方 華

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200070

垂直頂升目前在大直徑長距離盾構(gòu)中已有應(yīng)用，但因其垂直度難以控制導(dǎo)致重復(fù)頂升的通病亟待解決，而在小直徑盾構(gòu)隧道中，垂直頂升施工難度更高。長距離小直徑盾構(gòu)隧道具有承載力較小、設(shè)備布置難、盾構(gòu)臺車超長等多個特點(diǎn)，使得垂直頂升的施工技術(shù)難度大大增加。

本文結(jié)合工程實(shí)際，研究解決長距離小直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)測量專用垂直頂升頂力對小直徑盾構(gòu)隧道沉降影響大，垂直頂升位置與臺車斷開和糾偏距離之間的矛盾，以及垂直頂升垂直度控制難制約盾構(gòu)進(jìn)洞測量的難題[1-2]。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某工程為穿越長江的天然氣主干管道越江隧道工程，采用小直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)（直徑4 110 mm）進(jìn)行推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)臺車長206 m，隧道長度達(dá)到8.237 km，用于安裝超高壓天然氣管道。圓隧道的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為3.40 m，外徑為3.96 m，襯砌厚280 mm，環(huán)寬為1.35 m，裝配式襯砌環(huán)全環(huán)分成6塊，由小封頂F、2塊鄰接塊L和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊B構(gòu)成。采用通用楔形襯砌環(huán)形式，環(huán)間錯縫拼裝。

1.2 垂直頂升概況

垂直頂升穿越土體高度26 m，頂升管高度30 m，頂升管外徑0.72 m。垂直頂升需要臨時斷開臺車方能實(shí)施，為保證垂直頂升可靠性，盾構(gòu)推進(jìn)時預(yù)設(shè)間距5～6環(huán)的2個垂直頂升特殊鋼管片（非全環(huán)鋼管片，僅頂升孔一片為鋼管片），采用“一用一備”的方式，垂直頂升測量采用單孔貼片＋陀螺全站儀測量方法（圖1）。

圖1 垂直頂升測量方法示意

2 垂直頂升穿越土層情況

根據(jù)詳勘報告，擬建場地地層平面分布及深度如下：①1吹填土厚約0.8 m、②3-1砂質(zhì)黏土厚約3.0 m、②3-3粉砂厚約7.0 m、②3-4黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土厚約3.2 m、④淤泥質(zhì)黏土厚約7.0 m，管道位于⑤1-1黏土頂面下約5.0 m處，且以⑤1-1黏土作為反力承載區(qū)。

3 垂直頂升施工技術(shù)

3.1 頂升位置的選取

根據(jù)盾構(gòu)的掘進(jìn)糾偏能力以及超長距離隧道的測量偏差預(yù)估。垂直頂升位置至少距離工作井200 m。隧道過崇明島大堤后即到達(dá)工作井，中間大堤與工作井之間距離均只有60 m左右且有河道和道路設(shè)施，導(dǎo)致了這些距離范圍內(nèi)不適合設(shè)置垂直頂升孔位。

根據(jù)調(diào)查，崇明島大堤南有一段灘涂，標(biāo)高范圍1.0～3.4 m不等。灘涂處長江近年水位平均標(biāo)高2.0 m，高潮時可達(dá)到3.6 m，低潮時可降至0.6 m。灘涂區(qū)域距離工作井在200～250 m之間，基本滿足頂升位置要求。灘涂區(qū)域垂直頂升管需高于高潮水面，測量作業(yè)盡量利用潮汐窗口期進(jìn)行。

隧道內(nèi)部，盾構(gòu)臺車長度200 m，選擇在臺車70 m處臨時拆除連接板，保留大部分盾構(gòu)機(jī)功能的前提下，停機(jī)垂直頂升。

3.2 垂直頂升的頂力參數(shù)確定

根據(jù)使用功能需要，垂直頂升管需高于最高水面，長度約30 m，外徑720 mm，壁厚15 mm。其中需穿越土層厚度26 m。

3.2.1 頂力估算一

根據(jù)DG/T J08-2049—2016《頂管工程施工規(guī)程》，垂直頂升的最大頂力估算，可按式（1）計算：

經(jīng)計算，最大頂力為1 092.7 kN，其中：頂蓋處水壓力值58.7 kN，頂蓋處土的破土力值368 kN，頂升管壁與土的摩阻力值588 kN，管節(jié)重力78 kN。

3.2.2 頂力估算二

根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。計算模式為頂升管上端的土柱受剪切。根據(jù)地質(zhì)報告、施工規(guī)范及現(xiàn)場情況，頂推力估算相關(guān)參數(shù)確定如下：穿越土體高度26 m，頂升管高度30 m，頂升管外徑0.72 m，頂升管壁厚0.015 m，土的加權(quán)平均重度18 kN/m3，破土阻力500 kN/m2，海水深度4 m，摩阻力10 kN/m2。

經(jīng)計算，最大頂力為1 130.3 kN，其中：土壓力215.6 kN，水壓力18.4 kN，管重力78 kN，破土阻力230.3 kN，摩阻力588 kN。

出于頂進(jìn)施工安全考慮，最大頂力選用上述估算中的較大值，即1 130.3 kN，同時留有1.5倍的安全系數(shù)，即總頂力按1 695 kN考慮。主頂油缸采用4只800 kN的油缸，共計3 600 kN的推力，頂進(jìn)時頂力控制在1 300 kN以內(nèi)，以保證安全。如果所需頂力大于1 300 kN，應(yīng)立即停止上升頂進(jìn)施工，查明原因并經(jīng)研究討論后再繼續(xù)頂進(jìn)施工。

3.3 垂直頂升成套設(shè)備研究與設(shè)計

3.3.1 垂直頂升反力基礎(chǔ)設(shè)計

由于臺車難以實(shí)現(xiàn)拉開后復(fù)原，根據(jù)現(xiàn)場情況考慮僅利用臺車間距斷開空間垂直頂升，垂直頂升的反力基礎(chǔ)（分載梁）與現(xiàn)場預(yù)制塊相結(jié)合，反力基礎(chǔ)采用分段制作、現(xiàn)場連接。

垂直頂升分載梁反力基礎(chǔ)采用與盾構(gòu)推進(jìn)臺車軌枕相結(jié)合的預(yù)制拼裝式垂直頂升分載梁，將頂升反力平均分布于整段隧道結(jié)構(gòu)，確保隧道本身施工質(zhì)量與安全。該分載梁采用鋼結(jié)構(gòu)制作，高度為隧道內(nèi)緣最低點(diǎn)至臺車行走軌道底面的高差，徑向（隧道軸線方向）寬度為一環(huán)隧道襯砌環(huán)管片寬度（圖2）。

圖2 與臺車軌枕相結(jié)合的預(yù)制拼裝式分載底座示意

3.3.2 頂升架設(shè)計

受現(xiàn)場條件限制，本工程頂力架采用圓環(huán)式鋼板頂升架，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 頂升架示意

采用4個800 kN的同步主頂升千斤頂和整體式頂升架組成，4個主頂升千斤頂采用1個具有4個獨(dú)立液壓控制閥的同步液壓泵站提供液壓，并且4個主頂升千斤頂均設(shè)置行程儀，可判斷千斤頂是否同步頂進(jìn)；4個主頂升千斤頂上下左右對稱布置，具有徑向和左右4個方向的垂直度調(diào)控能力。

3.3.3 垂直頂升止退環(huán)設(shè)計

止退環(huán)采用9根φ30 mm高強(qiáng)度螺栓固定頂升管節(jié)，止退環(huán)下部采用3根20#槽鋼支撐，采用止退鋼管插銷可以將管節(jié)和止退架卡住。止退環(huán)安裝如圖4所示。

圖4 止退環(huán)示意

3.3.4 垂直頂升預(yù)留悶蓋設(shè)計

垂直頂升的預(yù)留悶蓋采用圓錐形，悶板上安裝4個高壓水龍頭。在頂進(jìn)過程中，遇到頂力較大時，啟動高壓龍頭對頂進(jìn)方土層進(jìn)行沖刷，以減小頂進(jìn)時的破土阻力。在頂部第2節(jié)管壁上預(yù)留4個φ25 mm注漿孔，必要時進(jìn)行觸變泥漿壓注〔觸變泥漿采用高分子添加劑（聚丙烯酰胺）配制，增強(qiáng)觸變泥漿的減阻性能〕。預(yù)留悶蓋中心需精加工預(yù)留激光筆安裝口，采用激光筆確定垂直度，可以避免長距離垂直頂升鉛垂線接長的質(zhì)量和安全風(fēng)險，提高垂直度控制的施工效率（圖5）。

圖5 垂直頂升悶蓋示意

3.3.5 管節(jié)接頭設(shè)計

考慮到隧道內(nèi)施工的特殊性，電焊作業(yè)不滿足隧道內(nèi)的通風(fēng)防火要求，故本工程的管節(jié)采用插銷連接，每節(jié)管長1.0 m左右。管節(jié)采用壁厚15 mm的鋼管加工定制，上下管節(jié)間通過內(nèi)插鋼管連接，內(nèi)插鋼管與下節(jié)管段在工廠內(nèi)通過焊接連接，內(nèi)插鋼管與上節(jié)管段在現(xiàn)場通過插銷連接，插銷連接固定后采用點(diǎn)焊加固。插銷孔沿管節(jié)徑向等距布置在承插口中間位置，孔徑20 mm。在承口的插銷孔上側(cè)軋制2道5 mm深凹槽，安裝φ8 mm的“O”形氯丁橡膠密封圈（圖6）。

圖6 管節(jié)接頭示意

3.3.6 止水結(jié)構(gòu)設(shè)計

垂直頂升專用鋼管片預(yù)留的頂升孔和悶蓋之間有1道楔形密封橡膠圈，預(yù)留頂升孔直徑為D，垂直頂升管直徑d＝D－2 mm，使垂直頂升管與預(yù)留頂升孔之間存在一定的活絡(luò)度，在隧道軸線和旋轉(zhuǎn)具有施工誤差時，可以通過初始調(diào)節(jié)鉛垂度控制垂直頂升的始發(fā)垂直度。

垂直頂升頂進(jìn)過程中的施工止水，在上述楔形密封橡膠圈的基礎(chǔ)上，采用扎蘭將2道圓形橡膠密封圈、中間夾1道壓環(huán)、螺旋緊固壓環(huán)套在垂直頂升管外圍并固定于垂直頂升專用鋼管片上，通過螺旋緊固壓環(huán)的螺栓擰緊，可以擠壓圓形橡膠密封圈變形，具有垂直頂升施工止水的作用。扎蘭預(yù)留有聚氨酯注入口，在擰緊螺栓無法止水的情況下，可以注入聚氨酯以到達(dá)止水效果（圖7）。

圖7 垂直頂升施工止水結(jié)構(gòu)

3.4 垂直頂升施工控制點(diǎn)

3.4.1 分層注漿

利用預(yù)制垂直頂升分載梁預(yù)留注漿孔位置和管片預(yù)留注漿孔，對隧道周圍土體進(jìn)行分層注漿加固。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿加固，使隧道地基土體得到快速加固。加固范圍為隧道底部下半圓外圓弧以外0～2 m土體。分層注漿漿液分甲、乙兩液：甲液配合比為水∶水泥∶膨潤土＝120 kg∶200 kg∶10 kg；乙液為水玻璃50 kg，加適量水稀釋。另外，再在甲、乙兩液中分別加入適量的促進(jìn)劑，甲、乙兩液配比（體積比按1∶1）由現(xiàn)場試驗確定，初凝時間為10～20 min，必要時確定為30～60 s。上述漿液配合比僅考慮注漿為一次性施工，如注漿孔需多次打開重復(fù)，應(yīng)適當(dāng)降低水玻璃用量或采用單液漿，以保證再次注漿時注漿孔能順利被打開。依據(jù)漿液具體配比，分別配制甲液、乙液，按比例混合后，立即注漿，以保證混合液通過注漿管最短時間內(nèi)注入土體，避免管內(nèi)凝固。垂直頂升需在注漿完成7 d以后進(jìn)行，以保證地基加固效果。

3.4.2 分載反力基礎(chǔ)安裝與調(diào)平

考慮到盾構(gòu)隧道實(shí)際上具有徑向坡度和隧道拼裝旋轉(zhuǎn)，預(yù)制拼裝式垂直頂升分載梁連接后與隧道坡度一致。測量確定隧道實(shí)際坡度和左右水平偏差，在垂直頂升設(shè)備下方還需要用厚20 mm鋼板和小角度三角形鋼楔制作調(diào)平鋼板，使垂直頂升底座水平。

3.4.3 頂升垂直度控制與糾偏

頂升采用千斤頂行程控制，以悶蓋上的激光筆為垂直度控制措施，吊鉛垂線以校核激光筆偏差，確定初始垂直度是否符合要求。通過4個糾偏油缸可使殼體在需要的方向產(chǎn)生折角，在頂進(jìn)過程中產(chǎn)生糾偏效果。本機(jī)有4臺200 kN推力的糾偏用千斤頂，糾偏角上向2.0°，下向2.0°，左向1.5°，右向1.5°。

若發(fā)現(xiàn)豎管垂直度略有偏差，應(yīng)及時調(diào)整總頂力作用點(diǎn)，確保豎管垂直度。在頂升后接管，頂進(jìn)千斤頂?shù)募m偏作用較弱，此時需根據(jù)激光筆的偏差方向指示，計算相應(yīng)偏差率，打開鉸接千斤頂引導(dǎo)糾偏。

3.4.4 垂直頂升防滲控制

在頂升時如發(fā)現(xiàn)滲漏，可旋緊壓板螺栓，增加“O”形密封圈的壓縮量。如果還有較大滲漏，則退出壓板，嵌入石棉盤根，然后再用壓板壓緊。

4 結(jié)語

通過上海天然氣主干管道越江隧道工程垂直頂升的實(shí)際應(yīng)用與研究，總結(jié)出一套針對長距離小直徑盾構(gòu)隧道測量專用垂直頂升成套施工技術(shù)。

1）將臺車軌枕與垂直頂升分載梁底座相結(jié)合，不需要斷開臺車快速作業(yè)，減少盾構(gòu)停機(jī)時間，有利于隧道施工安全。

2）通過分層注漿和預(yù)制裝配式分載梁底座的配合，將垂直頂升的力均勻分散于多環(huán)隧道的地基中，減少隧道沉降影響，有利于隧道結(jié)構(gòu)長期的質(zhì)量安全。

3）通過主頂升千斤頂和鉸接管節(jié)的前后期垂直度控制，使垂直頂升一次性頂升到位并具備進(jìn)洞測量要求的鉛垂線無干擾懸掛標(biāo)準(zhǔn)，避免垂直頂升失敗增加其他措施的安全和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。