平潭及闽江口水资源配置工程长距离顶管施工难点及解决措施

黄智刚

(福州水务平潭引水开发有限公司，福建 福州 350000)

1 引 言

顶管施工是一种现代化的非开挖地下管道施工技术，具有土方工程量少、环境影响小、施工工期短、综合成本低等优点，被广泛应用于城市地下管网系统、原油通信管道工程及公路铁路等基础设施建设中。当顶管穿越江河时，与围堰施工和沉管施工相比较具有回填量小、不受季节洪水影响、对通航没有影响等优点[1]，但其对河床地质要求高，施工技术复杂难度大，施工技术研究和质量控制尚需进一步提升和完善。

魏纲等[2]对某顶管工程进行了地面变形、孔隙水压力、深层土体移动、地下水位、土压力以及顶管施工现场记录的监测，结果表明土体扰动受地质条件、施工方法和现场控制程度的影响，其中现场控制程度的影响最大。余剑锋[3]对顶管施工引起的地表变形进行解析计算和数值模拟研究，得出顶管施工过程中和施工后的地表变形规律。李万才[4]利用注浆减摩技术，在土层和顶管外壁注入润滑液以减少摩擦阻力，可有效降低顶进阻力。任宇宁等[5]以厦门新机场翔安东路过海段顶管施工为例，介绍了CT探测技术在复杂地层顶管施工中可还原真实的地质情况。然而上述研究多集中于顶管的力学性能研究，对施工过程的质量控制研究较少。

鉴于此，本文以福建省平潭及闽江口水资源配置工程为例，对长距离顶管施工的难点问题进行梳理与总结，并提出相应的施工方法和质量控制措施，为今后类似工程施工提供参考。

2 工程概况

2.1 顶管布置情况

福建省平潭及闽江口水资源配置工程第3标段详谦农场—城门水厂段顶管，顶管始发井桩号为QC3+828.672，接收井桩号为QC2+690.993。顶管采用DN2000钢管，全长1137.679m。顶管材料采用Q355B(镇静钢)，直缝埋弧焊制，管节长度7.2m。

顶管始发后，首先以3.5°曲线下坡入土，以半径6000m的曲线顶进过渡到水平直线段顶进，水平直线段总长183.501m(桩号：QC3+217.26～QC3+400.761)，最后再以半径6000m的曲线顶进过渡到坡度为2.5°的上坡段出土顶进至接收井，顶管从全—强风化岩层穿越至中砂淤泥层。

2.2 工程地质

乌龙江主河道宽约2.951km，河道底高程-5～-15m。两岸地形右岸较缓而左岸较陡，根据钻孔揭示，管道区地表多为第四系全新统长乐组冲海积层淤泥和中砂层覆盖，厚30～50m，管道区地下水类别主要为孔隙潜水，乌龙江河道水深5～15m，两岸地下室埋深于第四系全断统长乐组冲海积层淤泥中，地下水位0～1.5m。

根据勘探资料分析，顶管段岩土层主要有淤泥、中砂、弱—强风化凝灰熔岩、砂质黏土与全风化基岩、淤泥和中砂层，利于顶管施工，但后段约541m为强—弱风化凝灰熔岩，顶管施工难度较大。

3 施工难点分析及控制措施介绍

3.1 施工测量控制技术难度大

顶管施工测量工作是为了确保每节管道中心线符合施工图纸要求，这也是顶管精准施工的关键。顶管施工中的测量工作可分为以下四个部分。

3.1.1 地上平面、高程控制测量

由于地面测量误差所引起的横向贯通中误差的允许值，可用式(1)表达：

m横允=±Δ

(1)

式中m横允——横向贯通中误差，mm；

Δ——总的横向贯通中误差，mm。

可知，地面控制测量误差将是总横向中误差的0.58倍，占比非常大，绝不如忽视。

3.1.1.1 地面平面控制网的布设与施测

布设地面控制网时的主要原则有：导线的各个边长尽量相等，导线点的俯仰角不大于±32°，近井点要设置为强制对中点，并经常对近井点进行复测，地面平面控制网边长相对中误差不超过±3mm，角度相对中误差不超过±4″[6]。

3.1.1.2 高程控制网的布设与施测

在复核精密水准点之后进行地上高程控制测量，以给定的精密水准点为依据，根据施工进度需要对施工现场临时水准点进行加密测量，也可将已知高程引测到近井点上，隧道高程贯通误差通过精密水准联测来控制[7]。施工前、施工中期和进洞前须进行高程控制复测。

3.1.2 地上与地下平面、高程联系测量

地上与地下联系测量是为了将地上点与地下点的平面坐标和高程合并到同一个测量系统中，从而为地下各类测量提供可靠依据，提高地下测量的准确性[8]。平面控制加密控制网的技术要求见表1。

表1 平面控制加密控制网的技术要求

3.1.2.1 地上与地下平面联系测量

地上与地下平面联系三角形测量(俗称定向或方向传递)主要采用两井定向法和直传法[9]。

为了确保地下测量点的准确性，将在工程中采用联系三角形对地下控制点进行复核。采用三根钢丝，以两组方位传递的方式传递至井下固定起始边，其中固定边长度不应小于200m，整个顶管区间定施测次数不得少于三次，三次互差不得超过8″～10″。

3.1.2.2 地上与地下高程联系测量

高程联系测量主要是将地上精密水准点的已知高程传递到地下临时水准点上，也就是将地下与地上高程数据合并到同一个测量系统[10]。

高程控制加密的技术要求见表2。

表2 高程控制加密的技术要求

高程传递采用悬吊钢尺的方法进行，见图1，整个顶管施工中高程点的传递次数不得少于三次。使用与钢尺标准拉力等量的重锤将钢尺悬挂在工作井内，地面和工作井中的水准仪同时进行观察，视线高最大高差不得大于2～3mm。井下布设2～3个地下起始高程控制点。

图1 水准测量示意图

3.1.3 地下平面、高程控制测量

地下平面控制测量采用布设支导线的方式进行[11]。井下导线的起始边为定向测量结果，导线布设为等边直伸导线，随着顶管顶进依次布设地下顶管贯通导线点，在测量定向过程中，布设交叉导线即双导线，由两条交叉导线测得每一个新导线点的坐标，取其平均值作为新点的测量数据，采用单导线左右角观测法等有效测量手段来收敛地下导线重点自由度，以确保测量数据的准确性，提高测量精度。

3.1.4 顶管中心线控制测量

顶管顶进轴线误差直接影响进洞姿态与地表沉降，测量误差过大，将导致进洞时顶管机头与洞口难以对准，影响管道的整体轨迹，需要花费大量的人力和时间对误差进行纠偏，顶进效率大幅下降，因此必须在管道顶进过程中进行实时测量[12]。

本顶管工程为直线段+曲线段的布置形式，且曲线段的曲率半径为6000m，为保证测量数据的准确性，在顶管施工过程中，采用综合测量方法，分两步进行量测：起始下坡可以通视段顶管施工采用激光经纬仪测轴线、水准仪复测高程；工作井内无法通视后的顶管施工采用全站仪测轴线、水准仪复测高程。

3.1.4.1 通视段轴线测量

利用激光经纬仪测量轴线，水准仪复测高程。测量过程为：在测量台上架设激光经纬仪，使仪器中心平面及高程与顶管轴线相一致，激光走向与设计轴线相一致，在顶管机后壳体上固定安装激光接收装置，激光点在光靶上能够准确反映机头在水平方向与竖直方向的偏移，通过观测激光点走向以确定顶管在顶进过程中的偏离值。激光经纬仪测量见图2。

图2 激光经纬仪测量示意图

3.1.4.2 无法通视后轴线测量

沿着顶进轴线，激光经纬仪激光导向无法满足施工要求，因此采用全站仪进行测量。由于本工程长距离顶管，并有曲线，不能从井内直接测量到顶管机靶心坐标，因此管道内必须设置转点。测量方法为：在机头尾部安放棱镜，从工作井出发，以出洞口中心点为起始测点A，由于起始测点的坐标已知，利用全站仪测量结果可以确定下一测点C的平面、高程坐标，接力至机尾测点，通过机尾测点计算出顶管机切口的平面、高程坐标。编制相应的专用计算机程序，输入相应的测量数据，便可得出顶管的偏离值，顶管机的姿态一目了然。全站仪测量示意见图3。

图3 全站仪测量示意图

3.2 顶管机的姿态控制难度大

在管道顶进过程中，对顶管机的所处位置与管道设计轴线的关系要进行实时监测，以便在机器出现偏差之前采取适当的措施避免机器超出误差所允许的范围(即实时纠偏)。长距离顶管施工时碰到的最大困难是随着施工的进行整条管道都处于连续运动状态，所以按照传统的方法不可能在已被顶入的管道上设置基准点来为后续的施工提供测量服务，顶进过程中的顶管机姿态控制难度大[13]。为解决以上问题，本工程采用SLS-RV顶管激光导向系统作为顶管机导向系统，利用软硬件结合的优势, 为顶管机位置的实时测量，特别是在掘进过程中顶管机的姿态测量提供了一条新的途径。

SLS-RV顶管激光导向系统可以实现对顶管机姿态的自动实时监控，并对长距离复杂线路的顶管施工进行精确的导向；系统采用可编程机动激光全站仪及自动追踪活动激光靶，以数字和图形两种形式将顶管机的姿态信息显示在操作人员面前；在测量工程中可以自动对已安装的管道进行测量，生成导向基准线，并显示顶管机的趋向；可实现远程控制及数据的自动存档。SLS-RV主操作界面见图4。

传统的测量方法为了确定顶管机的准确位置，每一次测量都必须从工作井开始重新测量一遍数据，随着施工的进行，管道长度增加，测量时间和测量难度也逐步增大，时间和人力的成本显著增加，并且原有的测量方法只能在顶管机停止掘进的情况下进行测量，在顶管机掘进过程中无法控制顶管机姿态，只能在掘进完成后发现偏差进行事后纠偏， 而采用SLS-RV系统进行导向则可以实现对顶管机和整段管道具体坐标以及顶管机姿态的实时测量，为工作人员提供及时、准确的纠偏数据。

图4 SLS-RV主操作界面

3.3 中继间施工技术要求及闭合要求严格

3.3.1 中继间设计

中继间是解决长距离顶进施工顶力过大最有效的措施之一。本工程顶管中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式钢结构件。中继间采用双道径向可调的橡胶密封，另增加二道馒头形橡胶止水圈。中继间伸缩时密封装置采用双道径向可调的橡胶密封圈，在双道径向可调的橡胶密封圈之间设置4只注油孔，以减少橡胶圈的磨损[14]。一道馒头形橡胶止水圈用于顶管结束以后，切割法兰和拆卸二道径向可调的橡胶密封时的临时防水。密封配合面应经过立车的精加工，并经过抛光处理，涂抹润滑脂[15]。若在顶管过程中出现局部漏浆现象，也可以在端面设置一道盘根和法兰止水的应急措施。中继间图片见图5。

图5 DN2000中继间照片

每套中继间安装24只双作用油缸，总推力10000kN，油缸行程为500mm。为提高工程的可靠性，在每套中继间处设一台三柱式液压动力机组，其液压泵具有耐高压的特性，尤其适用于中继间使用。启用时一名操作人员就可控制。中继间主要参数见表3。

表3 中继间主要参数

3.3.2 中继间的间距确定

本工程中继间设置根据相关建设规范要求，顶管机后方20～50m处布置第一道中继间。后续中继间布置按照式(2)计算确定。

S′=k(F3-F2)/(πDf)

(2)

式中S′——中继间的间隔长度，m；

k——顶力的系数，一般取0.5～0.6。

F2——顶管机的迎面阻力，kN；

F3——控制顶力，kN；

f——管道外壁与土的平均摩阻力，kN/m2，取2～5kN/m2；

D——管道外径，m。

根据式(2)，结合以往钢顶管的施工经验，本工程需要设置7个中继间才能满足顶力要求，为了防止地质变化、顶进方向偏差等原因造成顶力增大，降低因为顶力增大而出现抱死的风险，参考设计图纸，将中继间的个数增加到11个。

中继间布置位置计算如下：因为第一个中继间不但要克服地层的摩擦力，还要克服刀盘顶进过程中的反作用力及曲线钢顶管的线形控制，所以第一个中继间一般安装于顶管机后40～60m。本工程第一个中继间布置于顶管机头之后50m位置，第二个中继间布置于顶管机后130m，后续第三至第十一个中继间分别布置于230m、330m、430m、530m、630m、730m、830m、930m、1030m，主顶负责末端115m的顶进力。

中继间与钢管焊接以后，为了增强启用中继间时管材和中继间的整体刚性。在两端焊接处增加筋板，筋板长度50mm，筋板高度15cm，间距30cm焊接一道筋板。

3.3.3 施工后的中继间处理

为防止中继间发生外侧泥浆渗漏，可在顶管机进入工作井后，对中继间预留的注浆孔注入双液浆；确保中继间前后段和中继间内壳和外壳之间压密注实[16]。

注浆完成后，从第一个中继间起依次拆除油缸，并将空当合拢；封堵注浆孔；割除多余的筋板，保留紧贴顶管内壁的钢板，端部割除钢板后进行焊接。焊接质量按100%进行超声波检测。

3.4 顶管穿越乌龙江的控制措施

顶管位于乌龙江江底岩土层，形为半径6000m的竖曲线，最小覆土约8m，局部覆土较浅，须选择适合的顶管施工工艺，避免形成流土、流沙造成土体塌陷或地层下降。

3.4.1 施工参数调整

泥水舱压力是顶管施工的重要参数之一，其大小直接决定掘进机前舱土压力[17]。在浅覆土层中施工，若泥水舱压力设置过大，容易造成浅覆土被顶穿，导致河水进入顶管机前舱，影响顶管施工；泥水舱压力设置过小，则顶管机无法支持前方土体，造成大量地层损失，引起过大沉降[18]。通过对浅覆土层的分析计算，并结合土体开挖面的性质，最终确定顶管浅覆土施工中，泥水舱压力控制在0.08～0.12MPa。

3.4.2 注浆方式改进

膨润土润滑泥浆套的使用是顶管施工的重要步骤：一方面，可以有效地起到减摩降阻的作用，降低顶力值，使长距离顶进成为可能；另一方面，可以补偿一部分顶管开挖造成的地层损失，减小由此引起的土体位移，降低顶管施工对周围环境的影响。

为了保证顶管施工中顶管机尾部注浆和管道沿线补浆的需要，使注入的膨润土泥浆形成润滑泥浆套，确保顶管正常顶进，注浆时需要施加一定的注浆压力[19]。本工程中注浆压力控制在0.2MPa左右，由压浆机提供压力。在此压力下，顶管润滑泥浆套的形成见图6。

图6 润滑泥浆套形成示意图

浅覆土下顶管施工时，注浆压力可能造成膨润土泥浆穿透上覆土层的情况发生，此时，不仅无法形成润滑泥浆套，影响顶管顺利顶进，而且浪费建材，损失大量配制膨润土泥浆的材料，更严重的是污染河道，破坏周围环境[20]。为防止这种情况发生，浅覆土下顶管施工时，掘进机机尾注浆及管道沿线补浆时，关闭上面两只注浆孔，膨润土泥浆通过下面两只注浆孔，在注浆压力下，也可形成泥浆套。

在中风化凝灰熔岩中进行顶进的过程中，使用黏度大于30s的钠基膨润土，配合比1∶5～1∶6，在中砂层中顶进时，配合比控制在1∶6～1∶8之间。

3.4.3 顶管浅覆土穿越控制方法

a.穿越掘进的主要技术参数为：推进速度2～3cm/min；均匀、慢速。

b.设置合理的水土压力值，取静止土压力的1.00～1.05倍。

c.注浆方法：以管道下端注浆为主，管道上端注浆为辅，触变泥浆的黏度适当提高，注浆量相对减少，在管外壁形成完整的泥浆润滑套。

d.减少进入开挖面的泥水流量。在进水管路中加入一定量的黏土和膨润土泥浆，在刀盘切削面形成泥膜，提高开挖面的稳定条件。

e.在穿越段保持匀速连续顶进，避免停顿时间。如遇短时间停止，设置专人对泥水舱内的泥水压力进行监控；在停止顶进前，须向泥水舱内压注一定量的膨润土泥浆，在停止顶进的过程中如遇压力下降情况，也可向泥水舱内注入膨润土泥浆，以保持开挖面的平衡压力[21]。

f.降低推进速度，减少纠偏，特别是大量值纠偏。

g.浅覆土穿越后，在拆除触变泥浆压注孔接头之前，必须采用纯水泥浆对每个孔的球阀进行固化，以避免管道出现后期沉降[22]。固化浆应边放浆边压注水泥浆，依次进行，直到整个管道全部完成[23]。

4 结 语

a.福建省平潭及闽江口水资源配置工程越乌江顶管工程全长1137.679m，属于超长距离顶管施工，测量工作量大且复杂，采用科学合理的施工测量体系，可以极大地提高测量精度，这是保证施工质量的前提。

b.采用SLS-RV顶管激光导向系统作为顶管机导向系统，可在掘进过程中对顶管姿态进行实时监测，该系统自动化程度高，可进行实时纠偏，节约施工成本，提升施工效率。

c.合理的中继间布置，可减少管道的顶力，保证长距离顶管施工中的顶力要求，增加管道顶进长度，但会相应地增加施工的材料费、机械费以及安装和拆除费用，须从经济的角度出发，综合考虑工程工期和成本，设置最佳的中继间数量。

d.越江工程顶管施工过程中，通过施工参数的调整和注浆技术的改进，适当增大注浆压力，减慢推进速度，可有效减少地表沉降和管道竖向位移。

e.长距离顶管施工依然存在周围土体干扰大、顶进设备维修困难、焊接工艺要求高等问题，须通过大量的工程实践，不断总结施工成功经验，进一步提升施工水平和施工效率，以达到节省工期和节约施工成本的目的。