大口径离心浇筑玻璃钢夹砂管在复杂环境条件下的顶管施工技术

金顺清

上海南汇建工建设（集团）有限公司 上海 201206

1 工程概况

因城市发展速度加快，上海沪南公路现状污水总管规模已无法满足污水量日益增长的排放需求，为保障区域污水出路、保证区域发展建设需要，实施对沪南公路污水总管的改扩建工程。项目西起闸航公路，东抵灶东泵站，全长约27 km，整体沿沪南公路、同发路、拱极东路敷设。

沪南公路污水总管改扩建4标是沿沪南公路最东的标段。项目穿越惠南镇东城区和老港镇，向东邻近两港大道，最后接入灶东泵站至海滨污水处理厂，是整个项目的末端实施标段。全线管道基本沿现状沪南公路重叠实施（除部分跨河段外侧绕行），线路先后穿越G1503高速公路、轨交16号线、9条河道，与沿线18条道路相交。

设计污水总管管径为D N 8 0 0 ～D N 2 4 0 0，全长12 989 m，其中DN2 400管为9 518 m。本项目除长度为2 359 m的DN1 400管采用开槽埋管外，其余均采用非开挖顶管施工，顶管管材采用离心浇筑玻璃钢夹砂管。全线共设28个工作井，22个接收井，开挖深度均超过8 m，最大深度达到16.7 m；其主线顶管管道埋深10.17～13.38 m，支线顶管埋深为4.50～10.50 m。

2 工程周边环境和地质条件

顶管管道穿越G1503高速公路、轨交16号线和9条河道。由于该区段为最东段，已邻近大海，为滨海平原地貌类型，属Ⅳ类建筑场地，软弱土类型。其中③层灰色淤泥质粉质黏土、③夹层灰色黏质粉土、④层灰色淤泥质黏土土层均较厚，分布不均，在⑦层局部存有承压含水层。

施工沿线经过惠南镇东城区、老港镇区、老港工业园区及多个村落，施工期间要保证沪南公路及周边居民的通行安全。

3 工程特点、难点

3.1 顶管管径大、线路长、埋深深、顶进长

本项目顶管施工长度10 630 m，其中DN2 400顶管施工长度9 518 m，占总量的89.5%，最长顶管顶进长度为550 m，最大管道深度为13.38 m。

3.2 离心浇筑玻璃钢夹砂管的应用

大口径离心浇筑玻璃钢夹砂管作为新型节能环保型材料首次在本地区应用于DN2 400大口径顶管中。管材在复杂地质条件和大顶力作用下的性能需得到进一步验证，施工中需加强对管材材料性能的检验、观测和记录。

3.3 穿越高速公路、地铁线和多条河道

本项目主线基本位于沪南公路下方，全线还穿越G1503高速公路、轨交16号线和9条河道。顶管施工对道路、桥梁的变形影响必须降到最低，必须保证沪南公路、G1503高速公路、轨交16号线通行安全。

3.4 地下管线和障碍物错综复杂

沪南公路为上海市历史久远的公路，已经过多次修建。地下各类管线多，主要有军事通信、航油管、信息通信、电力、燃气、雨污水等管线，且还存在情况不明的废弃管道和地下结构层。前期需要经过详细的调查、现场勘探和增做物探精探，明确地下管线和障碍物的平面位置、深度、规格、尺寸等详尽数据，确保顶管管位准确避让、顺利推进，有针对性地制定可行的对周边建（构）筑物、地下管线的保护措施。

3.5 管道穿越层地质条件差

顶管管道主要穿越土层为②3层灰色黏质粉土、③层灰色淤泥质粉质黏土、③夹层灰色黏质粉土、④层灰色淤泥质黏土。②3层和③夹土层在动水压力作用下更易造成顶进工作面产生流砂现象；③层和④层具有含水量高、强度低、灵敏度高、高触变性及流变性等特点，顶管顶进阻力小，应重视下沉及偏向问题，土体受扰动，强度会突变。

4 施工方法和技术措施

4.1 选用泥水平衡顶管掘进机施工工艺

由于本项目属于滨海平原地貌类型，属Ⅳ类建筑场地，软弱土类；大口径顶管作业量大；顶管作业必须有效控制地面沉降。故综合比较选用泥水平衡顶管机。该机型适用于黏性土、粉性土、渗透系数不大于1×10－3cm/s的砂性土，辅以机械平衡措施，可用于在淤泥及淤泥质土中。其主要优点为：适用范围广，最适合于渗透系数小于1×10－3cm/s的砂性土；挖掘面稳定，有利于控制地面沉降；弃土采用管道排放，施工速度快，可以连续出土。

4.2 施工技术参数选用和优化

由于顶管在不同性质土层、顶进距离、穿越G1503高速和需要保护建（构）筑物时的技术参数会产生变化，通过信息化手段监测顶管顶进状态和周边地形监测数据不断优化调整施工参数，确保顶管作业顺利安全的推进。因此，在每一个顶进段、不同地质变化条件段、不同地形地貌段，在顶进初始阶段必须严格对各类技术参数的变化和变形情况进行统计和分析，及时修正优化各类技术参数。主要涉及参数为水土压力、顶进速度、出土量、触变泥浆指标、顶力等[1-6]。

4.3 确保顶管顶进姿态，严控管道测量精度

本工程顶管直径大，顶管机质量较大，顶管机在刚出洞时，基本不受浮力作用，出洞时如操作不当，易造成磕头现象。

1）导轨铺设时在穿墙洞口内通过预埋件安装导轨延伸段，防止顶管机进入洞口后由于力矩的不平衡，发生向下突然磕头。

2）顶管机就位后，纠偏油缸等记录归零位，将机头垫高3 mm，保持出洞时顶管机有向上的趋势。

3）出洞加固土体要求均匀，不留死角。顶管机出洞前进行验收，加固强度达到要求后，才能进行出洞。

4）调整后座主推千斤顶的合力中心，顶力合力中心低于管中心（为管半径1/5～1/4）。

5）出洞时观察顶管机的状态，一旦发现下磕趋势，立即用后座千斤顶进行纠偏。

由于土层变化、管道内布置质量不均、顶管距离长等因素，易造成管道发生不同程度的扭转。

1）在顶管机内设置扭转指示灯，便于发现扭转情况后及时采取对应措施。

2）管道内布置设备、管材时，尽量均衡两侧质量。若无法满足，通过单侧加压达道两侧质量均匀。

3）通过控制掘进机刀盘转向（顺时针和逆时针方向），对在掘进时产生的转矩进行纠扭。

4）当仍无法达到效果时，可在管道内单侧加压配重的方法进行纠扭。

需提高顶管轴线测量精度，以保证各管段管道精确顺利到达。

1）采用双井定向测量，利用空导点和地面导线点建立平面控制网，采用铅垂仪垂直投射至井内固定基准点，用全站仪定位激光控制投射点至机头，自动化跟踪观测偏差方向。

2）顶进工程中，要分析管道偏移轨迹的变化，确定合理的纠偏方向和幅度，提前作出判断和采取措施。

3）通过顶管机高精度倾斜仪的读数变化，分析机头轨迹变化，是高程纠偏和评估纠编效果的重要数据。

4）顶管机4只纠偏油缸的油路上，设有压力监控装置，通过分析监控装置的数据来分析顶进中的不平衡外力的状况，预测顶管机的前进轨迹，为采取纠偏提供辅助参考信息。

5）顶管机刚产生偏转时，用改变刀盘的转向来校正，方法是顶管机向哪个方向发生偏转，刀盘就朝哪个方向转动。顶管机设有高精度倾斜仪，能精确显示顶管机0.01°的旋转角变化，可及时判断顶管机的偏转和校正效果。

4.4 提高触变泥浆施工质量

通过注浆使管外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套，不仅可以有效降低顶进阻力，而且能有效控制地表变形。本项目顶管所处地质较差、管径较大、顶管距离长，故对触变泥浆的配制和压注施工质量尤为重视。

选择优质的膨润土，根据顶管所穿越的土质和地表环境、顶力变化，不断总结和优化泥浆配比（基本配合比：膨润土∶CMC∶纯碱∶添加剂＝940∶15∶40∶5）。同时控制泥浆搅拌质量，拌制好的泥浆静置24 h后使用，漏斗黏度时间大于30 s，在使用前再次搅拌。

出洞口的止水装置确保不渗漏，管接口密封性能保持良好，这是管道形成浆套的先决条件。

顶管机出洞口就开始压浆，出洞口的压浆可以避免管子进入土体后被握裹，否则会引起背土的恶劣情况。管道在背土条件下的运动将对土体产生很大的扰动。

机尾的同步压浆很重要，要使浆套随机头不断延伸，若不及时压浆，机壳外面很容易产生背土现象。有效控制注浆压力，记录注浆量，避免部分注浆孔堵塞，防止管外壁泥浆套不均匀，形成制动效应。

要对管道沿线定时进行补浆，不断弥补浆液向土层的渗透量。

4.5 不同地质和环境条件下的顶进速度控制

适当降低顶管顶进速度并匀速推进，可有效降低顶管施工在特殊地层、穿越保护建（构）筑物所带来的风险。

1）通过降低顶进速度，可以降低对顶管上部和周边土体的变形量和变形速率。

2）降低顶进速度后，可更有效地观测地面变形、顶管各技术参数的变化，及时进行参数优化和制定应对措施。

3）通过降低顶进速度，提高控制测量精度，确保管位与周边建（构）筑物保持有效的安全距离。本项目在始发洞口加固区段推进速度均为10 mm/min；在穿越G1503高速公路、轨交16号线、地下压力管道等重点保护区段时，顶进速度为10～20 mm/min，其余正常区段不大于30 mm/min。

4.6 加强变形监测

通过顶管顶进变形监控、监测数据的分析，不仅可以通过设定报警值有效控制变形量对道路路面、管道和周边建（构）筑物进行保护，还可以通过数据变化分析优化各项顶管施工技术参数，降低顶管顶进对地面、管道和周边建（构）筑物的不利变形影响。

通过组织管线交底、收集地下管线资料、现场勘察、增做物探和精探、与周边建（构）筑物权属单位取得联系，掌握详细的地形地貌和建（构）筑物、地下各类管线的具体数量、位置、规格、结构形式、使用状况等精确数据，是制定监测方案的前提条件。

委托第三方专业监测单位对本项目进行现场变形测量作业。编制有针对性的变形监测方案，每天完成监控数据的汇总、分析和报告，及时提出指导性意见。

在穿越G1503高速公路、轨交16号线、压力管道等变形受控要求较高的区时域，通过提高变形控制报警值、布点数量、监测频率等方法，更有效地控制变形量，获得更好的保护作用。在顶管完成后进行水泥浆注入置换，提高管道外壁外侧土体硬化强度，降低后期沉降变形量。

本项目顶管顶进过程中的主要监测项目为：顶管沿线地面变形、地下管线变形监测、邻近建筑物变形监测。

1）地面垂直变形：沿轴线每5 m设点，每50 m设沉降剖面。每天监测2次，变形速率应≤3 mm/d，累计变形量应≤10 mm。

2）沿线地下管线：每10～15 m布设一点，每天监测2次，变形速率应≤2 mm/d；累计变形量应≤10 mm。加强对煤气管、燃气管及大口径给水管的检测，它们是刚性压力管，对差异沉降较敏感，接头处是薄弱环节。

3）邻近建（构）筑物的监测点1点/柱（相邻桥墩台），建筑物的四角、大转角处及沿外墙每10～15 m一处。监测频率重要区域为2次/d，其他区域为1次/d。桥墩立柱垂直位移变形速率报警值为1 mm/d，累计变形量报警值为5 mm，桥墩立柱倾斜累计变形量报警值为1/3 500；其他构筑物变形速率报警值为2 mm/d，累计变形量报警值为

20 mm。

本项目顶管工程在穿越G1503高速区段施工难度相对较大。施工过程中每天进行2次变形监测和全程的巡视检查，通过严谨的施工组织和精心的施工管理，各监测项目日变量和累计最大变量均未超出报警值。

5 结语

随着我国城市建设的日新月异，城镇化的扩大改造不断深入。在复杂繁多的地下管网中，需要更经济、耐用、绿色、环保，满足可持续发展的新工艺、新材料的推广和使用。本项目采用离心浇筑玻璃钢夹砂管大口径顶管在沿海地质条件复杂情况下的顺利使用，为今后城市管网改造升级、大口径离心浇筑玻璃钢夹砂管顶管管材的应用和复杂地质条件下的顶管施工均提供了有力的经验借鉴。