超大口径钢顶管施工关键技术研究与应用

匡志文

上海上咨建设工程咨询有限公司 上海 200003

1 工程概况

上海黄浦江上游水源地连通管工程C3标段共有8座顶管井及9个顶进区间，采用DN4 000 mm钢管。

本工程场地地形稍有起伏，地面标高为＋2.18～＋4.34 m。顶进施工断面所经过的土层主要有粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砂质粉土、黏土、砂质粉土、粉质黏土等。顶管施工将先后穿越泖口河、南大港、环桥港、东塘港、青松港、中心河等河道及水闸。本工程场地内，局部区域有承压水。

2 顶进施工的机械设备

结合本标段顶管所穿越的土层条件和沿线建（构）筑物的情况，我们选用了先进的大刀盘土压平衡式工具管。本工程的主顶装置由8只2 000 kN双冲程等推力油缸组成，行程3 500 mm，总推力16 000 kN。8只双冲程油缸组装在油缸架内。主顶装置的液压动力站有2台大流量斜轴式轴向柱塞泵，采用大通径的电磁阀和系统管路，可以减小系统阻尼。8只油缸可以单动，亦可联动。主顶系统由PLC可编程序计算器控制，并采用变频调速器实现流量的无级调速。根据推力估算，本工程共有6个顶程需要设置中继间。

3 顶进施工流程

3.1 洞口土体加固和洞口止水装置

1）本工程顶管进、出洞口均采用φ800 mm@600 mm高压旋喷桩加固土体。进、出洞口的土体加固范围为：以顶进轴线为基准，上下各3 m，左右各3 m，长度为4 m。

2）本工程管径大，顶进距离较长，传统的橡胶“抹套”已不能满足洞口止水要求。根据工程特点，结合以往类似工程的经验，决定采用钢法兰盘根止水装置（图1）。

3.2 工具管出洞及试顶进

1）在工具管出洞前，先通过打观测孔对洞口外的土体加固效果进行检测，在确认土体达到预期的止水效果和强度后，才能进行工具管的出洞施工。

2）将工具管出洞后的前50 m顶进作为顶进试验段。设置顶进试验段的目的是尽早熟悉工具管的操作方法、掌握工具管各项参数的调节控制方法；熟练掌握减阻泥浆的工艺流程和合理的压浆量；监测顶进轴线沿线的地面沉降情况，并据此分析不同土层中各种推进参数的设定规律，减少施工对周边环境和顶进轴线沿线的建（构）筑物的影响；熟练掌握拼接钢管节的方法，提高焊接的质量和速度等[1-2]。

3.3 正常顶进施工

工具管出洞阶段结束后，即可进入正常的顶进施工。在顶进过程中，要经常对顶进的管道轴线进行测量，一般情况下，每顶进一节管节测量1次，有特殊要求的可以增加测量的频次。每次测量的结果要及时反馈给现场施工的管理人员，用来指导顶进施工。

3.4 进洞施工

工具管接近接收井时，根据贯通测量的结果，在洞口封门中心位置凿出一个φ10 cm左右的圆洞，查看外部土质情况，并确定好大刀盘的中心位置。做好相应的准备工作后，顶进工具管平稳、快速地进洞。进洞后，及时将工具管吊离，并按要求对接收井的洞口进行处理。

4 顶进施工关键技术

4.1 钢管焊接施工

4.1.1 钢管节

本工程顶管采用钢管，直径为DN4 000 mm，管节长度为6.0 m。管节由制管厂生产，管节的外防腐也是在厂内施工的。经驻厂监理验收合格后再运往施工现场。

由于管节“体形大”，质量大，故在施工现场只能单层堆放，管节堆放时底部要放置托座，以确保管节的稳定和安全。

本工程的管节坡口采用单边“V”形40°坡口，上半圆180°为外开口“V”形坡口，下半圆180°为内开口“V”形坡口（图2）。

图1 洞口止水装置

图2 钢管节的坡口

4.1.2 钢管焊接

当一节管节顶进结束后，缩回主顶千斤顶，断开各种管路和线路，然后吊放下一节管节。利用主顶千斤顶和一些辅助措施，将吊放的管节和前一节对接拼装好，拼装好的管节用点焊固定，然后便可进行焊接工作。焊接时将整条焊缝分为4段，由4个电焊工同时作业。焊接完成后，及时清除焊渣和金属飞溅物。

4.1.3 检测和防腐

1）管节焊接完成后，先进行外观质量检查，具体要求：焊缝和热影响区表面不得有裂纹、气孔、断弧、弧坑和灰渣等缺陷；表面要光顺、均匀，焊道与母体应平稳过渡；相邻管节错位不大于2 mm，无未焊满现象。

2）外观质量检查合格后，在焊缝附近打上焊工代号，再对焊缝进行100%超声波检测。超声波检测合格的，进入下一道工序；超声波检测不合格的，要对不合格的焊缝进行返工，返工完成后再对返工部分进行超声波检测，直到合格。

3）焊缝检测合格后，施工管节接头处的防腐层。防腐涂料要严格按照设计配合比调制，分层涂刷，宽度要和前后管节的防腐层搭接，厚度应达到设计要求。

4.2 减阻泥浆的运用

4.2.1 注浆孔的布置

经过理论计算并结合同类工程的经验，本工程的注浆孔布置方法是：每个注浆断面布置6个注浆孔，环向均匀布置（图3），注浆孔在制管厂家开设。为保证能够形成良好的泥浆套，在工具管后的3节钢管中每一节都布置6只注浆孔，后续管节中每2节钢管布置1组（6只）注浆孔，即后续管节中注浆孔的纵向间距为12 m。

图3 注浆孔布置

为了保证补压浆的效果，在每个中继间处也均匀布置了6个注浆孔。

4.2.2 注浆量

本工程工具管外径为4 100 mm，钢管外径为4 080 mm，单边空隙10 mm，管节长度6.0 m。正常情况下，注浆量可按下式估算：

其中，倍率的取值和管径、地质条件、管节外壁和土层之间的间隙等有关。本工程的倍率取400%，则单节管节的注浆量为：V=3.14×(2.052－2.042)×6×400%=3.08 m3。

注浆量主要由跟踪注浆和补压浆这2部分组成。跟踪注浆是指在顶进时，利用工具管尾部的注浆孔向管道外壁压注减阻泥浆，及时填充管节外壁和土层之间的空隙，形成完整的泥浆环套。泥浆环套既能减少管节外壁和土层之间的摩阻力，又能对周边的土层起到支承作用。随着顶进距离的增加，泥浆环套中的泥浆会流失，因此要通过布置在管道中的注浆孔进行补压浆，向泥浆套补充减阻泥浆，使其保持良好的减阻和支承作用。为了控制顶进轴线沿线的地面沉降或者保护顶进影响范围内的建（构）筑物，在顶进施工期间，应经常在管道内对管道沿线进行补压浆，并在建（构）筑物下方进行定点补压浆[3-4]。

4.2.3 减阻泥浆的配合比

在综合考虑本工程的地质条件、所使用的膨润土的特性并结合以往的施工经验，通过试验确定本工程的泥浆配比。

在顶进过程中，根据顶进断面的土质变化和顶进施工的具体情况，可以对泥浆配合比进行合理的调整，以更好地满足顶进施工的要求。

4.2.4 减阻泥浆的效果

在顶进施工过程中，施工人员根据顶进断面的土层变化及时调整泥浆的配合比，并严格按照压浆的操作规程进行跟踪压浆和补压浆，达到超预期的效果。以本工程JB11—JB12顶进区间为例，减阻泥浆的效果论述如下：

1）减阻的效果。JB11—JB12顶进区间长424.64 m，布置1个中继间。在实际顶进时，由于顶力控制得很好，故没有采用中继间接力顶进。根据顶进时的实测数据，可绘制出该顶进区间的顶力（摩阻力）与顶进距离的曲线（图4）。通过图4可以看出，在出洞阶段，由于不能建立起完整的泥浆环套，故顶力较大且随顶进距离的增加上升也很快，此时，摩阻力也很大。随着顶进距离的增加（顶进50 m后），管道外建立起了完整的泥浆环套，顶力开始下降并趋于稳定，在较小的范围内波动，摩阻力也快速下降并趋于稳定，波动很小。由此可见，本工程减阻泥浆的减阻效果非常明显。

图4 顶力与顶进距离曲线

2）控制地面沉降的效果。根据本顶进区间的竣工测量资料，可绘制出顶进轴线沿线的地面沉降曲线。经分析，本顶进区间的地面沉降控制得非常好。沿线最大的沉降量只有9.9 mm，远小于允许的沉降量，这对沿线的建（构）筑物的保护也是十分有利的。

3）保护建（构）筑物的效果。本区间的顶进要先后穿越青松港和中心河2条河道，顶进期间要对河道的堤岸、挡墙和外侧平台等的沉降情况进行监测，并要根据沉降情况制订相应的措施，确保它们的安全。监测结果显示，工具管从出洞到接近测点下方土体的这一过程中，平台的沉降量变化很小，工具管穿过此点后，沉降量快速增加。通过采取跟踪压浆和定点补压浆的措施，有效地减小了沉降的速率和总沉降量。顶进至80 m时，平台的沉降速率开始减小，至100 m之后，沉降量缓慢增加，并渐趋稳定。在整个施工期间，该平台的沉降量始终控制在允许值的范围内，顶管沿线建（构）筑物和地下管线的沉降也都控制在允许的范围内。

4.3 中继间接力顶进

本工程使用的中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式钢结构件，由前体、后体、千斤顶、动力油泵站、止水密封圈5个部分组成。每个中继间有20只千斤顶，每只千斤顶的直径为160 mm，行程为300 mm，推力为80 kN。中继间采用计算机联动控制，在特殊情况下，也可以用手动方式控制中继间的运行。

4.3.1 中继间顶进程序

中继间的顶进程序是从工具管向后按顺序一次将每段管节向前顶进。一个中继间顶进时，其他中继间应保持不动，当所有中继间依次完成顶进后，由主顶完成最后的顶进作业。

一个顶程有多个中继间时，为了提高顶进效率，采用中继间编组的方式运行，比如某一个顶程中放置了3个中继间，则顶进次序为：1#中继间顶进→2#中继间顶进→3#中继间顶进→主顶顶进，依此循环。

为保证施工安全，在每个中继间的位置，各种管路要采用柔性接头过渡；各种线路要留有足够的伸长余量。

4.3.2 中继间的处理

顶进施工结束后，通过对中继间的处理，使其成为管道的一部分，具体的处理步骤如下：顶进结束，整条管道定位后，对中继间前后管道压注双液浆，防止外侧泥浆通过中继间渗漏进来；压浆完成后，从第1个中继间开始，依次拆除各中继间的千斤顶和附属结构件；封堵中继间处的注浆孔；割除多余中继间筋板，保留与钢管内壁紧贴的一圈环向钢板，端部钢板割除后进行焊接；对焊缝的质量进行检查、检测；施工内防腐。

4.4 轴线测量和纠偏

4.4.1 轴线测量的方法

本工程使用的测量仪器和设备主要有全站仪、水准仪、光靶测量板等。

设置在管道内的接收激光束的光靶传感器和数据处理系统组成了顶进姿态测量的控制系统，用来测量安装在工具管切削舱上的测量板的垂直和水平位移、激光入射水平角以及工具管切削舱仰角和滚动角。操作人员通过远距离摄像监控及微机系统，对测量数据进行处理，并将处理结果（工具管的轴线偏差）显示在操作室的屏幕上，顶进施工人员可以据此对工具管进行纠偏。工具管出洞前，先测出安装在工具管切削舱上的测量板的仰角、滚动角、水平角这3个数据，再测出激光基准点相对于工具管的位置，将上述测量数据输入计算程序，作为工具管初始位置的参数。

在实践中，还采用了测工具管“趋势”的方法。激光束发射到测量板上后，测出光点在测量板上的位置，计算出工具管轴线与激光束轴线的关系、工具管的仰角和滚动角，控制系统会计算出测量板对应的顶管轴线与顶管设计轴线的偏差值。通过工具管实际轴线与设计轴线夹角，可以预测出工具管切削舱的偏差趋势。通过这些显示在顶管机操作屏上的数据，施工人员可以及时调整工具管的顶进方向，将轴线偏差控制在合理的范围内。

4.4.2 轴线纠偏

顶进轴线的纠偏主要是通过工具管尾部的纠偏系统进行的，方法是通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，改变工具管的姿态，使顶进轴线逐步向设计轴线靠拢，达到纠偏的目的。例如，当顶进轴线向左的偏移值达到或超过允许值时，即可将纠偏系统左侧的千斤顶伸出一定的量（根据纠偏量的大小确定），然后锁定纠偏系统，通过一段距离的顶进，轴线会逐渐向设计轴线靠近。在进行轴线纠偏时，还可以结合工具管的姿态进行。根据工具管姿态的变化，可以确定顶进轴线大致的发展趋势，从而提前对轴线进行微量纠偏，这种方法的好处是纠偏缓和、轴线平滑。

根据现场竣工测量及第三方监测的监测结果，本项目的管道轴线误差均小于3 cm，远小于允许值[5-7]。

4.4.3 工具管旋转纠偏

工具管的刀盘在切削正面的土体时会产生扭矩，这会导致工具管产生旋转。由于刀盘正反转均可以出土，故通过控制工具管刀盘的正向转动和反向转动的交替使用，就可以纠正工具管的旋转。工具管旋转角度较大时，可能会对相关的设备和机械的运行造成不利影响，因此在本工程中设定了工具管的允许旋转角度≤1.5°，当转角达到1.5°时，工具管的自动控制系统会报警，提示操作人员切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。

5 结语

通过本工程的实践，我们成功地实施了超大口径钢顶管施工中的管节焊接、减阻泥浆应用、中继间接力顶进、轴线测量与纠偏等关键技术。

这些关键技术既可供类似工程借鉴，也为更大口径、更长距离的钢管顶进施工做了技术准备，并积累了相关的经验。