“S”形曲线顶管线型控制施工技术

“S”形曲线顶管线型控制施工技术

杨超

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

摘要：黄浦区中山南路原污水管与新建通道主体工程冲突，需改排至外马路，路由为三曲线顶管，为典型的“S”形曲线顶管，最小曲率半径仅为R=380m。本文以外马路顶管工程为研究背景，以“S”型顶管线型控制为研究对象，从顶进、管节、中继环、泥浆、纠偏等系统制定了技术措施，最终顺利完成了本工程的顶管施工，较好地实现了工程目标，为类似顶管工程提供了经验参考。

关键词：“S”形顶管，小曲率，线型控制，纠偏

1 工程概况

为了满足城市的可持续发展，城市地下空间建设的不断更新，出现了很多问题。黄浦区中山南路DN2000合流二期污水管道与后期新建地下通道位置重叠冲突，需要改迁至外马路位置。改排DN2000污水截流走向为：中山南路东侧（白渡路）外翠丰弄外马路董家渡路口文庙泵站，改排（外马路段）主要采用顶管施工。

由于外马路地理位置特殊，周边较多历史遗留建筑，周边及地下环境复杂，环境保护要求极高，本工程顶管在①31层黏质粉土顶进，俗称“江滩土”，分布不均，含云母、有机质等，偶夹腐芦苇根茎及螺壳片，夹较多粘性土、砂土，局部以淤泥质粉质粘土、砂质粉土为主。该层土特点松散，厚度较大，该层土质不均，局部为粘性土，该层渗透性较好，开挖过程中，在地下水的渗流作用下，易产生流砂现象，为可液化土层，液化等级轻微~中等[1]。

外马路(外萃丰弄～董家渡路段)顶管内径DN2000砼污水管，全线长773.1m。现状外马路地面标高+3.92m～+4.37m。外马路新建顶管中心标高-1.67m～-2.44m渐变，纵向整体轴线1‰坡度向下，水平线型为三曲线，相互交替，类“S”形曲线，最小曲率半径R=380m，且处于线型末端，如表1 所示：

表1顶管线路情况

2 施工难特点

1）受地形地质条件及老码头周边环境限制,整个顶管轴线呈"S"形，首尾角度达31.0°，顶管线型由3段直线和3段曲线相互交替组成，顶管顶进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，很容易出现管节失稳，施工难度增加。尤其R=380m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[2]。因此顶管顶进参数的控制、顶管管节之间力的传递、减阻措施及纠偏[3]措施等都变得极为苛刻。

2）本顶管线型为典型的曲线顶管，最小曲率半径380m，且最小曲率为顶管末段路由位置，会面临“曲线进洞”，顶管进出洞本身作为重要的风险点，施工控制难度大，加之需要曲线进洞，施工线型控制更加困难。

3 施工措施

3.1 工具头选择

考虑顶管所处渗透性较好的①31层黏质粉土土层，局部杂填土较厚，土层负复杂，存在局部清障的风险，选用复合式泥水平衡工具管，全长3.74m，重量约32t。为了满足较小曲率半径的纠偏，顶管机身分两节，前后壳体通过纠偏油缸联结，顶管纠偏油缸的参数调节，使得顶管机本身具备一定的折角，更加有利于纠偏。工具头带有4组总推力480t的纠偏用千斤顶，纠偏幅度角全断面±2°。前后壳体之间有橡胶止水圈防止外侧泥水渗入顶管机体内。

刀盘是由3台电动机通过行星减速器减速，由小齿轮带动机头刀架减速箱中的大齿轮，再由大齿轮中心的主轴驱动机头刀架转动。刀头由刀架带动。刀盘扭矩达30.7kN·m，开口率30%，能够适应复杂工况。

3.2 管节设置

“S”型曲线对于顶管来说施工难度较大，考虑顶管线型复杂，最小曲率半径仅为380m，为了更好的适应小曲率曲线顶管，同时防止管节之间的张角过大，综合考虑选用“F”型钢承口钢筋混凝土管材，管节尺寸为：长度2.21m（含0.21m钢套），外径2.42m，内径2.0m，管节壁厚0.21m。

为了适应偏转角度和行程，钢套加长到370mm，厚度10mm，管节之间考虑软连接用20mm木衬垫厚。考虑管节同步注浆，管节呈90°均布设置4道DN25压浆孔。为了更好的止水，密封形式为双道楔形橡胶圈止水，楔形密封圈卡在钢环后，如图1：

图1 管节侧壁连接图

考虑顶管注浆、纠偏和线型控制，确保曲线段线型的整体性，顶管管节分五类，A型管节，带压浆孔、预纠偏千斤顶盒和不连续板圈，机头后的A管节需拉杆相连（为提供足够的侧向分力，将机头后5节管节采用螺栓拉结）；B型管节为普通管节；C型管节带压浆孔的普通管节，每隔2节B设置一环；D型管节带纠偏盒子和不连续板圈（必要时利用拉杆进行前后管节的拉结，保证管节在顶进过程的线型）；E型管为钢套管，为后续设置骑马井时对应管节；最后是中继间。

3.3 中继环控制措施

1）中继环设置

由于顶管线型的复杂性，采用增加中继间数量（11道），由降低单环顶进的距离，从而达到降低侧向分力和顶力的目的，减少在曲线段对周边土体的影响。

根据顶管后152m需穿越曲率半径为380m的曲线段，曲线段范围内中继间特别加密，第一道中继间（1#）～第五道（5#）中继间间隔45m；第六道（6#）～第十一道（11#）中继间间隔80m。增加中继间有利于曲线顶进过程中的姿态控制，增强对整个管节在不同轨迹中的运动控制。

2）中继环开启[4]原则：

（1）尽量避免在曲线段（特别在R=380）启用中继间，减少在第一二曲线段启用中继环的频率；

（2）避免管节张角超过设定值的附近（离开2个中继环以上）启用中继环；

（3）中继环顶力限值设置500吨，若油压升高，则切换并缩短中继环启用间距；

（4）防止管节扭转，第三、第二曲线位置预布置配重；

3）中继环施工措施

（1）在中继间的后6管节设置预纠偏装置，当中继间张角逐渐扩大，超过了原顶进轴线的曲率，且有逐渐扩大的趋势，则需要启用纠偏装置来减小其张口；

（2）外部压浆联动，即适当增加外部压浆量，增加泥皮的厚度和支撑作用，弥补曲线位置带土效应产生的曲率增大现象，减小侧向分力；

（3）同一管节张缝大小不同时，需加强张缝测量频率，适当开启中继环

3.4 曲线管节管理措施

1）后座中心合力便移动

直线段中继间的油缸都是同步伸缩，但曲线段由于管节之间的顶力与管节轴线不在同一轴线上，且存在夹角，启动中继环前对环前后3节管节张缝填板，使中继间的合力尽量与管节间合力一致，减少扭转力。

2）曲线管节张缝管理措施，配合顶管纠偏

（1）对每节管节编号，及时掌握张缝的变化情况及变化趋势；

（2）对直线段与曲线段交接区域的管节张缝及时观察、记录，所有的管节张缝应不大于理论计算的张缝；

（3）如发现张缝异常，及时暂停顶进，采取启动中继间、管节拉杆相连、主动拉张缝等措施解决；

（4）通过自动压浆系统强化触变泥浆系统的作用，做到同步注浆到位，跟踪注浆及时；

（5）在纠偏作业中，尽可能的降低调整幅度，做到勤纠、小纠。

3.5 顶进参数控制

1)控制顶进速度

进出洞加固区顶进速度控制在10mm/min以内，考虑“S”曲线顶管的复杂性，正常顶进速度控制在15~25mm/min内，出土量控制在理论量的95%~98%，根据在试验段的顶进参数，在曲率半径较小位置降低顶进速度，根据泥水仓压力动态调整出土量。

2)控制泥水仓内泥水压力

计算泥水仓压力为0.7kg，考虑到顶管穿越①31层江滩土砂性较大，泥水仓压力控制在0.9kg左右。

3)控制刀盘电流，预防土体有障碍物

外马路地下情况复杂，存在地下障碍物，特别在曲线位置严格监控电流变化，一旦出现异常，立即进行清障[1]，减少停留时间，减小障碍物对曲线段顶管的影响。

出泥量的控制与顶力、泥浆舱内泥水压力和顶进速度密切相关。顶力大，大刀盘正面土压力随之增加，出泥量也会增加，反之则减少。顶进速度快，单位时间内大刀盘切削的土体也相应增加，泥浆舱内的泥水压力随之增大，出泥量必须增大才能以此降低舱内的泥水压力。该掘进机的出泥速度和推进速度由正面土压力来控制。通过调节后座油缸或中继环的顶推力保持刀盘切削面土压力的平衡，根据机头处地下水压力和出泥量控制泥浆舱压力，同时需根据监测情况，调整好施工参数，防止因超挖或欠挖而导致地面的沉降或隆起[5]。

3.6 泥浆系统控制

小曲率顶管压浆对控制顶管的线型极为重要，压浆的主要作用[6]有三个：①悬浮承托管节，②支撑土体，③减阻润滑。由于工具头略大于管节段外径，穿越土体后产生的空隙需要泥浆来填充，使管节悬浮在泥浆液中，起到支撑土体及润滑减阻作用。为有效的控制注浆量及注浆压力，减少人为操作的影响，减小因注浆对土体的扰动，本工程采用自动注浆系统。压降系统浆液钠基膨润土采用重量比1:10，比重1.05，粘度放置30分钟后为25s，泥浆压力初始控制在0.1~0.2MPa，后续控制在0.2~0.4MPa，同步每节管节注浆量控制在0.7m3。

机头后5节管均设置泥浆环，其后管段部分在顶进时同时补浆。其后每3管节设一道注浆环，补浆孔环形布置，每环4个压浆孔，每个压浆孔之间呈90度，每道补浆环有独立的阀门控制，需要时进行压浆控制。

工作井外用压浆箱储存润滑泥浆。管内压浆管路配置2路2寸管，1路分别与各压浆环连接，1路单独向头部泥浆箱输送浆液。机头后300m处设置一个泥浆中继站，泥浆站系统由两只泥浆箱和一台BW160压浆泵组成。

全自动注浆系统，有效的控制注浆量及注浆压力，减小因注浆对土体的扰动，实现控制周边环境沉降的目的，根据工程实际施工情况：最终每节管节注浆量、注浆次数、注浆压力在设定参数范围内，沉降控制效果明显。

3.7 纠偏措施

1）控制纠偏油缸的行程

机头姿态纠偏油缸拉伸长度不超过2.5cm，纠偏油缸拉伸超过2.5cm须讨论后实施，控制轴线偏差，机头姿态轴线偏差≤±5cm。

2)防止张口过大的措施

（1）对每节管节编号，通过顶管计算找出曲线段最不利的区域，该区域主要在所启用中继间的附近，即对该区域的管节进行持续测量张缝（固定位置），及时掌握张缝的变化情况及变化趋势；

（2）通过自动压浆系统强化触变泥浆系统的作用，做到同步注浆到位，跟踪注浆及时；

（3）在纠偏作业中，尽可能的降低调整幅度，做到勤纠、小纠；

（4）曲线段纠偏为减小管节并拢引起张缝减小，机头后3节管节张缝填板。

3)纠偏角度偏大处理

（1）因轴线顶进中纠偏引起的油缸角度过大，检查机头后管节张缝是否闭合，如有闭合现象，利用支撑油缸把管节撑开到设计开口值，并填板处理。

（2）如机头后管节张缝一切正常，需要进行强制纠偏时，注意机头后管节周边张缝、顶进速度、测量数据和左右油缸变化。

3.8 曲线进洞

考虑到顶管最小曲率半径380m，顶管末段路由位置面临“曲线进洞”的问题，在进入最后小曲率段之前调整好顶管及其后续管节姿态，做好顶管中继间开环准备，对全线轴线进行复测，结合前两段曲线顶管纠偏路由的经验参数，模拟曲线段管节参数和进洞前的措施，预留一定路径偏差幅度，降低顶进速度，减到10mm/min以内，前20m顶管进入曲线段时再次进行线性复测，必要时进行中继间开环，当前40m顶管进入曲线段时，逐步拉紧管线之间限位拉结，此时顶管曲线线型基本形成，同时做好外侧同步注浆，做好管节之间的张缝监测。在进洞前30m的距离位置再次对轴线进行全线复测，顶进速度再次降低至10mm/min以内，调整姿态准备进洞。

4 实施效果

通过上述措施的有效实施，保证了本工程顶管的顺利实施，有效地控制了复杂小曲率顶管的线型，对周边环境及管线影响减小到最低，轴线偏差满足设计及规范要求，如表2和表3：

表2 周边环境及管线沉降

表3 顶管轴线偏差

5 结束语

本文对“S”形曲线顶管施工进行了阐述，通过实际合理的施工技术措施，顺利完成了该“S”形曲线顶管工程，依照第三方监测测情况，特别是老码头1号-5号库等周边老旧建筑和管线沉降值在设计允许范围内，充分说明了以上针对小曲率顶管的控制措施可行。为今后类似工程施工提供了参考经验。

同时施工过程中对障碍物的清障处理存在不足，后续还需加强顶管清障的研究。

参考文献：

[1]豆向伟.全程全断面在障碍物下进行顶管的施工技术[J].建筑施工.2016(09):1304-1305.

[2]伊易.长距离顶管管道失稳分析[J].建筑施工.1998(02):18-19.

[3]吴艳辉.长距离顶管施工轴线控制与纠偏技术应用[J].江苏建筑.2020(04):75-76.

[4]毛海明,张海锋,徐玉夏.中继环联动系统在超长距离曲线顶管中的施工应用[J].江苏建筑.2014,36(01):80-81.

[5]周民强.顶管施工技术[J].甘肃水利水电技术,2005(1):86.

[6]陈思明.曲线顶管施工在市政给排水工程中的应用价值分析[J].四川水泥.2021.(09):77-78.