黃永春

(上海城建市政工程(集團(tuán))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(kāi)發(fā)上被越來(lái)越多地采用，同時(shí)，得益于施工工藝的持續(xù)發(fā)展，超大直徑頂管的頂進(jìn)距離也越來(lái)越長(zhǎng)。大直徑、長(zhǎng)距離頂管的施工技術(shù)的研究對(duì)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(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)[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(yuǎn)東3#（含）之間的輸送總管頂進(jìn)工程，以項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的施工參數(shù)和控制措施為基礎(chǔ)，對(duì)大口徑頂管在長(zhǎng)距離頂進(jìn)過(guò)程中關(guān)鍵性問(wèn)題和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。詳細(xì)論述了其中泥水平衡和進(jìn)排泥系統(tǒng)的改進(jìn)措施、中繼間設(shè)置方案、泥漿減阻改進(jìn)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(zhǎng)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(yuǎn)東3#（含）之間的輸送總管頂進(jìn)工程，采用DN4000鋼筋混凝土管，總長(zhǎng)度8 708.8 m，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大直徑的混凝土頂管工程項(xiàng)目。其中，迎賓7#~迎賓8#頂程，起點(diǎn)為迎賓8#井，為工作井，終點(diǎn)為迎賓7#井（接收井）。該段頂管頂程為雙向1 125 m，為長(zhǎng)距離直線頂管頂進(jìn)。頂管頂部覆土埋深8.74~9.78 m。工程的平面見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面示意圖

頂管采用泥水平衡式頂管機(jī)頂進(jìn)施工，頂管機(jī)直徑4 660 mm。隧道結(jié)構(gòu)、DN4000F型鋼筋混凝土管，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(zhǎng)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(bào)告分析，頂管頂進(jìn)主要位于④層淤泥質(zhì)粘性土。④層為軟粘性土層，頂進(jìn)阻力較小，但其強(qiáng)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(dòng)，容易導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)。

頂管穿越的土層性質(zhì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。頂管區(qū)間剖面見(jiàn)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(jìn)措施

2.1 長(zhǎng)距離頂管泥水系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)分析

泥水平衡頂管工法的特征是在頂管前部的機(jī)械切削式刀盤(pán)附近安裝隔板，形成密閉的泥水壓力倉(cāng)，將加壓的泥水送入壓力倉(cāng)中，使開(kāi)挖面穩(wěn)定。在施工過(guò)程中，通過(guò)掘進(jìn)機(jī)頭部的切削刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行工作面的破碎，切削下來(lái)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(jī)的泥水壓力倉(cāng)底部泵送至地表的分離裝置，將泥土與泥水進(jìn)行分離，分離后的平衡介質(zhì)可以進(jìn)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(zhǎng)距離頂管出土的順利。

本工程綜合考慮進(jìn)排泥流量、頂進(jìn)速度、頂進(jìn)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(jìn)水量?jī)?yōu)先等級(jí)，并根據(jù)上述參數(shù)的變化通過(guò)程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整[3]。

2.2 泥水系統(tǒng)針對(duì)性改進(jìn)措施

基于上述分析和工程土質(zhì)情況，對(duì)頂管內(nèi)的泥水系統(tǒng)進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。頂管機(jī)泥水艙系統(tǒng)示意見(jiàn)圖3。

圖3 頂管機(jī)泥水系統(tǒng)示意圖

其中，1、2、5、6號(hào)閥門(mén)是控制高壓水進(jìn)入進(jìn)泥倉(cāng)中，為遙控調(diào)節(jié)閥。當(dāng)持續(xù)頂進(jìn)過(guò)程中，進(jìn)泥艙內(nèi)土質(zhì)發(fā)生變化，土體變的較硬較粘時(shí)，可打開(kāi)這4個(gè)閥門(mén)，高壓水就會(huì)從這4個(gè)管道噴射到進(jìn)泥倉(cāng)中，把較硬較粘的泥土打松散，以減小刀盤(pán)扭矩及頂力，保證進(jìn)泥通暢。另外，排泥倉(cāng)設(shè)計(jì)有一道凹槽，有可能在長(zhǎng)距離頂進(jìn)過(guò)程中發(fā)生泥砂堆積，增加刀盤(pán)扭矩和頂力并可能阻塞進(jìn)泥口，這時(shí)可打開(kāi)3、4號(hào)閥門(mén)讓高壓水進(jìn)入排泥倉(cāng)中，沖走囤積泥砂等雜物質(zhì)。

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

管內(nèi)出土系統(tǒng)布置示意見(jiàn)圖4。

圖4 長(zhǎng)距離頂管出土系統(tǒng)布置示意圖

3 長(zhǎng)距離頂進(jìn)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(tái)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(jī)后方20~50 m的位置?，F(xiàn)確定設(shè)置在機(jī)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(jì)算確定：

S'=0.6×12 000/（3.14×4.64×2）=247 m

因此，對(duì)本工程各頂進(jìn)區(qū)間，第一套中繼間布置在機(jī)頭后方50 m位置，以后每間隔250 m布置一套中繼間，單個(gè)頂程中繼間布置3個(gè)，見(jiàn)表2。

表2 中繼間設(shè)置情況

根據(jù)實(shí)際的施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)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(shí)際摩阻力情況進(jìn)行調(diào)整。另外，在安放完第一個(gè)中繼間以后先使用一下，如果發(fā)現(xiàn)與計(jì)劃有較大差距就必須對(duì)計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。

3.3 中繼間設(shè)計(jì)

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(tái)中繼間油缸，每臺(tái)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(shí)際控制頂力為12 000 kN），留有足夠的安全余度，見(jiàn)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(zhǎng)度L=1 950 mm。中繼間內(nèi)配置160 t油缸30只，油缸最大推進(jìn)行程S=500 mm，采用單獨(dú)的ZB520-高壓油泵及管路，最大推進(jìn)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(guò)立車(chē)切削加工。

圖5 中繼間

為每個(gè)中繼間配置一個(gè)液壓動(dòng)力泵站和相關(guān)控制程序，實(shí)現(xiàn)中繼間內(nèi)所有油缸的聯(lián)動(dòng)。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(tái)上。

3.4 中繼間防滲漏措施

中繼間在長(zhǎng)距離頂進(jìn)過(guò)程中，往往因?yàn)樯炜s次數(shù)過(guò)多而造成密封圈摩損失效，進(jìn)而發(fā)生漏水、漏泥砂、漏漿等現(xiàn)象。

為了避免上述現(xiàn)場(chǎng)，本次中繼間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用徑向可調(diào)密封形式，并設(shè)二道密封圈。為減輕頂進(jìn)時(shí)密封圈的摩損，在二道密封圈之間設(shè)置6只可以壓注潤(rùn)滑油脂的油嘴，構(gòu)成組合式密封中繼間，見(jiàn)圖6。中繼間設(shè)計(jì)還方便了密封裝置在常壓下對(duì)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(zhǎng)距離頂進(jìn)過(guò)程中施工措施

4.1 泥漿減阻的技術(shù)措施

長(zhǎng)距離頂進(jìn)對(duì)減阻泥漿的性能要求及泥漿套形成非常嚴(yán)格，穩(wěn)定的泥漿性能對(duì)于推進(jìn)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(jìn)的保障。頂進(jìn)時(shí)，通過(guò)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(jìn)時(shí)的頂力[4-5]。

采用傳統(tǒng)的膨潤(rùn)土泥漿作為主料，根據(jù)管道周?chē)翆拥念悇e、膨潤(rùn)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(rùn)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(dòng)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(jiàn)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(diǎn)：

（1）減阻泥漿中催化劑、化學(xué)添加劑應(yīng)攪拌均勻，膨潤(rùn)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(zhǎng)頂管頂進(jìn)時(shí)，普通的壓漿泵無(wú)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(duì)泥漿進(jìn)行接力輸送。它不僅保證前方掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中同步注漿的壓力和漿量，也承擔(dān)后方管道的泥漿補(bǔ)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(gè)壓漿接力站，二套管路系統(tǒng)。一根專門(mén)用于掘進(jìn)機(jī)尾部的同步注漿，另一根用于補(bǔ)漿，見(jiàn)圖7。

圖7 長(zhǎng)距離頂管的注漿管路系統(tǒng)圖

（3）為了準(zhǔn)備控制和及時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)施工參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

4.2 長(zhǎng)距離頂管供電

考慮頂管管道內(nèi)高壓供電安全性問(wèn)題，采用380 V低壓電壓輸電，但為了解決長(zhǎng)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(chē)、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(guò)10只照明燈。相應(yīng)地隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加，變壓器也應(yīng)相應(yīng)增加。

在掘進(jìn)機(jī)和中繼間處安裝應(yīng)急照明系統(tǒng)，便于突然停電時(shí)，施工人員的安全撤離和進(jìn)場(chǎng)檢修。

4.3 長(zhǎng)距離頂管軸線控制措施

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

（1）在施工過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻注意軸線偏差發(fā)展的趨勢(shì)。糾偏的原則是：勤測(cè)勤糾，讓偏差保持在較小的波動(dòng)范圍內(nèi)。嚴(yán)格控制糾偏角度，嚴(yán)禁大角度糾偏；

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

（3）頂管機(jī)糾偏油缸加設(shè)壓力監(jiān)控裝置，通過(guò)油缸的不同區(qū)域的糾偏壓力來(lái)分析預(yù)測(cè)頂管機(jī)周?chē)黄胶馔饬颓斑M(jìn)軌跡，為糾偏操作提供參考。

（4）頂管機(jī)內(nèi)設(shè)有遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，在地面操作室內(nèi)TV顯示屏上顯示，同時(shí)將頂管機(jī)的姿態(tài)、糾偏角度和糾偏油缸行程等信息實(shí)時(shí)顯示在頂管機(jī)操作系統(tǒng)中。現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)掌握頂進(jìn)施工全面信息，發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象及時(shí)采取相應(yīng)的措施。

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

（6）對(duì)工程控制點(diǎn)的復(fù)測(cè)工作都必須按規(guī)范要求進(jìn)行實(shí)施，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

4.4 長(zhǎng)距離頂管通風(fēng)

4.4.1 通風(fēng)的目的及標(biāo)準(zhǔn)

長(zhǎng)距離頂管施工過(guò)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(huì)逐漸降低，管內(nèi)濕度逐漸增大有毒有害氣體也會(huì)不斷累積，從而影響作業(yè)人員安全健康及頂管機(jī)電子元器件的正常運(yùn)行。因此，在管道施工過(guò)程中，全過(guò)程中采取通風(fēng)措施，加大管道內(nèi)空氣流通量，營(yíng)造良好的作業(yè)環(huán)境是非常有必要的[6]。

對(duì)于長(zhǎng)距離頂管采用由外向機(jī)頭送風(fēng)方式，使井內(nèi)空氣與井外空氣形成對(duì)流。同時(shí)在管道內(nèi)配備多功能有毒、有害、可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)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(diǎn)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(guò)32°，相對(duì)濕度不超過(guò)80%，噪音不超過(guò)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(zhǎng)度L=1 125 m，管內(nèi)作業(yè)時(shí)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(jī)通過(guò)DN150PVC管道沿工作井底部進(jìn)入管道，把新鮮空氣一直送至端部機(jī)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(jìn)，通風(fēng)管也應(yīng)在管道口的位置相應(yīng)接長(zhǎng)。

通風(fēng)機(jī)采用BSH-150型羅茨鼓風(fēng)機(jī)。排出壓力 58.8 kPa，進(jìn)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(shí)，應(yīng)采用小型排風(fēng)機(jī)，防止煙氣進(jìn)入管道。

5 施工實(shí)績(jī)

迎賓7#~迎賓8#頂程兩段頂管，北線先行施工，共頂進(jìn)混凝土管444節(jié)，歷時(shí)70 d，南線后行施工，間隔290環(huán)，共頂進(jìn)混凝土管445節(jié)，歷時(shí)53 d。頂管推進(jìn)施工過(guò)程正常進(jìn)行，頂進(jìn)速度約為18~20 m/d。頂進(jìn)過(guò)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(jìn)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(jī)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(dá)到設(shè)計(jì)要求及施工預(yù)定目標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)超大直徑、長(zhǎng)距離頂管的特點(diǎn)，通過(guò)組合式閥門(mén)的布置方式改進(jìn)了泥水管路系統(tǒng)，并通過(guò)特殊的接力泵形式解決了長(zhǎng)距離頂管的出土問(wèn)題。

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

（3）針對(duì)長(zhǎng)距離頂進(jìn)施工措施中，對(duì)泥漿減阻措施、掘進(jìn)機(jī)和管內(nèi)供電措施、通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)和頂管軸線控制措施進(jìn)行了系列優(yōu)化。