大直径竖曲线钢顶管施工关键技术研究

王建明

（上海羽畅建筑工程有限公司，上海市 201202）

1 工程概述

某顶管为双排钢管顶进，顶进长度约为741m×2，钢管外径1820mm，壁厚18mm，为避让深埋管线，只能从管线下方管经过R=12000m曲线后顶入接收井。钢管作为顶管工程的管道已应用比较广泛，通常情况下，由于钢管管道接口采用焊接形式连接，不具备形成曲线线形的条件，一般情况不采用曲线顶进，但该工程该顶段情况特殊，方案经过专家评审可行后采用竖曲线顶进。

该工程整条管道位于第④层淤泥质黏土，土质较均有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性高。针对本标段顶管的土层性质，采用泥水机械平衡式顶管机。该顶管机能平衡切削面水、土压力，有效控制地面沉降，操作安全可靠，施工进度快。

2 曲线顶管参数及特殊管结构

2.1 顶管轴线曲线参数

73-1#～73#段顶管总长为741m，从工作井73-1#开始450m后进入竖曲线段（向上爬坡），约291m后曲线段完成，曲线段直接顶入73#接收井内，如图1所示。

2.2 特殊管节布置

73-1#～73#顶段为竖曲线顶管，管道进入曲线段长度约为291m，钢管长度为8m/节，曲线段每5节（41.5m）钢管后面设置一环特殊管（1.5m/节），按此推算该段顶管曲线段需要特殊管8节（特殊管型式同中继环）。

图1 顶管曲线参数及周边环境

2.3 曲线段开口量计算

73-1#～73#顶段：钢管外径D=1820mm，顶进长度L=741m，设计曲率半径R=12000m，管道长度（5节8m钢管+特殊管1.5m）41.5m，L=41.5m。

曲线段开口夹角：β=2sin-1（L/（2R-D））=2sin-1（41.5/（2×12000-1.82））=0.19817°

曲线段开口量：Δ=2Dsin（β/2）=2×1.82×sin（0.19817/2）≈0.0063≈6mm

进入曲线段后管道单边张口拉开，钢管处于单边受力状态，为避免特殊管承插口处钢管与钢管直接接触，承口处设置1cm以上厚度的木衬垫。

特殊管结构型式同中继间结构。

3 顶力控制及中继环布设

3.1 73-1#～73#顶段顶力的计算

地面平均标高为5.0m，管道埋深H取平均值13.58m。

机头外径D=1.85m，钢管外径D=1.82m，ht=H-D/3=13.58-0.617=12.963m。

土层的基本参数，整条管道所在土层为④层土内，因此：r土=16.8kN/m3，C=10kPa，φ=12.5°。

顶力计算包括到刀盘正面土压力和管道摩阻力两部分[1]。

3.1.1 顶进时刀盘正面平衡土压力计算

泥水平衡设备因机壳泥水平衡正面水压力，固 r0=r土-r水=16.8-9.8=7kN/m3。

3.1.2 顶力估计

F=F0+f×L（f为每延长米管外壁摩阻力，L为管道长度）F0为封闭式工具管迎面阻力:F0=π/4·D2·P设。F0=π/4·D2·P设=3.14/4×1.852×124.66=334.919kN

f为考虑注浆工艺时管壁外单位长度摩阻力f=f1πd（其中f1为单位面积管外壁摩阻力）。

本段顶管为直线+曲线顶管，由于曲线段采用特殊管为中继间形式，故不考虑曲线段摩阻力，直线段 f1取 2kN/m2,f=f1πd=2×3.14×1.82≈11.43kN/m。

3.1.3 顶力F控制

顶管工作井的设计允许最大顶力为4000kN，中继环允许顶力为8000kN（由18个500kN的油压千斤顶组成），对顶管工作坑的最大允许顶力、管材的允许顶力以及地质情况等因素进行综合考虑。该工程安全系数为60%～80%。

主顶控制顶力：F=4000×80%=3200kN中继环控制顶力：F=4000×70%=2800kN

3.1.4 顶进距离控制

（1）主顶顶距控制

主顶（此时用主顶油缸推进管道和机头），因直线段顶距为526m，超过主顶顶距，摩阻力取f直=2kN/m2，主顶顶进时不考虑机头正面土压力，故F如下：

计算值：L＜280m

在顶距小于280m时，或顶力控制在3200kN以下时，可直接采用主顶油缸顶进。

（2）中继间布置

根据前面计算和实际施工经验，1#中继间顶进中考虑机头正面土压力，要靠近机头，该段顶管前约230m处于曲线管道内，中继间距离间距在49.5m内，后面为直线管道，中继间距离控制在280m内，最后一环与主顶间距离控制在主顶允许顶距内。综合曲线特殊管布置间距与上述顶力计算，73-1#～73#顶管施工中继环布置如表1和图2所示。

表1 曲线段中继环设置参数表

图2 曲线段中继间布置示意图

3.2 中继环闭合

中继环的结构如图3、图4所示。顶管机头进入接收井后，对中继间两道密封圈之间的专用注浆孔内压注聚氨脂防水堵漏剂，以防止外侧泥浆通过中继间渗漏。浆液压注完成，割除多余中继间肋板、法兰，中继环后壳体前段坡口处直接与前壳体中部焊接。中继间闭合焊接措施：中继间闭合焊接采用与钢管组对焊接相同的焊丝。

图3 中继间结构示意图（施工中）（单位：mm）

图4 中继间结构示意图（施工后）（单位：mm）

焊接前将钢板表面用磨光机打磨干净，不得有锈蚀、油渍及其他污迹，对焊接剖口角度不符合要求的用手提沙轮机修磨。点焊时应对称施焊，其焊缝高度应与第一层焊接厚度一致。

4 沉降计算及沉降控制

4.1 沉降计算

顶管施工过程的沉降量与其失土率基本成正比例关系，按规定失土率计算其最大沉降量（δmax）可按包络公式估算：

式中：Vl=失土率×V（V=2.687m3为计算管道单位出土量，机头外径1.85m）；i为沉降槽宽度系数，tg38.75°）≈7.21。其中，V1为超挖量，H为管道中心深度（此处 H=14.5m），φ=12.5°。

沉降盆宽度B=2W，其中W为影响范围，W=2.5i，B=2×2.5×7.21≈36.05m。

4.2 沉降分析

（1）开挖面引起的地层损失

与选用机头类型有关，本公司采用DT式泥水平衡顶管机头，采用泥水仓平衡正面土压力，大刀盘切削正面土体，开挖面失土率约在1%，相应的失土率体积为0.026m3。

（2）机头纠偏引起的地层损失

式中：α%为纠偏角弧度夹角；r为工具管外半径；V为工具管单位出土量。

该工程中，α取0.3°，D=1.82m，L=3m，α%为相应弧度,

单位长度体积V=0.25πd2×1=2.6m3

失土体积=0.1019m3

（3）管道外周环形空隙引起的土层损失

一般机头外径较管道外径大2～4cm，因此机头顶过后管道外周产生环形空隙，如不能充分注浆充填，则使周围土体挤入环形空隙，导致地层损失[2]。

a.机头外径与管道外径不同而引起的地层损失

式中：D为机头外径；a为机头外周半径与管道外径之差；K为注浆未充满度，压浆最差时K=1，注浆良好时，K=0.2～0.4。

b.长距离顶管每个中继间穿过地层，因其外径与管道外径不同而引起的地层损失

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式中：D2为中继间外径；a2为中继间外径与管道外周半径之差；K2为中继间穿过后补浆不足率，补浆最差时，K2可达0.5，而补浆理想时K2→0。

当中继环外径与管外径一致时Vc2=0

c.相临管节外壁不平整度过大时，引起地层损失

式中：DP为管道外径；aP为相临管节的管道外周半径的差值；KP为注浆不足率，aP＜ 5mmKP→0，aP＞10mm，KP=0.5～0（注浆良好可为 0）；n 为穿过某处地层的管节半径值大于3mm的出现次数，可根据管节制造精度及安装精度估计。

环形间隙引起的土层损失Z=0.0456+0.0218+0.0771=0.1445m3

总失土体积V1=0.026+0.1445=0.1705m3

综上，本段顶管估算累计失土率=0.1705/2.6×100%=6.5%

最大沉降量：δmax=0.1705/（2.5×7.21）=9.6mm

4.3 沉降控制措施

因本段顶管施工过程中需要穿越较多地下公用管线，其对沉降相对要求较高，因此其穿越段失土率基本按5%以内控制，其余部分失土率可按9%以内控制。

（1）设备地面沉降隆起与刀盘正面水压力、土压力有直接关系，本泥水平衡顶管机具有自动平衡正面土压力、水压力的特点，故正面水土流失引起的地面沉降较易控制。穿越地物时可根据地面连续50m内三个断面的沉降监测点群将正面土压、水压调整到最佳值。

（2）顶进轴线偏差也会引起较大的地面沉降，故在顶进操纵时，操纵人员要认真、仔细分析机头偏差量，谨慎纠偏，确保管道偏差控制在尽可能小的范围内。

（3）适当控制泥浆排除量同样可降低地面沉降量，根据经验数据调整出浆量来控制。

（4）认真控制触变泥浆注入量，适当补浆有效填充管道空隙，也是控制地层沉降的有效措施。

5 钢管曲线顶进技术控制

（1）机头前、后两只钢壳相套而成，为二段一铰的焊接钢结构圆筒，纠偏油缸设置在前、后壳体之间，可使前、后两壳体在三维作相对作用后产生折角纠偏。顶进轴线的偏差与管道顶进阻力、地面沉降、管道接口的水密性及管道水力条件有很大关系，根据测量的机头位置数据，结合机头的前后壳体间折角、机头滚动角、倾斜仪读数,即可算出机头的现存偏差及发展趋势。

（2）根据发展趋势确定是否需要纠偏。决定纠偏时动作不要过大，根据管道行程可逐渐放大，如偏差较大时不可在同一节管道内完成纠偏动作，应根据机头偏移值计算其偏离角度同纠偏最大机头折角比较，估算纠偏油缸伸出量，通过一段管道长度修正偏移值。

（3）在顶管机尾部的过渡环后面的是第一节特殊管（中继间形式），8m钢管与第一节特殊管连接，根据不同曲率半径布置相应的特殊管间距，顶管施工时中继间作为特殊管能起到纠偏的作用。

（4）顶管机进入曲线段时，为避免机头纠偏量过大或不足情况下，偏离设计轴线，将机头和过渡套下部螺栓拧松预留3mm，并将上半部分螺栓拧紧；在顶管机头进入第二段向下曲线时，则应该采用相反的措施。

（5）以姿态控制曲线图指导纠偏，并确定报警值，以避免姿态失控的情况发生。

（6）当机头进入曲线段，由专人24h观察所有曲线段的管道开口量情况，量测管缝张开量，并随时插入三夹板（大于环缝大半的部位），以均匀接口受力，控制开口量；发现接口的结构出现变形和破坏的隐患时，立即停止顶进，对危险的接口进行加固处理。

（7）73-1#～73#顶段管道前291m（曲线段），曲线段每2m设置一环压浆阀管，即每根管道设置4环压浆阀管，曲线后200m每4m设置一环，即每根管道设置2环压浆阀管，剩余250m每8m设置一环，即每根管道设置1环，每环压浆孔90°均布4个压降球阀。

（8）浆液配制重量比：膨润土∶CMC∶纯碱∶水 =104∶1.05∶3.05∶800

6 结语

该工程采用泥水平衡式曲线顶管施工。根据地质情况配制泥浆，运用压密注浆技术来控制泥水平衡式曲线顶管施工所引起的沉降，通过中继环的设置解决了曲线管道的顶进，提高了复杂环境下顶管的适应性，施工技术的运用效果良好，可供日后同种工况条件下的泥水平衡式顶管施工借鉴。

参考文献：

[1]马.谢尔盖.顶管工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1983.

[2]韩选江.大型地下顶管施工技术原理及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.