城市道路下超长距离曲线顶管技术优化和保障措施

凌兴安

（上海城投水务工程项目管理有限公司，上海 201103）

0 引言

近年来，顶管工程朝着大口径、超长距离和曲线顶进的趋势发展。超长距离对顶管施工提出了设备可靠性、顶力控制、通风照明、电力供应等技术难题。曲线顶管对顶管工具头姿态控制、顶管测量、管道接口密封提出了更高的要求。毛海明等［1］阐述了中继环联动在超长距离顶管中的实际应用。张立新［2］结合实例介绍了超长距离顶管触变泥浆的材料特点、压浆管布置和压力控制等施工要点。本文结合上海某污水总管施工中超长距离曲线顶管工程案例，介绍顶管中技术难点，可供类似顶管设计和施工参考。

1 工程实例

上海某污水总管管径 DN 3 000 mm，采用钢筋混凝土“F”管节，管道全长约 1 772 m，管道埋深约 10 m，顶管平面布置图如图 1 所示。。原设计为 2 座工作井，1 座接收井，顶管分为 2 段，第 1 段为3 # 井→2 # 井，长度约 648 m；第 2 段为 2 # 井→1#井，长度约 1 124 m。施工单位进场后，发现2#井位置有大量既有管线无法搬迁，同时 2 # 井施工对道路交通影响很大，经参建单位综合比较后，取消 2 # 工作井，改为骑马井，顶管从3#井一次顶进到 1 # 井。其中曲线段为125.8 m，曲率半径为 610 m。顶管场地土层参数如表 1 所示。

图1 顶管平面布置图

表1 土层参数

顶管位于市政道路下，该区域道路狭窄、周边建筑与道路距离小，施工过程的噪声、光、振动、施工排污等污染将对附近居民、单位的出行带来不便和影响。顶管井施工范围内涉及通讯、电力管线的搬迁、翻排以及道路的掘路施工。顶管沿线穿越雨水管道、污水管道、穿越轨道交通高架桥。

由于顶管工作井和接收井位于市政道路下，场地比较狭小，基坑围护采用钻孔灌注桩，高压旋喷桩止水帷幕，内设 2～3 道型钢支撑，工作井设钢筋混凝土内衬井。

2 方案优化

相对于原设计方案，优化设计方案为一次顶进，总长 1 772 m。优化方案后顶进距离加长增加了顶管施工难度，也增加了减阻措施、中继间等费用，所以对两个方案从技术经济方面进行了比较（见表 2）。

表2 方案比较

根据表 2 方案对比，优化后的方案施工措施费有所增加，但考虑到管线搬迁和交通封闭导致的社会影响和工程费用，采用优化设计方案仍然是比较好的选择。

3 技术难点和措施

3.1 工具管选型

根据设计图纸及地质勘探报告，结合本标段顶管沿线穿越的土质、建构筑物情况，顶管设计轴线均在道路下方，现状道路上车流量大，沿线道路两侧建筑较多，地下管线复杂，对顶管施工的沉降控制要求极高，因此 DN 3000 拟选用大刀盘泥水平衡顶管掘进机。DN 3000 顶管机技术参数如表 3 所示。

表3 工具管参数

主顶进系统采用 200 t 双冲程等推力油缸，行程3 500 mm，双冲程油缸组装在油缸架内，主顶油缸数量 10 台，主顶系统配置顶力 20 000 kN。

3.2 顶力控制

管道的总顶力按照式（1）、（2）估算［3］：

式中：F0为总顶力标准值，kN；D1为管道外径，m；L 为管道设计顶进长度，m；fk为管道外壁与土的平均摩阻力，取 2.0 kN/m2；NF为顶管机的迎面阻力，kN。

式中：D 为顶管机外径，m；γs为土的重度，kN/m3，取 18.0 kN/m3；Hs为覆盖土层厚度，m。

由于本工程部分采用曲线顶管（曲率半径约172D1），顶力计算考虑顶力附加值系数 K=1.225［4］。顶力计算如表 4 所示。

表4 顶力计算

工作井设计最大顶力 5 000 kN，管材最大允许顶力为 22 000 kN［5］。施工中按工作井所能承受的最大顶力 5 000 kN 计算。中继间装备顶力 15 000 kN，按顶力系数 K=0.5 计算可达 7 500 kN。根据施工经验，随着顶进的深入，浆套逐渐形成，摩阻力逐渐减小，摩阻力在第一只中继间处取 3.5 kN/m2，第二只中继间处取 2.0 kN/m2，第三只中继间及以后取 1.5 kN/m2。第一只中继间距离计算：L1=126 m；第二只中继间距离计算：L2=265 m；第三只中继间及以后距离计算：L3=414 m。施工中应考虑现场实际情况，实际布置中继间的数量和里程要在试验段根据注浆效果和顶程阻力计算确定。根据计算和初步分析，中继间布置间距如表 5 所示。

顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效方法是注浆。合理布置注浆孔，使所注润滑泥浆在管道外壁形成比较均匀的泥浆套。压浆时必须坚持“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则，压浆泵和输出压力控制在 0.15～0.2 MPa。同时为了管道与土层黏结，在管道外涂刷石蜡。

3.3 管材选用

超长距离曲线顶管机头纠偏和曲线转弯时，顶管管节容易漏水，必须采用可靠的接头形式。根据上海地区顶管施工经验，顶管管材均采用双道楔型橡胶圈的 F 型接口形式承插钢混凝土管节，管节单节长度 2.5 m。钢承环加长为 380 mm×14 mm。管接口端面的衬垫板宜选用 25 mm 厚的松木板，保证超长距离曲线顶管施工防水性能。接口详图如图 2 所示。

图2 接口详图（单位：mm）

3.4 顶管测量

在顶管顶进施工过程中，对轴线的测量工作至关重要。现有的顶管导向测量大多是基于传统的人工导线测量技术，人工测量时间长，总的导向测量次数少，这些因素大大影响了工程的施工进度和贯通精度，测量不及时甚至将导致严重的安全问题。测量站点布置如表 6 所示。

表6 测量站点布置

针对本工程顶管长距离曲线顶进的特点，拟采用超长顶管自动引导测量系统进行施工。该技术由自动驱动全站仪、计算机、棱镜及其它辅助产品组成。利用自动驱动全站仪的坐标测量功能实时控制顶管方向；利用全站仪三角高程测量功能实时控制管道标高，以保持管道的设计坡度；利用便携式电脑及软件获取实时测量数据，绘出偏差轨迹，实时显示当前里程与机头中心位置。

3.5 工具管姿态控制

为了监测顶管机的姿态，顶管机上安装了激光导向系统，测量装置由目标测量板即激光靶板和倾角罗盘装置组成，激光靶板测量激光入射点和入射角，倾角罗盘仪测量机器在两个方向上的转角。测量时自动监测与人工监测相互纠正，以进一步提高顶管机姿态监测的精度。

顶管机姿态调整包括：①滚动纠偏；②竖直方向纠偏；③水平方向纠偏。顶管机姿态调整时要随时根据开挖面地层情况及时调整顶进参数，修正顶进方向，避免偏差越来越大。顶进时要及时进行纠偏，削除偏差后，再继续向前顶进。

表5 中继间布置表

4 实施效果和结论

4.1 实施效果

1）顶管施工时间约 9 0 d，实际最大顶力约5 400 kN，施工中除一次清理垃圾土，停机 14 h，重启顶力达到 9 300 kN，其余施工过程顶力正常。

2）穿越轨道交通高架桥处，最大地面沉降为 16.2 mm。

4.2 结论

1）实例表面，在一定的技术措施下，1.7 km 超长距离曲线顶管在市中心区域可以成功实现。

2）超长距离顶管核心技术是顶力控制，需要对注浆减摩精细化管理，同时合理布置和操作中继间。

3）曲线顶管从管材接头、工具管姿态控制等方面保证了线形和防水效果。

5 结语

上海城市道路下某污水总管管径 DN3000 mm，顶进距离为 1 772 m，其中曲线段为 125.8 m，曲率半径为 610 m，穿越轨道交通高架桥和市政管线。顶管施工时，通过工具管选型、泥浆套减阻和中继间布置等技术措施，管道顺利顶通并有效控制了超长距离曲线顶管对周边设施的影响，可供类似顶管设计和施工参考。