黃智剛

(福州水務(wù)平潭引水開發(fā)有限公司，福建 福州 350000)

1 引 言

頂管施工是一種現(xiàn)代化的非開挖地下管道施工技術(shù)，具有土方工程量少、環(huán)境影響小、施工工期短、綜合成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)、原油通信管道工程及公路鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。當(dāng)頂管穿越江河時，與圍堰施工和沉管施工相比較具有回填量小、不受季節(jié)洪水影響、對通航?jīng)]有影響等優(yōu)點[1]，但其對河床地質(zhì)要求高，施工技術(shù)復(fù)雜難度大，施工技術(shù)研究和質(zhì)量控制尚需進(jìn)一步提升和完善。

魏綱等[2]對某頂管工程進(jìn)行了地面變形、孔隙水壓力、深層土體移動、地下水位、土壓力以及頂管施工現(xiàn)場記錄的監(jiān)測，結(jié)果表明土體擾動受地質(zhì)條件、施工方法和現(xiàn)場控制程度的影響，其中現(xiàn)場控制程度的影響最大。余劍鋒[3]對頂管施工引起的地表變形進(jìn)行解析計算和數(shù)值模擬研究，得出頂管施工過程中和施工后的地表變形規(guī)律。李萬才[4]利用注漿減摩技術(shù)，在土層和頂管外壁注入潤滑液以減少摩擦阻力，可有效降低頂進(jìn)阻力。任宇寧等[5]以廈門新機(jī)場翔安東路過海段頂管施工為例，介紹了CT探測技術(shù)在復(fù)雜地層頂管施工中可還原真實的地質(zhì)情況。然而上述研究多集中于頂管的力學(xué)性能研究，對施工過程的質(zhì)量控制研究較少。

鑒于此，本文以福建省平潭及閩江口水資源配置工程為例，對長距離頂管施工的難點問題進(jìn)行梳理與總結(jié)，并提出相應(yīng)的施工方法和質(zhì)量控制措施，為今后類似工程施工提供參考。

2 工程概況

2.1 頂管布置情況

福建省平潭及閩江口水資源配置工程第3標(biāo)段詳謙農(nóng)場—城門水廠段頂管，頂管始發(fā)井樁號為QC3+828.672，接收井樁號為QC2+690.993。頂管采用DN2000鋼管，全長1137.679m。頂管材料采用Q355B(鎮(zhèn)靜鋼)，直縫埋弧焊制，管節(jié)長度7.2m。

頂管始發(fā)后，首先以3.5°曲線下坡入土，以半徑6000m的曲線頂進(jìn)過渡到水平直線段頂進(jìn)，水平直線段總長183.501m(樁號：QC3+217.26～QC3+400.761)，最后再以半徑6000m的曲線頂進(jìn)過渡到坡度為2.5°的上坡段出土頂進(jìn)至接收井，頂管從全—強(qiáng)風(fēng)化巖層穿越至中砂淤泥層。

2.2 工程地質(zhì)

烏龍江主河道寬約2.951km，河道底高程-5～-15m。兩岸地形右岸較緩而左岸較陡，根據(jù)鉆孔揭示，管道區(qū)地表多為第四系全新統(tǒng)長樂組沖海積層淤泥和中砂層覆蓋，厚30～50m，管道區(qū)地下水類別主要為孔隙潛水，烏龍江河道水深5～15m，兩岸地下室埋深于第四系全斷統(tǒng)長樂組沖海積層淤泥中，地下水位0～1.5m。

根據(jù)勘探資料分析，頂管段巖土層主要有淤泥、中砂、弱—強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、砂質(zhì)黏土與全風(fēng)化基巖、淤泥和中砂層，利于頂管施工，但后段約541m為強(qiáng)—弱風(fēng)化凝灰熔巖，頂管施工難度較大。

3 施工難點分析及控制措施介紹

3.1 施工測量控制技術(shù)難度大

頂管施工測量工作是為了確保每節(jié)管道中心線符合施工圖紙要求，這也是頂管精準(zhǔn)施工的關(guān)鍵。頂管施工中的測量工作可分為以下四個部分。

3.1.1 地上平面、高程控制測量

由于地面測量誤差所引起的橫向貫通中誤差的允許值，可用式(1)表達(dá)：

m橫允=±Δ

(1)

式中m橫允——橫向貫通中誤差，mm；

Δ——總的橫向貫通中誤差，mm。

可知，地面控制測量誤差將是總橫向中誤差的0.58倍，占比非常大，絕不如忽視。

3.1.1.1 地面平面控制網(wǎng)的布設(shè)與施測

布設(shè)地面控制網(wǎng)時的主要原則有：導(dǎo)線的各個邊長盡量相等，導(dǎo)線點的俯仰角不大于±32°，近井點要設(shè)置為強(qiáng)制對中點，并經(jīng)常對近井點進(jìn)行復(fù)測，地面平面控制網(wǎng)邊長相對中誤差不超過±3mm，角度相對中誤差不超過±4″[6]。

3.1.1.2 高程控制網(wǎng)的布設(shè)與施測

在復(fù)核精密水準(zhǔn)點之后進(jìn)行地上高程控制測量，以給定的精密水準(zhǔn)點為依據(jù)，根據(jù)施工進(jìn)度需要對施工現(xiàn)場臨時水準(zhǔn)點進(jìn)行加密測量，也可將已知高程引測到近井點上，隧道高程貫通誤差通過精密水準(zhǔn)聯(lián)測來控制[7]。施工前、施工中期和進(jìn)洞前須進(jìn)行高程控制復(fù)測。

3.1.2 地上與地下平面、高程聯(lián)系測量

地上與地下聯(lián)系測量是為了將地上點與地下點的平面坐標(biāo)和高程合并到同一個測量系統(tǒng)中，從而為地下各類測量提供可靠依據(jù)，提高地下測量的準(zhǔn)確性[8]。平面控制加密控制網(wǎng)的技術(shù)要求見表1。

表1 平面控制加密控制網(wǎng)的技術(shù)要求

3.1.2.1 地上與地下平面聯(lián)系測量

地上與地下平面聯(lián)系三角形測量(俗稱定向或方向傳遞)主要采用兩井定向法和直傳法[9]。

為了確保地下測量點的準(zhǔn)確性，將在工程中采用聯(lián)系三角形對地下控制點進(jìn)行復(fù)核。采用三根鋼絲，以兩組方位傳遞的方式傳遞至井下固定起始邊，其中固定邊長度不應(yīng)小于200m，整個頂管區(qū)間定施測次數(shù)不得少于三次，三次互差不得超過8″～10″。

3.1.2.2 地上與地下高程聯(lián)系測量

高程聯(lián)系測量主要是將地上精密水準(zhǔn)點的已知高程傳遞到地下臨時水準(zhǔn)點上，也就是將地下與地上高程數(shù)據(jù)合并到同一個測量系統(tǒng)[10]。

高程控制加密的技術(shù)要求見表2。

表2 高程控制加密的技術(shù)要求

高程傳遞采用懸吊鋼尺的方法進(jìn)行，見圖1，整個頂管施工中高程點的傳遞次數(shù)不得少于三次。使用與鋼尺標(biāo)準(zhǔn)拉力等量的重錘將鋼尺懸掛在工作井內(nèi)，地面和工作井中的水準(zhǔn)儀同時進(jìn)行觀察，視線高最大高差不得大于2～3mm。井下布設(shè)2～3個地下起始高程控制點。

圖1 水準(zhǔn)測量示意圖

3.1.3 地下平面、高程控制測量

地下平面控制測量采用布設(shè)支導(dǎo)線的方式進(jìn)行[11]。井下導(dǎo)線的起始邊為定向測量結(jié)果，導(dǎo)線布設(shè)為等邊直伸導(dǎo)線，隨著頂管頂進(jìn)依次布設(shè)地下頂管貫通導(dǎo)線點，在測量定向過程中，布設(shè)交叉導(dǎo)線即雙導(dǎo)線，由兩條交叉導(dǎo)線測得每一個新導(dǎo)線點的坐標(biāo)，取其平均值作為新點的測量數(shù)據(jù)，采用單導(dǎo)線左右角觀測法等有效測量手段來收斂地下導(dǎo)線重點自由度，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高測量精度。

3.1.4 頂管中心線控制測量

頂管頂進(jìn)軸線誤差直接影響進(jìn)洞姿態(tài)與地表沉降，測量誤差過大，將導(dǎo)致進(jìn)洞時頂管機(jī)頭與洞口難以對準(zhǔn)，影響管道的整體軌跡，需要花費大量的人力和時間對誤差進(jìn)行糾偏，頂進(jìn)效率大幅下降，因此必須在管道頂進(jìn)過程中進(jìn)行實時測量[12]。

本頂管工程為直線段+曲線段的布置形式，且曲線段的曲率半徑為6000m，為保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在頂管施工過程中，采用綜合測量方法，分兩步進(jìn)行量測：起始下坡可以通視段頂管施工采用激光經(jīng)緯儀測軸線、水準(zhǔn)儀復(fù)測高程；工作井內(nèi)無法通視后的頂管施工采用全站儀測軸線、水準(zhǔn)儀復(fù)測高程。

3.1.4.1 通視段軸線測量

利用激光經(jīng)緯儀測量軸線，水準(zhǔn)儀復(fù)測高程。測量過程為：在測量臺上架設(shè)激光經(jīng)緯儀，使儀器中心平面及高程與頂管軸線相一致，激光走向與設(shè)計軸線相一致，在頂管機(jī)后殼體上固定安裝激光接收裝置，激光點在光靶上能夠準(zhǔn)確反映機(jī)頭在水平方向與豎直方向的偏移，通過觀測激光點走向以確定頂管在頂進(jìn)過程中的偏離值。激光經(jīng)緯儀測量見圖2。

圖2 激光經(jīng)緯儀測量示意圖

3.1.4.2 無法通視后軸線測量

沿著頂進(jìn)軸線，激光經(jīng)緯儀激光導(dǎo)向無法滿足施工要求，因此采用全站儀進(jìn)行測量。由于本工程長距離頂管，并有曲線，不能從井內(nèi)直接測量到頂管機(jī)靶心坐標(biāo)，因此管道內(nèi)必須設(shè)置轉(zhuǎn)點。測量方法為：在機(jī)頭尾部安放棱鏡，從工作井出發(fā)，以出洞口中心點為起始測點A，由于起始測點的坐標(biāo)已知，利用全站儀測量結(jié)果可以確定下一測點C的平面、高程坐標(biāo)，接力至機(jī)尾測點，通過機(jī)尾測點計算出頂管機(jī)切口的平面、高程坐標(biāo)。編制相應(yīng)的專用計算機(jī)程序，輸入相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，便可得出頂管的偏離值，頂管機(jī)的姿態(tài)一目了然。全站儀測量示意見圖3。

圖3 全站儀測量示意圖

3.2 頂管機(jī)的姿態(tài)控制難度大

在管道頂進(jìn)過程中，對頂管機(jī)的所處位置與管道設(shè)計軸線的關(guān)系要進(jìn)行實時監(jiān)測，以便在機(jī)器出現(xiàn)偏差之前采取適當(dāng)?shù)拇胧┍苊鈾C(jī)器超出誤差所允許的范圍(即實時糾偏)。長距離頂管施工時碰到的最大困難是隨著施工的進(jìn)行整條管道都處于連續(xù)運動狀態(tài)，所以按照傳統(tǒng)的方法不可能在已被頂入的管道上設(shè)置基準(zhǔn)點來為后續(xù)的施工提供測量服務(wù)，頂進(jìn)過程中的頂管機(jī)姿態(tài)控制難度大[13]。為解決以上問題，本工程采用SLS-RV頂管激光導(dǎo)向系統(tǒng)作為頂管機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)，利用軟硬件結(jié)合的優(yōu)勢, 為頂管機(jī)位置的實時測量，特別是在掘進(jìn)過程中頂管機(jī)的姿態(tài)測量提供了一條新的途徑。

SLS-RV頂管激光導(dǎo)向系統(tǒng)可以實現(xiàn)對頂管機(jī)姿態(tài)的自動實時監(jiān)控，并對長距離復(fù)雜線路的頂管施工進(jìn)行精確的導(dǎo)向；系統(tǒng)采用可編程機(jī)動激光全站儀及自動追蹤活動激光靶，以數(shù)字和圖形兩種形式將頂管機(jī)的姿態(tài)信息顯示在操作人員面前；在測量工程中可以自動對已安裝的管道進(jìn)行測量，生成導(dǎo)向基準(zhǔn)線，并顯示頂管機(jī)的趨向；可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)的自動存檔。SLS-RV主操作界面見圖4。

傳統(tǒng)的測量方法為了確定頂管機(jī)的準(zhǔn)確位置，每一次測量都必須從工作井開始重新測量一遍數(shù)據(jù)，隨著施工的進(jìn)行，管道長度增加，測量時間和測量難度也逐步增大，時間和人力的成本顯著增加，并且原有的測量方法只能在頂管機(jī)停止掘進(jìn)的情況下進(jìn)行測量，在頂管機(jī)掘進(jìn)過程中無法控制頂管機(jī)姿態(tài)，只能在掘進(jìn)完成后發(fā)現(xiàn)偏差進(jìn)行事后糾偏， 而采用SLS-RV系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向則可以實現(xiàn)對頂管機(jī)和整段管道具體坐標(biāo)以及頂管機(jī)姿態(tài)的實時測量，為工作人員提供及時、準(zhǔn)確的糾偏數(shù)據(jù)。

圖4 SLS-RV主操作界面

3.3 中繼間施工技術(shù)要求及閉合要求嚴(yán)格

3.3.1 中繼間設(shè)計

中繼間是解決長距離頂進(jìn)施工頂力過大最有效的措施之一。本工程頂管中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式鋼結(jié)構(gòu)件。中繼間采用雙道徑向可調(diào)的橡膠密封，另增加二道饅頭形橡膠止水圈。中繼間伸縮時密封裝置采用雙道徑向可調(diào)的橡膠密封圈，在雙道徑向可調(diào)的橡膠密封圈之間設(shè)置4只注油孔，以減少橡膠圈的磨損[14]。一道饅頭形橡膠止水圈用于頂管結(jié)束以后，切割法蘭和拆卸二道徑向可調(diào)的橡膠密封時的臨時防水。密封配合面應(yīng)經(jīng)過立車的精加工，并經(jīng)過拋光處理，涂抹潤滑脂[15]。若在頂管過程中出現(xiàn)局部漏漿現(xiàn)象，也可以在端面設(shè)置一道盤根和法蘭止水的應(yīng)急措施。中繼間圖片見圖5。

圖5 DN2000中繼間照片

每套中繼間安裝24只雙作用油缸，總推力10000kN，油缸行程為500mm。為提高工程的可靠性，在每套中繼間處設(shè)一臺三柱式液壓動力機(jī)組，其液壓泵具有耐高壓的特性，尤其適用于中繼間使用。啟用時一名操作人員就可控制。中繼間主要參數(shù)見表3。

表3 中繼間主要參數(shù)

3.3.2 中繼間的間距確定

本工程中繼間設(shè)置根據(jù)相關(guān)建設(shè)規(guī)范要求，頂管機(jī)后方20～50m處布置第一道中繼間。后續(xù)中繼間布置按照式(2)計算確定。

S′=k(F3-F2)/(πDf)

(2)

式中S′——中繼間的間隔長度，m；

k——頂力的系數(shù)，一般取0.5～0.6。

F2——頂管機(jī)的迎面阻力，kN；

F3——控制頂力，kN；

f——管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2，取2～5kN/m2；

D——管道外徑，m。

根據(jù)式(2)，結(jié)合以往鋼頂管的施工經(jīng)驗，本工程需要設(shè)置7個中繼間才能滿足頂力要求，為了防止地質(zhì)變化、頂進(jìn)方向偏差等原因造成頂力增大，降低因為頂力增大而出現(xiàn)抱死的風(fēng)險，參考設(shè)計圖紙，將中繼間的個數(shù)增加到11個。

中繼間布置位置計算如下：因為第一個中繼間不但要克服地層的摩擦力，還要克服刀盤頂進(jìn)過程中的反作用力及曲線鋼頂管的線形控制，所以第一個中繼間一般安裝于頂管機(jī)后40～60m。本工程第一個中繼間布置于頂管機(jī)頭之后50m位置，第二個中繼間布置于頂管機(jī)后130m，后續(xù)第三至第十一個中繼間分別布置于230m、330m、430m、530m、630m、730m、830m、930m、1030m，主頂負(fù)責(zé)末端115m的頂進(jìn)力。

中繼間與鋼管焊接以后，為了增強(qiáng)啟用中繼間時管材和中繼間的整體剛性。在兩端焊接處增加筋板，筋板長度50mm，筋板高度15cm，間距30cm焊接一道筋板。

3.3.3 施工后的中繼間處理

為防止中繼間發(fā)生外側(cè)泥漿滲漏，可在頂管機(jī)進(jìn)入工作井后，對中繼間預(yù)留的注漿孔注入雙液漿；確保中繼間前后段和中繼間內(nèi)殼和外殼之間壓密注實[16]。

注漿完成后，從第一個中繼間起依次拆除油缸，并將空當(dāng)合攏；封堵注漿孔；割除多余的筋板，保留緊貼頂管內(nèi)壁的鋼板，端部割除鋼板后進(jìn)行焊接。焊接質(zhì)量按100%進(jìn)行超聲波檢測。

3.4 頂管穿越烏龍江的控制措施

頂管位于烏龍江江底巖土層，形為半徑6000m的豎曲線，最小覆土約8m，局部覆土較淺，須選擇適合的頂管施工工藝，避免形成流土、流沙造成土體塌陷或地層下降。

3.4.1 施工參數(shù)調(diào)整

泥水艙壓力是頂管施工的重要參數(shù)之一，其大小直接決定掘進(jìn)機(jī)前艙土壓力[17]。在淺覆土層中施工，若泥水艙壓力設(shè)置過大，容易造成淺覆土被頂穿，導(dǎo)致河水進(jìn)入頂管機(jī)前艙，影響頂管施工；泥水艙壓力設(shè)置過小，則頂管機(jī)無法支持前方土體，造成大量地層損失，引起過大沉降[18]。通過對淺覆土層的分析計算，并結(jié)合土體開挖面的性質(zhì)，最終確定頂管淺覆土施工中，泥水艙壓力控制在0.08～0.12MPa。

3.4.2 注漿方式改進(jìn)

膨潤土潤滑泥漿套的使用是頂管施工的重要步驟：一方面，可以有效地起到減摩降阻的作用，降低頂力值，使長距離頂進(jìn)成為可能；另一方面，可以補(bǔ)償一部分頂管開挖造成的地層損失，減小由此引起的土體位移，降低頂管施工對周圍環(huán)境的影響。

為了保證頂管施工中頂管機(jī)尾部注漿和管道沿線補(bǔ)漿的需要，使注入的膨潤土泥漿形成潤滑泥漿套，確保頂管正常頂進(jìn)，注漿時需要施加一定的注漿壓力[19]。本工程中注漿壓力控制在0.2MPa左右，由壓漿機(jī)提供壓力。在此壓力下，頂管潤滑泥漿套的形成見圖6。

圖6 潤滑泥漿套形成示意圖

淺覆土下頂管施工時，注漿壓力可能造成膨潤土泥漿穿透上覆土層的情況發(fā)生，此時，不僅無法形成潤滑泥漿套，影響頂管順利頂進(jìn)，而且浪費建材，損失大量配制膨潤土泥漿的材料，更嚴(yán)重的是污染河道，破壞周圍環(huán)境[20]。為防止這種情況發(fā)生，淺覆土下頂管施工時，掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾注漿及管道沿線補(bǔ)漿時，關(guān)閉上面兩只注漿孔，膨潤土泥漿通過下面兩只注漿孔，在注漿壓力下，也可形成泥漿套。

在中風(fēng)化凝灰熔巖中進(jìn)行頂進(jìn)的過程中，使用黏度大于30s的鈉基膨潤土，配合比1∶5～1∶6，在中砂層中頂進(jìn)時，配合比控制在1∶6～1∶8之間。

3.4.3 頂管淺覆土穿越控制方法

a.穿越掘進(jìn)的主要技術(shù)參數(shù)為：推進(jìn)速度2～3cm/min；均勻、慢速。

b.設(shè)置合理的水土壓力值，取靜止土壓力的1.00～1.05倍。

c.注漿方法：以管道下端注漿為主，管道上端注漿為輔，觸變泥漿的黏度適當(dāng)提高，注漿量相對減少，在管外壁形成完整的泥漿潤滑套。

d.減少進(jìn)入開挖面的泥水流量。在進(jìn)水管路中加入一定量的黏土和膨潤土泥漿，在刀盤切削面形成泥膜，提高開挖面的穩(wěn)定條件。

e.在穿越段保持勻速連續(xù)頂進(jìn)，避免停頓時間。如遇短時間停止，設(shè)置專人對泥水艙內(nèi)的泥水壓力進(jìn)行監(jiān)控；在停止頂進(jìn)前，須向泥水艙內(nèi)壓注一定量的膨潤土泥漿，在停止頂進(jìn)的過程中如遇壓力下降情況，也可向泥水艙內(nèi)注入膨潤土泥漿，以保持開挖面的平衡壓力[21]。

f.降低推進(jìn)速度，減少糾偏，特別是大量值糾偏。

g.淺覆土穿越后，在拆除觸變泥漿壓注孔接頭之前，必須采用純水泥漿對每個孔的球閥進(jìn)行固化，以避免管道出現(xiàn)后期沉降[22]。固化漿應(yīng)邊放漿邊壓注水泥漿，依次進(jìn)行，直到整個管道全部完成[23]。

4 結(jié) 語

a.福建省平潭及閩江口水資源配置工程越烏江頂管工程全長1137.679m，屬于超長距離頂管施工，測量工作量大且復(fù)雜，采用科學(xué)合理的施工測量體系，可以極大地提高測量精度，這是保證施工質(zhì)量的前提。

b.采用SLS-RV頂管激光導(dǎo)向系統(tǒng)作為頂管機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)，可在掘進(jìn)過程中對頂管姿態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)自動化程度高，可進(jìn)行實時糾偏，節(jié)約施工成本，提升施工效率。

c.合理的中繼間布置，可減少管道的頂力，保證長距離頂管施工中的頂力要求，增加管道頂進(jìn)長度，但會相應(yīng)地增加施工的材料費、機(jī)械費以及安裝和拆除費用，須從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，綜合考慮工程工期和成本，設(shè)置最佳的中繼間數(shù)量。

d.越江工程頂管施工過程中，通過施工參數(shù)的調(diào)整和注漿技術(shù)的改進(jìn)，適當(dāng)增大注漿壓力，減慢推進(jìn)速度，可有效減少地表沉降和管道豎向位移。

e.長距離頂管施工依然存在周圍土體干擾大、頂進(jìn)設(shè)備維修困難、焊接工藝要求高等問題，須通過大量的工程實踐，不斷總結(jié)施工成功經(jīng)驗，進(jìn)一步提升施工水平和施工效率，以達(dá)到節(jié)省工期和節(jié)約施工成本的目的。