谈大口径曲线顶管工程技术要点

邓 超,吴成睿,谢 鹏，钱孔鸣，施 维

(1.常州市排水管理处，江苏 常州 213200； 2.上海城建市政工程(集团)有限公司，上海 200000)

1 概述

随着我国城市化进展的不断加快，地下基础设施建设作为城市发展的必要配套，也在快速发展。在地下管线密布、地上建筑林立的城市中，完成大口径污水管线新建工程，显然明挖施工将受到约束，而以顶管施工技术为主的暗挖技术，特别是曲线避障顶管技术，将为城市内部管道系统新建完善提供较为理想的施工方式。顶管施工技术具有效率高、成本较低、工期短、对周边环境影响小等优势，现已成为城市地下管线建设的重要施工技术[1-2]。

2 工程概况

龙江路为常州市区主干道，南连市区高架，北接沪宁高速，交通流量较大。王家塘出水压力管工程位于龙江北路西侧，始于距沪蓉高速公路南150 m的W1井，终至云河路北400 m的W5井，总长约1 890 m。由于工程沿线需穿越市区干道、高速公路、高速铁路、河道、输油输气管道等，按照设计要求，本段管道施工采用泥水平衡顶管施工，管道形式为F型钢承口DN2 000钢筋混凝土管。管道全线共设5个沉井，均采用钢筋混凝土沉井结构，其中1，3，5为工作井，2，4为接收井。沿线地质情况为粉细砂、粉土和粉砂层，含有少量浆结石，地下水位较高。

工程穿越障碍物统计见表1。

表1 工程穿越障碍物统计

3 顶进分析

3.1 顶力预计算

顶管施工过程中的顶力主要是指在顶管顶进过程中推动管道及相关机械设备前进运动的顶进力，主要通过克服顶进过程中的各种阻力及外界扰动影响。图1为顶力计算示意图，根据轴力平衡，为了简单计算分析，一般可将顶进力简化为由迎面阻力PF与管道摩阻力F两部分组成[3]，即：

P=PF+F。

参照CECS 246—2008给水排水工程顶管技术规程总顶力可按下式估算：

F0=π·D1·L·fk+NF。

其中，F0为总顶力标准值，kN；D1为污水管道的外径，m；L为污水管道的设计顶段长度，m；fk为污水管道的外壁与周围土体的平均摩阻，kN/m2；NF为顶管机迎面阻力。

W1～W2区间顶距438 m，穿越地层主要为⑤-2粉细砂；W3～W2区间顶距502.8 m，穿越地层主要为⑤-1粉砂；W3～W4区间顶距475.6 m，穿越地层主要为④-1,⑤-1粉砂；W5～W4区间顶距473.7 m，穿越地层主要为④-1,⑤-1粉砂。其物理力学参数如表2所示，各顶进区间顶力估算结果图如表3所示。

表2 土层物理力学参数

表3 工程顶管顶力估算

3.2 现场顶力数据分析

选取W1～W2顶段作为研究对象，通过千斤顶直径、数量和压力表读数等施工参数计算求得实际顶进力值，并与理论计算预估值进行对比，如图2所示。通过将顶进力计算值与实测值对比发现，顶进力预估值远大于实测值，实测值与计算值的最大值分别为4 044.9 kN与7 171.3 kN，实测值为预估值的50%，说明本次施工采用的减阻泥浆充分填充了管壁与土体间的空隙，有效降低了顶进过程中的摩阻力。

4 轨迹偏差

4.1 轨迹偏差分析

顶管施工过程中，由于受机头不断运动、纠偏等影响，管道轨迹是一条不规则的曲线，管道也会因此而发生曲线扭转，被Haslemt称之为“蠕动”(wriggle)。但是如果顶进过程中不能够控制管道曲线扭转幅度，导致过大的轨迹偏差将会引起机头接收困难，更会因为管道扭转而造成顶进困难，并在过大顶力的施加下破坏管道，此外在覆土较浅或地质条件不佳的地区，也容易引起地面变形等次生事故。

为此，在本工程施工过程中，为了能够合理控制管道运动及顶力控制，项目采用连续测量与间断测量相结合的方式，保证管道姿态可控，顶力不发生较大幅度变化。连续测量即在工作坑后方安放一台全站仪，全站仪按照设计顶进轴线方向发出一束激光，照射到顶管顶进机头的光靶上，操作员按照激光指示路线操控机械顶进。间断测量则是每顶进一节管后，测量人员通过对激光经纬仪进行校核，并且采用水准仪和水平尺分别测量已顶进管道高程、水平偏差情况。通过双层测量严格把关，全面限制管道运动姿态，以满足设计等要求。

为了更加直观体现管道在顶进过程中姿态变化及控制水平，在对本次W1～W2顶段施工现场偏差数据收集处理后，绘制了图3，图4，分别显示了顶管施工轨迹水平与高程偏差随顶进距离的变化情况。

通过图3可以发现，顶进距离约200 m前，机头的水平偏差较为平均，多数保持在-10 mm～+10 mm之内。当顶进距离大于200 m后，水平偏差出现较大波动最大值达到+65 mm，最小值达到-40 mm，是因为200 m后顶管为避让京沪高铁桥桩等障碍物采用曲线顶进，过程中对顶管姿态不断修改，使得水平偏差较大。此段施工过程中已考虑曲线顶进精度问题，特别安排两班测量队伍，对顶管轴线、路面标高等重要参数进行测量并复核，确保本段顶进水平偏差值仍处于设计要求范围内。

顶进竖直轨迹的偏差在图4中则较为规律，在顶进距离20 m之前机头竖向偏差较大，这是由于本段出洞处出现大量砂浆石，高程控制效果不佳，出现轻微波动。后续顶进中土层结构明显好转，考虑到机头自重等因素影响，防止机头下称，始终将机头高程控制在+20 mm以内，实际效果显著，为后续机头进洞打下良好基础。

4.2 纠偏措施

本次施工过程中除设置施工方监测队伍外，还另外安排第三方监测队伍，对两班监测数据进行及时复核校对，确保管道姿态、位置满足设计要求。实际施工过程中两班监测数据基本吻合，符合设计要求，为顶管精确顶进提供了有力支撑。

5 工程难点

5.1 双曲线顶管

本次工程穿越京沪高铁、沪宁高速、西气东输输气管、中石化石油管线等重大基础设施。为此在设计阶段就认真研究沿线障碍物的相对位置，并采用双曲线顶管，有效避让各类障碍物。在施工过程中，除施工方监测外，另配第三方监测单位，严格控制顶进中各类沉降。同时采用注浆加固，对沉降可能出现的部位提前控制。

5.2 浆结石

本次工程施工过程中在顶管顶进与沉井下沉过程中均遭遇地下土层大块浆结石(见图5)。

顶管顶进中特别是W1～W2顶端，由于地下浆结石的影响造成顶管机头出泥管堵塞，影响顶进。但由于前期地勘报告的显示，工程建设前期就选择了开口率可调的顶进机头，在调小机头开口率后，将土层中大块浆结石磨碎，顺利解决浆结石影响。

在沉井下沉过程中，特别是放空井下沉深度达16 m，下沉过程中出现沉井不下沉，而周边土体不断塌方的现象。经分析及水下作业发现，沉井刃脚砂浆石卡阻，沉井周边降水井也出现堵塞，同时沉井外围土质为流沙。尽管沉井内不断出土，但由于降水效果不佳，地下水和流沙的不断涌入，且沉井刃脚处阻塞，造成了沉井下沉困难。为此施工中更换大方量抓泥机械、降水井更换大功率水泵、水下清理刃脚堵塞浆结石等措施，最终完成沉井下沉。

同时在全线顶进过程中，由于出泥管中浆结石含量较大，造成出泥管水泵叶轮多次磨损，而停止顶进，工程现场多次更换水泵叶轮，对此施工中预料不足。后期施工中每班顶进人员中安排专人巡查出泥管出泥情况，做到及时预判水泵磨损情况，备足相关配件，确保因水泵更换影响顶进施工时间不超过20 min，见图6。

6 结语

1)以王家塘泵站出水压力管工程施工为案例，根据工程特性和设计参数，合理优化顶管设备，对顶进力进行了简单估算，并与现场实测值进行了对比验证，发现由于注浆会使得实际顶力低于计算值，减阻泥浆能够极大地减小管壁摩阻力，有注浆减阻措施润滑时的摩阻力约为估算摩阻力的50%。

2)结合顶进过程轴线偏差图，对纠偏情况及偏差原因进行分析研究，发现水平偏差较为平均，但曲线顶段，由于顶进方向的改变，会对水平偏移产生显著影响，需加强监测。高程偏差在管道出洞阶段受浆结石影响波动较大，后续变化基本稳定。

3)地下土层中未知因素较多，在前期做好地勘的基础上，工程建设中应充分考虑浆结石的影响因素，采用可变开口率顶进机头，沉井下沉针对刃脚及时的冲挖，以及出泥管水泵及时维修等多种措施确保了本次工程的顺利实施。