大口徑曲線頂管工程實例研究

江敏鋒

（福州水司 福建福州 350001）

1 工程概況

本工程為福州市某水廠原水管道建設工程，管道部份分為明開挖及非開挖頂管兩部分。其中頂管管徑為DN1400，線路長度1.646km，沿線設計工作井4個，接收井5個，頂管覆土深度約3.0～9.5m。

2 頂管沿線地質概況

根據《管道頂進縱斷面圖》揭示，4#工作井→4#接收井沿線場地巖土層分布自上而下描述如下：①素填土：灰～灰黃色，稍濕，松散～稍密，為多年路基人工回填土，沿線道路表面厚約20～30cm為混凝土或瀝青路面，下為碎石、砂及粘性土等。②粉質粘土：沖洪積，淺灰～灰黃色，濕，可塑，無搖震反應，，層厚約 2.5～5.4m，埋深約 10.5～18m。③淤泥：淤積，深色～灰黑色，飽和，流塑～軟塑，含有機質腐植物，全線大部分布，厚度0.7～16.9m從北往南分布厚度。④中細砂：沖洪積，淺灰～灰黃色，飽和，松散～稍密，粒徑多在0.1～0.5mm，成分以石英為主，局部夾薄層淤泥，個別夾少量碎塊石，該層厚約2～14m。⑤淤泥、淤泥質粘土：淤積，深灰～灰黑色，飽和，軟塑，絮狀結構，局部夾薄層粉砂，厚度約1～8m，一般平均厚度約3.3m，福光路～福光南路沿線分布厚度較大。⑥含泥中砂、中細砂：沖洪積，灰色，稍密～中密，飽和，局部（ZK43）夾淤泥質土透鏡體，厚度一般大于5m。⑦淤泥質粘土：淤積，深灰色，飽和，軟塑，絮狀結構，局部分部，厚度約5.8m。本段頂管主要所處地層為淤泥、細砂層。地下水主要受大氣降水及光明港河的補給影響，地下水位年變化幅度約1～2m。

3 施工方案選擇及理由

4#工作井→4#接收井頂管全長約114.8m，DN1400直線段頂管工程，頂管管道橫穿遠洋路至前橫南路。管道頂高程-3.8m，需穿越原洋里污水一期DN2000污水管道、污水管道管內底高程為-2.7，原水管道至污水管覆土高度僅為0.9m?，F階段我們已完成4#接收及4#工作沉井的施工。即將開始4#工作井-4#接收井的頂進工作，在進行頂管前期測量放樣過程中發現，頂管頂進軸線將會碰到原洋里一期污水沉井。針對以上情況，我們經過現場反復測量并結合現場實際提出以下方案：

（1）將此段直線段頂管改為曲線頂管避開污水沉井。詳細頂管線路及曲線段頂管線路、曲率半徑詳見圖1。

圖1

（2）由于本段頂管需穿越原DN2000污水管道、且兩條管道高程較為接近。為避免在頂管頂進過程中產生沉降對原DN2000污水管道產生影響。需在本段頂管穿越DN2000管道兩側打高壓旋噴樁加固土體。

（3）考慮到本段曲線頂管材料采用鋼管，而曲線頂管所產生的頂力較大，鋼管運用于曲線頂管糾偏系數不宜偏大，且距離越長糾偏不容易控制，需在頂管軸線增設一個中繼間，以確保本段曲線頂管能夠準確及順利的完成。

（4）由于考慮到本段曲線頂管的施工頂管出洞的準確性較難把握，必須做好需打洞口輔助出洞的準備，本段頂管軸線標高較深、地下水位高壓力較大，如冒然在沉井井壁上打洞口，將造成大量的流沙涌進，機頭處洞口后洞口無法進行封堵。因此在本段頂管開始前需在4#接收井頂管機頭出洞口處外側每隔2m打一個施工降水井、降低地下水位，做好當頂管軸線有偏差時的打洞口準備工作，確保本段頂管的順利完成。

（5）施工平面布置

圖2 4#工作井平面布置圖

4 施工難點、危險點分析及針對性措施

4.1 施工危險點關鍵點

4.1.1 頂管進洞難度

頂管機從工作井開始推進的過程叫進洞，頂管的進洞方案正確與否對頂管施工的順利進行時至關重要的，因本段頂管采用鋼管曲線頂管、在糾偏過程中可能會產生不可預估及不可控制的偏差，因此需做好當出洞口軸線位置有偏差時的打洞口準備。4#接收井的位置必須做好井點降水準備，降低地下水位。若有不當則會造成流沙涌入沉井而將沉井淹沒，造成工期設備的損失。4#工作沉井總高度為14.6m，位于光明河邊，受海水漲退潮影響，土壓、水壓特別大，距離北側光明河約為35m，沉井總共分四節澆筑。

4.1.2 土層主要是細砂和淤泥

①砂和淤泥沒有自穩性，都是流塑狀態，頂進的停頓過程時，砂會涌入頂管機頭機倉，堆滿機倉。由于砂子比重比較大，工作井比較深，在排泥泵功率不足時，管道容易堵塞。②管道軸線上底層可能含有各種拋物、垃圾等。

4.1.3 管道失穩

管道縱向失穩嚴重可能造成工程停頓和失敗。管道縱向失穩的直接原因是頂力的側向分力。嚴格來說只有直線頂進而偏差時才無側向分力，但無論怎么精心施工，管軸線都不可能毫無偏差，有偏差就有側向分力。側向分力達到一定程度，管軸線有可能開始失穩。失穩后，管軸線曲率增加，側向力增加。側向力增加后又造成曲率增加，如此惡性循環發展，最終頂管失敗。造成管道失穩的因素主要有：①不穩定土體：在不穩定土體中頂管，管軸線容易偏移，這是顯而易見的。②土體承載力過低：頂管施工中造成的側向力要由土體反作用力來平衡，因此土體堅實，管軸線不容易失穩，土體軟弱管軸線容易失穩。③施工軸線偏差過大：頂管施工因偏差造成管軸線彎曲。偏差越大，曲率越大，側向力越大，管軸線失穩的可能性也就越大。④覆蓋層太?。河捎诟采w層薄，造成管軸線失穩，特別是管軸線向上彎曲，頂力的側向分力向上，管道土層壓力不足。覆蓋層越薄，管軸線越容易失穩。⑤使用中繼間：如果沒有調正好中繼間的合力中心，側向分力就增加，造成管道失穩。⑥不均勻土層：一個管道斷面中存在不同質地的土層，特別是下硬上軟的地質，頂管機前后端的側向分力的反作用力大小，在糾偏時，會放大側向分力的作用，加劇管道線彎曲。本工程恰是穿越河床，覆土不厚，管道上下土質不一，上層是細砂，下層時淤泥，這都是容易造成管軸線失穩的潛在隱患。

4.1.4 頂管出洞

頂管機進入接收井的過程叫頂管出洞。頂管機出洞后，洞圈和頂管機、管節之間的建筑空隙是泥水流失的主要通道。在頂管機磨碎預留洞封門進入沉井的瞬間，很可能洞口沙土也緊隨著空隙涌入沉井，淹沒沉井，周邊塌陷。

4.1.5 管縫防水

頂管貫通后，管材之間的接縫防水也是施工質量的一個重要監控環節。管縫處和注漿孔是漏水的地方，管材自身則可能發生滲水的現象。若頂進過程中管縫出現較大的空隙，外面的流沙很可能涌入管道。

4.2 針對各危險點的預防措施

4.2.1 頂管進、出洞難度大的預防措施

選擇正確的進、出洞方案，一般都是選擇加固措施，則是針對各類土質采取對應的加固措施。加固的方法比較多，主要常用的有高壓旋噴樁、攪拌樁、壓密注漿和雙液注漿。對于頂管的進、出洞來講，對加固的強度不宜過高，一般無側限抗壓強度為0.8MPa就足夠。本工程洞口大都是富水沙土層，若只采取一些簡單的或一種措施無法保證出洞的安全。針對本工程特點特制定相應的安全出洞措施：①減小預留洞口：適當的減小預留洞口的直徑，縮小洞口與頂管機外壁、管材外壁的空隙。②洞口止水裝置：由于本覆土比較深且是穿越江河的工作井，承受水壓比較大，洞口止水裝置嚴格做兩道。③進、出洞口土體加固及駁岸加固：

4.2.2 管道失穩

對應的防止管道失穩的措施有：①不穩定土體未經加固嚴禁頂管；②對承載力過低的土體，要有加固措施；③管道頂部至地面要有足夠的覆土層；④在施工過程中應想方設法減少軸線偏差；⑤注意控制注漿量及注漿壓力；⑥調正中繼間的合力中心。針對本工程客觀已存在的因素，將在第④、⑤、⑥項主觀因素加以控制。若頂進過中有需要，再通過填土等措施增加覆土層。

4.2.3 管道安裝控制技術

①頂管機位置的復核：在頂進過程中，一直需要對頂進方向進行監測，做到“勤測勤糾，勤糾少糾”。待頂管機到達接收井30m左右時，需做一次定向測量，若無大變化，待到達接收井5m左右時候再進行一次定向測量。確保頂管機向接收井預留洞門中心位置推進。②基座安裝：根據頂管機姿態在接收井放置接收架并固定，以防機頭磕頭，加大土體的擾動。③管節連接：為防止頂管機進洞時，由于正面壓力的突降造成前幾節管節間的松脫，在頂管機機頭碰到封門時，將頂管機直到第五節管節的相鄰接口全部連接牢固，以防磕頭。④封堵洞口：泥水流失的主要通道存在于洞圈和頂管機、管節間的建筑空隙。拆除封門后，洞口被頂管機快速切入，當頂管切口進入洞門后，穿墻洞與頂管機間隙的臨時封堵應采用環形鋼板。當頂管機通過穿墻后，填充穿墻洞的空隙施工是采用通過管道內注漿孔向外壓水泥漿方法。

5 結束語

采用以往“大開挖”作業方式，不僅土方開挖量大，而且還需大量借地、圍堰、排水、運土等工序，勢必會對人們的日常生活產生極大的干擾，特別是在鬧市區內的施工。該項目運用非開挖曲線頂管施工技術不僅有效地減輕了對現有城市交通、企業生產、居民正常生活的干擾，還避免對周圍環境、基礎設施、建筑物、公路橋梁等損壞或拆除，節約了施工工期，質量安全性能良好。在給水管道施工中，未出現城市道路、周邊建筑和構筑物沉降不均勻引起的塌陷、開裂等現象，跟以往的“大開挖”施工方法對比，有效地節約了挖掘、占道、拆遷、樹木移植等各項前期成本，取得較好的經濟效益，為今后類似工程項目提供了一定的借鑒作用。