鄒 峰

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

隨著城市規(guī)模的急劇擴(kuò)展，飲用水的規(guī)模也不斷擴(kuò)大，城市輸水管網(wǎng)需要不斷的升級(jí)改善，以適應(yīng)城市發(fā)展的要求。現(xiàn)如今城市大型引調(diào)水工程需要橫跨距離較長(zhǎng)的江、河、湖、海兩岸，一般的短距離管道建設(shè)工藝已經(jīng)不能滿足工程建設(shè)需求。頂管技術(shù)作為城市引調(diào)水管道主要建設(shè)手段，得到了廣泛應(yīng)用，工藝成熟度逐漸提升。但面對(duì)單次頂進(jìn)距離達(dá)2 000 m級(jí)以上的頂管工程，還需在江底軟弱地質(zhì)條件下進(jìn)行掘進(jìn)，其施工難度凸顯，對(duì)原有技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，亟待研發(fā)相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)以突破施工技術(shù)瓶頸。本文以平崗泵站—廣昌泵站輸水管工程35號(hào)井～36號(hào)井區(qū)間頂管施工為背景，從工程難特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)性研發(fā)適用于2 000 m級(jí)超長(zhǎng)距離鋼頂管成套技術(shù)，為工程的順利實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

平崗泵站—廣昌泵站輸水管工程35號(hào)井～36號(hào)井區(qū)間頂管為單線施工，頂管長(zhǎng)度為2 329.6 m，如圖1所示，管外徑2 420 mm，壁厚24 mm，屬超長(zhǎng)距離鋼頂管。頂管位于第③層淤泥質(zhì)黏土，該土層土質(zhì)較差，呈流塑狀,高壓縮性，高靈敏度，承載力特征值60 kPa。區(qū)間內(nèi)將穿越瀝江兩岸的防汛大堤，覆土約22 m。

2 工程難點(diǎn)

1)工程管材口徑相對(duì)較大，頂進(jìn)中糾偏及后續(xù)跟進(jìn)管對(duì)土體擾動(dòng)大，導(dǎo)致頂管容易產(chǎn)生沉降，特別是區(qū)間需穿越磨刀門河道兩岸的防汛大堤，對(duì)環(huán)境影響控制要求高。

2)頂管距離超長(zhǎng)，且管線處于江底軟弱土層中地質(zhì)情況復(fù)雜，未知風(fēng)險(xiǎn)頗多，頂管頂進(jìn)過(guò)程中軸線控制的難度大，涉及頂管泥水平衡及走向控制、超長(zhǎng)距離頂進(jìn)對(duì)土體擾動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)。

3)工程35號(hào)井～36號(hào)井區(qū)間頂管單次頂進(jìn)距離2 329.6 m，屬超長(zhǎng)距離頂管工程，隨著頂進(jìn)距離的增長(zhǎng)，工程安全風(fēng)險(xiǎn)加大，相應(yīng)的配套工藝包括長(zhǎng)距離管道通風(fēng)、用電、進(jìn)排泥等存在工藝升級(jí)的需求。

3 超長(zhǎng)距離鋼頂管施工技術(shù)研究

3.1 超長(zhǎng)距離鋼頂管江底穿越技術(shù)

1)頂管穿越防汛堤壩沉降分析。頂管掘進(jìn)主要穿越磨刀門河道兩岸防汛大堤，對(duì)大堤的保護(hù)是施工的難點(diǎn)之一。因此，針對(duì)實(shí)際工況結(jié)合土層參數(shù)，采用PLXIS有限元模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析，分析了管道穿越過(guò)程引起防汛大堤的沉降影響，如圖2，圖3所示。

頂管穿越堤壩過(guò)程中沉降趨勢(shì)如圖4所示，穿越過(guò)程前期沉降幅度較大，直至頂進(jìn)至1倍埋深距離時(shí)趨于穩(wěn)定達(dá)到28 mm，符合環(huán)境影響要求。

2)開(kāi)挖面穩(wěn)定控制技術(shù)。泥水艙壓力直接關(guān)系到外部土體的平衡狀態(tài)，因此泥水艙壓力的設(shè)定極為重要。開(kāi)挖面的管理壓力考慮并設(shè)定地下水壓(孔隙水壓力)、土壓力及預(yù)備壓力。按照下述公式計(jì)算：

Pe=PA+Pw+ΔP。

其中，Pe為泥水倉(cāng)內(nèi)的壓力，kPa；PA為掘進(jìn)機(jī)處土層的主動(dòng)土壓力，kPa；Pw為掘進(jìn)機(jī)處土層的水壓力，kPa；ΔP為土倉(cāng)施加的預(yù)加壓力，kPa，一般情況下取20 kPa。

開(kāi)挖面的管理壓力是對(duì)適當(dāng)間距的開(kāi)挖斷面的土質(zhì)，計(jì)算管理上限值及下限值，考慮施工條件的同時(shí)，設(shè)定這一范圍內(nèi)的管理值。上限值：Pmax=地下水壓力+靜止+壓力+預(yù)備壓力；下限值：Pmin=地下水壓力+(主動(dòng)土壓力或松動(dòng)土壓力)+預(yù)備壓力。結(jié)合實(shí)際土層通過(guò)計(jì)算得到，在施工中泥水倉(cāng)壓力控制在200 kPa～220 kPa，停止時(shí)控制在200 kPa。

具體采用的控制措施：當(dāng)泥水倉(cāng)壓力值較小，可快速頂進(jìn)時(shí)，需要同步提高排泥速度；當(dāng)泥水倉(cāng)壓力值超過(guò)設(shè)定值，后座頂力值上升較快，需將頂進(jìn)速度放慢，同時(shí)提高排泥速度，將泥水倉(cāng)清空，把壓力值調(diào)整至設(shè)定值以下，然后再將減緩排泥速度[1]。

3.2 超長(zhǎng)距離鋼頂管軸線控制技術(shù)

軟土地質(zhì)條件下2 000 m以上超長(zhǎng)距離頂管軸線控制主要依靠工具頭頭部測(cè)量與糾偏的相互配合，在掘進(jìn)過(guò)程中減少軸線測(cè)量偏差尤為重要。

運(yùn)用頂管自動(dòng)測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)，合理布置中轉(zhuǎn)站進(jìn)行接力測(cè)設(shè)，同時(shí)考慮在江底施工，溫差及水氣影響測(cè)量精度，采用硅油微壓差計(jì)測(cè)量系統(tǒng)，保證了精度與準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度工具頭姿態(tài)控制測(cè)量，如圖5所示。

由于水底土層情況復(fù)雜，因勘察局限在實(shí)際施工中發(fā)生突遇間斷式土洞情況，沒(méi)有土體反作用力給予平衡，給軸線控制帶來(lái)了極大困難，超長(zhǎng)距離頂管尤其如此。針對(duì)挑戰(zhàn)，施工首先通過(guò)原位測(cè)試方法，利用船只在工具頭頭部范圍至設(shè)計(jì)沿線前方按照一定距離逐點(diǎn)探測(cè)，了解土洞長(zhǎng)度范圍后進(jìn)行糾偏施工。過(guò)程控制先降低頂力，然后通過(guò)全階段測(cè)量，實(shí)時(shí)確定工具頭偏離位置，并反向旋轉(zhuǎn)刀盤，配合以緩慢頂推，逐步穿越土洞。在此過(guò)程中所施加的力或者糾偏幅度均要控制較小，較大的反作用力會(huì)導(dǎo)致工具頭發(fā)生較大幅度偏離。在工具頭穿過(guò)土洞進(jìn)入前方土層時(shí)，后座頂力不能大幅度提高，此時(shí)工具頭處于游離狀態(tài)與約束狀態(tài)臨界，環(huán)向土層約束較小，應(yīng)緩慢小幅提高，避免工具頭發(fā)生大的偏移。通過(guò)測(cè)量、頂力控制配合以小幅度有限糾偏，順利穿越多個(gè)間斷的土洞，效果顯著。

3.3 超長(zhǎng)距離鋼頂管配套施工技術(shù)

1)超長(zhǎng)距離鋼頂管通風(fēng)。頂進(jìn)距離超長(zhǎng)，采用常規(guī)通風(fēng)設(shè)備無(wú)法滿足管內(nèi)通風(fēng)要求，但通風(fēng)直接影響管內(nèi)工作人員的健康。采用多組通風(fēng)保障系統(tǒng)：第一組采用大功率軸流風(fēng)機(jī)，通過(guò)高壓風(fēng)管送至頂管機(jī)頭部，保障頂管管道內(nèi)空氣質(zhì)量；同時(shí)在頂管機(jī)頭后設(shè)置一臺(tái)備用軸流風(fēng)機(jī)作為接力通風(fēng)設(shè)備備用；第二組呼吸空氣保障系統(tǒng)，系統(tǒng)采用壓縮空氣供應(yīng)，地面采用空壓機(jī)通過(guò)6.67 cm鋼管送至工具頭部，并分出一路供通風(fēng)，經(jīng)頭部除濕、降噪過(guò)濾設(shè)備，以改善頭部的空氣質(zhì)量。

2)超長(zhǎng)距離鋼頂管用電。為保證超長(zhǎng)距離頂管管內(nèi)施工用電，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓降，影響管道內(nèi)各種用電設(shè)備的正常使用，采用高壓電變電系統(tǒng)向管內(nèi)供電。高壓用電則由常規(guī)箱式變電柜從380 V升壓至3.3 kV，引入井下高壓控制柜，管內(nèi)配置一條35平方高壓電輸送線路，以3.3 kV送至管內(nèi)布置的5臺(tái)降壓變壓器(間隔500 m布置)，降壓輸出常規(guī)400 V/230 V動(dòng)力和照明電，如圖6所示。

3)超長(zhǎng)距離進(jìn)水及排泥系統(tǒng)。頂管距離超長(zhǎng)，施工供水排泥隨著推進(jìn)距離增加，水頭差損失越來(lái)越大，采用常規(guī)設(shè)備，難以滿足施工對(duì)供水、排泥壓力的要求。自主研發(fā)了球閥液壓驅(qū)動(dòng)、PLC控制開(kāi)合度、進(jìn)出泥可根據(jù)需要互換的進(jìn)排泥系統(tǒng)，如圖7所示，有效保證了施工順暢。

4)超長(zhǎng)距離頂管自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用PLC軟件自主研發(fā)了適用于超長(zhǎng)距離頂管施工自動(dòng)控制系統(tǒng)，集合了工具頭監(jiān)控系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、進(jìn)排泥系統(tǒng)等，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息與預(yù)警報(bào)警信息，如圖8所示，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)可視化控制[2]。

3.4 工程實(shí)施效果分析

在頂管施工過(guò)程中對(duì)于施工的基本情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)記錄，通過(guò)數(shù)據(jù)整理，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用實(shí)施進(jìn)行質(zhì)量效果分析，驗(yàn)證工藝的有效性。

根據(jù)累計(jì)頂進(jìn)距離2 330 m隨時(shí)間變化如圖9所示，分析得到頂進(jìn)距離與時(shí)間基本呈線性關(guān)系，施工過(guò)程一切正常，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用保證了工程的正常推進(jìn)。

統(tǒng)計(jì)分析得到總推力與累計(jì)頂進(jìn)距離關(guān)系如圖10所示，隨著累計(jì)頂進(jìn)距離增長(zhǎng)，施加頂力整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，從圖10中反映也存在遇到特殊地層突加頂力并最終恢復(fù)正常情況以及在較為軟弱土層在增加頂力較小情況下也能順利推進(jìn)的情況。

同樣統(tǒng)計(jì)分析了刀盤在高程以及水平方向偏移數(shù)據(jù)，如圖11,圖12所示，由圖11，圖12可知大部分的豎向以及水平位移值均控制在20 mm之內(nèi)，極少數(shù)時(shí)刻出現(xiàn)的最大偏移也控制在40 mm之內(nèi)。通過(guò)分析實(shí)測(cè)曲線，可認(rèn)為在頂管的施工過(guò)程中，頂管的偏轉(zhuǎn)不是很明顯，說(shuō)明在施工過(guò)程中糾偏以及頂進(jìn)方向的控制良好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，背景工程超長(zhǎng)距離鋼頂管橫跨磨刀門江域并順利貫通，實(shí)現(xiàn)單次頂進(jìn)距離達(dá)2 330 m頂管施工，頂管軸線偏差在允許范圍內(nèi)。施工過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行了跟蹤測(cè)量和沉降監(jiān)測(cè)，均符合規(guī)范要求[3]。工程的順利實(shí)施，為2 000 m級(jí)長(zhǎng)距離鋼頂管施工領(lǐng)域提供了寶貴的借鑒，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，值得廣泛推廣并進(jìn)一步研究與運(yùn)用。