黃永春

(上海城建市政工程(集團)有限公司，上海市 200065)

0 引言

超大直徑頂管在城市地下空間開發(fā)上被越來越多地采用，同時，得益于施工工藝的持續(xù)發(fā)展，超大直徑頂管的頂進距離也越來越長。大直徑、長距離頂管的施工技術(shù)的研究對該類型的地下工程拓展和普及有著非常重要的意義，更好地發(fā)揮頂管施工工藝自身建設(shè)周期短，綜合成本低和社會效益顯著等優(yōu)點[1,2]。

本文依托上海污水治理白龍港片區(qū)南干線完善工程迎賓7#頂管井（含）至遠東3#（含）之間的輸送總管頂進工程，以項目實施過程中的施工參數(shù)和控制措施為基礎(chǔ)，對大口徑頂管在長距離頂進過程中關(guān)鍵性問題和節(jié)點進行了系統(tǒng)性研究。詳細論述了其中泥水平衡和進排泥系統(tǒng)的改進措施、中繼間設(shè)置方案、泥漿減阻改進措施和施工中軸線控制方法等。為今后軟土地層條件下超大直徑長距離頂管隧道的施工提供參考與借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

上海污水治理白龍港片區(qū)南干線完善工程迎賓7#頂管井（含）至遠東3#（含）之間的輸送總管頂進工程，采用DN4000鋼筋混凝土管，總長度8 708.8 m，是當(dāng)時國內(nèi)最大直徑的混凝土頂管工程項目。其中，迎賓7#~迎賓8#頂程，起點為迎賓8#井，為工作井，終點為迎賓7#井（接收井）。該段頂管頂程為雙向1 125 m，為長距離直線頂管頂進。頂管頂部覆土埋深8.74~9.78 m。工程的平面見圖1。

圖1 工程平面示意圖

頂管采用泥水平衡式頂管機頂進施工，頂管機直徑4 660 mm。隧道結(jié)構(gòu)、DN4000F型鋼筋混凝土管，混凝土強度等級為C50。接口型式為鋼承口式柔性接口，管內(nèi)徑為4 000 mm，管外徑為4 640 mm，管節(jié)有效長度為2 500 mm，管壁厚為320 mm。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)頂管施工段工程地質(zhì)剖面圖和勘察報告分析，頂管頂進主要位于④層淤泥質(zhì)粘性土。④層為軟粘性土層，頂進阻力較小，但其強度低，滲透性差，含水量高、壓縮性高、靈敏度高，具流變性和觸變性，施工易受擾動，容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。

頂管穿越的土層性質(zhì)參數(shù)詳見表1。頂管區(qū)間剖面見圖2。

表1 土層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

圖2 頂管區(qū)間剖面圖（單位：m）

2 泥水系統(tǒng)改進措施

2.1 長距離頂管泥水系統(tǒng)關(guān)鍵點分析

泥水平衡頂管工法的特征是在頂管前部的機械切削式刀盤附近安裝隔板，形成密閉的泥水壓力倉，將加壓的泥水送入壓力倉中，使開挖面穩(wěn)定。在施工過程中，通過掘進機頭部的切削刀盤的旋轉(zhuǎn)來進行工作面的破碎，切削下來的泥土與平衡介質(zhì)混合，并由排泥漿管道用泥漿泵將其從頂管機的泥水壓力倉底部泵送至地表的分離裝置，將泥土與泥水進行分離，分離后的平衡介質(zhì)可以進行重復(fù)利用。因此一方面需合理控制泥水參數(shù)，另一方面需選擇合適的泥水系統(tǒng)以保證長距離頂管出土的順利。

本工程綜合考慮進排泥流量、頂進速度、頂進挖掘的土方量、泥腔壓力、主頂頂力等多種參數(shù)后確定控制排泥量或進水量優(yōu)先等級，并根據(jù)上述參數(shù)的變化通過程序自動進行調(diào)整[3]。

2.2 泥水系統(tǒng)針對性改進措施

基于上述分析和工程土質(zhì)情況，對頂管內(nèi)的泥水系統(tǒng)進行特別設(shè)計。頂管機泥水艙系統(tǒng)示意見圖3。

圖3 頂管機泥水系統(tǒng)示意圖

其中，1、2、5、6號閥門是控制高壓水進入進泥倉中，為遙控調(diào)節(jié)閥。當(dāng)持續(xù)頂進過程中，進泥艙內(nèi)土質(zhì)發(fā)生變化，土體變的較硬較粘時，可打開這4個閥門，高壓水就會從這4個管道噴射到進泥倉中，把較硬較粘的泥土打松散，以減小刀盤扭矩及頂力，保證進泥通暢。另外，排泥倉設(shè)計有一道凹槽，有可能在長距離頂進過程中發(fā)生泥砂堆積，增加刀盤扭矩和頂力并可能阻塞進泥口，這時可打開3、4號閥門讓高壓水進入排泥倉中，沖走囤積泥砂等雜物質(zhì)。

同時，為保證長距離頂管出土的順利，泥水系統(tǒng)采用多臺進排泥泵接力。進水泵設(shè)置為：地面上放置一臺進水泵，機頭后方400 m設(shè)置一臺進水接力泵，以后每400 m再放置一臺進水接力泵；排泥泵設(shè)置為：在基坑內(nèi)設(shè)置一臺排泥泵，機頭后方100 m設(shè)置一臺排泥接力泵，以后每400 m設(shè)置一臺排泥接力泵。共設(shè)置3臺進水泵，4臺排泥砂礫泵。砂礫泵的功率和轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足揚程的需求。

管內(nèi)出土系統(tǒng)布置示意見圖4。

圖4 長距離頂管出土系統(tǒng)布置示意圖

3 長距離頂進中繼間設(shè)置

3.1 控制頂力確定

本工程頂管區(qū)間采用10臺2 500 kN雙沖程油缸，總推力為25 000 kN。而單根頂管允許最大頂力為15 000 kN。因此，為保證頂管的順利和安全，頂管控制頂力取12 000 kN。

3.2 中繼間布置

中繼間設(shè)置根據(jù) “頂管工程施工規(guī)程”DG/TJ08－2049－2008中第7.5.5條的要求，第一道中繼間宜布置在頂管機后方20~50 m的位置?，F(xiàn)確定設(shè)置在機頭后50 m的位置，即L1=50 m。

又根據(jù)7.5.6條規(guī)定以后的各環(huán)中繼間布置按照下式計算確定：

S'=0.6×12 000/（3.14×4.64×2）=247 m

因此，對本工程各頂進區(qū)間，第一套中繼間布置在機頭后方50 m位置，以后每間隔250 m布置一套中繼間，單個頂程中繼間布置3個，見表2。

表2 中繼間設(shè)置情況

根據(jù)實際的施工經(jīng)驗，通過控制好注漿減阻的施工管理，可以使管道外壁與土的平均摩阻力控制在1 kPa以內(nèi)，所以中繼間數(shù)量可根據(jù)實際摩阻力情況進行調(diào)整。另外，在安放完第一個中繼間以后先使用一下，如果發(fā)現(xiàn)與計劃有較大差距就必須對計劃進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。

3.3 中繼間設(shè)計

本工程頂管需設(shè)中繼間，為提高工程的可靠性，每套中繼間使用30臺中繼間油缸，每臺油缸最大頂力為800 kN，最大行程500 mm，最大可提供24 000 kN的頂力（實際控制頂力為12 000 kN），留有足夠的安全余度，見圖5。

本工程中繼間尺寸為外徑D=4 640 mm，內(nèi)徑d=4 000 mm，長度L=1 950 mm。中繼間內(nèi)配置160 t油缸30只，油缸最大推進行程S=500 mm，采用單獨的ZB520-高壓油泵及管路，最大推進速度50 mm/min。中繼間外殼需保證較高的尺寸精度，必須經(jīng)過立車切削加工。

圖5 中繼間

為每個中繼間配置一個液壓動力泵站和相關(guān)控制程序，實現(xiàn)中繼間內(nèi)所有油缸的聯(lián)動。在中繼間處還加設(shè)行程儀傳感器，將行程讀數(shù)顯示在操縱臺上。

3.4 中繼間防滲漏措施

中繼間在長距離頂進過程中，往往因為伸縮次數(shù)過多而造成密封圈摩損失效，進而發(fā)生漏水、漏泥砂、漏漿等現(xiàn)象。

為了避免上述現(xiàn)場，本次中繼間結(jié)構(gòu)設(shè)計采用徑向可調(diào)密封形式，并設(shè)二道密封圈。為減輕頂進時密封圈的摩損，在二道密封圈之間設(shè)置6只可以壓注潤滑油脂的油嘴，構(gòu)成組合式密封中繼間，見圖6。中繼間設(shè)計還方便了密封裝置在常壓下對磨損的密封圈的調(diào)換工作。

圖6 組合式密封中繼間構(gòu)造圖

4 長距離頂進過程中施工措施

4.1 泥漿減阻的技術(shù)措施

長距離頂進對減阻泥漿的性能要求及泥漿套形成非常嚴格，穩(wěn)定的泥漿性能對于推進阻力的控制、頂管姿態(tài)的控制、地面沉降的控制都有非常重要的影響，是施工順利推進的保障。頂進時，通過工具管及混凝土管節(jié)上預(yù)留的注漿孔，向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道外圍形成完整的泥漿套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進時的頂力[4-5]。

采用傳統(tǒng)的膨潤土泥漿作為主料，根據(jù)管道周圍土層的類別、膨潤土的性質(zhì)以及減阻泥漿的技術(shù)指標(biāo)，確定配合比：膨潤土5%~20%，純堿2‰~15‰，以及部分外加藥劑。其泥漿配合比如下表所示。減阻泥漿既有良好的流動性，又能不失水、不沉淀、不固結(jié)。頂管泥漿的最終性能參數(shù)見表 3、表 4。

表3 泥漿配合比

表4 泥漿性能參數(shù)

為了保證泥漿減阻效果和工程質(zhì)量，在施工中還應(yīng)做到以下幾點：

（1）減阻泥漿中催化劑、化學(xué)添加劑應(yīng)攪拌均勻，膨潤土應(yīng)充分水化。泥漿拌制完成后，應(yīng)靜置24 h方可使用。

（2）超長頂管頂進時，普通的壓漿泵無法一次到位且壓力損失較大，需要在管道內(nèi)設(shè)置壓漿接力站。對泥漿進行接力輸送。它不僅保證前方掘進機推進過程中同步注漿的壓力和漿量，也承擔(dān)后方管道的泥漿補充任務(wù)。本工程共設(shè)置二根總管，平均每隔400 m左右設(shè)置一個壓漿接力站，二套管路系統(tǒng)。一根專門用于掘進機尾部的同步注漿，另一根用于補漿，見圖7。

圖7 長距離頂管的注漿管路系統(tǒng)圖

（3）為了準(zhǔn)備控制和及時調(diào)整壓漿的壓力，在壓漿泵、工具管尾部等加裝壓力表，便于施工中實時監(jiān)控，根據(jù)施工參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

4.2 長距離頂管供電

考慮頂管管道內(nèi)高壓供電安全性問題，采用380 V低壓電壓輸電，但為了解決長距離供電中壓降，采用低壓變頻及穩(wěn)壓器供電的方式，采用150 mm2軟電纜，每隔200 m設(shè)一只總控制電箱，供100 m以后的主頂油泵車、渣漿泵、注漿泵和中繼間油泵等使用。

管道內(nèi)照明采用36 V安全電壓，電源由管道內(nèi)設(shè)置的變壓器提供，每三節(jié)管道裝設(shè)一只照明燈，每只變壓器連接不超過10只照明燈。相應(yīng)地隨著頂進長度的增加，變壓器也應(yīng)相應(yīng)增加。

在掘進機和中繼間處安裝應(yīng)急照明系統(tǒng)，便于突然停電時，施工人員的安全撤離和進場檢修。

4.3 長距離頂管軸線控制措施

長距離頂管軸線控制與一般頂管相比，要求更高更嚴，其軸線控制措施主要有以下幾點[7,8]：

（1）在施工過程中，應(yīng)時刻注意軸線偏差發(fā)展的趨勢。糾偏的原則是：勤測勤糾，讓偏差保持在較小的波動范圍內(nèi)。嚴格控制糾偏角度，嚴禁大角度糾偏；

（2）頂管機內(nèi)安裝高精度傾斜儀，能夠?qū)崟r精確顯示機頭前方筒體的水平傾斜角度，精度達到0.01°，其作為高程糾偏措施和頂管機糾偏校正效果的主要參考依據(jù)。

（3）頂管機糾偏油缸加設(shè)壓力監(jiān)控裝置，通過油缸的不同區(qū)域的糾偏壓力來分析預(yù)測頂管機周圍不平衡外力和前進軌跡，為糾偏操作提供參考。

（4）頂管機內(nèi)設(shè)有遠程監(jiān)控裝置，在地面操作室內(nèi)TV顯示屏上顯示，同時將頂管機的姿態(tài)、糾偏角度和糾偏油缸行程等信息實時顯示在頂管機操作系統(tǒng)中?，F(xiàn)場操作人員及時掌握頂進施工全面信息，發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象及時采取相應(yīng)的措施。

（5）若改變刀盤轉(zhuǎn)向的校正方法效果不佳時，可采取加快推進速度、降低螺旋輸土機轉(zhuǎn)速、適當(dāng)提高控制土壓的方法來提高糾偏反力。

（6）對工程控制點的復(fù)測工作都必須按規(guī)范要求進行實施，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

4.4 長距離頂管通風(fēng)

4.4.1 通風(fēng)的目的及標(biāo)準(zhǔn)

長距離頂管施工過程中，隨著管道不斷向前延伸，由于空氣不流通，管內(nèi)溫度逐漸增高，氧氣含量會逐漸降低，管內(nèi)濕度逐漸增大有毒有害氣體也會不斷累積，從而影響作業(yè)人員安全健康及頂管機電子元器件的正常運行。因此，在管道施工過程中，全過程中采取通風(fēng)措施，加大管道內(nèi)空氣流通量，營造良好的作業(yè)環(huán)境是非常有必要的[6]。

對于長距離頂管采用由外向機頭送風(fēng)方式，使井內(nèi)空氣與井外空氣形成對流。同時在管道內(nèi)配備多功能有毒、有害、可燃氣體的監(jiān)測儀?；究刂茀?shù)如下所示：

（1）管道內(nèi)的氧氣濃度不低于20%，作業(yè)點新鮮空氣量不低于3 m3/人/min。

（2）有毒有害氣體CO不大于30 mg/m3，NO2不大于 50 mg/m3，CO2不大于 0.5% ，SO2不大于0.000 5%。

（3）作業(yè)面的溫度不超過32°，相對濕度不超過80%，噪音不超過80 dB。

（4）通風(fēng)的空氣必須清潔，送風(fēng)風(fēng)速應(yīng)大于0.15 m/s。

4.4.2 通風(fēng)系統(tǒng)及施工

頂管頂程長度L=1 125 m，管內(nèi)作業(yè)時班組人數(shù)為6人，工作井深H=10 m。

在靠近工作井井口的地面上，采用鼓風(fēng)機通過DN150PVC管道沿工作井底部進入管道，把新鮮空氣一直送至端部機頭處。通風(fēng)管道固定在工作井側(cè)壁和管道內(nèi)壁的側(cè)邊，在工作井底部、管道口和中繼間處采用風(fēng)琴式軟管，以利風(fēng)管伸縮。隨著管道的不斷頂進，通風(fēng)管也應(yīng)在管道口的位置相應(yīng)接長。

通風(fēng)機采用BSH-150型羅茨鼓風(fēng)機。排出壓力 58.8 kPa，進風(fēng)量 19.23 m3/min，功率 22kW ，滿足管道內(nèi)換氣和控溫的要求。

另外，在風(fēng)管末端安裝減壓消音裝置，降低通風(fēng)口的嘯叫噪音。當(dāng)工作井內(nèi)焊接作業(yè)以及管道內(nèi)中繼間安裝時，應(yīng)采用小型排風(fēng)機，防止煙氣進入管道。

5 施工實績

迎賓7#~迎賓8#頂程兩段頂管，北線先行施工，共頂進混凝土管444節(jié)，歷時70 d，南線后行施工，間隔290環(huán)，共頂進混凝土管445節(jié)，歷時53 d。頂管推進施工過程正常進行，頂進速度約為18~20 m/d。頂進過程中，最終頂力為1 050 t，側(cè)摩阻力保持穩(wěn)定，為0.4~0.5 kPa。從頂進區(qū)間軸線偏差上看，最大軸線偏差為：平面偏差-10.5 cm，高程偏差2.1 cm，機頭扭轉(zhuǎn)2°，施工控制良好。該頂程內(nèi)的最大沉降值約為5.5 mm，達到設(shè)計要求及施工預(yù)定目標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)超大直徑、長距離頂管的特點，通過組合式閥門的布置方式改進了泥水管路系統(tǒng)，并通過特殊的接力泵形式解決了長距離頂管的出土問題。

（2）按照規(guī)范要求，設(shè)置3個中繼間，并采用組合式密封設(shè)計，防止中繼間密封圈的在長距離頂進中磨損而發(fā)生滲漏。同時，施工中控制好注漿減阻的施工管理，針對性調(diào)整中繼間位置和數(shù)量。

（3）針對長距離頂進施工措施中，對泥漿減阻措施、掘進機和管內(nèi)供電措施、通風(fēng)系統(tǒng)改進和頂管軸線控制措施進行了系列優(yōu)化。