徐 玉 夏

(1.上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司,上海 200002； 2.上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心,上海 200002)

1 項目背景

珠海某原水供應(yīng)管道工程，全長約20.34 km，本工程為其昌村(沿豬母涌北側(cè)布置)2號橋至屏西八路段，長約1.10 km。初步設(shè)計階段考慮該段管道在其昌村拆遷改造后實施，因昌村拆遷改造項目滯后，該原水供應(yīng)管道工程其他管道已完工多時，急需接通該段管道。為避免直線頂管穿越民宅，因而采用曲線鋼頂管，避開村民住宅，從住宅北側(cè)相距約8 m的位置穿越。

背景工程1號井(工作井)～3號井(接收井)區(qū)間頂管，長度為1 101.35 m，共分為2段直線段和1段曲線段，直線段1的長度為369.01 m，直線段2的長度為306.02 m，曲線段長度為426.32 m，曲率半徑R=3 000 m，管道外徑DN2 020，壁厚22 mm，管道中心標高為-8.84 m，單節(jié)鋼管長度為6 m，屬超長距離曲線鋼頂管。

2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，勘探深度內(nèi)揭露地層主要有：素填土①、淤泥②1、淤泥質(zhì)砂②2、淤泥質(zhì)黏土②3屬軟弱土；黏土②4。頂管穿越地層主要為淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3。淤泥②1：灰褐、深灰色，呈飽和，流塑狀態(tài)，含少量貝殼碎屑，略具腥臭味。淤泥質(zhì)黏土②3：灰褐色，呈飽和，流塑狀態(tài)，韌性中等，刀切面光滑，光澤反應(yīng)強。

3 曲線鋼頂管難度分析

曲線鋼頂管施工主要是利用頂管機在頂進過程中向某一個方向造成人為的軸線偏差，并使這個偏差符合設(shè)計曲線要求，隨著頂進長度的增加，就形成了曲線。曲線鋼頂管不同于曲線混凝土管，鋼管管節(jié)沒有張角，整體性好，主要依靠在曲線段上設(shè)置中繼環(huán)張角及鋼管自身的彈性變形來實現(xiàn)曲線線形。在頂管過程中，主要靠頂管機糾偏引導(dǎo)及中繼間的分段頂進來實現(xiàn)。

該段頂管穿越地層主要為淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3。該類軟土層適宜常規(guī)直線頂管法施工，但由于土層較軟，不適合長距離曲線鋼頂管，主要有以下幾方面：

1)由于鋼管自身變形彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力較大，而淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3土層軟，無法為頂管糾偏提供足夠的反力。

2)為減少對村民住宅影響，頂管路由選擇沿豬母涌河邊位置，頂管右側(cè)河堤與頂管左側(cè)河床高差在4.5 m左右，河床位置管道覆土5 m～6 m，頂管左右兩側(cè)土壓力反差大，進一步導(dǎo)致頂管向右糾偏困難。

3)由于淤泥②1、淤泥質(zhì)黏土②3土層軟頂管機在穿越圓弧線后，后續(xù)管道推進時，管道容易向圓弧外側(cè)外移動(頂管左側(cè))，導(dǎo)致住宅出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，而不能達到調(diào)整方案的初衷。

4 超長距離曲線鋼頂管施工

4.1 曲線頂管主要設(shè)備

根據(jù)本工程實際情況，本工程選用泥水平衡頂管機，條幅刀盤結(jié)構(gòu)，糾偏油缸選用100 t雙作用千斤頂，頂管機糾偏角度為2°。本工程中繼環(huán)安裝30只250 kN油缸，合計頂力7 500 kN，中繼間允許轉(zhuǎn)角為2°。第一道中繼環(huán)布置在頂管機后，第二道布置在第一道后12 m，第三道中繼環(huán)布置在第二中繼環(huán)后12 m處，第四道中繼環(huán)布置在第三中繼環(huán)后42 m處，其后每72 m布置一道中繼間，直線段每96 m布置一個中繼間，共布置15個中繼環(huán)。

4.2 雙作用轉(zhuǎn)向中繼間

本工程前4個中繼間采用雙作用轉(zhuǎn)向中繼間[1](已申請國家專利)，直徑2 000 mm中繼間，鉸接油缸分4組布置，每組3只雙作用油缸。單個雙作用油缸參數(shù)：向前推力為80 t，向后拔力為40 t，工作壓力31.5 MPa，油缸行程150 mm。每組雙作用油缸進、出油口通過管路連接到閥組上，可獨立控制。不用時，閥組鎖定，油缸不動作，使整條管道形成一個整體。雙作用轉(zhuǎn)向中繼間主要具備以下功能：

1)向前接力頂進鋼管。

在長距離和超長距離鋼頂管施工中，根據(jù)頂力的需要，依次從頂管機后第一個中繼間開始啟動，逐段向前推進，最后由后座主頂千斤頂頂進。

2)向后接力拔退鋼管。

普通中繼間，采用單向千斤頂，不具備后拔功能。采用雙作用轉(zhuǎn)向中繼間，可以從頂管工作井最近的中繼間開始依次后退，在頂管機后退時，可以利用頂管機正面壓漿壓水及第一個中繼間的拉力將頂管機向后拔退。特別適合在巖層中頂管需要更換刀具時，將頂管機進行短距離的后退。

3)可以進行強制糾偏。

普通中繼間，采用單向千斤頂，不具備強制糾偏功能。采用雙作用轉(zhuǎn)向中繼間，特別適合進行曲線鋼頂管的強制糾偏，如需頂管機向左偏，可以將中繼間右邊千斤頂伸出，左邊千斤頂收回，中繼間右側(cè)張縫大于左側(cè)張縫，使管道形成向左轉(zhuǎn)彎趨勢；在經(jīng)過曲線段后，可將油缸收回，恢復(fù)正常頂進。

本工程在頂管正常頂進時，將1號、2號中繼間鎖定，確保3號中繼間以前的鋼管與頂管機尾部形成整體。頂管在進入曲線段后，初始時在沒有啟用中繼間糾偏功能情況，頂管機正常糾偏達不到預(yù)定效果，最大偏差達到33 cm，因而將1號、2號，左側(cè)張開0.2°(理論張角)后鎖定，發(fā)現(xiàn)頂管向右糾偏速度太快，以至頂管機需要向左糾偏；經(jīng)摸索，將1號、2號中繼間張角控制在0.1°(理論張角50%)比較適合，在后續(xù)曲線段頂進過程中，管道最大偏差在12 cm，較為理想。

4.3 曲線頂管糾偏原則

在曲線頂管中，頂管糾偏應(yīng)遵循“勤測勤糾、預(yù)測緩糾、預(yù)糾強糾”的原則[2]：

1)勤測勤糾：在正常推進的情況下，頂管實際軸線偏差較小，頂管每推進一個沖程，應(yīng)測量一次頂管機軸線及標高偏差情況，并結(jié)合頂管機的前進趨勢情況，及時進行有效的糾偏，使頂管機不致出現(xiàn)較大偏差。每次糾偏角度要小，每次糾偏角度變化值一般的都不大于0.5°，當(dāng)累計糾偏角度過大時應(yīng)特別慎重。

2)預(yù)測緩糾：如果頂管實際軸線偏差較大，根據(jù)頂管機前進偏離趨勢的加大、平穩(wěn)、減小等工況，調(diào)整工具管糾偏角度，及時進行有效的糾偏。但每次糾偏角度要小，不能大起大落，要保持管道軸線以適當(dāng)?shù)那拾霃街鸩?、緩和地返回到軸線上來，避免相鄰兩段間形成的夾角過大。

3)預(yù)糾強糾：如果頂管實際軸線偏差很大，且工具管前進偏離趨勢加大，在常規(guī)糾偏方法失效時，應(yīng)采取預(yù)糾強糾措施：即通過調(diào)節(jié)雙作用轉(zhuǎn)向中繼間左右行程差，使工具管后部管道整體保持反向趨勢，進行預(yù)糾偏；當(dāng)頂管軸線偏差減小時，應(yīng)根據(jù)頂管機的趨勢，及時調(diào)整中繼間的行程差，避免糾偏過頭。

5 曲線頂管失穩(wěn)計算

按頂管技術(shù)規(guī)程[3]，鋼管管壁應(yīng)力分為環(huán)向應(yīng)力和縱向應(yīng)力，并共同組成組合折算應(yīng)力。其中縱向應(yīng)力的計算公式為：

式中第1項為環(huán)向應(yīng)力對應(yīng)，第2項為溫度應(yīng)力影響，曲線和施工偏差引起的縱向應(yīng)力即為第3項。

按照以下條件進行計算分析：管頂覆土厚度為6 m，壁厚為0.01D；管頂土的內(nèi)摩擦角φ=3°，管頂土的粘聚力系數(shù)C=5 kPa；管周原狀土的變形模量為2.0 N/mm2；土弧基礎(chǔ)中心角為120°；管道閉合溫差為20 ℃；管道工作內(nèi)水壓力標準值為0.8 MPa，工程重要性系數(shù)1.1。

計算本工程曲線鋼頂管在純設(shè)計曲線下的允許曲率半徑約為2 400 m，對應(yīng)的彎曲應(yīng)力為86 MPa?？紤]施工偏差的疊加影響，按每100 m偏差60 mm計算，相當(dāng)于曲率半徑減少10%左右，則疊加施工偏差后，設(shè)計允許曲率半徑約為2 600 m。因此本工程設(shè)計3 000 m的曲率半徑可以滿足計算要求。

根據(jù)管道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，后續(xù)管道在經(jīng)過圓弧段時，管道豎向最大變形在3 cm以內(nèi)，在鋼管彈性變形范圍以內(nèi)，不影響管道目前施工安全及后期的使用安全；管道在離開圓弧段后，鋼管變形逐漸恢復(fù)。

6 結(jié)語

頂管施工過程中及頂管結(jié)束時，多次對管道軸線每2 m一個點(即每道環(huán)向焊縫)進行復(fù)測，對比原始數(shù)據(jù)與復(fù)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在直線段原來出現(xiàn)較大偏差的位置，后續(xù)管道通過后，管道逐漸拉直，管道偏差在不斷變小。在曲線段，管道存在向圓弧外側(cè)移動現(xiàn)象，最大位移達到22 cm，但管道整體線形更加圓順。為防止地面沉降，從管道內(nèi)向管道外注粉煤灰漿(用頂管觸變泥漿拌粉煤灰)，效果明顯，頂管結(jié)束后再注水泥漿進行固結(jié)。

頂管前、頂管施工過程中及頂管結(jié)束后兩個月連續(xù)監(jiān)測，村民住宅最大沉降沒有超過3 mm。順利實現(xiàn)進行曲線鋼頂管預(yù)期目標，村民住宅沒有產(chǎn)生沉降開裂等擾動。