羅云峰 白占偉

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433； 2. 上海市城市排水有限公司 上海 200233；3. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200433

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程，主要建設(shè)內(nèi)容為長(zhǎng)約26.21 km的污水輸送干管，該工程管道內(nèi)徑4 000 mm，外徑4 640 mm，全線干管都采用鋼筋混凝土頂管法施工，每節(jié)管的長(zhǎng)度為2.5 m。該工程為目前國內(nèi)最大直徑的鋼筋混凝土頂管工程，最長(zhǎng)的一次頂進(jìn)長(zhǎng)度為2 039.82 m，為同直徑下最長(zhǎng)距離的頂管。工程分為6 個(gè)標(biāo)段，其中SST2.2標(biāo)為外環(huán)8#井至迎賓3#井之間的頂管工程，外環(huán)8#頂管工作井西臨申江路立交，迎賓3#接收井東臨唐黃路，總長(zhǎng)7 890.71 m，其中迎賓1#～3#區(qū)間內(nèi)頂管即為超長(zhǎng)頂進(jìn)段，雙線皆超過2 000 m。

本工程頂管覆土厚度約為6～12 m，頂管所穿越的土層主要位于④層淤泥質(zhì)黏土中，該土層厚度較厚，分布穩(wěn)定，但其呈流塑狀，土質(zhì)較差，強(qiáng)度低、滲透性差、壓縮性高、靈敏度高，具觸變性和流變性，施工易受擾動(dòng)，容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。由于工具管及混凝土管節(jié)自身質(zhì)量較大，土體較軟弱，頂管進(jìn)出洞施工和軸線控制的難度相應(yīng)增大，容易發(fā)生各種失穩(wěn)問題[1]。場(chǎng)地地下水埋藏較淺，地下水對(duì)頂管施工影響很大。淺層潛水由于頂管開挖出土產(chǎn)生水頭差而滲流，導(dǎo)致粉性土產(chǎn)生流砂，對(duì)頂管施工不利。

2 頂管頂進(jìn)姿態(tài)的影響因素分析

對(duì)于頂管法施工來說，頂管機(jī)掘進(jìn)的位置、方向決定著成形管道軸線的軌跡。要使建成后的管道沿設(shè)計(jì)路線延伸，就必須保證頂管掘進(jìn)過程中位置、角度等準(zhǔn)確性[2,3]。

2.1 地質(zhì)條件

頂管機(jī)在軟土層中推進(jìn)時(shí)，周圍地質(zhì)情況極易對(duì)頂管的姿態(tài)產(chǎn)生重要影響。

（a）當(dāng)土層很軟弱或很松散時(shí)，工具管自身質(zhì)量和上覆土荷載將使頂管由于受壓而下俯，頂進(jìn)路線將發(fā)生向下的偏差；松軟土層往往不能承受偏心頂力引起的徑向推力，極易造成水平或豎直向的偏差。

（b）當(dāng)土層軟硬不均或有較大空腔時(shí)，將使工具管前端遇到不均勻的迎面阻力，而且頂管周圍的土壓力也不平衡，會(huì)使頂管周圍受力不均，造成頂管向土層軟的方向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，如施工不慎極易造成軸線偏差。

2.2 機(jī)械設(shè)備

頂管掘進(jìn)機(jī)及其配套設(shè)備等在加工、安裝過程中形成的誤差也會(huì)對(duì)頂管頂進(jìn)時(shí)的姿態(tài)產(chǎn)生影響。

（a）各頂進(jìn)千斤頂之間存在著頂進(jìn)時(shí)間差，千斤頂、油路等布置不合理，會(huì)使頂進(jìn)合力線發(fā)生偏移，進(jìn)而造成工具管旋轉(zhuǎn)。頂管后座不穩(wěn)或主頂油缸與頂管軸線不平行，會(huì)使主頂油缸在工作時(shí)方向發(fā)生變化，對(duì)頂管管道形成一個(gè)扭矩，使管道扭轉(zhuǎn)。

（b）導(dǎo)軌等設(shè)備安裝誤差是頂管出洞階段發(fā)生軸線偏差的主要因素，尤其容易導(dǎo)致頂管磕頭、抬頭等高程偏差現(xiàn)象。后靠背及千斤項(xiàng)的安裝誤差則將導(dǎo)致頂推力發(fā)生偏心，也會(huì)引起頂管軸線偏差。

2.3 施工操作

切削土體操作不當(dāng)及軸線測(cè)量誤差等施工操作，同樣會(huì)對(duì)頂管姿態(tài)造成影響。

（a）開挖面切削土體操作不當(dāng)，將可能會(huì)造成開挖面土壓不平衡，甚至出現(xiàn)塌方或冒頂?shù)?，產(chǎn)生較大的偏心荷載，從而造成軸線偏差。

（b）軸線測(cè)量誤差會(huì)影響到頂管糾偏操作的準(zhǔn)確程度，軸線測(cè)量誤差嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致頂管機(jī)頭不能順利進(jìn)入工作井的事故發(fā)生。

（c）頂管頂進(jìn)過程中軸線發(fā)生偏差或人為造成曲線段軸線偏差時(shí)，若糾偏方法不恰當(dāng)或糾偏量過大等，都可能會(huì)使頂管發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

3 大直徑頂管出洞施工技術(shù)

頂管機(jī)初始姿態(tài)控制對(duì)于頂管的成功頂進(jìn)具有非常重要的意義，因此頂管出洞是頂管施工的關(guān)鍵，頂管安全準(zhǔn)確的出洞是頂管后續(xù)按既定設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)的保證。大直徑工具管和混凝土頂管管節(jié)自身質(zhì)量較大，本工程頂管工具頭Φ4 640 mm，質(zhì)量約150 t，在出洞施工過程中，水土壓力尚未建立，浮力幾乎為零，且外部土體經(jīng)過下沉過程的擾動(dòng)，如果不采取有效的措施，會(huì)使得頂管工具頭出洞以后在工具管振動(dòng)運(yùn)行的情況下產(chǎn)生叩頭現(xiàn)象，工具管越頂越低，偏離設(shè)計(jì)軸線原來越遠(yuǎn)，甚至無法控制[4]。

3.1 洞口土體加固

本工程頂管工具管長(zhǎng)約8 m，為了頂管前期的走向能有一個(gè)良好的開局，必須確保在工具管重心頂出外圍圍護(hù)前頂管機(jī)處于一個(gè)均勻、穩(wěn)定且有足夠強(qiáng)度的水泥土加固體范圍內(nèi)，以使得頂管能夠平順地頂出。因此，在頂管工作井洞口范圍外圍的圍護(hù)至井壁間的空間均采用深層攪拌樁對(duì)土體進(jìn)行改良，以提高土體自立性以及承載力。

采用Φ850 mm SMW三軸水泥攪拌樁進(jìn)行加固，樁間距600 mm，搭接長(zhǎng)度≥250 mm。加固區(qū)長(zhǎng)度為沉井外壁沿軸線向頂管頂進(jìn)方向延伸8 m范圍；加固區(qū)寬度為洞口兩側(cè)外邊緣各自外側(cè)延伸3 m；加固區(qū)深度為地表至洞口下邊緣以下3 m范圍。為進(jìn)一步提高頂管出洞施工階段的正面土體穩(wěn)定，在洞口加固區(qū)域插入H型鋼。通過水泥高壓旋噴對(duì)深層攪拌樁洞口加固區(qū)域與外臺(tái)階形式沉井井壁間存在的間隙進(jìn)行封閉處理，以隔斷此處水力聯(lián)系通道。

3.2 洞口止水措施

保證頂管頂進(jìn)過程中洞口密封的可靠性是保證頂管順利進(jìn)出洞的關(guān)鍵，這對(duì)洞口止水裝置的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。因簾布橡膠板襯尼龍線能提高回彈力，增強(qiáng)止水效果，本工程采用橡膠法蘭的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行洞口止水。為便于安裝止水裝置，進(jìn)而保證出洞安全，按照穿墻洞的尺寸在洞口澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

本標(biāo)段工程所有區(qū)間頂管長(zhǎng)度都超過800 m，迎賓1#井～迎賓3#井長(zhǎng)度更是達(dá)2 039.82 m，因此，要求洞口止水措施嚴(yán)密且具備一定的耐磨性，并要求止水措施配件在特殊情況下便于更換。通常情況下簾布橡膠板的損壞多是由于外部砂礫進(jìn)入了簾布橡膠板的彎曲弧內(nèi)而引起的，砂礫進(jìn)入簾布橡膠板導(dǎo)致橡膠板的磨損加快，并使其與管節(jié)間的摩阻力激升從而造成損壞。本工程出洞口穿墻止水采用2 套止水措施加1 套保護(hù)措施的形式來進(jìn)行止水，止水措施為簾布橡膠板+牛油盤根，保護(hù)措施為在井壁內(nèi)設(shè)置厚3 mm隔離鋼板，阻止外部土體及銳利顆粒進(jìn)入橡膠板的彎弧段，橡膠板與隔離鋼板間壓入油脂密封。

4 大直徑長(zhǎng)距離曲線頂管軸線控制施工技術(shù)

傳統(tǒng)曲線頂管是利用頂管機(jī)在頂進(jìn)施工過程中人為地向某一方向造成符合設(shè)計(jì)要求的軸線偏差，這樣每一管節(jié)的軸線都偏差一點(diǎn)，所有管節(jié)連續(xù)起來，就成一條折線。本工程在軟弱土層中進(jìn)行頂進(jìn)時(shí)，如土體無法提供足夠的反力，則頂管機(jī)就無法按設(shè)計(jì)的曲線頂進(jìn)，導(dǎo)致曲率變小。

本工程采用局部預(yù)調(diào)式曲線頂管法，即在頂管曲線的起段時(shí)，根據(jù)曲線方向來設(shè)置張角，形成一定的曲線頂進(jìn)軌跡，使后續(xù)管節(jié)較容易通過。在工具管后20 m范圍內(nèi)的每一個(gè)管節(jié)接口中都安裝有間隙調(diào)整器，在頂管進(jìn)入曲線段后，人為地調(diào)整管節(jié)之間的張角，使之符合設(shè)計(jì)曲線要求，防止工具管失穩(wěn)。每個(gè)接口設(shè)置4 組8 只50 t千斤頂調(diào)整器。

頂管頂進(jìn)主要依靠工具頭頭部測(cè)量與糾偏的相互配合，以便其按設(shè)計(jì)要求的軸線、坡度進(jìn)行，在實(shí)際推進(jìn)過程中，頂管實(shí)際軸線和設(shè)計(jì)軸線總是存在一定的偏差，為減小頂管實(shí)際軸線和設(shè)計(jì)軸線間的偏差，使之盡可能趨于一致，主要依靠工具管糾偏完成。

工具管內(nèi)部采取吊盤球觀測(cè)工具管姿態(tài)，控制工具管扭轉(zhuǎn)及坡度。頂管糾偏遵循“勤測(cè)勤糾、預(yù)測(cè)緩糾、預(yù)糾強(qiáng)糾”的原則：

（a）勤測(cè)勤糾：在正常推進(jìn)的情況下，頂管實(shí)際軸線偏差較小，頂管每推進(jìn)一個(gè)沖程，即每頂進(jìn)90 cm左右測(cè)量一次工具頭軸線及標(biāo)高偏差情況，并結(jié)合工具管的前進(jìn)趨勢(shì)情況，及時(shí)進(jìn)行有效的糾偏，使工具管不致出現(xiàn)較大偏差。

（b）預(yù)測(cè)緩糾：如果頂管實(shí)際軸線偏差較大，根據(jù)工具管前進(jìn)偏離趨勢(shì)的加大、平穩(wěn)、減小等工況，調(diào)整工具管糾偏角度，及時(shí)進(jìn)行有效的糾偏。但每次糾偏角度要小，不能大起大落，要避免相鄰兩段管節(jié)間形成的夾角過大，要保持管道軸線以適當(dāng)?shù)那拾霃街鸩?、緩和地返回到設(shè)計(jì)軸線上來。

（c）預(yù)糾強(qiáng)糾：如果頂管實(shí)際軸線偏差很大，且工具管前進(jìn)偏離趨勢(shì)加大，在常規(guī)糾偏方法失效時(shí)，采取預(yù)糾強(qiáng)糾措施：即利用間隙調(diào)整器，人為地調(diào)整管子的張角，墊置鋼板或木板，使工具管后部管道整體保持反向趨勢(shì)，進(jìn)行強(qiáng)制糾偏；當(dāng)頂管軸線偏差減小時(shí)，應(yīng)根據(jù)工具管的趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整管節(jié)張角，避免糾偏過頭。

5 大直徑長(zhǎng)距離曲線頂管失穩(wěn)控制施工技術(shù)

本工程包含多條曲線頂管，曲率半徑最小僅為800 m。曲線頂管是利用頂管機(jī)在頂進(jìn)施工過程中人為地向某一方向造成符合設(shè)計(jì)要求的軸線偏差，隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加，就形成了曲線。而曲線頂管失穩(wěn)是造成一系列工程問題的根源，頂管失穩(wěn)，將帶來嚴(yán)重的后果，因此必須采取切實(shí)可行的防失穩(wěn)施工控制技術(shù)來確保頂管能夠順利地穿越。

5.1 大直徑工具管曲線頂進(jìn)失穩(wěn)控制

頂管在曲線頂進(jìn)階段或土質(zhì)變化較大的地段，必須通過工具管持續(xù)地對(duì)頂管走向進(jìn)行修正，但由于工具管直徑超大，受制于管節(jié)密封及張口的限制，很難做出更大角度的糾偏。本工程頂管穿越土質(zhì)壓縮性較高，若外部土體在徑向分力的影響下持續(xù)產(chǎn)生微量的壓縮位移，將會(huì)不斷削弱工具管的糾偏能力，造成工具管越來越偏離設(shè)計(jì)軸線，產(chǎn)生失穩(wěn)。這對(duì)本工程超長(zhǎng)距離曲線頂管來說，其影響是致命的，而且這種擠土效應(yīng)將造成地面的隆起及沉降，會(huì)威脅管線以及地面建（構(gòu)）筑物的安全。

針對(duì)該問題，為幫助工具管走出設(shè)計(jì)曲線，設(shè)置工具管后續(xù)跟進(jìn)的8 節(jié)管節(jié)為預(yù)糾偏段，安裝糾偏輔助裝置，可擴(kuò)散糾偏產(chǎn)生的徑向分力，減少糾偏動(dòng)作對(duì)土體產(chǎn)生的壓強(qiáng)及應(yīng)力集中現(xiàn)象；亦可在不影響管節(jié)止水性能的情況下擴(kuò)大糾偏的有效角度，使得工具管能夠處于受控狀態(tài)。

5.2 長(zhǎng)距離曲線頂管中繼環(huán)失穩(wěn)控制

中繼環(huán)在曲線頂管中更易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，中繼環(huán)的失穩(wěn)在本工程中主要體現(xiàn)在兩方面：一是在中繼環(huán)頂推力的影響下，張口在曲線段逐漸擴(kuò)大，特別是由于中繼環(huán)的鋼套管很長(zhǎng)，在曲線段會(huì)產(chǎn)生較大的帶土效應(yīng)，進(jìn)而形成沉降；二是頂進(jìn)過曲線段過程中，中繼環(huán)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。中繼環(huán)的失穩(wěn)會(huì)造成地面沉降、中繼環(huán)有效頂推力下降甚至損壞，而且會(huì)使得曲線段向外擴(kuò)，從而使得后續(xù)管節(jié)在一個(gè)曲率半徑更小的巷道中頂進(jìn)，頂管施工難度大幅增加。

針對(duì)該問題，主要通過如下施工技術(shù)措施來解決：未啟用中繼環(huán)須使用高強(qiáng)度螺栓拉結(jié)固定；優(yōu)化中繼環(huán)啟用的設(shè)置，盡量避免中繼環(huán)在曲線段內(nèi)啟用；增加中繼環(huán)布置的數(shù)量，通過增加頂進(jìn)級(jí)數(shù)來減小中繼環(huán)頂推力，從而達(dá)到減小對(duì)土體擾動(dòng)的目的；中繼環(huán)設(shè)計(jì)考慮抗扭轉(zhuǎn)措施。

5.3 長(zhǎng)距離曲線頂管管節(jié)失穩(wěn)控制

管節(jié)承擔(dān)著頂管頂進(jìn)過程中頂推力的傳遞，管節(jié)的失穩(wěn)表現(xiàn)為管節(jié)張角超過了設(shè)計(jì)曲線的管節(jié)張口值，并在此曲線段位置上的管節(jié)張角有擴(kuò)大發(fā)展的趨勢(shì)。隨著張角的擴(kuò)大，會(huì)產(chǎn)生2 種失穩(wěn)現(xiàn)象：管節(jié)持續(xù)推動(dòng)曲線段土抗力最低的區(qū)域，造成管節(jié)張角的持續(xù)擴(kuò)大；管節(jié)受力應(yīng)力集中現(xiàn)象愈發(fā)明顯，甚至有破壞管節(jié)側(cè)壁混凝土的惡性事故。

管節(jié)的失穩(wěn)問題，是中繼環(huán)失穩(wěn)的特殊情況，要解決該問題，主要從改變頂力傳遞上來解決管節(jié)張角的問題。同解決工具管失穩(wěn)的措施類似，可以通過預(yù)糾偏段來改善管節(jié)件力傳遞的合力中心位置，而中繼環(huán)可以被視作特殊的預(yù)糾偏段。即通過調(diào)整中繼環(huán)的合力中心，使得管節(jié)間的頂力作用點(diǎn)向張角擴(kuò)大的方向移動(dòng)，從而改善管節(jié)的力傳遞方向，恢復(fù)曲線段的管節(jié)張角至正常水平。這樣，通過管節(jié)曲線段預(yù)糾、外部壓漿、管節(jié)張縫監(jiān)測(cè)、頂力控制等手段聯(lián)合進(jìn)行控制。

6 結(jié)語

本文對(duì)頂管姿態(tài)控制的重要性及頂管頂進(jìn)姿態(tài)的一些影響因素進(jìn)行了闡述，并以目前國內(nèi)最大直徑且同直徑最長(zhǎng)距離頂管工程——上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程為依托，對(duì)軟土地區(qū)長(zhǎng)距離大直徑頂管頂進(jìn)姿態(tài)控制的一些關(guān)鍵技術(shù)措施——大直徑頂管出洞施工技術(shù)、大直徑長(zhǎng)距離曲線頂管軸線控制和失穩(wěn)控制施工技術(shù)等進(jìn)行了研究和探討。通過上述研究，背景工程采用了科學(xué)、合理、可行的施工技術(shù)措施，保證了背景頂管工程的順利實(shí)施，研究也表明頂管頂進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)的研究應(yīng)用對(duì)更精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)長(zhǎng)距離頂管具有重要意義，并能為今后類似工程的施工提供經(jīng)驗(yàn)參考。