超大口径钢顶管关键技术研究

张 龙

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

钢顶管技术作为一种绿色非开挖技术，在我国供水领域应用广泛并得到快速发展。随着我国经济持续稳定的增长，为应对与日俱增的饮用水需求，利用超大口径城市输水管道来解决城市水资源匮乏难题已经逐渐成为城市建设热点[1-5]。顶管技术已经发展了超百年时间，国内顶管技术也已经相当成熟，但是管径超4 m的大口径钢顶管工程在国内实例甚少，对环境微扰动、安全可靠的超大口径钢顶管关键施工技术更是无经验可循，因此，亟待对其进行深入研究以形成相关技术，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

黄浦江水源地连通管C2标段工程是解决城市水资源匮乏的大型引调水工程，该标段采用的即是DN4 000 mm超大口径钢管（壁厚38、40 mm）顶管。工程自JA11井至JA15井、青浦分水点段、JB01至JB03，包括8座沉井、7个顶管区间、2段埋管以及青浦分水点土建结构，其中顶管线路长度4 476.96 m（图1）。

图1 工程平面示意

2 地质条件

本工程顶管主要穿越⑥1层粉质黏土、⑥2-1砂质粉土、⑥3粉质黏土夹粉性土。其中：⑥1层粉质黏土强度较高，处于可塑状态，工程性质良好；⑥2-1砂质粉土土层易产生坍塌、流沙、管涌现象，对顶管施工有较大影响；⑥3粉质黏土夹粉性土土层层位起伏大，呈软塑-可塑状态，工程性质一般。综上所述，本工程地质条件较复杂。

3 焊接工艺研究

依托工程为输水压力管道，管道运行压力0.65 MPa，试验压力达1.10 MPa，对管道强度提出了很高要求。同时，本工程钢顶管管径较大，壁厚达到38～40 mm，焊接周长达12.8 m，焊接难度大。考虑到管道敷设长度较长，因此焊接工艺的效率对工期影响显著，必须通过焊接试验确定焊接参数，确保施工质量及工艺效率。

3.1 焊接试验研究

本工程拟采用CO2气体保护焊焊接，焊丝牌号为ER50-6，规格为φ1.2 mm。

1）坡口形式确定：研究和对比各种焊接方法和坡口形式后，确定采用单边V形管道坡口进行焊接。

2）焊接效果评定：试验后需要经过无损探伤，检测结果须符合要求，焊接工艺评定按照GB 50683—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》标准执行。评定内容包括化学成分分析、力学性能等检验。

经试验，所得焊接参数均符合实际工程要求，故按照焊接试验指导工程实践，具体参数由试验确定。

3.2 焊接施工操作研究

3.2.1 冷裂纹控制研究

长沙市共六区二县一市，分别为芙蓉区、天心区、岳麓区、开福区、雨花区、望城区、长沙县、宁乡县及浏阳市，行政面积、人口分布等社会经济资料来自湖南省统信息网站。

焊前预热是焊接中防止含碳钢材产生冷裂纹的主要手段。根据有关资料结合实际钢材属性，确定焊接预热温度为180 ℃。预热方法采用微机温控电加热，预热区域为坡口两侧至少100 mm范围。焊接时应同时对称施焊。

3.2.2 CO2气体保护焊操作技术研究

1）焊前清理与装配定位：CO2半自动焊在焊前应对焊件、焊丝表面的油、锈、水及污物进行仔细清理。定位焊直接采用CO2半自动焊进行，定位焊的长度和间距要根据板厚和焊件结构形式而定。一般定位焊缝长度为30～250 mm，间距以100～300 mm为宜。

2）引弧与熄弧：在CO2半自动焊中，常用直接短路接触法引弧，引弧时要把焊丝长度调整好，焊丝与焊件保持2～3 mm的距离。如果焊丝端部有球状头，应当剪掉。为了消除未焊透、气孔等引弧的缺陷，对接焊缝应采用引弧板，或在距焊缝端部2～4 mm处引弧，然后再缓慢地将电弧引向焊缝起始端，待焊缝金属熔合后，再以正常焊接速度前进。焊缝结尾熄弧时应填满弧坑。在熄弧时要在弧坑处停留片刻，然后缓慢抬起焊枪，在熔池凝固前仍要继续送气。

3）左焊法和右焊法：CO2半自动焊根据焊丝的运动方向分为左焊法和右焊法。左焊法电弧对焊件有预热作用，熔深大，焊缝成形较美观，能清楚地掌握焊道方向，不易焊偏，一般CO2气体焊都采用左焊法。采用右焊法时，气体对熔池的保护效果好，电弧的吹力作用可将熔池的熔化金属推向后方，使焊缝成形饱满，但焊道方向不易掌控。

3.3 超大口径钢顶管焊接施工

3.3.1 拼装

1）在预拼装管口内壁处均布焊接6～8块拼装导向板，借助顶管后座油缸顶力将钢管推进，预留焊缝间隙3～5 mm。

2）在焊缝背面粘贴陶瓷衬垫，并点焊牢固，点焊间距一般为300～500 mm，管壁不平度应≤2 mm。

3）检查合格后，粘贴陶瓷衬垫，进入下一道工序。

3.3.2 焊接

焊接施工时安排焊工每班4人，2内2外。检查陶瓷衬垫粘贴牢固后，开始实施焊接，具体操作如下：

1）管外焊接：管外焊接应从3点、9点钟方向向上爬坡焊接（图2），一般需焊6层，层间焊渣用φ125 mm角向磨光机打磨清理。两焊工焊缝接头应层间相互交叉、错开。

图2 钢管焊接区域示意

2）管内焊接：为了防止杂物落入焊缝，应从底部开始打底焊接，同时向两边延伸，在3点、9点钟方向与管外焊接接头处，必须采用碳弧气刨逐层清根后，方可焊接。其他要求同管外焊接。

3）焊缝质量要求：焊缝不得有气孔、夹渣、咬边、弧坑等现象；焊缝外观要宽窄均匀，中间凸出部位高度2～3 mm；焊缝背面陶瓷衬垫拆除后，检查焊缝应均匀、成直线。

3.3.3 收尾

待所有焊接完成后，应拆除导向板，清理陶瓷衬垫，自检、互检焊缝外观质量，磨除焊疤，最后申请质量检测。若检测不合格，则应现场返工，直至检测合格。

3.3.4 对接焊质量检验

1）现场焊接外观等级为二级，所完成的焊缝按照相关规范规定进行外观检查，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。

2）焊缝余高、咬边、相邻管节错位等偏差应满足规范要求，不允许出现未焊满和未焊透现象。

3）无损检测要求：外观质量检测合格后，在重要焊缝附近打上焊工代号，再全数进行超声波检测。超声波检测由有资质的第三方根据GB/T 11345—2013《焊缝无损检测超声监测技术、检测等级和评定》中Ⅱ级标准进行，并且进行5%的X光检测。

4 超大口径钢顶管微扰动施工技术研究

4.1 超大口径钢顶管扰动作用影响要素分析

1）开挖面稳定：在顶管施工过程中，作用于机头正前方开挖面的支护压力是影响开挖面稳定性与开挖面前方土体扰动的主要因素。开挖面支护压力的大小理论上必须介于开挖面所在处主动土压力与被动土压力之间，否则容易出现土层塌陷或隆起现象。

2）泥浆套控制：在顶管施工过程中，由于机头与管片外径差异，难免会在顶管与开挖后的土体之间形成空隙，如果空隙不能得到良好的填充，周围的土体会向顶管外壁塌落，对周围土体产生较大的扰动作用。

3）姿态偏差及调整：当顶管施工过程中存在曲线顶进或者顶进过程中需要进行纠偏时，顶管的姿态控制将极为重要。姿态偏差会对土层产生不同程度的挤压扰动，从而引起地表变形。

4.2 超大口径钢顶管掘进机选型

在顶管掘进中，开挖面的稳定控制至关重要。依托工程穿越鱼塘、桥梁、燃气管线等重要部位，对周边环境及地表沉降控制要求高，因此要求顶管设备在顶进过程中能精确控制开挖面的平衡。

考虑到工程土层特点，在超大口径管道顶进时，同一断面所切削的土体面积更大，因此采用耐磨性和耐冲击性优越的材质作为先行刀盘。同时考虑地层对刀盘的摩擦力较大，在刀盘外圈易磨损部位堆焊了大量的网状耐磨硬质合金。刀盘驱动采用变频调速形式，驱动功率配置设计有较大富余，可以更好地稳定开挖面的水土压力。在工程背景中，当穿越⑥1黏性硬土层时，针对土体包钻引起扭矩增大的问题，在刀盘上设置了超前高压喷水装置，可有效起到破碎土体、降低扭矩、润滑刀盘、防止土体包钻等作用，保证顶管稳定地掘进。

4.3 超大口径钢顶管微扰动泥浆施工

经分析，超大口径钢顶管顶进施工时，对管两侧及管上方均有较大的扰动，会对周边环境产生影响，尤其是对管两侧产生的扰动更大。因此需要根据实测分析，在该范围内及时采用注浆工艺形成有效的泥浆环套，以减少土体的扰动。根据受力分析，管道两侧土压、孔压变化较大，因此对于管两侧的措施应加强。补浆孔环形布置（图3），每环6个压浆孔，间隔60°布置，每侧3个压浆孔对两侧均有压浆效果，能够及时有效地进行注浆，避免产生扰动。

4.4 超大口径钢顶管穿越控制技术

在管道穿越重要构筑物时，采用预加固措施，对重要构筑物、管线进行保护。

1）合理使用泥水平衡控制工艺，设定与环境地层调节相匹配的泥水压值等关键参数，控制顶进速度，利用顶管智能出土调节系统，使泥水压能自动平衡调节，保证顶管在穿越敏感区域过程中开挖面的稳定。

图3 超大口径钢顶管压浆孔布置示意

2）做好同步注浆工序，确保形成完整有效的泥浆环套，起到支持和润滑作用，从而有效地控制地面沉降，减少对建（构）筑物的影响。

3）提高测量精度，减小纠偏角度。

4）对于穿越特殊敏感区域的预埋注浆管，穿越过程中建（构）筑物及管线若发生较大沉降，首先应进行跟踪注浆，通过监测数据指导注浆频率及注浆量，直至穿越后沉降控制稳定。浆液可根据情况采用水泥浆或双液混合浆液。当注浆控制沉降效果不良时，可采用高压旋喷、隔离桩等其他加固措施。

5 结语

依托黄浦江水源地连通管工程，对超大口径钢顶管焊接技术及微扰动施工关键技术进行了阐述。通过焊接试验，验证了参数的可行性，以此指导焊接施工，有效地保证了焊接质量。同时结合超大口径钢顶管扰动机理分析，研发了超大口径钢顶管掘进工艺、泥浆工艺以及穿越控制工艺，形成了一套系统的微扰动施工技术，保证了工程的顺利实施并大幅降低对周边环境的扰动，社会与经济效益显著。