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1、长距离小半径曲线顶管工程长距离小半径曲线顶管工程摘摘 要要：上海污水治理二期的某项工程，是超出了现有常规顶管施工技术规程规范的规定而进行施工的项目。介绍了在工程监理中，抓住自动测量与人工测量相结合，顶力信息化监测，减摩效果动态管理等重点环节，是完成工程监理工作的成功经验。关键词关键词：污水处理；曲线顶管；监理措施；顶管技术标准上海污水治理二期 SSI/4.1B 标是上海合流监理有限公司承接的施工难度相当大的顶管工程监理合同标。为使工程能在沿线环境条件十分复杂的情况下按期实施，参建各方商讨后对工程设计作了重大的变更，施工技术超出现有常规的技术标准和规程。如何做好这种情况下的施工监理工作是监理组面
2、临的新课题。1 1 工程概况工程概况1.1 原设计概况上海污水治理二期工程 SSI/4.1B 标中的 B3 井一 38 号井原设计 B3 井一 B2 井；B2 井一 B1 井；B1 井一 38 号井为三段 2400 mm F 型接口钢筋混凝土直线顶管，三段连成折线。顶管沿线要下穿许多地下管线。对工程影响最大的有两条：一条是在 B3 井上游 40m 的 2460mm 雨水管道，其管底距将施工的顶管仅 99 cm；另一条是 38 号井南侧 10 m 处的 1200 mm 煤气管，与顶管净距 150 cm,，B2 井、Bl 井要紧贴原有建筑物施工。1.2 变更设计的提出由于 B1 井、B2 井因场地
3、条件无法实施及对沿线管线的避让，经参建各方共同研究后，提出变更设计方案，决定采用空间小半径曲线顶管，减掉 B1 井、B2 井。水平曲线以 B3 井为工作井向北推进 15.5 m 的直线段后，进入第一段曲率半径为 1024 m、长 129.8 m 的曲线段，然后经一段长为 168 m 的直线，进入第二段曲率半径为 290 m、长 65.7 m 的曲线，最后经曲率半经仅 156.7 m、长 37 m 的曲线进入 38 号井。竖直曲线从 B3 井开始，先水平顶进 45 m，然后进入竖曲线，以 0.72的坡度开始爬坡，一直到 38号井，高差约 2.69 m。变更后顶管全长 416 m。顶管主要穿越土层
4、为灰色淤泥质黏土层。在最小半径处顶管与宛平影剧院桩基水平净距仅 50 cm (见图 1)。图 1 工程示意图1.3 工程特点和难点变更后，B3 井一 38 号井段顶管成为国内屈指可数的高难度三维复合小半径长距离曲线顶管工程。在施工方案中要对机械设备性能、机头轨迹测量控制、纠偏技术、中继间布置、减摩技术、管接口混凝土应力分布和顶力径向分力的后果预计等定出正确的措施，是本工程的特点和难点。2 2 主要施工技术和监理措施主要施工技术和监理措施工程变更后，B3 井一 38 号井段成为三维复合小半径长距离曲线顶管，超出现有的技术规程(现有的顶管施工技术规程和技术标准仅有短距离直线顶管)。为使变更后的工程
5、能够顺利完成，监理组修订了监理细则，制定出有针对性的监理措施。从施工方案审批着手，对管道水力功能的满足、管节接口应力承受可能、中继间布置、测量技术支持可能、设计轴线和施工轴线制定、机械设备性能、顶力预计、减摩技术保证和纠偏控制措施把关。施工中监理要求施工方不断对出现的新情况进行分析，及时修正方案。工程实施中监理的主要措施如下。2.1 要求设计核对变更后的工程满足水力功能对于工程变更，监理要求设计方对该段顶管的水力坡度核算同意并出齐变更图纸。2.2 要求曲线段顶管施工不能削弱管道结构的强度监理要求施工中对曲线顶管做到微纠勤纠，减少管外土体扰动；要求选用无节疤木垫板和木契分散管节口应力，防止管接口
6、破损。确保管道结构强度不被削弱。2.3 顶管机械设备选型必须保证特殊要求由于顶管穿越土层为灰色淤泥质黏土层，土体软弱含水量大。对于长距离顶进要求机头主轴有良好的耐久性和水密性。对此，施工方采用多刀盘土压平衡顶管掘进机并改进了主轴设计，采用 H 型迷宫密封和Yx 型聚胺脂密封的双道密封形式，可靠性符合本段顶管的特殊要求。其主要技术参数如下。结构形式：二段一铰。外形尺寸：前壳 2.5 m；后壳 2.0 m；外径 2880 mm。灵敏度：D/L=1.15。小刀盘：直径 400 mm；转速 3.0 r/min。2.4 主顶进设备本段顶管力争在有效减摩措施下，以主顶进设备为主要顶力，使中继间备而不用或尽
7、量少用。设备安装后，监理对主顶后靠坚固性严格检查，顶进中时刻注意顶力与后靠的变化关系。若后靠受力变形异常，应及时分析处理。2.5 中继间监理认为本工程对中继间的功能要求较高，中继间沿曲轴线多次伸缩启动后应不发生漏浆、漏泥沙，否则会造成严重的后果。为此施工方对本工程中继间结构采用径向可调密封形式，并设两道密封圈。两道密封圈间设 4 只注油嘴，在启动时进行注油，以减少密封圈与钢板间的摩擦力。在中继间上还设有 4 只注浆孔用于同步注浆减摩。确定在 416 m 顶管共设两只中继间。实施中，由于泥浆套减摩效果良好，全程摩阻控制在 8000 kN 以下，中继间未启用。2.6 注浆减摩设备系统长距离顶管成功
8、是建立在有效减摩基础上的。本顶管施工用的是膨润土触变泥浆，在地面压浆站配制后，通过液压泵分配到管节环型分管，长距离情况下对分配的压力和浆量的均匀性有更高的要求。监理要求施工方在分管上设若干压力表，以便定量控制。2.7 泥水管路系统随着顶管长度的增加，管内出土成了制约工效的主要矛盾。施工方利用 Telemole 泥水系统，成功地解决了这一难题。即在多刀盘土压平衡掘进机和 telemole 泥水系统间设一台泥浆搅拌机，拌土成浆外输，使简单的土压平衡掘进机也能实现泥水循环出土，拓展了施工工艺，为顶管自动测量引导系统的运用和人工测量复核留出了空间。在顶进施工中，及时地反馈信息和正确地修正参数是控制地表
9、沉降、减少土体扰动的有效手段。施工中在施工方与监理组密切配合下，对初始顶进的地表沉降数据与土压、出土量数据相对照分析，不断优化主参数，指导顶管操作，成功地控制了地表沉降。2.8 人工测量与顶管自动测量引导系统下平行实施监测在长距离不通视情况下，人工测量必须在顶管静止状态转钻进行，一次耗时约 2 h。本工程应用了施工方研究开发的顶管自动测量引导系统，并辅以人工测量。自动测量引导系统进行实时监测引导；每日午间人机休息时采用人工测量复核自动测量的数据。为节约时间，施工方和监理方人员联合下井测量作业。在自动测量系统引导和在人工复核监测下，实现了对机头进行正确的实时跟踪测量，做到“随测随纠”，有效地保证
10、了顶管的施工质量和工期，整条顶管直线段顺直，曲线段和顺。机头准确进洞后，上下偏差为 2.1 cm，左右偏差为 3.2 cm。2.9 轴线控制和纠偏技术1) 纠偏特殊管的设置。对 R=156 m 的曲线段，除了对机头的一套纠偏装置外，还增加了 3 套辅助纠偏装置，各设于机尾与 1 号管、1 号管与 2 号管、2 号管与 3 号管之间。管端面预设六个 120 t 的油缸。当管子进入曲线段时，启动液压进行扩缝，单侧加插木片后卸荷，形成曲线。2) l 号中继间的设置。除纠偏特殊管外，中继间也可用于纠编。1 号中继间设置在 27 号管处，必要时启动油压装置，辅助纠偏。3) 曲率的维持。顶管实际轴线行于曲
11、线段设计轴线内侧，留出允许偏差的余地给因径向分力带来的曲率变化量。曲线段径向分力与轴向顶力成正比、与曲率半径成反比，而降低摩阻力是减小轴向顶力的有效手段。监理要求施工中以降低摩阻力为主，定时监测曲线段轴线的变化，随时观察尺量管节接口缝隙，用拉杆螺母或弧形木塞片及时调整缝隙，维持曲率。2.10 减摩技术注浆减摩技术是顶管施工中的一个重要环节，尤其在本工程，是关系到顶管成功与否的关键技术。1)采用触变泥浆工艺的摩阻力 F 估算公式：F= fLD (1)式中：f 为采用触变泥浆工艺的单位摩阻力，一般取 812 kN/m2； L 为管长，本例为 416 m；D 为管外径，本例为 2.88 m。 则 F
12、= (8 12)3.144162.88 = (30096 45144) kN2) 设定中继间的只数。从公式计算看，须设 5 只中继间才能逐段顶进，但施工方根据实践经验，认为只要对减摩注浆有效管理，采用性能良好的浙江安吉产的膨润土材料，管节外用 10 cm 间隙的泥浆套在灰色淤泥质黏土层中，可达到良好的润滑效果，故决定采用设置 2 只中继间的方案。监理对照本工程其他顶管段(B3B4，B4B5 等)的实际效果，认为方案可行。3) 触变泥浆的配比。通过试验确定，灰色淤泥质黏土土层渗透性小，浆套易形成和保持，润滑作用较好。其配比见表 1。浆液性状以浓豆花悬浮状为最佳，设专人管理。监理除每日眼看手捏地对
13、其外观巡视外，还不定期地定量抽查其实际的称量配比。4) 压浆工艺。触变泥浆选材和配比是有效减摩的前提；正确的压浆工艺是确保减摩效果的关键技术。及时的同步跟踪注浆能形成良好的泥浆套，而适当的补浆能维持泥浆套减摩效果。(1) 掘进机后部环向匀布四孔，同步及时地将泥浆填充进顶进时形成的间隙，生成完整的泥浆环套。(2) 利用混凝土管节压浆孔补压浆液，以补偿浆液在土层中的流失量。除在一节管节顶进结束后及时补浆外，还要视顶力变化分段补压浆：(3) 同步压浆量一般是理论空隙体积量的 8 倍，补压取空隙等量。压力控制在 0.080.10 MPa。(4) 对曲线外侧增加注浆量，减少管道外侧对土体扰动引起的阻力增
14、大，保持泥浆套的完整性。(5) 实际减摩效果。根据经验和有关规范数据，混凝土管使用触变泥浆套时管壁侧面摩阻力为 35 kPa。本段曲线顶管实际管壁侧面摩阻力为 1.4 kPa，实际总推力 5780 kN，减摩效果十分明显。表 1 浆液配比(1 m 3 )及主要性能指标2.1.1 掘进机止转措施在小刀盘及螺旋机的扭矩作用下，长距离推进造成掘进机偏转角叠加而增大。偏转角过大会影响作业，对此，本工程采取单侧压重方法予以克服。2.12 顶管贯通后监理重视的问题1) 管接口补强。目前顶管管节仍以直线顶进设计制作。曲线顶进使接口偏侧应力加大，施工中监理要不断对行进中的管子巡视，观察木垫片和木楔子情况。对有
15、破损的接口，要求施工方及时分析，采取措施。贯通后还要督促施工方按审准的方案对管接口补强。2) 泥浆套的置换。顶管贯通后，触变泥浆套需用水泥浆置换以使管段稳固在土层中。监理对此工序十分重视，它是保证工程质量既重要又易被疏忽的环节。监理对置换作业作好旁站和记录，确保逐段足量。3) 竣工资料正确标定管线。本工程顶管设计轴线作了大的变更，曲线管道轴线在竣工资料上的标定正确与否对日后的管道维护管理影响较大。监理要求施工方除在竣工图上标上实际坐标外，还要标出相对于沿线建筑物的尺寸，监理复核。3 3 结语结语目前顶管工艺技术发展很快，相关的技术标准和规程滞后，这就要求监理针对工程实际，分析确定监理措施的重点。本工程监理抓住自动化测量与人工测量结合、顶力信息化监测、减摩效果动态管理和最终管段稳定性等重点，实施中保持与建设方、设计方联系，围绕确保工程质量开展工作，圆满地完成了监理合同。本工程的施工和监理经验为完善顶管的技术规程、技术标准提供了有价值的参考。
