm，遠小于允許的沉降量，這對沿線的建（構(gòu)）筑物的保護也是十分有利的。

3）保護建（構(gòu)）筑物的效果。本區(qū)間的頂進要先后穿越青松港和中心河2條河道，頂進期間要對河道的堤岸、擋墻和外側(cè)平臺等的沉降情況進行監(jiān)測，并要根據(jù)沉降情況制訂相應的措施，確保它們的安全。監(jiān)測結(jié)果顯示，工具管從出洞到接近測點下方土體的這一過程中，平臺的沉降量變化很小，工具管穿過此點后，沉降量快速增加。通過采取跟蹤壓漿和定點補壓漿的措施，有效地減小了沉降的速率和總沉降量。頂進至80 m時，平臺的沉降速率開始減小，至100 m之后，沉降量緩慢增加，并漸趨穩(wěn)定。在整個施工期間，該平臺的沉降量始終控制在允許值的范圍內(nèi)，頂管沿線建（構(gòu)）筑物和地下管線的沉降也都控制在允許的范圍內(nèi)。

4.3 中繼間接力頂進

本工程使用的中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式鋼結(jié)構(gòu)件，由前體、后體、千斤頂、動力油泵站、止水密封圈5個部分組成。每個中繼間有20只千斤頂，每只千斤頂?shù)闹睆綖?60 mm，行程為300 mm，推力為80 kN。中繼間采用計算機聯(lián)動控制，在特殊情況下，也可以用手動方式控制中繼間的運行。

4.3.1 中繼間頂進程序

中繼間的頂進程序是從工具管向后按順序一次將每段管節(jié)向前頂進。一個中繼間頂進時，其他中繼間應保持不動，當所有中繼間依次完成頂進后，由主頂完成最后的頂進作業(yè)。

一個頂程有多個中繼間時，為了提高頂進效率，采用中繼間編組的方式運行，比如某一個頂程中放置了3個中繼間，則頂進次序為：1#中繼間頂進→2#中繼間頂進→3#中繼間頂進→主頂頂進，依此循環(huán)。

為保證施工安全，在每個中繼間的位置，各種管路要采用柔性接頭過渡；各種線路要留有足夠的伸長余量。

4.3.2 中繼間的處理

頂進施工結(jié)束后，通過對中繼間的處理，使其成為管道的一部分，具體的處理步驟如下：頂進結(jié)束，整條管道定位后，對中繼間前后管道壓注雙液漿，防止外側(cè)泥漿通過中繼間滲漏進來；壓漿完成后，從第1個中繼間開始，依次拆除各中繼間的千斤頂和附屬結(jié)構(gòu)件；封堵中繼間處的注漿孔；割除多余中繼間筋板，保留與鋼管內(nèi)壁緊貼的一圈環(huán)向鋼板，端部鋼板割除后進行焊接；對焊縫的質(zhì)量進行檢查、檢測；施工內(nèi)防腐。

4.4 軸線測量和糾偏

4.4.1 軸線測量的方法

本工程使用的測量儀器和設備主要有全站儀、水準儀、光靶測量板等。

設置在管道內(nèi)的接收激光束的光靶傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成了頂進姿態(tài)測量的控制系統(tǒng)，用來測量安裝在工具管切削艙上的測量板的垂直和水平位移、激光入射水平角以及工具管切削艙仰角和滾動角。操作人員通過遠距離攝像監(jiān)控及微機系統(tǒng)，對測量數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結(jié)果（工具管的軸線偏差）顯示在操作室的屏幕上，頂進施工人員可以據(jù)此對工具管進行糾偏。工具管出洞前，先測出安裝在工具管切削艙上的測量板的仰角、滾動角、水平角這3個數(shù)據(jù)，再測出激光基準點相對于工具管的位置，將上述測量數(shù)據(jù)輸入計算程序，作為工具管初始位置的參數(shù)。

在實踐中，還采用了測工具管“趨勢”的方法。激光束發(fā)射到測量板上后，測出光點在測量板上的位置，計算出工具管軸線與激光束軸線的關系、工具管的仰角和滾動角，控制系統(tǒng)會計算出測量板對應的頂管軸線與頂管設計軸線的偏差值。通過工具管實際軸線與設計軸線夾角，可以預測出工具管切削艙的偏差趨勢。通過這些顯示在頂管機操作屏上的數(shù)據(jù)，施工人員可以及時調(diào)整工具管的頂進方向，將軸線偏差控制在合理的范圍內(nèi)。

4.4.2 軸線糾偏

頂進軸線的糾偏主要是通過工具管尾部的糾偏系統(tǒng)進行的，方法是通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，改變工具管的姿態(tài)，使頂進軸線逐步向設計軸線靠攏，達到糾偏的目的。例如，當頂進軸線向左的偏移值達到或超過允許值時，即可將糾偏系統(tǒng)左側(cè)的千斤頂伸出一定的量（根據(jù)糾偏量的大小確定），然后鎖定糾偏系統(tǒng)，通過一段距離的頂進，軸線會逐漸向設計軸線靠近。在進行軸線糾偏時，還可以結(jié)合工具管的姿態(tài)進行。根據(jù)工具管姿態(tài)的變化，可以確定頂進軸線大致的發(fā)展趨勢，從而提前對軸線進行微量糾偏，這種方法的好處是糾偏緩和、軸線平滑。

根據(jù)現(xiàn)場竣工測量及第三方監(jiān)測的監(jiān)測結(jié)果，本項目的管道軸線誤差均小于3 cm，遠小于允許值[5-7]。

4.4.3 工具管旋轉(zhuǎn)糾偏

工具管的刀盤在切削正面的土體時會產(chǎn)生扭矩，這會導致工具管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。由于刀盤正反轉(zhuǎn)均可以出土，故通過控制工具管刀盤的正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動的交替使用，就可以糾正工具管的旋轉(zhuǎn)。工具管旋轉(zhuǎn)角度較大時，可能會對相關的設備和機械的運行造成不利影響，因此在本工程中設定了工具管的允許旋轉(zhuǎn)角度≤1.5°，當轉(zhuǎn)角達到1.5°時，工具管的自動控制系統(tǒng)會報警，提示操作人員切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進行反轉(zhuǎn)糾偏。

5 結(jié)語

通過本工程的實踐，我們成功地實施了超大口徑鋼頂管施工中的管節(jié)焊接、減阻泥漿應用、中繼間接力頂進、軸線測量與糾偏等關鍵技術。

這些關鍵技術既可供類似工程借鑒，也為更大口徑、更長距離的鋼管頂進施工做了技術準備，并積累了相關的經(jīng)驗。