长距离复合曲线顶管施工关键技术控制要点分析

范一超

（上海市水利工程集团有限公司，上海 201612）

0 引言

近年来，我国供水工程建设规模持续增大，顶管施工的质量和效率越来越受到企业的重视。长距离过江顶管的施工，可以在提升供水运输效率的同时，实现对地下供水系统的良好构建[1]。但是在复杂地层条件下，过江长距离施工难度较大，再加上顶管施工存在一定的风险，所以如何借助关键技术进行复杂地层过江长距离顶管高质量、高效率施工，成为业内的重点关注问题。

1 工程背景

某过江长距离供水工程包括DN1600（JPCCP）顶管8260m，顶管接收井及工作井各13座，压力井26座。单顶长度超过400m 以上的共有10 段，其中3 段由于沿线存在大量高压电缆线、化工管线、信息管线、河道、构筑物等，且分布于各个高程区间，无法采用直线顶管和单曲线顶管，只有采用复合曲线顶管施工。WP13～WP14段最长顶管长度为687m，沿线位于道路西侧绿化带内，施工井位见缝插针设置在2根高压电缆线中间。

2 工程技术控制难点

由于一次顶进长度过长（3段复合曲线顶进均超过500m），过程中多次转变曲率方向导致顶进参数难以控制，扰动较大，更容易引起地表异常沉降；部分段落在砂质粉土夹粉砂层穿越，容易出现造浆困难、机头偏移、后期下沉等问题，加大了复合曲线顶进的难度；管线长，管内光线暗且不通视，只能在弯道处设置中间测站，测量上容易产生误差；管内测量困难大、测量周期长、纠偏频繁，容易引起地面沉降；曲线段管节与管节的接触面受力不均匀，管缝处的混凝土容易压碎，或者管节间受力较大，从而导致脱节；地下管线等障碍物多且距离近，该工程顶管距离最近的电力管仅约1.0m[1]。

3 技术控制措施

3.1 管线调查

该工程涉及管线种类众多，管道顶进过程中穿越范围内存在天然气管、自来水管道、信息、移动、联通、铁通、电力特高压管、电力通讯管等重要市政基础设施[2]。WP13～WP14段障碍物中以输油管线、化工管线、电力管线最为危险。穿越过程中对于管径较大的高压电力管采用高精度惯性陀螺仪探测方法，对于化工管线和输油管线则采用地震映像法、超声成像法探测。特别注意的是，虽然高精度惯性陀螺仪探测精度最高可达0.03%L，但仍需考虑陀螺仪的惯性累计误差，在管线中弧段累计误差最大处留足安全距离。

3.2 整体建模

采用Revit和Navisworks 对顶进过程进行BIM 模拟（见图1），对主要施工安全设施和安全专项方案进行模拟、优化。在顶进过程中通过采集土压、顶速、顶力、沉降等数据，信息化分析，与设定参数实时对比，从而实现了过程中趋势预测，优化控制参数，实现了穿越过程微扰动。

图1 顶进过程BIM建模

3.3 顶力计算与中继间设置

顶管顶进时，顶力由迎面顶力和管道与土体的摩擦力组成，泥水平衡顶管机在曲线顶进时，应考虑附加摩阻力系数f，这是对计算结果影响最大的因素。地质条件的差异和采用不同的机械工况以及减阻效果的好坏都会直接影响摩阻力的大小[3]，所以在计算时应充分应用规范参考值，合理选择顶进设备，设置中继间。

3.3.1 管道总顶力

计算管道摩擦力：

式中：D——管道外径；

L——管道设计顶进长度；

fk——管道外壁摩阻力，取3.5kN/m2。

计算迎面阻力：

式中：D——顶管机外径；

γs——土的重度，取19.0kN/m3；

Hs——覆盖土层厚度，取7.48m。

由于采用曲线顶管，曲率半径600m，依据《顶管工程施工规程》（DG/TJ 08-2049-2016）规定，顶力计算考虑顶力附加值系数K=1.1。

管道总顶力为迎面阻力和管道摩擦力之和：

3.3.2 管材允许最大顶力计算

顶力计算结束后仍需考虑所用JPCCP 管允许最大顶力，公式如下：

式中：Fc——混凝土轴心抗压设计强度，C50混凝土，Fc=23.1MPa；

Ap——管道的最小有效传力面积，mm²,按截面的1/4 保守计算；

kdc——混凝土管综合系数，取kdc=0.372。

计算得出单根顶管顶力最大达9713.75kN，以整体稳定性为原则，后靠背的强度、刚度在满足顶进施工的前提下，考虑方便安装和拆卸，并结合经济合理的要求，后靠背采用钢筋混凝土加5cm 原钢板的复合模式，不仅节约了混凝土，钢板还可进行重复周转使用。

3.3.3 中继间设置

该工程工作井的设计最大顶力为5000kN，为防止顶力超出设计最大值，通过调整压力阀使系统总顶力限制在5000kN 以下。当主推千斤顶的顶力接近允许最大顶力时，启动中继环接力降低后座顶力。中继环为12 个500kN 的油缸，装备最大总推力合计6000kN，油缸行程为350mm。在中继环内安置了油压传感器，由中央控制室集中控制，当主推千斤顶顶力接近工作井设计最大顶力时，开启上一级中继环。每套中继环内还设置了行程仪传感器，通过数据传输在操作平台上显示出油缸的行程读数，方便操作人员调整控制。结合工程情况，第一道中继间确定设置在顶管机后方30m处，其后面按下列公式计算间隔距离：

式中：S′——中继间的间隔距离；

F3——控制顶力，取6000kN；

F2——顶管机的迎面阻力，取0kN；

F——管道外壁与土的平均摩阻力，取2～3.5kN/m2；

D——管道外径，取2m；

k——顶力系数，取0.6。

随着顶进施工的不断深入，浆套慢慢形成，长度越长摩阻力越小，摩阻力在第二道中继间处取3.5kN/m2，计算第二道中继间距离L=163m；摩阻力在第三道中继间处取2.5kN/m2，计算第三道中继间距离L=229m；摩阻力在第四道中继间处取2.0kN/m2，计算第四道中继间距离L=287m；依据现场顶进过程中的阻力和管节的长度分析，在WP13～WP14段实际中继间设置如表1。

表1 中继间设置情况

由于中继间行程短，在顶进过程中反复伸缩，密封圈易磨损失效而产生漏水、漏浆、漏泥等问题。为此该工程的中继间结构形式在设计时优先采用径向可调密封形式，并设置二道密封圈。为减小密封圈的磨损，在密封圈之间设置4只油嘴，用以压注润滑油脂。同时还布置了4只注浆孔，顶进过程中可进行同步注浆，以发挥减少顶进摩阻力的作用。

3.4 触变泥浆

顶进过程中控制的关键点是最大程度地减少顶进摩阻力，而减少摩阻力最有效的方法是注浆。减阻泥浆胶凝状态在填满管道下部区域时效果最佳，即让管道处于悬浮的状态，此时摩阻力最小，然而这就需要注浆后泥浆产生的浮力要大于管道的结构自重。制备前要验算管道的质量，得到最佳泥浆比重，同时在制备时要保证膨润土充分溶解和浆液的均匀度最优。

该工程曲线顶管较多，顶进地层软弱且多穿越河流，对注浆减阻有着更高要求，通过现场试验确定触变泥浆的注浆性能和浆液配方，再根据不同地层进行优化调整，最终确定该段浆液配合比，保证泥浆的减摩效果和支承能力[4]。不同管材和土层选择的注浆孔布置不同，施工前可根据具体情况优化布置。该工程每6m 设置1环压浆管，即每2根管道设置1环压浆阀管（管道长度为3m/节），每环压浆孔90°均布4 个压浆球阀。为便于控制注浆压力，在工具管尾部、压浆泵等部位加装压力表，根据施工参数和监测数据及时进行调整。注浆时，注浆压力直接关系到润滑减阻的作用大小，压力根据覆土厚度、地下水压、地层性质等确定。为避免过度扰动，在实践中，多取注浆压力为1.1～1.2倍静水压力（泥水压力）。施工时要特别注意管口双O型橡胶圈的安装质量及内衬带破裂情况。减阻泥浆从开始注入到形成完整的泥浆套过程中，在压力的作用下泥浆会渗流侵入到附近土层从而形成触变泥浆渗流区，为确保泥浆套的稳定，同步注浆还要对顶进范围内的管子周围进行二次注浆。注浆时，必须从管节出洞口开始，避免引起背土，导致泥浆环套不完整。在复合曲线的顶进过程中，减阻泥浆的用量比直线和单曲线的大，而且远远超出理论计算用量，因此施工过程中必须坚持“先压后顶、随压随顶、及时补浆”的原则，做适当的调整[5]。

3.5 测量纠偏与姿态控制

测量是所有曲线顶管的技术保障，DN1600 复合曲线中测量视线差，须经过多次转站，而人工测量时间长，精度差，严重影响工程进度和顶进精度。该工程采用自动引导测量导向系统，通过全自动全站仪、自动安平基座等设备，在测控软件的控制下，逐站进行自动导线测量，通过无线中继通讯实现狭长管道内的数据传输，用测量流程及相应算法来降低顶管内外温度变化引起的折光误差。为了监测顶管机的姿态，在顶管机头部纵向设一对水平横尺和全站仪接收棱镜，利用布设的三维坐标控制点，测量各尺读数，经精确计算得顶管转角、顶管中心方向偏差值、顶管坡度、顶管中心高程等数据，从而相应调整顶管机的各个施工参数。为了进一步提高顶管机姿态监测的精度，测量时采取自动监测与人工监测相互纠正[2]。

在测控中由于机头较重且位于复合曲线的最前端，在纠偏过程中机头部位的管道会因为已有的惯性顶力向原曲线方向持续偏移，所以在纠偏过程中考虑了管道的惯性趋势，通过测量绘制管道走势图，预判顶进偏差趋势，以形成纠偏趋势为原则，采用“取中法”进行纠偏，即下一顶进最大纠偏值为机头当次测量位置与轴线偏差值的一半，防止因为纠偏过大导致机头姿态发生较大偏移，无法形成顺滑的轴线，或出现较为明显的拐点、折点。

3.6 管道张角及曲率的实现

复合曲线实际上是多条折线三维衔接的呈现，张缝越大，纵向越易失稳、线型越易失控。为防止上述问题出现，顶进前利用BIM 模型进行最大张缝的计算模拟，根据管道的性能参数评估张缝安全性。即开口量δ=L×D/R，θ=2arcsin（L/2R），经计算在双曲率转变时最大δ为13.3mm。由于总张开量=几何张开量+力学约束，而力学约束使得张开量减少，主要包括机头超挖、木楔、木衬垫受压、双O 橡胶止水带、钢套环以及周围土体等对接缝张开的约束。根据模拟的结果在顶进过程中，定制特殊厚度松木衬垫和短管作用于张缝较大管节处，从而扩散纠偏产生的径向分力，同时在前4节管道间设置拉杆，以便控制缝隙变化，做好张缝的安全控制，同时也可以通过调整中继间的合力中心，驱使管节间的顶力作用点向张角扩大的方向移动，改善力的传递方向，使得张角恢复正常。过程中借助粘贴在张缝处的长度纸片，观察实际张开量S1与计算量Sj和管道临界值Sl的关系。边角关系如图2所示。

图2 边角关系

4 结束语

长距离复合曲线顶管相比普通曲线顶管对地层产生的扰动更大，要求更高，所以在顶进前需要做好充足的管线调查，制定科学合理的顶进曲线和参数，严格控制中继间的使用，同时根据实际情况采取措施减少摩阻力，调整注浆参数和用量，严格控制土体扰动，从而提高施工精度，降低施工难度，提高施工效益。