沿江顶管施工难点及针对性措施分析

2017-01-05刘玲

城市道桥与防洪 2016年12期

关键词：清障管节顶管

刘玲

（上海市市政工程建设发展有限公司,上海市 200025）

沿江顶管施工难点及针对性措施分析

刘玲

（上海市市政工程建设发展有限公司,上海市 200025）

在沿江顶管施工过程中，地质条件、可能存在的地下障碍物等多种因素都会对施工过程产生影响，增加施工的难度及危险系数。以上海中山南路地下通道外马路混凝土污水管道工程为工程背景，分析了工程的各种不确定因素及工程难点，对施工方案和工具等进行适应性改进，并制定相应的应急预案，确保了工程顺利推进。

顶管施工；顶管轴线；沉降控制；难点；措施

1 工程概况

中山南路地下通道外马路（外萃丰弄～董家渡路段）DN2000混凝土污水管道，采用顶管法施工，全长773.1 m，靠近黄浦江，为沿江顶管。现状外马路地面标高3.92～4.37 m。拟建顶管中心标高-1.67～-2.44 m，向下1‰坡度，最小曲率半径为380 m。图1为顶管路由示意图。

图1 顶管路由示意图

2 主要施工难点及针对性措施

2.1 地质条件较差

该工程顶管主要在①31层黏质粉土（江滩土）土层中顶进。该层土质不均，局部为黏性土，基坑开挖易坍塌；该层渗透性较好，开挖揭露时，在地下水的渗流作用下，易产生流砂现象；为可液化土层。

顶管上覆土层从上到下分别为①1层回填土和①31层黏质粉土。根据勘察报告，回填土层较厚，最厚达4 m，上部局部为混凝土地坪，其下以杂填土为主，含大量建筑垃圾等杂物，局部粒径较大。原状土覆土较薄，尤其在进洞前80 m范围内，最薄处仅1.1 m。这对顶管的顶进十分不利。

对此不利条件采取针对性措施。在原状土覆盖较浅的区域，首先必须控制好机头正面的泥水压力以及触变泥浆压力，防止泥水压力过大导致穿孔、地面冒浆。其次应比较顶管所受浮力与土压力、自重等参数，并提前准备好配重装置，防止顶管上浮。在顶进时，必须确保机头与管节、管节与管节、中继间与管节之间的密封性，管节之间止水采用两道橡胶密封装置，机头与其后跟管节采用拉杆相连，防止在曲线段滑脱，中继间与其前、后管节亦采用拉杆相连，同时考虑到中继间开启较为频繁，中继间的密封止水采用一道固定橡胶止水。

顶管外径2.42 m，机头刀盘直径2.45 m，由于管外壁与刀盘切土空间有15 mm间隙，穿越土体后产生的空隙需要泥浆来填充，即泥浆形成支撑面，减小摩阻力及对周边环境的扰动。该工程机头后5节管均设置一道泥浆环，其后管段部分在顶进时分段、同时补浆。其后每3管节置一道注浆环，补浆孔环形布置，每环4个压浆孔，每个压浆孔之间呈90°，每道补浆环有独立的阀门控制，需要时进行压浆措施。

2.2 顶管沿线建（构）筑物及地下管线多

在顶进过程中，曲线顶进、纠偏及后续跟进管对土体扰动大，在顶管机穿越过后，管道中心线及左右两侧一定范围内的土体将产生沉降，顶管施工完后的一段时间内，由于被扰动土体的固结，仍将产生部分沉降，随着时间的推延，沉降量及沉降槽的宽度与深度均较大。

该顶管工程主要沿外马路由北至南穿越，外马路直接靠近黄浦江，外马路道路两侧有众多重要的建筑物，沿线有沿江5库，有老码头商业街，顶管工作井和接收井离防汛墙较近。

马路下存在多条各类管线，其中对顶管风险影响较大的管线有：1根直径300铸铁煤气管，1根直径300、1根直径500铸铁上水管，1根700～1 000合流管。根据和有关单位的磋商，燃气管和两根上水管已搬迁。具体见表1。

表1 顶管沿线周边管道情况表

针对这个难点，我们首先联系各家管线主管单位，协调召开管线保护会议，在施工前办理管线保护“绿卡”，拟在基坑、顶管施工全过程中加强工序、工艺、施工参数的有效控制，根据顶管施工特点，分别采取以下针对性措施：

（1）顶管施工前

施工前先摸清所有地下管线分布情况，并和相关权属单位取得联系，办理绿卡，明确各管线沉降报警值。对于提前预加固保护部分，必须在相关施工项目开工前完成并达到设计要求的龄期和强度。过程中，在施工影响范围内的所有管线作统计，均布置一定数量的监测点，按规定的监测频率分级监测保护，及时准确地将监测数据反馈施工，以便施工及时调整，优化施工参数。

（2）顶管施工中

顶管施工中，根据地质情况、周边环境情况等因素预先设定一套顶进参数进行试推进，然后根据外部监测数据（如地面沉降、管线沉降）进行顶进参数的调整，以确保顶管施工时对周边环境的较小扰动。

在顶管穿越重要建（构）筑物、地下管线前，必须做好模拟顶进，即在穿越前一段范围内进行一系列顶进参数调整，根据监测数据再进行微调，减小对土体的扰动。在穿越过程中，加强监测，控制好顶管的顶进速度、出泥速度、泥浆舱泥水压力等，同时注意加强同步注浆，减少带土。一旦发生接近变形报警值，立即启动应急预案，采用隔断、注浆、挖出悬挂等措施进行保护。

（3）顶管穿越后

顶管穿越后，由于整个顶管仍在运动，因此仍需加强该处管线的监测，直至顶管进洞、泥浆置换后才可降低监测频率。

2.3 顶管轴线线形复杂、沉降控制要求高

该顶管受地形、地质条件及周边环境影响，顶进轴线线形复杂，顶管线路情况见表2。由3段直线和3段曲线交叉组成，曲率半径分别为1 200 m、1200 m和380 m，整个轴线呈“S”形，首尾角度达31.0°，对于靠后座传力的顶管施工来说，角度越大，曲线越多，线形越难控制。在直线段和曲线段交接的区域，易发生位移、扭转、张缝变大等情况。尤其对380 m曲率半径段的曲线，顶进时管节之间拉开的张角和张缝较大，管节受力不均，极易发生偏移、扭转等情况。因此，顶管轴线线形控制是该工程最大的风险，在顶进施工过程中控制好顶管管节之间的力的传递和角度是重中之重。

表2 顶管线路情况表 m

在曲线顶管施工过程中，顶进方向需要不断调整，管节与土体之间的摩擦导致管节带土现象，这对周边土体的扰动比直线顶管影响更大。地面沉降是不可避免的，施工过程中必须合理控制好各项参数，将顶管施工时对周边环境影响降到最低。

（1）开挖面稳定对沉降的影响及针对性措施

在顶管施工中难以保证正面土体原始应力状态不变，开挖过程中土体受到扰动，土体向开挖面移动，引起沉降；有时会使正面土体自开挖面向外移动，引起隆起。

为此，该工程选用泥水平衡机型。该顶管机具有自动泥水平衡控制系统，减少人为操作对正面土体的影响，能更好地控制地表变形。另外，在泥水舱和刀盘上设置多处泥浆注入孔，能有效改良开挖面的土体，有利于保持正面土体稳定。根据机头所处位置的地质条件，分析计算水土压力，合理调整工具管切削刀速、进排泥流量和压力、出土率等参数，确保开挖面的稳定。

（2）顶管纠偏对沉降影响及针对性措施

纠偏是完成管道线形的主要手段。特别是曲线顶管在实际推进过程中，顶管实际轴线和设计轴线存在一定的偏差，为减小顶管实际轴线和设计轴线间的偏差，使之尽可能趋于一致，主要依靠工具管纠偏完成。

纠偏不可避免地对土体产生扰动，纠偏的角度大，将会对顶管一侧产生较大的超挖，另一侧产生较大的挤压。这部分间隙需由上部土体来填充而产生地面沉降，所以在施工中尽量避免较大角度纠偏操作。

工具管内部应采取吊盘球观测工具管姿态，控制工具管扭转及坡度。顶管纠偏应遵循“勤测勤纠、预测缓纠”的原则。为实现精准、快速测量，该工程采用高精度全自动测量系统，可实时掌握工具管前部姿态，为后续调整奠定基础。

（3）泥浆减阻对沉降影响及针对性措施

顶管向前顶进主要是依靠其后方液压油缸的推力作用，顶进过程中需要克服开挖面前方土体压力、侧面摩阻力等。若顶管机顶进后管道外围与土体之间存在环形间隙，如不能及时充填触变泥浆，使周边土体由于应力释放而向空隙移动，则会引起土体塌陷。另外塌陷土体落于管外壁使滑动摩擦变为干摩擦，此时整个管段摩阻力会大幅上升，进一步增大对周边土体扰动。若顶管不进行有效的减阻，势必造成后续管节不断带土，造成更大的扰动，引起更大的后续沉降。

压浆的主要作用有三个：一是悬浮管节，二是支撑土体，三是润滑减阻。在顶管施工过程中，由于工具管略大于管段外径，穿越土体后产生的空隙需要泥浆来填充，使管节悬浮在泥浆中，起到支撑土体及润滑减阻作用。为有效控制注浆量及注浆压力，减小因注浆对土体的扰动，该工程采用自动注浆系统。

2.4 曲线顶管侧向分力对沉降影响及针对性措施

该工程顶管土层土质较差，呈流塑状，高压缩性，高灵敏度，同时该工程顶管曲线段达3段，该顶管最小平面曲率半径R=380 m，曲率半径较小，管节在穿越曲线段时，若顶管顶力较大，则产生较大侧向分力，管节对圆弧曲线外侧土体产生挤土效应，将造成地面的隆起及沉降，威胁管线以及地面建筑物的安全。该工程采用增加中继间数量，以降低单环顶进的距离，从而达到降低顶力和侧向分力的目的。

2.5 可能存在地下障碍物

根据外滩区域历史及以往施工情况，外马路下土层可能含有木桩群或其他地下不明障碍物，对顶管的正常施工可能造成较大影响，对于体量小的一般小直径（20 cm）杂物，利用顶管刀盘切削可以将其破坏。

该工程选用复合式泥水平衡工具管。在工具管环形泥舱外设置了4个菠萝刀，菠萝刀可以进行二次切削轧碎（直径20 cm以内）砖块、石块，确保排泥通畅。

如有群桩、混凝土堆等障碍物，则在顶管前进行清理，因而需联合有关单位对地下管线及建（构）筑物进一步进行排查和勘察。

3 实际施工中遇到的问题及针对性措施

顶管开顶后，进排泥管路始终不畅通，一周后，排泥管路彻底不通，顶管已无法顶进。为尽快处理问题，该工程项管部召开紧急会议，决定采取从地面开挖的方式清障。根据已排出的石块、木屑情况及管内泥水仓摄像探测情况，大量的石块及木屑已严重进出泥水仓，造成进排泥管路不畅通。外马路地质变化的复杂性已远远超出地质资料的反映，杂填土的厚度比地质资料反映的要厚，且①31江滩土中还有木桩等杂物。根据实际情况，经过各部门的研究决定，确定进行气压作业来清障，需对现场工具头进行适应性改进，增加了一节气阀段，如图2所示，便于气压作业施工，提高其在现状的地质条件下的适应性。气压作业流程如图3所示。

图2 气阀段示意图

改进后的工具管，在现有类似的工况下具有一定的清障能力。针对外马路复杂的地质情况和顶管施工的特殊性，顶管施工处于常态化气压清障下作业。

图3 气压作业流程图

经过实际施工证明，气压作业施工方法能够较好地适应沿江较复杂的地质情况，施工进度较快，且成本较低，是此类复杂地质条件下进行顶管施工较好的辅助选择。

4 应急预案

针对可能出现更加恶劣的不可抗工况（排桩、大体积障碍等），现有工具管不具备的工作环境，导致顶管无法正常施工时，能迅速对现场施工做出应急响应，避免顶管施工长时间停留，该工程还编制了顶管顶进应急清障预案。根据现场实际交通，设立应急清障点，利用1#～7#骑马井的施工位置，选取4个备选应急清障位置，提高后续顶管应急清障处置能力。

应急清障施工流程：在选取的骑马井位置打钢板桩、旋喷加固→基坑开挖、支撑制作、浇筑垫层→刀盘清理、刀头置换→基坑回填→拔钢板桩、路面恢复。

在实际施工中，由于采取的气压作业方法适应性良好，顶管推进顺利，故未启动应急预案。