蔡文彪

（上海公路桥梁（集体）有限公司，上海市 200433）

0 引言

为了减少在软土地区大开挖时对邻近建筑、管线和道路交通的影响，往往采用顶管法施工。顶管法施工从过去的简单化、单一性发展到现在的专业化、多样性。顶管掘进机也从敞开式机械化程度低的手掘式、网格挤压式发展到封闭式、机械化程度高的土压平衡式、气压平衡式和泥水平衡式[1]。目前，长距离、大口径、小曲线顶管施工技术正得到不断应用和发展。曲线顶管形状也由平曲线、竖曲线，发展到水平与竖向兼而有之的空间曲线。曲线顶管技术在日本和欧美国家早已开始使用，并有了一些成功经验[2]。日本的曲线顶管技术开始于1965年熊本市直径1 200mm下水道的施工，并取得了成功，20世纪80年代开始广泛应用。法国曾成功完成曲率半径为200m，M型曲线的钢筋混凝土顶管施工。我国在20世纪末也陆续开始使用曲线顶管施工技术，并取得了较快的发展和较为广泛的应用，例如上海苏州河综合整治工程、上海合流污水治理二期工程、上海市区地下排水管线工程等等都是采用曲线顶管技术。以下浅析潘广路～逸仙路电力隧道工程一标大口径曲线顶管关键施工技术的成功应用及施工要领。

1 工程概况

1.1 工程简介

潘广路-逸仙路电力隧道是联系500 k V杨行变电站～500 k V虹杨变电站的电力电缆的关键通道，线路全长约14.36 km，全线共设15座工作井。

本标段井位施工范围为1号井～7号井，均采用地下连续墙围护施工（出入口：S M W工法桩围护）；隧道区间施工范围为1号井～8号井，隧道采用单管顶管施工，隧道内径为D N3 500mm，本标段顶进距离全长约6 351m。

本标段工程顶程最长段6号井～5号井（江杨北路宝杨路～江杨北路友谊西路）为1 199.34m，顶管段内共4段曲线顶管，曲率半径均为R=650m，管材采用钢筋混凝土管，外径4 140mm，管节长度为2.5m。

1.2 地质情况

工程沿线除局部受古河道切割影响，上海市标志性硬土层⑥层暗绿～草黄色黏性土缺失，并沉积有较厚的⑤层外；大部分地段均有⑥层发布，属上海地区正常沉积区。各土层的土性描述见表1。

本工程6号井～5号井顶管管顶覆土在13.6～30.8m之间，顶管顶进穿越⑦、⑧1号土层，穿越地层含水量大，透水性强。

2 难点分析

2.1 顶管在⑦、⑧1号土层内顶进，顶管施工难度大风险高

本工程6号井～5号井顶管管顶覆土在13.6～30.8m之间，顶管顶进穿越⑦、⑧1号土层，穿越地层含水量大，透水性强。由于顶进距离长，顶管顶进中管节接口处橡胶圈及密封胶磨损相当厉害，以及中继间密封圈磨损较大。必须加强对管节接口处橡胶圈及密封胶、中继间等薄弱环节的密封处理，以便解决好管节的密封防水问题，以确保混凝土顶管内的施工作业安全。

表1 地层特性表

2.2 顶管轴线测量控制难度大

由于本工程6号井～5号井顶管顶程为1 199.34m，管材采用钢筋混凝土管，外径4 140mm，管节长度为2.5m，管径大纠偏较为困难。在实际顶进中，由于土层性质变化、注浆效果等会造成顶进阻力变化，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致[3]。

2.3 平面线形复杂

6号井～5号井整个顶程中就有4段平面曲线，曲率半径均为R=650m，曲线间的过渡直线比较短。对于外径4 140mm、长度2.5m的标准管节来说，R=650m的平面曲线半径已经很小。

3 关键施工技术

3.1 顶管机头的选型和顶力分析

根据地质报告，本工程6号井～5号井顶管管顶覆土在13.6m～30.8m之间，顶管顶进穿越⑦、⑧1号土层，穿越地层含水量大，透水性强。

上海地区对直线顶管顶力根据经验估算，常简化为主要考虑机头迎面阻力与机头管道与土的摩阻力。其它阻力可忽略不计[4]。

3.1.1 总顶力估算

管道的总顶力按照式（1）估算：

式中：F0为总顶力标准值（kN）；D1为管道外径（m），取 4.14m；L为管道设计顶进长度（m）；fk为管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2），取3.5 kN/m2；NF为顶管机的迎面阻力（kN）。

式中：D为顶管机外径（m），取 4.18m；γs为土的重度 （kN/m3），取 18.0 kN/m3；Hs为覆盖土层厚度（m）。

6号井～5号井顶管区间段：

管径（mm）：ø3 500；顶管顶程（m）：1 199.34；管顶覆土（m）：13.6～30.8；迎面阻力NF（kN）：4 320；总顶力F0（kN）：58 681；中继间数量（个）：5。

3.1.2 土压力设定

（1）被动土压力P p

当土为粘性土时，

式中：γ 为土的容重（kN/m3）取 18.0 kN/m3；h为地面至顶管机中心高度（m）；ø为土的内摩擦角（°）；C为土的内聚力（kPa）。

（2）主动土压力Pa

当土为粘性土时，

式中：γ为土的容重（kN/m3）；h为地面至顶管机中心高度（m）；ø为土的内摩擦角（°）；C为土的内聚力（kPa）。

（3）静止土压力Po

式中：Ko为静止土压系数；γ为土的容重（kN/m3）；h为地面至顶管机中心高度（m）。

（4）控制土压力P

式中：Pa为主动土压力（kPa）；Pw为顶管机所处土层水压力（kPa），粘性土中不考虑；ΔP为土仓施加的预加压力（kPa），一般取 20 kPa。

6号井～5号井顶管区间段土压力控制值汇总：

管径（mm）：ø3 500；土的容重 γ（kN/m3）：18；地面至顶管机中心高度h（m）：15.7～32.9；土的内摩擦角 ø（°）：8.5；土的内聚力C（kPa）：15；静止土压系数Ko：0.56；被动土压力Pp：382～477；主动土压力Pa：207～260；静止土压力Po：150～187。

3.1.2 土压力控制

顶管掘进机在顶进过程中，其刀盘的压力P如果小于掘进机所处土层的主动土压力Pa时，即P＜Pa时，地面就会产生沉降。反之，如果在顶管机掘进过程中，其刀盘的压力P如果大于掘进机所处土层的被动土压力Pp时，即P＜Pp时，地面就会产生隆起。且施工过程中的沉降是一个逐渐演变的过程，尤其在粘性土中，要达到最终的沉降所经历的时间会比较长。但是，隆起却是一个立即会反映出来的迅速变化的过程，隆起的最高点是沿土体的滑裂面上升，最终反映到距顶管机前方一定距离的地面上。

顶进中，务必要控制好刀盘的压力P，要求做到主动土压力Pa＜P被动土压力Pp，主动土压力Pa、被动土压力Pp变化范围较大，再加上理论计算与实际施工时会存在一定的误差，一般将控制土压力P设置在静止土压力Po±20 kPa范围内。顶进过程中，根据土层变化、覆土深度变化、地表沉降监测等情况等随时调整压力。

3.2 “组合密封中继间”技术

本工程采用“组合密封中继间”技术，中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构，在铰接处设置二道可径向调节密封间隙的密封装置。其中第一道密封装置设计成可拆卸形式。

中继环的结构形式是采用特殊管的形式，其主要优点是：

（1）采用径向可调止水装置，如果橡胶止水圈磨损，仍可以通过调节径内向六角螺栓，重新满足密封性能。即使橡胶止水圈被严重磨损，无法继续使用，也能够先对应急止水圈充气，再更换被磨损的橡胶止水圈，恢复良好的密封性能。

（2）由于密封装置的钢法兰是经大型车床加工而成，又与成品管制成一体，尺寸精度高，刚性好，密封性能容易保证。

（3）顶管施工后，拆除中继间油缸，割除抱箍并磨平后，中继环可以合拢，无需在此空档内浇筑混凝土，质量可靠，操作简便。

3.3 顶管轴线测量控制措施

顶管顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量、调节注浆量使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。

测量采用G P S技术测放控制网，顶管机头顶进方向由激光导向仪提供，过程中使用全站仪导向，每200m使用精密陀螺仪纠偏。

3.4 触变泥浆减摩

顶进施工中，减阻泥浆的运用是减少顶进阻力的主要措施，顶进时通过管节上的压浆孔，向管道外壁注入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆环套，减小管节外壁和土层间的摩擦力，从而减小顶进时的顶力，泥浆套的好坏，直接关系到减阻的效果。本工程采用大刀盘土压平衡顶管机注浆系统，顶管注浆系统分为机头同步注浆和管道补浆。

为了做好压浆工作，顶进施工时采用优质膨润土进行减摩注浆施工。由于本次顶管部分涉及软硬土层顶进，且机头外径较大，为保证注浆效果，在顶管机头设计时，在顶管机尾部环向均匀地布置了十只压浆孔，用于顶进时跟踪注浆。

机头同步注浆由地面液压注浆泵通过 ø50管路压送到机头处储箱内，再由螺杆泵定量压入机头壳体外，在机头处应安装隔膜式压力表，以检验是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置单向阀和球阀，软管和接头的耐压力等级为6MPa，支管通径为 ø25。

为保证顶管出洞初期注浆效果，在工作井洞口止水装置前的建筑空隙处设置5个注浆孔，当管道外壁进入洞内，未与土体磨擦之前就先浸满浆液。触变泥浆随管外壁向土体渗入。

3.5 顶管机姿态调整

3.5.1 滚动纠偏

由于刀盘正反向均可以出土，因此通过反转顶管机刀盘，就可以纠正滚动偏差。允许滚动偏差小于等于1.5°，当超过1.5°时顶管机自动控制系统会报警，提示操作者切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。

3.5.2 竖直方向纠偏

控制顶进方向的主要方法是改变单侧千斤顶的顶力。但它与顶管机姿态变化量间的关系没有固定规律，需要靠人的经验灵活掌握。

当顶管机头出现下俯时，可加大下侧千斤顶的顶力，当顶管机机出现上仰时，可加大千斤顶的顶力，来进行纠偏。

3.5.3 水平方向纠偏

与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大左侧千斤顶的顶力，右偏时则加大右侧千斤顶的顶力。

3.5.4 纠偏注意事项

（1）切换刀盘转动方向时，先让刀盘停止转动，间隔一段时间后，再改变转动方向，以保持开挖面的稳定。

（2）要随时根据开挖面地层情况及时调整顶进参数，修正顶进方向，避免偏差越来越大。

（3）顶进时要及时进行纠偏，削除偏差后，再继续向前顶进。

4 结 语

大口径曲线顶管施工技术是一门综合性的技术，潘广路-逸仙路电力隧道工程一标6号井～5号井顶管区段最终监测结果显示，通过针对性运用上述各项施工技术措施后，最终顺利顶进到位，对周边道路、管线等构筑物无影响，沉降控制好，该大口径曲线顶管施工顺利完成。本文从案例、理论、实施等层面总结与分析几项关键施工技术，希望为类似大口径曲线顶管工程提供参考。