超大口徑鋼頂管施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

匡志文

上海上咨建設(shè)工程咨詢有限公司 上海 200003

摘要：以上海市黃浦江上游水源地連通管工程中的超大口徑鋼頂管施工為例，闡述了超大口徑鋼頂管施工的機(jī)械設(shè)備和一般流程。重點(diǎn)介紹了管節(jié)焊接、減阻泥漿應(yīng)用、中繼間接力頂進(jìn)、軸線測(cè)量與糾偏等關(guān)鍵技術(shù)，為類似工程施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：超大口徑鋼頂管；減阻泥漿；中繼間；軸線糾偏；關(guān)鍵技術(shù)

Research and Application of Key Technology of Super Large Diameter Steel Pipe Jacking Construction

KUANG Zhiwen
Shanghai Sicc Constrution Engineering Consulting Co., Ltd., Shanghai 200003, China

中圖分類號(hào)：TU990.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-1001(2018)01-0109-03

DOI：10.14144/j.cnki.jzsg.2018.01.038

1 工程概況

上海黃浦江上游水源地連通管工程C3標(biāo)段共有8座頂管井及9個(gè)頂進(jìn)區(qū)間，采用DN4 000 mm鋼管。

本工程場(chǎng)地地形稍有起伏，地面標(biāo)高為＋2.18～＋4.34 m。頂進(jìn)施工斷面所經(jīng)過的土層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、黏土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土等。頂管施工將先后穿越泖口河、南大港、環(huán)橋港、東塘港、青松港、中心河等河道及水閘。本工程場(chǎng)地內(nèi)，局部區(qū)域有承壓水。

2 頂進(jìn)施工的機(jī)械設(shè)備

結(jié)合本標(biāo)段頂管所穿越的土層條件和沿線建（構(gòu)）筑物的情況，我們選用了先進(jìn)的大刀盤土壓平衡式工具管。本工程的主頂裝置由8只2 000 kN雙沖程等推力油缸組成，行程3 500 mm，總推力16 000 kN。8只雙沖程油缸組裝在油缸架內(nèi)。主頂裝置的液壓動(dòng)力站有2臺(tái)大流量斜軸式軸向柱塞泵，采用大通徑的電磁閥和系統(tǒng)管路，可以減小系統(tǒng)阻尼。8只油缸可以單動(dòng)，亦可聯(lián)動(dòng)。主頂系統(tǒng)由PLC可編程序計(jì)算器控制，并采用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)流量的無級(jí)調(diào)速。根據(jù)推力估算，本工程共有6個(gè)頂程需要設(shè)置中繼間。

3 頂進(jìn)施工流程

3.1 洞口土體加固和洞口止水裝置

1）本工程頂管進(jìn)、出洞口均采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁加固土體。進(jìn)、出洞口的土體加固范圍為：以頂進(jìn)軸線為基準(zhǔn)，上下各3 m，左右各3 m，長度為4 m。

2）本工程管徑大，頂進(jìn)距離較長，傳統(tǒng)的橡膠“抹套”已不能滿足洞口止水要求。根據(jù)工程特點(diǎn)，結(jié)合以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)，決定采用鋼法蘭盤根止水裝置（圖1）。

圖1 洞口止水裝置

3.2 工具管出洞及試頂進(jìn)

1）在工具管出洞前，先通過打觀測(cè)孔對(duì)洞口外的土體加固效果進(jìn)行檢測(cè)，在確認(rèn)土體達(dá)到預(yù)期的止水效果和強(qiáng)度后，才能進(jìn)行工具管的出洞施工。

2）將工具管出洞后的前50 m頂進(jìn)作為頂進(jìn)試驗(yàn)段。設(shè)置頂進(jìn)試驗(yàn)段的目的是盡早熟悉工具管的操作方法、掌握工具管各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制方法；熟練掌握減阻泥漿的工藝流程和合理的壓漿量；監(jiān)測(cè)頂進(jìn)軸線沿線的地面沉降情況，并據(jù)此分析不同土層中各種推進(jìn)參數(shù)的設(shè)定規(guī)律，減少施工對(duì)周邊環(huán)境和頂進(jìn)軸線沿線的建（構(gòu)）筑物的影響；熟練掌握拼接鋼管節(jié)的方法，提高焊接的質(zhì)量和速度等[1-2]。

3.3 正常頂進(jìn)施工

工具管出洞階段結(jié)束后，即可進(jìn)入正常的頂進(jìn)施工。在頂進(jìn)過程中，要經(jīng)常對(duì)頂進(jìn)的管道軸線進(jìn)行測(cè)量，一般情況下，每頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)測(cè)量1次，有特殊要求的可以增加測(cè)量的頻次。每次測(cè)量的結(jié)果要及時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)施工的管理人員，用來指導(dǎo)頂進(jìn)施工。

3.4 進(jìn)洞施工

工具管接近接收井時(shí)，根據(jù)貫通測(cè)量的結(jié)果，在洞口封門中心位置鑿出一個(gè)φ10 cm左右的圓洞，查看外部土質(zhì)情況，并確定好大刀盤的中心位置。做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作后，頂進(jìn)工具管平穩(wěn)、快速地進(jìn)洞。進(jìn)洞后，及時(shí)將工具管吊離，并按要求對(duì)接收井的洞口進(jìn)行處理。

4 頂進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鋼管焊接施工

4.1.1 鋼管節(jié)

本工程頂管采用鋼管，直徑為DN4 000 mm，管節(jié)長度為6.0 m。管節(jié)由制管廠生產(chǎn)，管節(jié)的外防腐也是在廠內(nèi)施工的。經(jīng)駐廠監(jiān)理驗(yàn)收合格后再運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)。

由于管節(jié)“體形大”，質(zhì)量大，故在施工現(xiàn)場(chǎng)只能單層堆放，管節(jié)堆放時(shí)底部要放置托座，以確保管節(jié)的穩(wěn)定和安全。

本工程的管節(jié)坡口采用單邊“V”形40°坡口，上半圓180°為外開口“V”形坡口，下半圓180°為內(nèi)開口“V”形坡口（圖2）。

圖2 鋼管節(jié)的坡口

4.1.2 鋼管焊接

當(dāng)一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，縮回主頂千斤頂，斷開各種管路和線路，然后吊放下一節(jié)管節(jié)。利用主頂千斤頂和一些輔助措施，將吊放的管節(jié)和前一節(jié)對(duì)接拼裝好，拼裝好的管節(jié)用點(diǎn)焊固定，然后便可進(jìn)行焊接工作。焊接時(shí)將整條焊縫分為4段，由4個(gè)電焊工同時(shí)作業(yè)。焊接完成后，及時(shí)清除焊渣和金屬飛濺物。

4.1.3 檢測(cè)和防腐

1）管節(jié)焊接完成后，先進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，具體要求：焊縫和熱影響區(qū)表面不得有裂紋、氣孔、斷弧、弧坑和灰渣等缺陷；表面要光順、均勻，焊道與母體應(yīng)平穩(wěn)過渡；相鄰管節(jié)錯(cuò)位不大于2 mm，無未焊滿現(xiàn)象。

2）外觀質(zhì)量檢查合格后，在焊縫附近打上焊工代號(hào)，再對(duì)焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)。超聲波檢測(cè)合格的，進(jìn)入下一道工序；超聲波檢測(cè)不合格的，要對(duì)不合格的焊縫進(jìn)行返工，返工完成后再對(duì)返工部分進(jìn)行超聲波檢測(cè)，直到合格。

3）焊縫檢測(cè)合格后，施工管節(jié)接頭處的防腐層。防腐涂料要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配合比調(diào)制，分層涂刷，寬度要和前后管節(jié)的防腐層搭接，厚度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 減阻泥漿的運(yùn)用

4.2.1 注漿孔的布置

經(jīng)過理論計(jì)算并結(jié)合同類工程的經(jīng)驗(yàn)，本工程的注漿孔布置方法是：每個(gè)注漿斷面布置6個(gè)注漿孔，環(huán)向均勻布置（圖3），注漿孔在制管廠家開設(shè)。為保證能夠形成良好的泥漿套，在工具管后的3節(jié)鋼管中每一節(jié)都布置6只注漿孔，后續(xù)管節(jié)中每2節(jié)鋼管布置1組（6只）注漿孔，即后續(xù)管節(jié)中注漿孔的縱向間距為12 m。

圖3 注漿孔布置

為了保證補(bǔ)壓漿的效果，在每個(gè)中繼間處也均勻布置了6個(gè)注漿孔。

4.2.2 注漿量

本工程工具管外徑為4 100 mm，鋼管外徑為4 080 mm，單邊空隙10 mm，管節(jié)長度6.0 m。正常情況下，注漿量可按下式估算：

其中，倍率的取值和管徑、地質(zhì)條件、管節(jié)外壁和土層之間的間隙等有關(guān)。本工程的倍率取400%，則單節(jié)管節(jié)的注漿量為：V=3.14×(2.052－2.042)×6×400%=3.08 m3。

注漿量主要由跟蹤注漿和補(bǔ)壓漿這2部分組成。跟蹤注漿是指在頂進(jìn)時(shí)，利用工具管尾部的注漿孔向管道外壁壓注減阻泥漿，及時(shí)填充管節(jié)外壁和土層之間的空隙，形成完整的泥漿環(huán)套。泥漿環(huán)套既能減少管節(jié)外壁和土層之間的摩阻力，又能對(duì)周邊的土層起到支承作用。隨著頂進(jìn)距離的增加，泥漿環(huán)套中的泥漿會(huì)流失，因此要通過布置在管道中的注漿孔進(jìn)行補(bǔ)壓漿，向泥漿套補(bǔ)充減阻泥漿，使其保持良好的減阻和支承作用。為了控制頂進(jìn)軸線沿線的地面沉降或者保護(hù)頂進(jìn)影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物，在頂進(jìn)施工期間，應(yīng)經(jīng)常在管道內(nèi)對(duì)管道沿線進(jìn)行補(bǔ)壓漿，并在建（構(gòu)）筑物下方進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)壓漿[3-4]。

4.2.3 減阻泥漿的配合比

在綜合考慮本工程的地質(zhì)條件、所使用的膨潤土的特性并結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定本工程的泥漿配比。

在頂進(jìn)過程中，根據(jù)頂進(jìn)斷面的土質(zhì)變化和頂進(jìn)施工的具體情況，可以對(duì)泥漿配合比進(jìn)行合理的調(diào)整，以更好地滿足頂進(jìn)施工的要求。

4.2.4 減阻泥漿的效果

在頂進(jìn)施工過程中，施工人員根據(jù)頂進(jìn)斷面的土層變化及時(shí)調(diào)整泥漿的配合比，并嚴(yán)格按照壓漿的操作規(guī)程進(jìn)行跟蹤壓漿和補(bǔ)壓漿，達(dá)到超預(yù)期的效果。以本工程JB11—JB12頂進(jìn)區(qū)間為例，減阻泥漿的效果論述如下：

1）減阻的效果。JB11—JB12頂進(jìn)區(qū)間長424.64 m，布置1個(gè)中繼間。在實(shí)際頂進(jìn)時(shí)，由于頂力控制得很好，故沒有采用中繼間接力頂進(jìn)。根據(jù)頂進(jìn)時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可繪制出該頂進(jìn)區(qū)間的頂力（摩阻力）與頂進(jìn)距離的曲線（圖4）。通過圖4可以看出，在出洞階段，由于不能建立起完整的泥漿環(huán)套，故頂力較大且隨頂進(jìn)距離的增加上升也很快，此時(shí)，摩阻力也很大。隨著頂進(jìn)距離的增加（頂進(jìn)50 m后），管道外建立起了完整的泥漿環(huán)套，頂力開始下降并趨于穩(wěn)定，在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，摩阻力也快速下降并趨于穩(wěn)定，波動(dòng)很小。由此可見，本工程減阻泥漿的減阻效果非常明顯。

圖4 頂力與頂進(jìn)距離曲線

2）控制地面沉降的效果。根據(jù)本頂進(jìn)區(qū)間的竣工測(cè)量資料，可繪制出頂進(jìn)軸線沿線的地面沉降曲線。經(jīng)分析，本頂進(jìn)區(qū)間的地面沉降控制得非常好。沿線最大的沉降量只有9.9 mm，遠(yuǎn)小于允許的沉降量，這對(duì)沿線的建（構(gòu)）筑物的保護(hù)也是十分有利的。

3）保護(hù)建（構(gòu)）筑物的效果。本區(qū)間的頂進(jìn)要先后穿越青松港和中心河2條河道，頂進(jìn)期間要對(duì)河道的堤岸、擋墻和外側(cè)平臺(tái)等的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并要根據(jù)沉降情況制訂相應(yīng)的措施，確保它們的安全。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，工具管從出洞到接近測(cè)點(diǎn)下方土體的這一過程中，平臺(tái)的沉降量變化很小，工具管穿過此點(diǎn)后，沉降量快速增加。通過采取跟蹤壓漿和定點(diǎn)補(bǔ)壓漿的措施，有效地減小了沉降的速率和總沉降量。頂進(jìn)至80 m時(shí)，平臺(tái)的沉降速率開始減小，至100 m之后，沉降量緩慢增加，并漸趨穩(wěn)定。在整個(gè)施工期間，該平臺(tái)的沉降量始終控制在允許值的范圍內(nèi)，頂管沿線建（構(gòu)）筑物和地下管線的沉降也都控制在允許的范圍內(nèi)。

4.3 中繼間接力頂進(jìn)

本工程使用的中繼間采用二段一鉸可伸縮的套筒承插式鋼結(jié)構(gòu)件，由前體、后體、千斤頂、動(dòng)力油泵站、止水密封圈5個(gè)部分組成。每個(gè)中繼間有20只千斤頂，每只千斤頂?shù)闹睆綖?60 mm，行程為300 mm，推力為80 kN。中繼間采用計(jì)算機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，在特殊情況下，也可以用手動(dòng)方式控制中繼間的運(yùn)行。

4.3.1 中繼間頂進(jìn)程序

中繼間的頂進(jìn)程序是從工具管向后按順序一次將每段管節(jié)向前頂進(jìn)。一個(gè)中繼間頂進(jìn)時(shí)，其他中繼間應(yīng)保持不動(dòng)，當(dāng)所有中繼間依次完成頂進(jìn)后，由主頂完成最后的頂進(jìn)作業(yè)。

一個(gè)頂程有多個(gè)中繼間時(shí)，為了提高頂進(jìn)效率，采用中繼間編組的方式運(yùn)行，比如某一個(gè)頂程中放置了3個(gè)中繼間，則頂進(jìn)次序?yàn)椋?#中繼間頂進(jìn)→2#中繼間頂進(jìn)→3#中繼間頂進(jìn)→主頂頂進(jìn)，依此循環(huán)。

為保證施工安全，在每個(gè)中繼間的位置，各種管路要采用柔性接頭過渡；各種線路要留有足夠的伸長余量。

4.3.2 中繼間的處理

頂進(jìn)施工結(jié)束后，通過對(duì)中繼間的處理，使其成為管道的一部分，具體的處理步驟如下：頂進(jìn)結(jié)束，整條管道定位后，對(duì)中繼間前后管道壓注雙液漿，防止外側(cè)泥漿通過中繼間滲漏進(jìn)來；壓漿完成后，從第1個(gè)中繼間開始，依次拆除各中繼間的千斤頂和附屬結(jié)構(gòu)件；封堵中繼間處的注漿孔；割除多余中繼間筋板，保留與鋼管內(nèi)壁緊貼的一圈環(huán)向鋼板，端部鋼板割除后進(jìn)行焊接；對(duì)焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢查、檢測(cè)；施工內(nèi)防腐。

4.4 軸線測(cè)量和糾偏

4.4.1 軸線測(cè)量的方法

本工程使用的測(cè)量儀器和設(shè)備主要有全站儀、水準(zhǔn)儀、光靶測(cè)量板等。

設(shè)置在管道內(nèi)的接收激光束的光靶傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成了頂進(jìn)姿態(tài)測(cè)量的控制系統(tǒng)，用來測(cè)量安裝在工具管切削艙上的測(cè)量板的垂直和水平位移、激光入射水平角以及工具管切削艙仰角和滾動(dòng)角。操作人員通過遠(yuǎn)距離攝像監(jiān)控及微機(jī)系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果（工具管的軸線偏差）顯示在操作室的屏幕上，頂進(jìn)施工人員可以據(jù)此對(duì)工具管進(jìn)行糾偏。工具管出洞前，先測(cè)出安裝在工具管切削艙上的測(cè)量板的仰角、滾動(dòng)角、水平角這3個(gè)數(shù)據(jù)，再測(cè)出激光基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)于工具管的位置，將上述測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算程序，作為工具管初始位置的參數(shù)。

在實(shí)踐中，還采用了測(cè)工具管“趨勢(shì)”的方法。激光束發(fā)射到測(cè)量板上后，測(cè)出光點(diǎn)在測(cè)量板上的位置，計(jì)算出工具管軸線與激光束軸線的關(guān)系、工具管的仰角和滾動(dòng)角，控制系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出測(cè)量板對(duì)應(yīng)的頂管軸線與頂管設(shè)計(jì)軸線的偏差值。通過工具管實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線夾角，可以預(yù)測(cè)出工具管切削艙的偏差趨勢(shì)。通過這些顯示在頂管機(jī)操作屏上的數(shù)據(jù)，施工人員可以及時(shí)調(diào)整工具管的頂進(jìn)方向，將軸線偏差控制在合理的范圍內(nèi)。

4.4.2 軸線糾偏

頂進(jìn)軸線的糾偏主要是通過工具管尾部的糾偏系統(tǒng)進(jìn)行的，方法是通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，改變工具管的姿態(tài)，使頂進(jìn)軸線逐步向設(shè)計(jì)軸線靠攏，達(dá)到糾偏的目的。例如，當(dāng)頂進(jìn)軸線向左的偏移值達(dá)到或超過允許值時(shí)，即可將糾偏系統(tǒng)左側(cè)的千斤頂伸出一定的量（根據(jù)糾偏量的大小確定），然后鎖定糾偏系統(tǒng)，通過一段距離的頂進(jìn)，軸線會(huì)逐漸向設(shè)計(jì)軸線靠近。在進(jìn)行軸線糾偏時(shí)，還可以結(jié)合工具管的姿態(tài)進(jìn)行。根據(jù)工具管姿態(tài)的變化，可以確定頂進(jìn)軸線大致的發(fā)展趨勢(shì)，從而提前對(duì)軸線進(jìn)行微量糾偏，這種方法的好處是糾偏緩和、軸線平滑。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)竣工測(cè)量及第三方監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，本項(xiàng)目的管道軸線誤差均小于3 cm，遠(yuǎn)小于允許值[5-7]。

4.4.3 工具管旋轉(zhuǎn)糾偏

工具管的刀盤在切削正面的土體時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭矩，這會(huì)導(dǎo)致工具管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。由于刀盤正反轉(zhuǎn)均可以出土，故通過控制工具管刀盤的正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)的交替使用，就可以糾正工具管的旋轉(zhuǎn)。工具管旋轉(zhuǎn)角度較大時(shí)，可能會(huì)對(duì)相關(guān)的設(shè)備和機(jī)械的運(yùn)行造成不利影響，因此在本工程中設(shè)定了工具管的允許旋轉(zhuǎn)角度≤1.5°，當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到1.5°時(shí)，工具管的自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提示操作人員切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。

5 結(jié)語

通過本工程的實(shí)踐，我們成功地實(shí)施了超大口徑鋼頂管施工中的管節(jié)焊接、減阻泥漿應(yīng)用、中繼間接力頂進(jìn)、軸線測(cè)量與糾偏等關(guān)鍵技術(shù)。

這些關(guān)鍵技術(shù)既可供類似工程借鑒，也為更大口徑、更長距離的鋼管頂進(jìn)施工做了技術(shù)準(zhǔn)備，并積累了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。

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