大口径钢顶管超长距离施工关键技术

上海市政建设有限公司 上海 200438

1 工程概况

严桥支线工程是上海青草沙水源地原水工程陆域输水系统的一根支线，是连接五号沟泵站与中心城区各水厂之间的重要输水干线，输水管线采用2根φ3 600 mm钢管供水，管道中心间距7.2 m，钢管壁厚34 mm，采用顶管施工。

为了解决φ3 600 mm大直径超长距离钢顶管施工难题，主要从顶进控制、轴线控制、出土等3个方面进行研究，形成了一套大直径超长距离钢顶管施工工艺，取得了大直径顶管施工的飞跃。

2 顶进控制技术

结合上海青草沙引水工程严桥支线项目进行实际应用，建立了长距离顶管施工稳定性力学模型和数值计算模型。

为了解决超长距离顶管施工过程中顶管整体稳定和中继间之间管道的局部稳定难以得到保证的问题，着重从顶进系统、中继间布置、泥浆减阻等3个方面着手分析[1]。

2.1 长距离大直径钢顶管顶进系统

2.1.1 顶力系统

顶力控制技术是长距离钢顶管施工的关键技术之一。工作井内主顶进系统由6个4 000 kN双作用千斤顶和电动油泵车（32MP/22 kW×2）组成，4 000 kN双作用千斤顶型号为CG1065，其缸径400 mm，行程1 100 mm，杆径280 mm，长度1 700 mm。

顶管的辅助顶力系统主要是中继间，其在长距离顶管中可起到重要作用。通常中缝间的开启为人工手动开启，人工手动开启增加了施工费用，又不能很好地控制中继间的开启情况。因此，通过设置自动化控制室，利用摄像装置和位移传感器对顶管顶进全过程进行监控并及时反馈数据。

自动化控制室具有如下功能：可以控制各中继间按程序要求自动/手动进行顶管；可以按要求改变顶进程序；可以按受力情况调整每环顶进距离；计算机可以从自动控制台自动采集，设置中继间自动/手动工作，并适时打印各类数据，供技术人员分析。

2.1.2 中继间顶力的计算

中继间顶力的计算依据有：掘进机正面阻力、每米管壁摩阻力、穿越土层性状[2-5]。

考虑到第1道中继间主要用于纠偏，3.6 m钢顶管为大口径长距离钢顶管，总体刚度比较大，因此0#中继间安置在工具头后4.4 m处，亦即考虑顶管掘进机的部分设备要设置在4.4 m的短管节内。1#中继间安装在0#中继间之后的13.2 m处。

根据计算结果，后续中继间布置间距为210 m。主推推距根据实际顶进时的顶力控制情况进行适当调整。

根据青草沙工程的严桥支线输水管线施工现场实际情况（顶进长度1 960.04 m）以及钢顶管施工设计规范，计算得到φ3 600 mm顶管中继间的布置：中继间共需布置9道，0#中继间位于掘进机后4.4 m处，1#中继间位于0#中继间后13.2 m，2#中继间位于1#中继间后82.4 m，3#～5#中继间间隔210 m一道，主顶推距间隔250 m一道。根据顶力情况，最后480 m无需中继间。

2.2 管道稳定分析与中继间优化布置

2.2.1 顶力对管道的影响

根据计算顶力引起的管道最大应力为123 MPa，集中在管道的侧壁、底部以及顶部，最小应力为15.7 MPa。顶力引起的管道顶进方向，最大位移分布在管道的中部，两端发生的位移相对较小，管顶下降，管底隆起。

2.2.2 中继间的布置分析

通过建立相应的数值模型，进行数值计算，得出相应的计算结果，结果充分表明本工程选择的中继间布置是合理的。

2.2.3 中继间的最优开启数量的分析

为了确定中继间的最优开启个数，需要确定钢顶管正面阻力的大小。在中继间顶力的计算中，已经求出迎面阻力为3 300～5 200 kN，以此可计算出由于正面阻力引起的钢顶管正面应力在8.5～14.2 MPa之间。

根据数值计算结果，以及结合钢顶管正面阻力引起钢顶管管道正面的应力分布，可以准确控制中继间的启闭时间及状态。

2.2.4 最大顶力的研究

根据力学模型以及工况，建立相应的数值模型，并进行数值计算，得出相应的计算结果。顶力由12 000 kN逐渐增大，直至管道整体或管道局部失稳破坏，得出最大顶力。研究结果表明，顶力达到20 000 kN后，顶力与最大轴向变形成直线关系[6]。

结合设计规范和数值计算结果，可以看出顶力在20 000 kN以内，管道未发生屈服，是稳定的，因而可以确定钢顶管管道的最大顶力为20 000 kN。

2.2.5 偏心顶力作用下管道应力状态分析

通过对不同偏角下最长管段的应力分布和变形情况的对比，可以看出，当管道发生0.3°的偏转时，管道的最大应力由30.9 MPa增大到115.3 MPa，约3.7倍，轴向最大变形从56 mm增大到160 mm，约2.9倍，沿着顶进方向管道应力状态变化趋势发生了显著的变化，无偏转时，管段应力随着顶进距离的增加而减小，而发生偏转时，管道应力随着顶进距离的增大而增大，管尾有波动现象。由此可见，偏转对管道的应力状态和变形影响较大，在实际施工中，要避免管道在钢顶管顶进过程中发生偏转[7]。

2.3 泥浆减阻系统设计与摩阻力控制技术

通过模拟顶管顶进施工和注浆减阻的整管摩阻试验系统、结构材料与土体泥浆的直剪试验装置，对混凝土管、玻璃钢夹沙管、钢管等不同管材与土体的摩擦特性进行了系统的试验[8]。

1）针对φ3 600 mm、顶管坡度上行0.23%、工作井总设计顶力12 000 kN的特点，在注浆孔的布置上设计了几种方案，根据顶管工程单次顶进长度及顶管直径进行比选：

（1）方案一：全断面6点均分布置，设6孔；

（2）方案二：上半圆4点均分布置，设4孔；

（3）方案三：靠近顶管头部5道采用A型泥浆孔布置（全断面4孔），第6道及后面采用B型泥浆孔布置形式（上半断面4孔），如图1所示。

经过3种设计方案比选，本工程选用方案三。

2）润滑泥浆压浆情况如表1所示。

表1 顶进距离、压浆量、压浆时间关系

2根顶管成功进洞，起始顶力控制在10 000～12 000 kN，表明顶管润滑泥浆有效降低了顶管摩阻力，保证了顶管顺利进行。顶力情况如表2所示。

表2 顶进距离与顶力统计结果

2.4 工程实施效果分析

1）钢管外防腐：从顶入J17#接收井后回收的钢管来看，1#和2#管头部几节钢管外防腐仍旧保持完好。严桥支线钢管外防腐整体采用热熔环氧粉末喷涂，管接头处施工现场采用人工手动涂刷环氧重防腐涂料，从而也说明了减阻效果较好。

2）从顶管的总顶力情况来测算摩阻力系数已降到0.9 kPa以下，远远小于常规的摩阻力系数3～5 kPa，另外从顶管进接收井后回收的管子外防腐的完整性情况来看，减阻效果非常明显，外防腐丝毫没有破损[10-12]。

3 轴线控制技术

严桥支线C4标利用自主开发的新型超长距离测量装置（自身发光的电子激光测量靶）和基于连通管原理的长距离高程测量装置，并由钢顶管偏转受力分析确定纠偏控制角度，形成了跟踪测量与纠偏技术相结合的施工工艺，有效地实现了1 960 m超长顶管的轴线控制[13]。

在顶管施工过程中，常规顶管施工单位是每节顶管完成后测量1次，而我们研发的新型测量装置（发光测量靶）形成的跟踪测量技术，实现了每块顶铁就能测量1次，每节8.8 m顶管就能测量9次，确保了测量的精度，真正做到勤测勤纠和精测精纠的施工理念。

3.1 超长距离钢顶管跟踪测量技术

3.1.1 管道高程跟踪测量控制

顶管管道内设备多、空气湿度大且光线暗，当顶管距离较长时，测点目标变小且通视条件极差。此外，顶管基站在管道顶进中的移动和微动、后视距离短等问题都会严重影响测量精度[14]。本项目研制了顶管工程中能实时测定掘进机实际坐标的跟踪测量系统，满足了管内可通视或不能通视的测量条件，实现了长距离顶管的自动精确测量、连续顶进施工和及时纠偏控制。

3.1.2 纠偏原则及操作控制要点

1）勤测勤纠及精测精纠：即每顶进一个冲程（就是每一块顶铁），测量一次掘进机轴线及标高偏差情况。一般往往是等到一节管子全部顶进完毕，再进行测量，如果有偏差，纠偏相对比较困难。我们一般8.8 m的一节管子由9块顶铁组成，就是每顶进一节钢管，测量就要9次，虽然测量的工作量增加，但因为采用新技术后并不会影响顶进速度，而且9次测量后，顶进的轴线更准确，纠偏也很容易[15]。

2）小角度纠偏：每次纠偏角度要小，做到微纠和精纠[16,17]。

3）根据数值计算结果，实际施工中控制管道的纠偏角在1°之内，未发现管道发生屈服。

3.2 超长距离钢顶管纠偏数值分析

利用有限元方法分析顶管偏转作用下管道内力和变形的基本性能，分析中考虑管道与周围土体接触面摩擦特性，对不同偏转角度的管道进行受力分析，以此指导后续纠偏。

3.2.1 有限元分析工况

在有限元模型中，土体的存在主要是为了在管道周围生成复杂的土压力，因此分析中不注重土体的变形情况，在平衡地应力及后续偏转分析中，都不探究土体变形情况。本工程顶管偏转角控制在0.5°，施工中最大允许偏转角为2°。

在此基础上，有限元中的分析工况如下：

1）施加初始应力，并平衡地应力，此时管道顶进完成，管道尾部无顶力作用，模拟管道静止状态；

2）在管节上施加竖直方向上的位移，使其偏转角度分别为0.5°、1°、1.5°、2°，并在管道右端施加均布顶力，而在管道左端约束其法向位移（图2）。

图2 位移施加方式

3.2.2 纠偏结果分析

管道顶进过程中被土体包围，土体既对管道提供一定的支持作用，同时土体也是管道外荷载的来源，当管道偏转时必然对周围土体有所影响，造成土体变形，并改变初始状态的土压力。

为确定钢管的最大允许偏转角，需要在1°～1.5°中对钢管的偏转进行进一步的分析，因此对钢管偏转角度进行细化，分别为1.1°、1.2°、1.3°、1.4°。若以钢管Mises应力作为判断标准，经过角度细化后的钢管最大应力随偏转角度的变化曲线如图3所示。

图3 管道最大Mises应力与偏转角度的关系

管道应力变化在1°～1.5°之间近似为直线，以屈服应力210 MPa计，则管道的允许偏转角约为1.25°。在1.25°以内，管道仍处于弹性状态；超过1.25°之后，管道部分区域达到屈服状态，若偏转角继续增大，则可能导致大面积屈服，将给施工带来危险。

3.3 工程实施效果分析

青草沙严桥支线C4标1 960 m超长距离钢顶管的轴线控制非常成功，双管进洞轴线偏差中，上下偏差均小于2 cm，左右偏差均小于1 cm，远小于规范要求，达到了对超长距离钢顶管轴线精确控制的预期目标。

4 土压平衡连续出土技术

4.1 土压平衡顶管连续出土技术

本工程（QYZ-C4标段）属于大口径超长距离钢顶管，选用土压平衡式顶管掘进机进行施工。

4.1.1 掘进机选型

掘进机的选型原则主要有以下4个方面：与土质相适应原则；与施工条件相适应原则；施工安全性原则；施工经济性原则。

由于工程条件复杂，特别是需穿越航油管、地面道路、防汛墙和众多地下管线，对地面的沉降要求较高，顶管出洞时需穿越土体加固区，对掘进机机头的切削能力也有一定的要求，综合施工单位以往的顶管经验及以上因素，为了有效地保护地下管线、周围构（建）筑物，本工程顶管掘进时采用对地面沉降影响较小的大刀盘土压平衡式顶管掘进机。土压平衡顶管机出土效率较高，不易堵塞，为加快施工速度创造了条件。

4.1.2 出泥系统

出泥系统直接决定着C4标的1 960 m超长距离顶管的施工工效，因此需要在原来的土压平衡干出土的方式下进行改进，使之适应本工程的需要。

4.1.3 出泥技术改进

通过设计了一座泥水转换装置与土压平衡式掘进机的螺旋输送机排泥口相连，将土转换成泥浆，而后通过管道输送排出至地面沉淀池，完成了整个出土方式的转变。

4.2 现场应用结果分析

在青草沙工程中采用了土压平衡式顶管新型出泥技术，该技术可随时准备出土配合顶进，节约了大量施工时间，缩短施工间隙，有利于顶管的正面土体稳定。

通过严桥支线C4标顶管中泥水转换装置的应用实践，证明土压平衡式掘进及施工泥水输送法技术实际应用的效果显著，该技术工艺流程简单且实用价值也高，在顶管施工中尤其是长距离大口径的顶管工程，将会有不错的使用前景。

土压平衡式掘进及泥水输送法施工改善了管内作业环境，减少了土壤中有害物质挥发及掘进机的运作噪声对人体产生的伤害，而且缩小了施工占地面积，更方便交通及出行。

5 结语

1）基于对大口径钢顶管正面土体稳定、地层损失、顶进速度和注浆量等动态控制的理论研究成果，形成了超长距离大口径钢顶管顶进控制核心技术，攻克了超长距离超大直径钢顶管的纠偏控制、顶力控制、轴线控制、钢管稳定控制等一系列难题，首次高精度完成了1 960 m和φ3 600 mm大口径钢顶管的近距离双管同时一次连续顶进。

2）为解决φ3 600 mm钢顶管双管同时顶进中土压平衡顶管设备出土效率低的难题，在攻克土压平衡顶管机排泥口处渣土转换泥水、泥水输送与分离等核心技术的基础上，自主研发了土压平衡顶管掘进机的连续出土装置，在国内外首创土压平衡顶进与泥水输送出土相结合的工艺，达到了高效连续出土要求，该工艺比传统施工工艺提高了68%的出土效率。