汕头市自来水总公司 广东汕头 515000
摘要：本文结合工程实例，对小口径超长距离顶管施工的特点和难点进行了分析，详细介绍了顶管施工的方法，并指出了顶管施工中容易出现的问题，提出了相关应对措施，旨在为其他工程顶管施工提供参考借鉴。
关键词：顶管；施工技术；问题；应对措施
0 引言
随着我国国民经济的快速发展，各种建设工程的密度不断增加，顶管施工技术作为一种省时、高效、安全、综合造价低的施工技术，其应用也日益增加。顶管施工是在盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它能穿越公路、铁路、桥梁、高山、河流、海峡和地面任何建筑物，且不需要在地面上开挖，不破坏地表结构物。本文对小口径超长距离顶管施工技术进行了介绍。
1 工程概况
某大型煤电一体化电厂顶管采用φ1400×20mm、φ1400×24mm两种规格的钢管，管道中心标高为10.50～11.50m（河流标高为23.2m）。顶管与河流交叉处埋深为2m左右；其他区域埋深11～16m。
根据钻孔所揭露的地层特征、埋藏条件及物理力学性质指标，同时结合静力触探试验成果，在勘探深度范围内将场地地基土划分为8个主要工程地质层，其中顶管穿越的②、③1、③2土层情况如下：
②粉土：灰黄～黄褐色，很湿，稍密，夹粉质粘土、粉砂，含氧化铁、云母。层顶埋深3.30m（平均值，以下同），层厚6.34m。沿引水管线分布。
③1淤泥质粘土：深灰色，很湿～湿，软塑～可塑，夹粉土薄层，单层厚度5～10cm，局部夹粉细砂。该层局部相变为粉质粘土与粉土互层状或相变为粉土夹粉质粘土。层顶埋深10.04m，层厚5.00m。局部分布。
③2粉质粘土：深灰、灰绿、灰黄～黄褐色，湿，可塑，夹粉土薄层，局部夹粉细砂及硬砂层。层顶埋深9.25m，层厚7.25m。局部分布。
2 工程特点及难点
（1）顶管管径过小。在顶管施工中，顶管管径过小一直是顶管施工的难点。除了进泥管、排泥管、通风管及供电电缆、照明等所占的空间外，φ1400的钢管内部仅为1m左右，不可能设置轨道，因此，所有交通、运输都是靠人力，在这种条件下施工难度很大，特别是在顶进距离超过600m之后，人员徒手进出都非常困难，携带材料设备的难度更大。
（2）一次顶进距离长。目前国内对于φ1400管道一次顶进距离最大为760m。本工程一次顶进距离长达1125m，这是小口径进人顶管施工的一个突破。这对主顶推力和后靠结构要求很高，系统很难满足要求，如何合理设置中继环和接力注浆系统极为重要，一旦设置不当，极易导致顶管失败。
（3）管道长细比过大，顶进时管道稳定性差。顶管的轴线控制和纠偏工作难度大。
（4）测量控制难度大。目前激光测量仪器有效发射距离只有500m，500m以上顶进只能依靠测量人员到φ1400的管内转站测量，增加了测量难度和纠偏难度，影响顶进速度。
（5）地质情况复杂。根据地质勘查提供报告，顶管在河流大堤及河滩下穿越③2层和③1层土，此类土层具有高压缩性，两个土层存在渗透性和固结速率的差异；另外，在顶管路径上，还存在硬砂层、古窑迹、姜结石等复杂土层。
（6）顶管斜向穿越河流的一条支流，穿越处覆土厚度仅2m，如果采取措施不当，极易造成顶管头部上浮，甚至穿透顶部，造成事故。
3 顶管施工方法
3.1 掘进机械及中继环的选择、设置
根据相关工程的施工经验，结合复杂的地质状况，确定顶管掘进机选型为φ1200遥控式泥水平衡顶管掘进机头。泥水平衡式顶管机是以在机械掘削式顶管前部的刀盘附近安装隔板，形成泥水压力仓，将加压的泥水送入泥水压力仓，来保证开挖面的稳定，同时将旋转刀盘切削下来的泥砂以泥水形式输送到地面为特征的顶管工法。φ1200遥控式泥水平衡顶管掘进机，前方筒由两段组成，后方筒为设备动力与控制段，总长度4.5m，其后为两节活络管，管段与管段，管段与顶管机尾部均采用高强螺栓连接。操纵系统由可编程序控制，在地面控制台遥控操纵。该机型对稳定土体、控制地表隆沉量以及对恶劣地质条件有较好效果。
顶管主顶系统由4根推力为2000kN、行程为3.5m的双级等推力油缸与可调速的液压泵站组成。由于本工程一次顶进距离长达1125m，仅靠主顶装置是无法完成顶进工作的，拟采用中继环进行接力顶进。根据工程地质情况，经初步测算，共需设置6只中继环。根据类似工程的经验，一般靠近顶管机的中继环启动难度及不确定性最大，因此6只中继环设置间距逐渐变大，分别位于顶管机尾部后30m、180m、360m、540m、720m、900m处，中继环采用500kN油缸10只，总顶力为5000kN。顶力计算、分析及校核过程如下：
（1）顶管机摩阻力及全管阻力计算。
顶管机正面摩阻力计算见式（1）：
Ff＝π（D2/4）f1 （1）
式中Ff——顶管机正面摩阻力，kN；
D——顶管机外径，本工程取1.448m；
f1——顶管机正面与土层摩阻力，本工程取500kN/m2。
则Ff＝π（D2/4）f1＝3.14×（1.4482/4）×500＝822.96（kN）。
顶管机管外壁摩阻力计算见式（2）：
Fh＝LhDπf2 （2）
式中Fh——顶管机外壁与土层摩阻力，kN；
Lh——顶管机长度，本工程取4.5m；
f2——顶管机外壁与土层摩阻力，粉质粘土15～25kN/m2，本工程取20kN/m2。
则Fh＝LhDπf2＝4.5×1.448×3.14×20＝409.20（kN）。
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钢管外壁采用触变泥浆减阻后与土层摩阻力计算见式（3）：
Fo＝LoDπf3 （3）
式中Fo——钢管外壁与土层摩阻力，kN；
Lo——钢管长度，本工程取1125m；
f3——钢管外壁采用注触变泥浆后与土层摩阻力，本工程取6kN/m2。
则Fo＝LoDπf3＝1125×1.448×3.14×6＝30690.36（kN）。
钢管外壁与土层间总阻力计算见式（4）：
Ft＝Ff＋Fh＋Fo （4）
式中Ft——钢管外壁与土层间总阻力，kN。
则Ft＝822.96＋409.20＋30690.36＝31922.52（kN）。
（2）中继环顶力计算（F1～F6分别为＃1～＃6中继环的顶力）。
＃1中继环设置在顶管机后30m，由式（3）可得：F1＝30×1.448×3.14×6＝818.41（kN）。
＃2中继环设置在＃1中继环后150m，由式（3）可得：F2＝150×1.448×3.14×6＝4092.05（kN）。
＃3～＃6中继环间隔180m依次设置，由式（3）可得：F3（F4、F5、F6）＝180×1.448×3.14×6＝4910.46（kN）。
（3）顶力情况分析。
第一个中继环启动时，总阻力（包括头部阻力）为：822.96＋409.20＋818.41＝2050.57（kN）＜5000kN，满足要求。
＃2～＃6中继环阻力F2～F6均小于5000kN，满足要求。
＃6中继环后尚余225m钢管，需顶力6138.07kN，此顶力由后座主顶油泵8000kN承担，满足要求。
设备总顶力为200×4＋5000×6＝38000（kN）＞Ft＝31922.52kN。
经以上计算分析，总体设计方案合理、可行。
3.2 触变泥浆系统的选择
使用触变泥浆是长距离顶管减少摩擦力的重要技术措施。合理使用触变泥浆，还可以保持土体稳定，减少地面沉降等作用。本工程采用机头压浆和全管段补浆相结合的方式，边顶进边压浆，顶进和压浆同时进行。在机头尾部环向均匀地布置了4只压浆孔，顶进时及时进行压浆。机头后的3节钢管管节上均设置压浆孔，以后每隔2个管节设置1个压浆孔。管节上环向设4只压浆孔，呈90o交叉布置。压浆总管用φ50镀锌管，除机头及随后的3节钢管节外，压浆总管上每隔6m装1只三通，再用压浆软管接至压浆孔处，压浆孔内设装单向阀，以避免注浆孔堵塞。压浆配比（质量比）为膨润土：CMC：纯碱：水＝400：2.5：6：850。
4 施工易出现的问题及应对措施
长距离顶管要解决的最大问题是克服顶进过程中的阻力问题，而顶力控制的关键是轴线、注浆系统及停顿时间的控制。另外，应详细了解顶管路径上的地质情况，并制订可靠的应对措施。
4.1 轴线控制
施工误差引起的管道轴线弯曲是影响土体与管壁产生摩阻力大小的主要因素，管道轴线弯曲，可使摩阻力成倍增长。施工时应严格控制轴线波动的幅度，纠编时应控制轴线平滑过渡，尤其要控制好出洞后的前100m的轴线，坚持“勤测、勤纠”的原则。施工过程中，即时掌握机头的趋势对纠偏十分有利。可以通过顶进趋势测定装置来指导纠偏。施工过程应确保出泥量和顶进速度相匹配，也就是泥水平衡要控制好，这样对顶力和轴线控制都有利。
4.2 注浆系统的控制
顶进时，机头尾部的压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套。补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况确定。
由于顶进距离长，一次压浆无法到位，需要接力输送，因此在管道内共设置3只压浆接力站，分别负责机头至200m、200m至600m及600m以后压浆，井上设置一套高扬程压浆泵负责向管内蓄浆池送浆，压浆时注意观察和控制浆泵的压力。减摩泥浆采用触变泥浆，该泥浆性能稳定，具有良好的触变性，又有一定的稠度。施工中，泥浆应保持不失水，不沉淀，不固结。其配比应根据穿越土层的不同作出相应的调整，使泥浆适应不同的土质特性，起到预期的减摩效果。为了减少摩阻力和填充管外壁的间隙，压浆必须坚持“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则。
压浆时，储浆池内的触变泥浆由地面的压浆泵通过管路压送至管道内的压浆总管，并达到各压浆孔的软管内，只要压浆孔处的球阀打开，即可向管壁外压浆。
4.3 停顿时间的控制
顶管长度超过800m之后，管壁摩阻力、顶进的方向控制都非常困难。如果顶管机停顿，则恢复顶进时的阻力大幅增加，停顿时间超过12h，则阻力几乎增加一半以上，所以要严格控制停顿时间。施工中可以通过加强对设备的维修保养及改进测量方法等措施，减少设备故障及测量时间，避免顶进长时间停顿。
4.4 针对特殊土层采取的措施
根据勘测资料，顶管局部地段为硬砂层，为了降低顶管阻力，在顶管穿越该土层时，采取35MPa高压水旋喷的方式，来破坏轴线上、下60cm范围内砂层以降低阻力。
在顶管机进入237.6m处硬砂层时，顶进压力升至25MPa，电流达32kW，排出泥浆主要为粉细砂和少量粘土，这时开始采取旋喷措施，但旋喷后顶进压力反而升至35～40MPa，电流达到35kW，顶力达到极限。后经研究分析，主要是旋喷过早，顶管不能及时跟随顶进，旋喷打碎的砂层重新沉积，阻力反而加大。于是调整方案，采取旋喷与注浆同步实施，严格控制旋喷与顶管头部的距离和旋喷时间，经过调整，顶力降至正常范围内，顺利穿过约46m的硬砂层，取得了预期的效果。
4.5 顶管穿越河流（薄覆盖层）时的控制
在达到河流之前，顶管要从一条河流下方穿过，该条河河底标高仅比顶管顶高出2m，不满足规范要求，容易引起顶管“抬头”，在施工中采取两项措施，一是在顶管上方的河床上采取抛石和抛砂袋的预压措施，将顶管上方的覆盖层厚度增加到3.5m，另外，在顶进到河底时，在垂直方向增加一个向下的俯角，俯角角度经过详细的计算，并进行严格控制。上述措施采取后，顶管顺利穿过河底，未出现异常情况。
5 结语
综上所述，顶管施工技术作为一种管道敷设的施工方法，具有经济、高效、环保、不开挖地面、对地面建筑物无影响等优点，在各项建设项目施工中得到广泛的应用。在顶管施工中，要结合工程的实际情况，合理应用施工技术，做好施工质量控制工作，同时针对容易出现的问题，采取有效的措施进行处理，从而确保顶管施工的质量和顺利安全施工。
参考文献：
[1] 张建波.市政给排水施工中长距离顶管施工技术研究[J].科技展望.2016（14）
[2] 宋胜录.小口径急曲率半径钢顶管的施工控制[J].建筑施工.2014（11）
论文作者:邱诗捷
论文发表刊物:《基层建设》2016年17期
论文发表时间:2016/11/15
标签：顶管论文; 阻力论文; 土层论文; 泥浆论文; 轴线论文; 工程论文; 泥水论文; 《基层建设》2016年17期论文;