超长距离曲线钢顶管施工技术

徐 玉 夏

(1.上海市基础工程集团有限公司,上海 200002； 2.上海城市非开挖建造工程技术研究中心,上海 200002)

1 项目背景

珠海某原水供应管道工程，全长约20.34 km，本工程为其昌村(沿猪母涌北侧布置)2号桥至屏西八路段，长约1.10 km。初步设计阶段考虑该段管道在其昌村拆迁改造后实施，因昌村拆迁改造项目滞后，该原水供应管道工程其他管道已完工多时，急需接通该段管道。为避免直线顶管穿越民宅，因而采用曲线钢顶管，避开村民住宅，从住宅北侧相距约8 m的位置穿越。

背景工程1号井(工作井)～3号井(接收井)区间顶管，长度为1 101.35 m，共分为2段直线段和1段曲线段，直线段1的长度为369.01 m，直线段2的长度为306.02 m，曲线段长度为426.32 m，曲率半径R=3 000 m，管道外径DN2 020，壁厚22 mm，管道中心标高为-8.84 m，单节钢管长度为6 m，属超长距离曲线钢顶管。

2 工程地质情况

根据地质勘察结果，勘探深度内揭露地层主要有：素填土①、淤泥②1、淤泥质砂②2、淤泥质黏土②3属软弱土；黏土②4。顶管穿越地层主要为淤泥②1、淤泥质黏土②3。淤泥②1：灰褐、深灰色，呈饱和，流塑状态，含少量贝壳碎屑，略具腥臭味。淤泥质黏土②3：灰褐色，呈饱和，流塑状态，韧性中等，刀切面光滑，光泽反应强。

3 曲线钢顶管难度分析

曲线钢顶管施工主要是利用顶管机在顶进过程中向某一个方向造成人为的轴线偏差，并使这个偏差符合设计曲线要求，随着顶进长度的增加，就形成了曲线。曲线钢顶管不同于曲线混凝土管，钢管管节没有张角，整体性好，主要依靠在曲线段上设置中继环张角及钢管自身的弹性变形来实现曲线线形。在顶管过程中，主要靠顶管机纠偏引导及中继间的分段顶进来实现。

该段顶管穿越地层主要为淤泥②1、淤泥质黏土②3。该类软土层适宜常规直线顶管法施工，但由于土层较软，不适合长距离曲线钢顶管，主要有以下几方面：

1)由于钢管自身变形弯曲产生的应力较大，而淤泥②1、淤泥质黏土②3土层软，无法为顶管纠偏提供足够的反力。

2)为减少对村民住宅影响，顶管路由选择沿猪母涌河边位置，顶管右侧河堤与顶管左侧河床高差在4.5 m左右，河床位置管道覆土5 m～6 m，顶管左右两侧土压力反差大，进一步导致顶管向右纠偏困难。

3)由于淤泥②1、淤泥质黏土②3土层软顶管机在穿越圆弧线后，后续管道推进时，管道容易向圆弧外侧外移动(顶管左侧)，导致住宅出现沉降现象，而不能达到调整方案的初衷。

4 超长距离曲线钢顶管施工

4.1 曲线顶管主要设备

根据本工程实际情况，本工程选用泥水平衡顶管机，条幅刀盘结构，纠偏油缸选用100 t双作用千斤顶，顶管机纠偏角度为2°。本工程中继环安装30只250 kN油缸，合计顶力7 500 kN，中继间允许转角为2°。第一道中继环布置在顶管机后，第二道布置在第一道后12 m，第三道中继环布置在第二中继环后12 m处，第四道中继环布置在第三中继环后42 m处，其后每72 m布置一道中继间，直线段每96 m布置一个中继间，共布置15个中继环。

4.2 双作用转向中继间

本工程前4个中继间采用双作用转向中继间[1](已申请国家专利)，直径2 000 mm中继间，铰接油缸分4组布置，每组3只双作用油缸。单个双作用油缸参数：向前推力为80 t，向后拔力为40 t，工作压力31.5 MPa，油缸行程150 mm。每组双作用油缸进、出油口通过管路连接到阀组上，可独立控制。不用时，阀组锁定，油缸不动作，使整条管道形成一个整体。双作用转向中继间主要具备以下功能：

1)向前接力顶进钢管。

在长距离和超长距离钢顶管施工中，根据顶力的需要，依次从顶管机后第一个中继间开始启动，逐段向前推进，最后由后座主顶千斤顶顶进。

2)向后接力拔退钢管。

普通中继间，采用单向千斤顶，不具备后拔功能。采用双作用转向中继间，可以从顶管工作井最近的中继间开始依次后退，在顶管机后退时，可以利用顶管机正面压浆压水及第一个中继间的拉力将顶管机向后拔退。特别适合在岩层中顶管需要更换刀具时，将顶管机进行短距离的后退。

3)可以进行强制纠偏。

普通中继间，采用单向千斤顶，不具备强制纠偏功能。采用双作用转向中继间，特别适合进行曲线钢顶管的强制纠偏，如需顶管机向左偏，可以将中继间右边千斤顶伸出，左边千斤顶收回，中继间右侧张缝大于左侧张缝，使管道形成向左转弯趋势；在经过曲线段后，可将油缸收回，恢复正常顶进。

本工程在顶管正常顶进时，将1号、2号中继间锁定，确保3号中继间以前的钢管与顶管机尾部形成整体。顶管在进入曲线段后，初始时在没有启用中继间纠偏功能情况，顶管机正常纠偏达不到预定效果，最大偏差达到33 cm，因而将1号、2号，左侧张开0.2°(理论张角)后锁定，发现顶管向右纠偏速度太快，以至顶管机需要向左纠偏；经摸索，将1号、2号中继间张角控制在0.1°(理论张角50%)比较适合，在后续曲线段顶进过程中，管道最大偏差在12 cm，较为理想。

4.3 曲线顶管纠偏原则

在曲线顶管中，顶管纠偏应遵循“勤测勤纠、预测缓纠、预纠强纠”的原则[2]：

1)勤测勤纠：在正常推进的情况下，顶管实际轴线偏差较小，顶管每推进一个冲程，应测量一次顶管机轴线及标高偏差情况，并结合顶管机的前进趋势情况，及时进行有效的纠偏，使顶管机不致出现较大偏差。每次纠偏角度要小，每次纠偏角度变化值一般的都不大于0.5°，当累计纠偏角度过大时应特别慎重。

2)预测缓纠：如果顶管实际轴线偏差较大，根据顶管机前进偏离趋势的加大、平稳、减小等工况，调整工具管纠偏角度，及时进行有效的纠偏。但每次纠偏角度要小，不能大起大落，要保持管道轴线以适当的曲率半径逐步、缓和地返回到轴线上来，避免相邻两段间形成的夹角过大。

3)预纠强纠：如果顶管实际轴线偏差很大，且工具管前进偏离趋势加大，在常规纠偏方法失效时，应采取预纠强纠措施：即通过调节双作用转向中继间左右行程差，使工具管后部管道整体保持反向趋势，进行预纠偏；当顶管轴线偏差减小时，应根据顶管机的趋势，及时调整中继间的行程差，避免纠偏过头。

5 曲线顶管失稳计算

按顶管技术规程[3]，钢管管壁应力分为环向应力和纵向应力，并共同组成组合折算应力。其中纵向应力的计算公式为：

式中第1项为环向应力对应，第2项为温度应力影响，曲线和施工偏差引起的纵向应力即为第3项。

按照以下条件进行计算分析：管顶覆土厚度为6 m，壁厚为0.01D；管顶土的内摩擦角φ=3°，管顶土的粘聚力系数C=5 kPa；管周原状土的变形模量为2.0 N/mm2；土弧基础中心角为120°；管道闭合温差为20 ℃；管道工作内水压力标准值为0.8 MPa，工程重要性系数1.1。

计算本工程曲线钢顶管在纯设计曲线下的允许曲率半径约为2 400 m，对应的弯曲应力为86 MPa。考虑施工偏差的叠加影响，按每100 m偏差60 mm计算，相当于曲率半径减少10%左右，则叠加施工偏差后，设计允许曲率半径约为2 600 m。因此本工程设计3 000 m的曲率半径可以满足计算要求。

根据管道变形监测数据，后续管道在经过圆弧段时，管道竖向最大变形在3 cm以内，在钢管弹性变形范围以内，不影响管道目前施工安全及后期的使用安全；管道在离开圆弧段后，钢管变形逐渐恢复。

6 结语

顶管施工过程中及顶管结束时，多次对管道轴线每2 m一个点(即每道环向焊缝)进行复测，对比原始数据与复测数据发现，在直线段原来出现较大偏差的位置，后续管道通过后，管道逐渐拉直，管道偏差在不断变小。在曲线段，管道存在向圆弧外侧移动现象，最大位移达到22 cm，但管道整体线形更加圆顺。为防止地面沉降，从管道内向管道外注粉煤灰浆(用顶管触变泥浆拌粉煤灰)，效果明显，顶管结束后再注水泥浆进行固结。

顶管前、顶管施工过程中及顶管结束后两个月连续监测，村民住宅最大沉降没有超过3 mm。顺利实现进行曲线钢顶管预期目标，村民住宅没有产生沉降开裂等扰动。