大直径长距离曲线顶管在软硬土层中的综合应用

文｜广东省基础工程集团有限公司 余剑锋

1 前言

随着城市化进程的快速推进，土地紧缺、交通拥挤等问题日益加剧，合理开发地下空间已成为解决上述问题的有效途径，顶管法以其非开挖敷设管道的技术在地下空间开发上越来越多地采用。在实际工程中，由于地下管线的综合性越来越强，穿越土质越来越复杂，且平面上受到道路形状的制约、地面建筑物保护的影响，竖向上存在地质条件的差异性等因素，促使顶管工程向大直径、长距离、曲线方向发展。

在珠江三角地区，地下水十分丰富，泥水平衡式顶管较多应用于工程实践，本文依据三山岛内110kV及220kV架空线路改迁工程中的一段顶管实例，介绍大直径长距离曲线顶管在软硬土层中的综合应用，对以后类似工程提供参考。

图1 顶管轴线上地表情况

图2 曲线绕过广珠西线桥墩

图3 2#-1#管道平面图

2 工程概况

三山岛内110kV及220kV架空线路改迁工程位于佛山市南海区三山大道侧，该工程主线路采用DN3500钢筋混凝土顶管施工。其2#～1#段为一次性顶进679m，且为曲线顶进，在距2#始发井420m处进入曲线段绕开广珠西线桥墩，曲线段长度约154m，曲率半径R=1000m，管顶平均覆土厚度为5.5m，全段穿越强风化泥质粉砂岩、微风化砂岩、粉质粘土和淤泥层，其中硬岩段岩石单轴抗压强度高达88.6MPa。沿途存在大量高压电缆、军用光纤电缆、自来水管和雨水管等管线。

3 复合地层大直径长距离曲线顶管技术

本工程为大直径（外径4.14m）、长距离（长度679m）、硬岩（抗压强度88.6MPa）、曲线（曲率半径1000m）顶管集成为一体的综合顶管工程。根据以往完成的大直径、长距离、硬岩和曲线顶管经验，从刀盘刀具选择、曲线控制、注浆减阻、中继接力、电压降补偿等控制因素出发，分析各因素的综合影响，研究探索综合性顶管施工技术。

3.1 顶管机选型

工程穿越地层为复合地层，顶管段需要穿越地层依次有：强风化泥质粉砂岩—粉质粘土—微风化砂岩(长度约90m，单轴抗压强度约88.6MPa)—粉细砂—粉质粘土—淤泥，岩层芯样如图4。同一断面土质软硬不均，沿顶进方向土质变化大，顶管机刀盘设计和刀具布设具有较大难度。

（1）刀盘面板

为了克服硬质岩层，顶管机采用6根辐臂支撑的厚壁法兰连接主驱动装置并且作为刀盘面板的基座，刀盘采用面板式设计，在岩层施工中，

图4 顶进地层岩石芯样图

图5 顶管机刀盘刀具图

图6 顶管机刀盘改造图

图7 测量系统示意图

图8 曲线顶管测量

这种刀盘结构稳固，可承受更大的推力和扭矩。刀盘开口率约为25%，滚刀设计为12”双刃滚刀，共17把。

（2）破碎舱改造

破碎舱在顶管机的前端，与刀盘共同形成对大块岩石第二次破碎。刀盘开口允许进入的最大颗粒尺寸为200 mm。当大块石块经刀盘开口进入破碎舱后，刀盘背部的牛腿与锥形破碎舱下部的突起耐磨破碎筋组成剪切破碎机构。

刀盘牛腿的耐磨板表面到锥形破碎舱表面的距离是不同的，不同的间距可把大块石头分级破碎，最后令碎石颗粒尺寸满足排渣要求。每根牛腿到锥形破碎舱表面的距离从10 – 80 mm不等，地面的排渣口允许最大通过颗粒尺寸为50 mm。

3.2 曲线顶管施工技术

曲线顶管与直线顶管不同，直线顶管只要求后续管节随顶管机直线运动，而曲线顶管要求直线状管节沿弧线运动，这样就要求顶管机扩孔超挖，否则管节就无法进入圆弧段。

（1）曲线段超挖量计算

曲线顶管的曲线段孔洞须有足够的超挖量，超挖量大小与曲率半径、管节长度有关，管道理论超挖量可按下式计算：

式中 M—理论超挖量(m)；

R—曲率半径(m)；

D1—管道外径(m)；

L—管节长度(m)。

（2）曲线段线型控制

在曲线段顶进过程中，整体管节的线型需要通过管节接口张开程度来控制。曲率越小，管节间张口越大；反之，曲率越大，管节间张口越小。为保持曲线顶管线型，管节张口应随着顶管顶进过程发生变化。为控制张口量的变化，需在管节张口间塞钢垫片，垫片厚度有5mm、8mm、10mm，并可互相组合。

施工过程中，对进入曲线段管节接口及时塞垫片，并观察每一接口垫片的松紧，对松动垫片进行更换或增加，并注意管节张口间的止水效果。

（3）曲线段线型测量

在曲线顶管中因管内测站位置会随着管节顶进而变化，且管内测站需在隧道内采用“之”字形折线布置才能保证通视。

曲线顶管中，为提高测量精度，利用固定转点测站进行引测，防止测点在测量过程中移动影响测量精度。为提高测量速度，每个转点均采用强制对中法进行仪器安装；为配合测点安平，每个棱镜头配一个棱镜基座。

测量时，由顶管工作井安装一台固定于仪器墩上的自动全站仪T1及固定于井壁上的二个后视点（PL和PR）组成顶管贯通测量地下导线的起始基准点，随顶管顶进的长度和线形在管道内固定安置T2，T3，…中转测站。由离机头最近的全站仪最后测量固定安置于机头内的棱镜P1、P2坐标，然后求算当前机头位置中心P0坐标。

（4） 中继间线型调整

曲线顶管时，孔洞轴线与顶进管节轴线往往是不一致的，顶进管节轴线会向曲线外侧偏移，这样管节顶力的合力中心会偏向曲线内侧，如果这时管节中设置了中继间，可通过调整中继间的合力中心，使其与管节顶力的合力中心一致，以保持曲线段平稳顶进。

图9 施工中的曲线顶管

图10 成型的曲线顶管

图11 滚刀磨损情况

中继间顶力调整的办法是曲线外侧的中继油缸停用，停用数量可理论计算，也可通过观察调整。简便一点的方法是在中继间工作时观察前后段管节间转角的变化，若转角增加，表示要增加停用的油缸数量；反之则减少停用油缸数量；当转角不变时，可认为到达平衡。

3.3 复合地层顶管施工技术

对于软硬综合地层中曲线顶进施工，除了对顶管机选型、曲线线型控制外，还要对顶进过程的施工参数进行控制。针对不同土质，调整不同的顶进参数，以适应不同地层施工。

（1）粘土层

在粘土层地质顶进施工中，由于粘土的粘性造成在顶进中极易形成泥饼，裹住顶管机刀盘，前方土体无法切屑和排出，会造成顶管顶力偏大，刀盘电流突增等问题。

该地层顶进需要减慢顶进速度（顶进速度<20mm/min），同时通过改变顶管机电机运行频率加快刀盘转速，让粘土充分进行搅拌。并使用高压清水进行冲洗，减少泥饼的形成。循环泥浆粘度控制低于22s。同时可采用化学添加剂改善粘土性能。

（2） 淤泥层

淤泥地层含水率大、孔隙比大、压缩性高、承载力较差，由于顶管机自身重量较大，在承载力较差的淤泥层极易产生下沉。因此，在顶管机进入淤泥层时，应将顶管机下纠偏千斤顶稍稍伸出，并加快顶进速度，将泥水仓泥水压力提高至比地下水位高出20kPa左右，泥浆粘度控制在22s以上，并控制好进排浆压力。

（3）硬岩层

顶管机在硬岩段顶进时，应采取慢速顶进，减少刀具的贯入度，避免滚刀蹦口的现象，如图11a、11b所示；同时，在顶进中应进行高压清水的输送，一是为了降低刀具的温度，二是对滚刀上粘土进行冲洗，减少偏磨的现象，如图11c。另外，顶管机在岩石切削中会产生石粉，容易在沉底堆积，抬升管节，使管节与顶部岩层挤压卡死，所以要控制好循环泥浆的浓度，及时补充新的触变泥浆。

在硬岩段顶进时，轴线控制也非常关键。硬岩段纠偏难度大，纠偏空间有限，且会加大刀具磨损量，存在顶管机卡住的风险。因此，在岩石层顶进时要控制好顶管机姿态。

3.4 长距离顶管施工技术

在长距离顶管中，不仅需要通过注浆减阻来减少顶进过程中的阻力和通过中继接力来增加顶进中的推力，还需要考虑电压降的问题。

（1）注浆减阻技术

针对长距离硬岩顶管，需要克服顶进过程中管体外表面与岩层之间摩阻力大的问题，首先采用压注触变泥浆减少摩擦阻力。注浆可使管周外壁形成泥浆润滑套，使管节受到一定的浮力，减少管节与周边土体的接触面积，从而降低了顶进时的摩阻力。

根据试验研究表明，采用膨润土配置的触变泥浆其浓度对粘度、润滑性有影响，从而改变摩擦阻力系数，下表1对比了触变泥浆浓度的变化对其粘度、比重和流动性、凝胶性能的影响。

在顶管施工中，为了压注触变泥浆后在管道外壁能形成稳定的泥浆套，浆体应保持一定粘度，不能离析，才能具有胶凝护壁的效果；同时，考虑到注浆管中的浆体流动性及注浆持续性，浆体粘度又不宜过大，这就要求泥浆根据地层特性取其综合性能。

表1 触变泥浆配比表

触变泥浆压注要以同步注浆为主，补浆为辅，先注后顶，随顶随注，及时补浆。在停止顶进及开始顶进前应压注触变泥浆，减小再次启动的顶推力。在顶进过程中，注浆压力应比地下水压力略高，但也要避免击穿地面影响注浆效果。泥浆注浆量应控制在管土间缝隙空间体积的1.5～2.0倍。

（2）中继接力技术

图12 触变泥浆配置

图13 触变泥浆压注

图14 管节中的中继环

图15 中继环中的千斤顶

图16 变压器降压装置

长距离顶管中，克服顶进过程中管体外表面与岩层之间摩阻力大问题第二个方法是采用中继接力。中继接力是在顶进管节中放置一个或几个由数十个小千斤顶组成的中继环，这些中继环以后部的管节段获取后座力来推动前部的管节段，然后再在其后部中继环或主顶千斤顶的顶推力作用下小千斤顶复位，以备下一次顶推。这样，长距离顶管就被中继环分成数小段依次顶进，减小了主顶千斤顶所需配备的后座力，降低了对井体结构的性能要求。

（3）长距离配电技术

长距离顶进后，由于传输用电缆不断增长，导致电功率损耗加大，电压下降，顶管前端电机不能正常运转。

采用升降压装置，在始发井内放置升压装置，将380V输入电压升至1000V输出电压，再用中压电缆输送至离顶管机30m左右位置的降压器，转换成380V电压输出给顶管电机。

这样可以节省管道内输电线缆的布设，减小输送电缆损耗的功率，满足长距离顶管电机用电功率要求。但目前也存在升降变压器体积较大，管内运输和安放都较困难的确定，需要以后进一步改进。

4 结论

本文通过大直径长距离曲线顶管在软硬地层施工的工程实例总结了该项技术应注意的几个问题：

（1）在复杂地层曲线顶管时，刀盘刀具的配置应综合考虑刀盘抗扭、刀具破岩和破碎仓二次破碎问题。

（2）由于曲线顶管不能通视，曲线段测量应采用测站进行转点，并强制对中、多次测回进行测量误差的控制。

（3）软硬土层施工时应根据不同土层调整顶进参数，达到各不同地层的平顺过渡和顺利顶进。

（4）长距离顶进时可考虑采用利用触变泥浆综合性能进行注浆减阻施工和合理布设中继环，达到顶力分步传递，同时注意电压保证措施。

本文总结了在复杂地质条件下采用大直径、长距离曲线顶管需要注意事项，在城市地下空间迅速发展的今天，大直径曲线顶管施工技术有着广阔的发展前景，本文可为今后类似工程提供借鉴意义。