文｜廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 余劍鋒

1 前言

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，土地緊缺、交通擁擠等問題日益加劇，合理開發(fā)地下空間已成為解決上述問題的有效途徑，頂管法以其非開挖敷設(shè)管道的技術(shù)在地下空間開發(fā)上越來越多地采用。在實(shí)際工程中，由于地下管線的綜合性越來越強(qiáng)，穿越土質(zhì)越來越復(fù)雜，且平面上受到道路形狀的制約、地面建筑物保護(hù)的影響，豎向上存在地質(zhì)條件的差異性等因素，促使頂管工程向大直徑、長距離、曲線方向發(fā)展。

在珠江三角地區(qū)，地下水十分豐富，泥水平衡式頂管較多應(yīng)用于工程實(shí)踐，本文依據(jù)三山島內(nèi)110kV及220kV架空線路改遷工程中的一段頂管實(shí)例，介紹大直徑長距離曲線頂管在軟硬土層中的綜合應(yīng)用，對(duì)以后類似工程提供參考。

圖1 頂管軸線上地表情況

圖2 曲線繞過廣珠西線橋墩

圖3 2#-1#管道平面圖

2 工程概況

三山島內(nèi)110kV及220kV架空線路改遷工程位于佛山市南海區(qū)三山大道側(cè)，該工程主線路采用DN3500鋼筋混凝土頂管施工。其2#～1#段為一次性頂進(jìn)679m，且為曲線頂進(jìn)，在距2#始發(fā)井420m處進(jìn)入曲線段繞開廣珠西線橋墩，曲線段長度約154m，曲率半徑R=1000m，管頂平均覆土厚度為5.5m，全段穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化砂巖、粉質(zhì)粘土和淤泥層，其中硬巖段巖石單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)88.6MPa。沿途存在大量高壓電纜、軍用光纖電纜、自來水管和雨水管等管線。

3 復(fù)合地層大直徑長距離曲線頂管技術(shù)

本工程為大直徑（外徑4.14m）、長距離（長度679m）、硬巖（抗壓強(qiáng)度88.6MPa）、曲線（曲率半徑1000m）頂管集成為一體的綜合頂管工程。根據(jù)以往完成的大直徑、長距離、硬巖和曲線頂管經(jīng)驗(yàn)，從刀盤刀具選擇、曲線控制、注漿減阻、中繼接力、電壓降補(bǔ)償?shù)瓤刂埔蛩爻霭l(fā)，分析各因素的綜合影響，研究探索綜合性頂管施工技術(shù)。

3.1 頂管機(jī)選型

工程穿越地層為復(fù)合地層，頂管段需要穿越地層依次有：強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖—粉質(zhì)粘土—微風(fēng)化砂巖(長度約90m，單軸抗壓強(qiáng)度約88.6MPa)—粉細(xì)砂—粉質(zhì)粘土—淤泥，巖層芯樣如圖4。同一斷面土質(zhì)軟硬不均，沿頂進(jìn)方向土質(zhì)變化大，頂管機(jī)刀盤設(shè)計(jì)和刀具布設(shè)具有較大難度。

（1）刀盤面板

為了克服硬質(zhì)巖層，頂管機(jī)采用6根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅(qū)動(dòng)裝置并且作為刀盤面板的基座，刀盤采用面板式設(shè)計(jì)，在巖層施工中，

圖4 頂進(jìn)地層巖石芯樣圖

圖5 頂管機(jī)刀盤刀具圖

圖6 頂管機(jī)刀盤改造圖

圖7 測量系統(tǒng)示意圖

圖8 曲線頂管測量

這種刀盤結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，可承受更大的推力和扭矩。刀盤開口率約為25%，滾刀設(shè)計(jì)為12”雙刃滾刀，共17把。

（2）破碎艙改造

破碎艙在頂管機(jī)的前端，與刀盤共同形成對(duì)大塊巖石第二次破碎。刀盤開口允許進(jìn)入的最大顆粒尺寸為200 mm。當(dāng)大塊石塊經(jīng)刀盤開口進(jìn)入破碎艙后，刀盤背部的牛腿與錐形破碎艙下部的突起耐磨破碎筋組成剪切破碎機(jī)構(gòu)。

刀盤牛腿的耐磨板表面到錐形破碎艙表面的距離是不同的，不同的間距可把大塊石頭分級(jí)破碎，最后令碎石顆粒尺寸滿足排渣要求。每根牛腿到錐形破碎艙表面的距離從10 – 80 mm不等，地面的排渣口允許最大通過顆粒尺寸為50 mm。

3.2 曲線頂管施工技術(shù)

曲線頂管與直線頂管不同，直線頂管只要求后續(xù)管節(jié)隨頂管機(jī)直線運(yùn)動(dòng)，而曲線頂管要求直線狀管節(jié)沿弧線運(yùn)動(dòng)，這樣就要求頂管機(jī)擴(kuò)孔超挖，否則管節(jié)就無法進(jìn)入圓弧段。

（1）曲線段超挖量計(jì)算

曲線頂管的曲線段孔洞須有足夠的超挖量，超挖量大小與曲率半徑、管節(jié)長度有關(guān)，管道理論超挖量可按下式計(jì)算：

式中 M—理論超挖量(m)；

R—曲率半徑(m)；

D1—管道外徑(m)；

L—管節(jié)長度(m)。

（2）曲線段線型控制

在曲線段頂進(jìn)過程中，整體管節(jié)的線型需要通過管節(jié)接口張開程度來控制。曲率越小，管節(jié)間張口越大；反之，曲率越大，管節(jié)間張口越小。為保持曲線頂管線型，管節(jié)張口應(yīng)隨著頂管頂進(jìn)過程發(fā)生變化。為控制張口量的變化，需在管節(jié)張口間塞鋼墊片，墊片厚度有5mm、8mm、10mm，并可互相組合。

施工過程中，對(duì)進(jìn)入曲線段管節(jié)接口及時(shí)塞墊片，并觀察每一接口墊片的松緊，對(duì)松動(dòng)墊片進(jìn)行更換或增加，并注意管節(jié)張口間的止水效果。

（3）曲線段線型測量

在曲線頂管中因管內(nèi)測站位置會(huì)隨著管節(jié)頂進(jìn)而變化，且管內(nèi)測站需在隧道內(nèi)采用“之”字形折線布置才能保證通視。

曲線頂管中，為提高測量精度，利用固定轉(zhuǎn)點(diǎn)測站進(jìn)行引測，防止測點(diǎn)在測量過程中移動(dòng)影響測量精度。為提高測量速度，每個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中法進(jìn)行儀器安裝；為配合測點(diǎn)安平，每個(gè)棱鏡頭配一個(gè)棱鏡基座。

測量時(shí)，由頂管工作井安裝一臺(tái)固定于儀器墩上的自動(dòng)全站儀T1及固定于井壁上的二個(gè)后視點(diǎn)（PL和PR）組成頂管貫通測量地下導(dǎo)線的起始基準(zhǔn)點(diǎn)，隨頂管頂進(jìn)的長度和線形在管道內(nèi)固定安置T2，T3，…中轉(zhuǎn)測站。由離機(jī)頭最近的全站儀最后測量固定安置于機(jī)頭內(nèi)的棱鏡P1、P2坐標(biāo)，然后求算當(dāng)前機(jī)頭位置中心P0坐標(biāo)。

（4） 中繼間線型調(diào)整

曲線頂管時(shí)，孔洞軸線與頂進(jìn)管節(jié)軸線往往是不一致的，頂進(jìn)管節(jié)軸線會(huì)向曲線外側(cè)偏移，這樣管節(jié)頂力的合力中心會(huì)偏向曲線內(nèi)側(cè)，如果這時(shí)管節(jié)中設(shè)置了中繼間，可通過調(diào)整中繼間的合力中心，使其與管節(jié)頂力的合力中心一致，以保持曲線段平穩(wěn)頂進(jìn)。

圖9 施工中的曲線頂管

圖10 成型的曲線頂管

圖11 滾刀磨損情況

中繼間頂力調(diào)整的辦法是曲線外側(cè)的中繼油缸停用，停用數(shù)量可理論計(jì)算，也可通過觀察調(diào)整。簡便一點(diǎn)的方法是在中繼間工作時(shí)觀察前后段管節(jié)間轉(zhuǎn)角的變化，若轉(zhuǎn)角增加，表示要增加停用的油缸數(shù)量；反之則減少停用油缸數(shù)量；當(dāng)轉(zhuǎn)角不變時(shí)，可認(rèn)為到達(dá)平衡。

3.3 復(fù)合地層頂管施工技術(shù)

對(duì)于軟硬綜合地層中曲線頂進(jìn)施工，除了對(duì)頂管機(jī)選型、曲線線型控制外，還要對(duì)頂進(jìn)過程的施工參數(shù)進(jìn)行控制。針對(duì)不同土質(zhì)，調(diào)整不同的頂進(jìn)參數(shù)，以適應(yīng)不同地層施工。

（1）粘土層

在粘土層地質(zhì)頂進(jìn)施工中，由于粘土的粘性造成在頂進(jìn)中極易形成泥餅，裹住頂管機(jī)刀盤，前方土體無法切屑和排出，會(huì)造成頂管頂力偏大，刀盤電流突增等問題。

該地層頂進(jìn)需要減慢頂進(jìn)速度（頂進(jìn)速度<20mm/min），同時(shí)通過改變頂管機(jī)電機(jī)運(yùn)行頻率加快刀盤轉(zhuǎn)速，讓粘土充分進(jìn)行攪拌。并使用高壓清水進(jìn)行沖洗，減少泥餅的形成。循環(huán)泥漿粘度控制低于22s。同時(shí)可采用化學(xué)添加劑改善粘土性能。

（2） 淤泥層

淤泥地層含水率大、孔隙比大、壓縮性高、承載力較差，由于頂管機(jī)自身重量較大，在承載力較差的淤泥層極易產(chǎn)生下沉。因此，在頂管機(jī)進(jìn)入淤泥層時(shí)，應(yīng)將頂管機(jī)下糾偏千斤頂稍稍伸出，并加快頂進(jìn)速度，將泥水倉泥水壓力提高至比地下水位高出20kPa左右，泥漿粘度控制在22s以上，并控制好進(jìn)排漿壓力。

（3）硬巖層

頂管機(jī)在硬巖段頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)采取慢速頂進(jìn)，減少刀具的貫入度，避免滾刀蹦口的現(xiàn)象，如圖11a、11b所示；同時(shí)，在頂進(jìn)中應(yīng)進(jìn)行高壓清水的輸送，一是為了降低刀具的溫度，二是對(duì)滾刀上粘土進(jìn)行沖洗，減少偏磨的現(xiàn)象，如圖11c。另外，頂管機(jī)在巖石切削中會(huì)產(chǎn)生石粉，容易在沉底堆積，抬升管節(jié)，使管節(jié)與頂部巖層擠壓卡死，所以要控制好循環(huán)泥漿的濃度，及時(shí)補(bǔ)充新的觸變泥漿。

在硬巖段頂進(jìn)時(shí)，軸線控制也非常關(guān)鍵。硬巖段糾偏難度大，糾偏空間有限，且會(huì)加大刀具磨損量，存在頂管機(jī)卡住的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在巖石層頂進(jìn)時(shí)要控制好頂管機(jī)姿態(tài)。

3.4 長距離頂管施工技術(shù)

在長距離頂管中，不僅需要通過注漿減阻來減少頂進(jìn)過程中的阻力和通過中繼接力來增加頂進(jìn)中的推力，還需要考慮電壓降的問題。

（1）注漿減阻技術(shù)

針對(duì)長距離硬巖頂管，需要克服頂進(jìn)過程中管體外表面與巖層之間摩阻力大的問題，首先采用壓注觸變泥漿減少摩擦阻力。注漿可使管周外壁形成泥漿潤滑套，使管節(jié)受到一定的浮力，減少管節(jié)與周邊土體的接觸面積，從而降低了頂進(jìn)時(shí)的摩阻力。

根據(jù)試驗(yàn)研究表明，采用膨潤土配置的觸變泥漿其濃度對(duì)粘度、潤滑性有影響，從而改變摩擦阻力系數(shù)，下表1對(duì)比了觸變泥漿濃度的變化對(duì)其粘度、比重和流動(dòng)性、凝膠性能的影響。

在頂管施工中，為了壓注觸變泥漿后在管道外壁能形成穩(wěn)定的泥漿套，漿體應(yīng)保持一定粘度，不能離析，才能具有膠凝護(hù)壁的效果；同時(shí)，考慮到注漿管中的漿體流動(dòng)性及注漿持續(xù)性，漿體粘度又不宜過大，這就要求泥漿根據(jù)地層特性取其綜合性能。

表1 觸變泥漿配比表

觸變泥漿壓注要以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔，先注后頂，隨頂隨注，及時(shí)補(bǔ)漿。在停止頂進(jìn)及開始頂進(jìn)前應(yīng)壓注觸變泥漿，減小再次啟動(dòng)的頂推力。在頂進(jìn)過程中，注漿壓力應(yīng)比地下水壓力略高，但也要避免擊穿地面影響注漿效果。泥漿注漿量應(yīng)控制在管土間縫隙空間體積的1.5～2.0倍。

（2）中繼接力技術(shù)

圖12 觸變泥漿配置

圖13 觸變泥漿壓注

圖14 管節(jié)中的中繼環(huán)

圖15 中繼環(huán)中的千斤頂

圖16 變壓器降壓裝置

長距離頂管中，克服頂進(jìn)過程中管體外表面與巖層之間摩阻力大問題第二個(gè)方法是采用中繼接力。中繼接力是在頂進(jìn)管節(jié)中放置一個(gè)或幾個(gè)由數(shù)十個(gè)小千斤頂組成的中繼環(huán)，這些中繼環(huán)以后部的管節(jié)段獲取后座力來推動(dòng)前部的管節(jié)段，然后再在其后部中繼環(huán)或主頂千斤頂?shù)捻斖屏ψ饔孟滦∏Ы镯攺?fù)位，以備下一次頂推。這樣，長距離頂管就被中繼環(huán)分成數(shù)小段依次頂進(jìn)，減小了主頂千斤頂所需配備的后座力，降低了對(duì)井體結(jié)構(gòu)的性能要求。

（3）長距離配電技術(shù)

長距離頂進(jìn)后，由于傳輸用電纜不斷增長，導(dǎo)致電功率損耗加大，電壓下降，頂管前端電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

采用升降壓裝置，在始發(fā)井內(nèi)放置升壓裝置，將380V輸入電壓升至1000V輸出電壓，再用中壓電纜輸送至離頂管機(jī)30m左右位置的降壓器，轉(zhuǎn)換成380V電壓輸出給頂管電機(jī)。

這樣可以節(jié)省管道內(nèi)輸電線纜的布設(shè)，減小輸送電纜損耗的功率，滿足長距離頂管電機(jī)用電功率要求。但目前也存在升降變壓器體積較大，管內(nèi)運(yùn)輸和安放都較困難的確定，需要以后進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)論

本文通過大直徑長距離曲線頂管在軟硬地層施工的工程實(shí)例總結(jié)了該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：

（1）在復(fù)雜地層曲線頂管時(shí)，刀盤刀具的配置應(yīng)綜合考慮刀盤抗扭、刀具破巖和破碎倉二次破碎問題。

（2）由于曲線頂管不能通視，曲線段測量應(yīng)采用測站進(jìn)行轉(zhuǎn)點(diǎn)，并強(qiáng)制對(duì)中、多次測回進(jìn)行測量誤差的控制。

（3）軟硬土層施工時(shí)應(yīng)根據(jù)不同土層調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，達(dá)到各不同地層的平順過渡和順利頂進(jìn)。

（4）長距離頂進(jìn)時(shí)可考慮采用利用觸變泥漿綜合性能進(jìn)行注漿減阻施工和合理布設(shè)中繼環(huán)，達(dá)到頂力分步傳遞，同時(shí)注意電壓保證措施。

本文總結(jié)了在復(fù)雜地質(zhì)條件下采用大直徑、長距離曲線頂管需要注意事項(xiàng)，在城市地下空間迅速發(fā)展的今天，大直徑曲線頂管施工技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，本文可為今后類似工程提供借鑒意義。