小口径急曲率半径钢顶管的施工控制

中国上海外经（集团）控股有限公司 上海 200032

0 引言

早在上世纪90年代上海市相关单位就针对混凝土曲线顶管进行了深入的研究。例如由上海市政工程研究院1996年研制的大口径泥水机械平衡式顶管机在1999年成功完成了曲率半径396 m、管径2.2 m的混凝土曲线顶管施工[1]。目前我国在混凝土曲线顶管施工技术方面发展已相对成熟。但是对于曲线钢顶管施工一般为大口径大曲率的工程项目，曲率半径一般在5 000 m以上，随着曲线顶管施工技术的不断进步，曲线的曲率半径越来越小，口径也向多样化发展。这些都使顶管施工的难度不断增大，顶管施工过程中的控制难度也不断增大。

1 工程概况

某水厂支线工程中一段支线采用顶管施工工艺，钢管外径1 432 mm。其中顶管1#（北侧）管直线长251 m，曲线长L1=223 m，曲率半径R1=618.4 m。钢顶管长474 m，管线中心标高－5 m，管材厚16 mm。2#（南侧）管直线长250 m，曲线长L2=224 m，曲率半径R2=621.6 m。建设场地地貌类型属滨海平原，为古河道沉积区。场地标高一般为3.90 m，顶管中心标高为－5.8 m，顶管埋深约9.7 m，土层主要为淤泥质粉质黏土。潜水位埋深随季节、气候等因素而有所变化，勘察期间测得钻孔中地下水水位埋深为0.50～1.50 m，相应水位为2.20～3.74 m。场区地下水、土对混凝土结构为微腐蚀性影响，在长期浸水时对混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性影响，在交替浸水时，对混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性影响。

根据施工工艺要求，顶管施工直线段采用5 m管节，共49 个管节，其中布置一个中继间，2 段铰接管，总长度250 m；曲线段施工采用3.0 m管节，并安排布置一个首节中继间、一个中间中继间和62 个铰接管，长度224 m；钢管曲线段顶管施工时，依靠各管节之间的承插口进行转折形成设计曲线线形（图1）。

图1 顶管剖面

2 顶力施工控制

根据有关文献[1,2]，在曲线顶管施工中，只要能形成良好的泥浆套，推进中的顶力仍然能和直线顶管时一样，通过泥浆套传力。

本工程顶进施工过程中共安装了3 套中继站，其中直线段安装1 套中继站、曲线段首节安装1 套中继站、曲线段中间安装1 套中继站。根据顶进力变化图（图2）可以看出，在1#管、2#管顶进施工时，最大顶力为2 500 kN，并未启动中继站。根据计算实际管道侧面摩阻力为1.1 kN/m2，远远小于理论计算取值4 kN/m2。由此证明整条曲线顶管管道泥浆套相对比较完整，在顶进过程中泥浆套的减阻效果明显，且顶进过程中曲线段与直线段产生的摩擦阻力并没有大的区别。因此在顶力计算分析中可进行适当优化，减少中继站的安装个数。

图2 顶进力变化效果示意

3 地面沉降施工控制[3,4]

3.1 地面沉降监测测点布置

对于地面沉降监测，主要监测地面深层垂直位移，其测点布设时通过穿透路面结构硬壳层来达到深层监测的要求。根据监测要求沿线共布置39 个地面沉降测点。深层垂直位移测点布置要求和标准如下：

（a）垂直位移标杆采用Φ25 mm螺纹钢标杆，螺纹钢标杆深入原状土60 cm以上，垂直位移标杆外侧采用内径大于13 cm的金属套管保护；

（b）保护套管内的螺纹钢标杆间隙用黄砂回填。金属套管顶部设置管盖，管盖安装须稳固，与原地面齐平；

（c）为确保测量精度，螺纹钢标杆顶部应在管盖下20 cm。

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深层监测点埋设结构如图3所示。

3.2 沉降控制结果

根据沉降观测，井边围护最大沉降为20.50 mm，对于顶管轴线上方最大沉降为19.93 mm，发生在空间曲线转弯段。沿线房屋最大沉降为15.62 mm，房屋未出现裂缝。在穿越桥梁时，桥梁基础沉降控制在6 mm内，沉降控制获得了成功（表1）。

根据沉降观测数据结果，可以得出：

（a）压浆对地面沉降控制具有很大的意义。由于浆液可以渗透到土层深处，对土体形成及时的支撑，以达到减小地面沉降的目的。

（b）地面沉降与顶进控制具有一定的关系。在曲线顶进过程中，由于在纠偏过程中对土体得超切，从而引起地面沉降。

图3 地表深层土体垂直位移布点示意

表1 沉降观测统计表

（c）对于有荷载及重要结构物的地方，一定要遵循安全、快速通过的原则，以此减小地面沉降。

4 线形施工控制[5-8]

4.1 线形测量

该曲线顶管分左右2 只顶管，其中曲线段长约220 m。曲线段的线形测量采用支导线法将地面控制点引入到管道内，并以井下架仪点作为测站，井壁架仪点作为后视来控制顶管顶进。施工管道轴向测量采用全站仪进行测量，测量主要用导线测量法（图4），测量平台设在顶管后座处。测量光靶安装在掘进机头部，测量时电子全站仪直接测量机头的测量光靶的三维坐标，算出机头的平面和上下位置偏差，并根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。

4.2 线形控制结果

工具头在顶进过程中由于受不均匀外力的作用，头部会产生偏离轴线现象，因此在顶进过程中需经常对工具管加以纠偏。每顶进20 cm左右测量一次掘进机偏差，分析管道运动轨迹，并决定纠偏大小，每次纠偏角度应控制在10～20′，最大不得大于1°。纠偏操作中不能大起大落，即使在某处已经出现了较大的偏差，也要保持管道轴线以适当的曲率半径逐步返回轴线上来，避免相邻两段间形成的夹角过大。

图4 导线控制网

本工程左右、上下轴线偏差如图5、图6所示。

图5 1#顶管轴线偏差示意

图6 2#顶管轴线偏差示意

根据1#顶管、 2#顶管轴线偏差图可以看出：

（a）大部分测点偏差控制在5 cm内。

（b）1#管在进洞过程中由于闷土，出现了一定偏差，最大偏差达10 cm。

（c）2#管由于设备问题，在顶进350 m左右时，出现了20 cm的偏差，但是通过4 个节段的调整，逐步将其调整到设计轨迹上来，并未影响管道线形质量。

根据顶管呈线形结果可知，整体线形平顺，未出现影响管道质量的大的转折角的出现，其线形控制是成功的。

5 结语

某水厂支线小口径急曲率半径钢顶管于2014年1月16日顺利贯通。在顶力控制、地面沉降控制、轴线偏差控制等方面均取得了良好的效果，使得顶管工程顺利完成，不仅取得了良好的社会效益和经济效益，而且也为同类型顶管工程积累了宝贵的顶管施工控制经验。在小口径急曲率半径钢顶管施工控制方面取得的经验和成果如下：

（a）在顶进过程中泥浆套的减阻效果明显，且顶进过程中曲线段与直线段产生的摩擦阻力并没有大的区别。在施工过程中并未启用中继站，因此在顶力计算分析中可进行适当优化，减少中继站的安装个数。

（b）在地面沉降控制方面。沿线房屋最大沉降为15.62 mm，房屋未出现裂缝。在穿越桥梁时，桥梁基础沉降控制在6 mm内，沉降控制获得了成功。

（c）在轴线控制方面。要实时监测，在轴线偏差较大时，要逐节段调整，保证调整曲线的平稳过渡，防止影响管道质量的大的转折角的出现。

（d）在顶管进洞中，要加强施工控制管理，防止“闷土”现象的发生，保证进洞的质量。