大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管在復雜環境條件下的頂管施工技術

金順清

上海南匯建工建設（集團）有限公司 上海 201206

1 工程概況

因城市發展速度加快，上海滬南公路現狀污水總管規模已無法滿足污水量日益增長的排放需求，為保障區域污水出路、保證區域發展建設需要，實施對滬南公路污水總管的改擴建工程。項目西起閘航公路，東抵灶東泵站，全長約27 km，整體沿滬南公路、同發路、拱極東路敷設。

滬南公路污水總管改擴建4標是沿滬南公路最東的標段。項目穿越惠南鎮東城區和老港鎮，向東鄰近兩港大道，最后接入灶東泵站至海濱污水處理廠，是整個項目的末端實施標段。全線管道基本沿現狀滬南公路重疊實施（除部分跨河段外側繞行），線路先后穿越G1503高速公路、軌交16號線、9條河道，與沿線18條道路相交。

設計污水總管管徑為D N 8 0 0 ～D N 2 4 0 0，全長12 989 m，其中DN2 400管為9 518 m。本項目除長度為2 359 m的DN1 400管采用開槽埋管外，其余均采用非開挖頂管施工，頂管管材采用離心澆筑玻璃鋼夾砂管。全線共設28個工作井，22個接收井，開挖深度均超過8 m，最大深度達到16.7 m；其主線頂管管道埋深10.17～13.38 m，支線頂管埋深為4.50～10.50 m。

2 工程周邊環境和地質條件

頂管管道穿越G1503高速公路、軌交16號線和9條河道。由于該區段為最東段，已鄰近大海，為濱海平原地貌類型，屬Ⅳ類建筑場地，軟弱土類型。其中③層灰色淤泥質粉質黏土、③夾層灰色黏質粉土、④層灰色淤泥質黏土土層均較厚，分布不均，在⑦層局部存有承壓含水層。

施工沿線經過惠南鎮東城區、老港鎮區、老港工業園區及多個村落，施工期間要保證滬南公路及周邊居民的通行安全。

3 工程特點、難點

3.1 頂管管徑大、線路長、埋深深、頂進長

本項目頂管施工長度10 630 m，其中DN2 400頂管施工長度9 518 m，占總量的89.5%，最長頂管頂進長度為550 m，最大管道深度為13.38 m。

3.2 離心澆筑玻璃鋼夾砂管的應用

大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管作為新型節能環保型材料首次在本地區應用于DN2 400大口徑頂管中。管材在復雜地質條件和大頂力作用下的性能需得到進一步驗證，施工中需加強對管材材料性能的檢驗、觀測和記錄。

3.3 穿越高速公路、地鐵線和多條河道

本項目主線基本位于滬南公路下方，全線還穿越G1503高速公路、軌交16號線和9條河道。頂管施工對道路、橋梁的變形影響必須降到最低，必須保證滬南公路、G1503高速公路、軌交16號線通行安全。

3.4 地下管線和障礙物錯綜復雜

滬南公路為上海市歷史久遠的公路，已經過多次修建。地下各類管線多，主要有軍事通信、航油管、信息通信、電力、燃氣、雨污水等管線，且還存在情況不明的廢棄管道和地下結構層。前期需要經過詳細的調查、現場勘探和增做物探精探，明確地下管線和障礙物的平面位置、深度、規格、尺寸等詳盡數據，確保頂管管位準確避讓、順利推進，有針對性地制定可行的對周邊建（構）筑物、地下管線的保護措施。

3.5 管道穿越層地質條件差

頂管管道主要穿越土層為②3層灰色黏質粉土、③層灰色淤泥質粉質黏土、③夾層灰色黏質粉土、④層灰色淤泥質黏土。②3層和③夾土層在動水壓力作用下更易造成頂進工作面產生流砂現象；③層和④層具有含水量高、強度低、靈敏度高、高觸變性及流變性等特點，頂管頂進阻力小，應重視下沉及偏向問題，土體受擾動，強度會突變。

4 施工方法和技術措施

4.1 選用泥水平衡頂管掘進機施工工藝

由于本項目屬于濱海平原地貌類型，屬Ⅳ類建筑場地，軟弱土類；大口徑頂管作業量大；頂管作業必須有效控制地面沉降。故綜合比較選用泥水平衡頂管機。該機型適用于黏性土、粉性土、滲透系數不大于1×10－3cm/s的砂性土，輔以機械平衡措施，可用于在淤泥及淤泥質土中。其主要優點為：適用范圍廣，最適合于滲透系數小于1×10－3cm/s的砂性土；挖掘面穩定，有利于控制地面沉降；棄土采用管道排放，施工速度快，可以連續出土。

4.2 施工技術參數選用和優化

由于頂管在不同性質土層、頂進距離、穿越G1503高速和需要保護建（構）筑物時的技術參數會產生變化，通過信息化手段監測頂管頂進狀態和周邊地形監測數據不斷優化調整施工參數，確保頂管作業順利安全的推進。因此，在每一個頂進段、不同地質變化條件段、不同地形地貌段，在頂進初始階段必須嚴格對各類技術參數的變化和變形情況進行統計和分析，及時修正優化各類技術參數。主要涉及參數為水土壓力、頂進速度、出土量、觸變泥漿指標、頂力等[1-6]。

4.3 確保頂管頂進姿態，嚴控管道測量精度

本工程頂管直徑大，頂管機質量較大，頂管機在剛出洞時，基本不受浮力作用，出洞時如操作不當，易造成磕頭現象。

1）導軌鋪設時在穿墻洞口內通過預埋件安裝導軌延伸段，防止頂管機進入洞口后由于力矩的不平衡，發生向下突然磕頭。

2）頂管機就位后，糾偏油缸等記錄歸零位，將機頭墊高3 mm，保持出洞時頂管機有向上的趨勢。

3）出洞加固土體要求均勻，不留死角。頂管機出洞前進行驗收，加固強度達到要求后，才能進行出洞。

4）調整后座主推千斤頂的合力中心，頂力合力中心低于管中心（為管半徑1/5～1/4）。

5）出洞時觀察頂管機的狀態，一旦發現下磕趨勢，立即用后座千斤頂進行糾偏。

由于土層變化、管道內布置質量不均、頂管距離長等因素，易造成管道發生不同程度的扭轉。

1）在頂管機內設置扭轉指示燈，便于發現扭轉情況后及時采取對應措施。

2）管道內布置設備、管材時，盡量均衡兩側質量。若無法滿足，通過單側加壓達道兩側質量均勻。

3）通過控制掘進機刀盤轉向（順時針和逆時針方向），對在掘進時產生的轉矩進行糾扭。

4）當仍無法達到效果時，可在管道內單側加壓配重的方法進行糾扭。

需提高頂管軸線測量精度，以保證各管段管道精確順利到達。

1）采用雙井定向測量，利用空導點和地面導線點建立平面控制網，采用鉛垂儀垂直投射至井內固定基準點，用全站儀定位激光控制投射點至機頭，自動化跟蹤觀測偏差方向。

2）頂進工程中，要分析管道偏移軌跡的變化，確定合理的糾偏方向和幅度，提前作出判斷和采取措施。

3）通過頂管機高精度傾斜儀的讀數變化，分析機頭軌跡變化，是高程糾偏和評估糾編效果的重要數據。

4）頂管機4只糾偏油缸的油路上，設有壓力監控裝置，通過分析監控裝置的數據來分析頂進中的不平衡外力的狀況，預測頂管機的前進軌跡，為采取糾偏提供輔助參考信息。

5）頂管機剛產生偏轉時，用改變刀盤的轉向來校正，方法是頂管機向哪個方向發生偏轉，刀盤就朝哪個方向轉動。頂管機設有高精度傾斜儀，能精確顯示頂管機0.01°的旋轉角變化，可及時判斷頂管機的偏轉和校正效果。

4.4 提高觸變泥漿施工質量

通過注漿使管外壁與土層之間形成良好性能的觸變泥漿套，不僅可以有效降低頂進阻力，而且能有效控制地表變形。本項目頂管所處地質較差、管徑較大、頂管距離長，故對觸變泥漿的配制和壓注施工質量尤為重視。

選擇優質的膨潤土，根據頂管所穿越的土質和地表環境、頂力變化，不斷總結和優化泥漿配比（基本配合比：膨潤土∶CMC∶純堿∶添加劑＝940∶15∶40∶5）。同時控制泥漿攪拌質量，拌制好的泥漿靜置24 h后使用，漏斗黏度時間大于30 s，在使用前再次攪拌。

出洞口的止水裝置確保不滲漏，管接口密封性能保持良好，這是管道形成漿套的先決條件。

頂管機出洞口就開始壓漿，出洞口的壓漿可以避免管子進入土體后被握裹，否則會引起背土的惡劣情況。管道在背土條件下的運動將對土體產生很大的擾動。

機尾的同步壓漿很重要，要使漿套隨機頭不斷延伸，若不及時壓漿，機殼外面很容易產生背土現象。有效控制注漿壓力，記錄注漿量，避免部分注漿孔堵塞，防止管外壁泥漿套不均勻，形成制動效應。

要對管道沿線定時進行補漿，不斷彌補漿液向土層的滲透量。

4.5 不同地質和環境條件下的頂進速度控制

適當降低頂管頂進速度并勻速推進，可有效降低頂管施工在特殊地層、穿越保護建（構）筑物所帶來的風險。

1）通過降低頂進速度，可以降低對頂管上部和周邊土體的變形量和變形速率。

2）降低頂進速度后，可更有效地觀測地面變形、頂管各技術參數的變化，及時進行參數優化和制定應對措施。

3）通過降低頂進速度，提高控制測量精度，確保管位與周邊建（構）筑物保持有效的安全距離。本項目在始發洞口加固區段推進速度均為10 mm/min；在穿越G1503高速公路、軌交16號線、地下壓力管道等重點保護區段時，頂進速度為10～20 mm/min，其余正常區段不大于30 mm/min。

4.6 加強變形監測

通過頂管頂進變形監控、監測數據的分析，不僅可以通過設定報警值有效控制變形量對道路路面、管道和周邊建（構）筑物進行保護，還可以通過數據變化分析優化各項頂管施工技術參數，降低頂管頂進對地面、管道和周邊建（構）筑物的不利變形影響。

通過組織管線交底、收集地下管線資料、現場勘察、增做物探和精探、與周邊建（構）筑物權屬單位取得聯系，掌握詳細的地形地貌和建（構）筑物、地下各類管線的具體數量、位置、規格、結構形式、使用狀況等精確數據，是制定監測方案的前提條件。

委托第三方專業監測單位對本項目進行現場變形測量作業。編制有針對性的變形監測方案，每天完成監控數據的匯總、分析和報告，及時提出指導性意見。

在穿越G1503高速公路、軌交16號線、壓力管道等變形受控要求較高的區時域，通過提高變形控制報警值、布點數量、監測頻率等方法，更有效地控制變形量，獲得更好的保護作用。在頂管完成后進行水泥漿注入置換，提高管道外壁外側土體硬化強度，降低后期沉降變形量。

本項目頂管頂進過程中的主要監測項目為：頂管沿線地面變形、地下管線變形監測、鄰近建筑物變形監測。

1）地面垂直變形：沿軸線每5 m設點，每50 m設沉降剖面。每天監測2次，變形速率應≤3 mm/d，累計變形量應≤10 mm。

2）沿線地下管線：每10～15 m布設一點，每天監測2次，變形速率應≤2 mm/d；累計變形量應≤10 mm。加強對煤氣管、燃氣管及大口徑給水管的檢測，它們是剛性壓力管，對差異沉降較敏感，接頭處是薄弱環節。

3）鄰近建（構）筑物的監測點1點/柱（相鄰橋墩臺），建筑物的四角、大轉角處及沿外墻每10～15 m一處。監測頻率重要區域為2次/d，其他區域為1次/d。橋墩立柱垂直位移變形速率報警值為1 mm/d，累計變形量報警值為5 mm，橋墩立柱傾斜累計變形量報警值為1/3 500；其他構筑物變形速率報警值為2 mm/d，累計變形量報警值為

20 mm。

本項目頂管工程在穿越G1503高速區段施工難度相對較大。施工過程中每天進行2次變形監測和全程的巡視檢查，通過嚴謹的施工組織和精心的施工管理，各監測項目日變量和累計最大變量均未超出報警值。

5 結語

隨著我國城市建設的日新月異，城鎮化的擴大改造不斷深入。在復雜繁多的地下管網中，需要更經濟、耐用、綠色、環保，滿足可持續發展的新工藝、新材料的推廣和使用。本項目采用離心澆筑玻璃鋼夾砂管大口徑頂管在沿海地質條件復雜情況下的順利使用，為今后城市管網改造升級、大口徑離心澆筑玻璃鋼夾砂管頂管管材的應用和復雜地質條件下的頂管施工均提供了有力的經驗借鑒。