１８６管理施工 ＤＯＩ：１０．１６７９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｓｄｑｙｆｈ．２０１８．０７．０５２ 城市道桥与防洪 ２０１８年７月第７期 超大直径混凝土顶管长距离顶进施工控制措施 黄永春 （上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市２０００６５） 摘要：依托上海污水治理白龙港片区南干线完善工程，迎宾７＃～迎宾８＃顶程长度１ １２５ ｍ，为ＤＮ４０００超大口径长距离混 凝土顶管。以项目实施过程中的施工参数和控制措施为基础，针对其中关键性问题和节点进行了系统性研究。提出了工程中 关于超大直径混凝土顶管长距离顶进施工的一系列施工措施，包括泥水平衡顶管中泥水系统改进、中继间布置与防渗漏措 施，减阻泥浆措施、顶管内供电与通风措施以及长距离轴线控制措施。可供软土地层条件下类似工程参考。 关键词：超大口径；混凝土顶管；长距离顶进；泥浆减阻；轴线控制 中图分类号：ＴＵ９９２．０５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１８）０７—０１８６—０５ 下● ０引言 超大直径顶管在城市地下空间开发上被越来 ８ ７０８．８ Ｉｎ，是当时国内最大直径的混凝土顶管工 越多地采用，同时，得益于施工工艺的持续发展， 超大直径顶管的顶进距离也越来越长。大直径、长 距离顶管的施工技术的研究对该类型的地下工程 拓展和普及有着非常重要的意义，更好地发挥顶 管施工工艺自身建设周期短，综合成本低和社会 效益显著等优点【ｌＩ２】。 本文依托上海污水治理白龙港片区南干线完 善工程迎宾７＃顶管井（含）至远东３＃（含）之间的 输送总管顶进工程，以项目实施过程中的施工参 数和控制措施为基础，对大口径顶管在长距离顶 进过程中关键性问题和节点进行了系统性研究。 详细论述了其中泥水平衡和进排泥系统的改进措 施、中继间设置方案、泥浆减阻改进措施和施工中 轴线控制方法等。为今后软土地层条件下超大直 径长距离顶管隧道的施工提供参考与借鉴。 程项目。其中，迎宾７＃～迎宾８＃顶程，起点为迎宾 ８＃井，为工作井，终点为迎宾７＃井（接收井）。该段 顶管顶程为双向１ １２５ ｍ，为长距离直线顶管顶 进。顶管顶部覆土埋深８．７４～９．７８ ｍ。工程的平面见 图１。 ＤＮ４０００顶管，后始发，长度１１２４．５ｍ 图１工程平面示意图 顶管采用泥水平衡式顶管机顶进施工，顶管机 直径４ ６６０ ｍｍ。隧道结构、ＤＮ４ＯＯＯＦ型钢筋混凝土 管，混凝土强度等级为Ｃ５０。接口型式为钢承口式柔 １工程背景 １．１工程概况 上海污水治理白龙港片区南干线完善工程迎 宾７＃顶管井（含）至远东３＃（含）之间的输送总管 顶进工程，采用ＤＮ４０００钢筋混凝土管，总长度 收稿日期：２０１８—０６—０４ 作者简介：黄永春（１９７７一），男，上海人，高级工程师，总经理 从事市政工程管理工作。 性接口，管内径为４ ０００ ｍｍ，管外径为４ ６４０ ｍｍ， 管节有效长度为２ ５００ ｍｍ，管壁厚为３２０ ｍｍ。 １．２地质条件 根据顶管施工段工程地质剖面图和勘察报告 分析，顶管顶进主要位于④层淤泥质粘性土。④层 为软粘性土层，顶进阻力较小，但其强度低，渗透 性差，含水量高、压缩性高、灵敏度高，具流变性和 触变性，施工易受扰动，容易导致开挖面失稳。 顶管穿越的土层性质参数详见表１。顶管区间 剖面见图２。 ２０１８年７月第７期 表１土层力学性质参数表 土层 编号 城市道桥与防洪 管理施工１８７ 土层 性质 厚度 重度 变形模量粘聚力／ｍ，（ｋＮ－ｍ。 Ｐａ内摩擦渗透系数 ，ｋＰａ 角，（。），（ｅｍ·ｓ ） 图３顶管机泥水系统示意图 其中，１、２、５、６号阀门是控制高压水进入进泥 仓中，为遥控调节阀。当持续顶进过程中，进泥舱 内土质发生变化，土体变的较硬较粘时，可打开这 地表 ４个阀门，高压水就会从这４个管道喷射到进泥仓 中，把较硬较粘的泥土打松散，以减小刀盘扭矩及 顶力，保证进泥通畅。另外，排泥仓设计有一道凹 槽，有可能在长距离顶进过程中发生泥砂堆积，增 加刀盘扭矩和顶力并可能阻塞进泥口，这时可打 开３、４号阀门让高压水进入排泥仓中，冲走囤积 泥砂等杂物质。 同时，为保证长距离顶管出土的顺利，泥水系 统采用多台进排泥泵接力。进水泵设置为：地面上 放置一台进水泵，机头后方４００ ｍ设置一台进水 ———————————————— ＝＝ 接力泵，以后每４００ ｍ再放置一台进水接力泵； 排泥泵设置为：在基坑内设置一台排泥泵，机头后 图２顶管区间剖面图（单位：ｍ） ２泥水系统改进措施 ２．１长距离顶管泥水系统关键点分析 方１００ ｍ设置一台排泥接力泵，以后每４００ ｍ设 置一台排泥接力泵。共设置３台进水泵，４台排泥 砂砾泵。砂砾泵的功率和转速应满足扬程的需求。 管内出土系统布置示意见图４。 【二 … … 泥水平衡顶管工法的特征是在顶管前部的机 械切削式刀盘附近安装隔板，形成密闭的泥水压 力仓，将加压的泥水送人压力仓中，使开挖面稳 定。在施工过程中，通过掘进机头部的切削刀盘的 旋转来进行丁作面的破碎，切削下来的泥土与平 衡介质混合，并由排泥浆管道用泥浆泵将其从顶 管机的泥水压力仓底部泵送至地表的分离装置， 将泥土与泥水进行分离，分离后的平衡介质可以 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １Ｏ Ｊ＼／／１ １／ ＼ｌ 【 １Ｉ ．］ 进行重复利用。因此一方面需合理控制泥水参数， 另一方面需选择合适的泥水系统以保证长距离顶 管出土的顺利。 本工程综合考虑进排泥流量、顶进速度、顶进 １．顶管机２．机内截止阀３．机内阀组４．排泥砂砾泵５．送泥清浆泵 ６，排泥砂砾泵７．泥浆沉淀箱８．送泥渣浆泵９．排泥砂砾采ｌ０．软管 图４长距离顶管出土系统布置示意图 挖掘的土方量、泥腔压力、主顶顶力等多种参数后 确定控制排泥量或进水量优先等级，并根据上述 参数的变化通过程序自动进行调整Ｉ 。 ２．２泥水系统针对性改进措施 基于上述分析和工程土质情况，对顶管内的 泥水系统进行特别设计。顶管机泥水舱系统示意 见图３。 ３长距离顶进中继间设置 ３．１控制顶力确定 本工程顶管区间采用１０台２ ５００ ｋＮ双冲程 油缸，总推力为２５ ０００ ｋＮ。而单根顶管允许最大 顶力为ｌ５ ０００ ｋＮ。因此，为保证顶管的顺利和安 全，顶管控制顶力取ｌ２ ０００ ｋＮ。 ８８管￣￥Ｎ－ｒ 城市道桥与防洪 ３．２中继间布置 中继间设置根据“顶管工程施丁规程” ＤＧｆＦＪ０８—２０４９—２００８中第７．５．５条的要求，第一 道中继间宜布置在顶管机后方２０～５０ ｍ的位置。 现确定设置在机头后５０ ｍ的位置，即Ｌ ＝５０ ｍ。 又根据７．５．６条规定以后的各环中继问布置 按照下式计算确定： Ｓ’＝ （ — ）／（１ＴＤＦ） （１） 式中：Ｓ’为中继间的间隔距离；Ｆ３为控制顶力，取 １２ ０００ ｋＮ；Ｆ２为顶管机的迎面阻力，取０ ｋＮ（１号 中继间以后）；厂为管道外壁与土的平均摩阻力，取 ２ ｋＰａ；Ｄ为管道外径，取４．６４ ｌｎ； 为顶力系数，取 ０．６。最终得到： Ｓ’＝０．６×１２ ０００／（３．１４×４．６４×２）＝２４７ ｍ 因此，对本＿Ｔ程各顶进区间，第一套中继间布 置在机头后方５０ Ｉｌｌ位置，以后每间隔２５０ ｎ１布置 一套中继间，单个顶程中继间布置３个，见表２。 表２中继间设置情况 根据实际的施工经验，通过控制好注浆减阻 的施１ 管理，可以使管道外壁与土的平均摩阻力 控制在１ ｋＰａ以内，所以中继问数量可根据实际摩 阻力情况进行调整。另外，在安放完第一个中继问 以后先使用一下．如果发现与计划有较大差距就 必须对计划进行适当地调整。 ３．３中继间设计 本Ｔ程顶管需设中继间，为提高Ｔ程的可靠 性，每套中继问使用３０台中继间油缸，每台油缸最 大顶力为８００ ｋＮ，最大行程５００ ｍｍ，最大可提供 ２４ ０００ ｋＮ的顶力（实际控制顶力为１２ ０００ ｋＮ）， 留有足够的安全余度，见图５。 本Ｔ程中继问尺寸为外径Ｄ＝４ ６４０ ｍｍ，内径 ｄ＝４ ０００ Ｉｌｌｍ，长度Ｌ＝１ ９５０ ｍｍ。中继间内配置 １６０ １油缸３０只，油缸最大推进行程Ｓ＝５００ ｍｍ，采 用单独的ＺＢ５２０一高压油泵及管路，最大推进速度 ５０ ｒａｍ／ａｒｉｎ。中继间外壳需保证较高的尺寸精度， 必须经过立车切削加工。 为每个中继间配置一个液压动力泵站和相关 图５中继间 控制程序，实现中继问内所有油缸的联动。在中继 问处还加设行程仪传感器，将行程读数显示在操 纵台上。 ３．４中继间防渗漏措施 中继问在长距离顶进过程中，往往冈为伸缩 次数过多而造成密封圈摩损失效．进而发生漏水、 漏泥砂、漏浆等现象 为了避免上述现场．本次中继ｆＨＪ结构没汁采 用径向可ｉＪ吉Ｉ密封形式，并设二道密封 。为减轻顶 进时密封圈的摩损，在二道密封圈之间设置６只 可以压注润滑油脂的油嘴，构成组合式密封巾继 问，见图６ 中继问设计还方便了密封装置在常 下对磨损的密封罔的渊换Ｔ作。 １外壳体 ２．油缸 ３橡胶止水 ４．凋整螺栓 ５．内壳体 图６组合式密封中继间构造图 ４长距离顶进过程中施工措施 ４。１泥浆减阻的技术措施 长距离顶进对减阻泥浆的性能要求及泥浆食 形成非常严格，稳定的泥浆性能埘下推进阻力的 控制、顶管姿态的控制、地面沉降的控制都有非常 重要的影响，是施工顺利推进的保障、顶进时，通 过Ｔ具管及混凝土管节上预留的注浆孔，向管道 外壁压人一定量的减阻泥浆，在管道外闱形成完 整的泥浆套，减小管节外壁和土层Ｉ＇ＨＪ的摩阻力，从 而减小顶进时的顶力 ｌ、 ２０１８年７月第７期 城市道桥与防洪 管理施工１８９ 采用传统的膨润土泥浆作为主料，根据管道 周围土层的类别、膨润土的性质以及减阻泥浆的 技术指标，确定配合比：膨润土５％～２０％，纯碱 ２％ｏ～１５％ｏ，以及部分外加药剂。其泥浆配合比如下 表所示。减阻泥浆既有良好的流动性，又能不失 水、不沉淀、不固结。顶管泥浆的最终性能参数见 表３、表４。 表３泥浆配合比 ３８０ Ｖ低压电压输电，但为了解决长距离供电中 压降，采用低压变频及稳压器供电的方式，采用 １５０ ｍｉｌｌ 软电缆，每隔２００ ｍ设一只总控制电箱， 供１００ ｍ以后的主顶油泵车、渣浆泵、注浆泵和中 继间油泵等使用。 管道内照明采用３６ Ｖ安全电压，电源由管道 内设置的变压器提供，每三节管道装设一只照明 灯，每只变压器连接不超过１Ｏ只照明灯。相应地 随着顶进长度的增加，变压器也应相应增加。 在掘进机和中继间处安装应急照明系统，便 于突然停电时，施工人员的安全撤离和进场检修。 ４．３长距离顶管轴线控制措施 长距离顶管轴线控制与一般顶管相比，要求 漏斗黏度，ｓ 静切应力／Ｐａ比重滤失量触变性 更高更严，其轴线控制措施主要有以下几点【７Ｉ８】： （１）在施工过程中，应时刻注意轴线偏差发展 ４２ １２～２Ｏ ３—１Ｏ １．０７３＜１５ ｍＬ ＞１Ｐａ 的趋势。纠偏的原则是：勤测勤纠，让偏差保持在 较小的波动范围内。严格控制纠偏角度，严禁大角 为了保证泥浆减阻效果和工程质量，在施工 度纠偏； 中还应做到以下几点： （２）顶管机内安装高精度倾斜仪，能够实时精 （１）减阻泥浆中催化剂、化学添加剂应搅拌均 确显示机头前方筒体的水平倾斜角度，精度达到 匀，膨润土应充分水化。泥浆拌制完成后，应静置 ０．０１。，其作为高程纠偏措施和顶管机纠偏校正效 ２４ ｈ方可使用。 果的主要参考依据。 （２）超长顶管顶进时，普通的压浆泵无法一次 （３）顶管机纠偏油缸加设压力监控装置，通过 到位且压力损失较大，需要在管道内设置压浆接 油缸的不同区域的纠偏压力来分析预测顶管机周 力站。对泥浆进行接力输送。它不仅保证前方掘进 围不平衡外力和前进轨迹，为纠偏操作提供参考。 机推进过程中同步注浆的压力和浆量，也承担后 （４）顶管机内设有远程监控装置，在地面操作 方管道的泥浆补充任务。本工程共设置二根总管， 室内ＴＶ显示屏上显示，同时将顶管机的姿态、纠 平均每隔４００ ｍ左右设置一个压浆接力站，二套 偏角度和纠偏油缸行程等信息实时显示在顶管机 管路系统。一根专门用于掘进机尾部的同步注浆， 操作系统中。现场操作人员及时掌握顶进施工全 另一根用于补浆，见图７。 面信息，发现异常现象及时采取相应的措施。 （５）若改变刀盘转向的校正方法效果不佳时， 可采取加快推进速度、降低螺旋输土机转速、适当 提高控制土压的方法来提高纠偏反力。 ， （６）对工程控制点的复测工作都必须按规范要 求进行实施，确保测量数据的准确。 ４．４长距离顶管通风 ４．４．１通风的目的及标准 长距离顶管施工过程中，随着管道不断向前 延伸，由于空气不流通，管内温度逐渐增高，氧气 图７长距离顶管的注浆管路系统图 含量会逐渐降低，管内湿度逐渐增大有毒有害气 体也会不断累积，从而影响作业人员安全健康及 （３）为了准备控制和及时调整压浆的压力，在 顶管机电子元器件的正常运行。因此，在管道施工 压浆泵、工具管尾部等加装压力表，便于施工中实 过程中，全过程中采取通风措施，加大管道内空气 时监控，根据施工参数和监测数据进行调整。 流通量，营造良好的作业环境是非常有必要的【６］。 ４．２长距离顶管供电 对于长距离顶管采用由外向机头送风方式， 考虑顶管管道内高压供电安全性问题，采用 使井内空气与井外空气形成对流。同时在管道内 １９０管理施工 城市道桥与防洪 ２０１８年７月第７期 配备多功能有毒、有害、可燃气体的监测仪。基本 控制参数如下所示： （１）管道内的氧气浓度不低于２０％，作业点新 鲜空气量不低于３ ｍ３／人／ｍｉｎ。 （２）有毒有害气体ＣＯ不大于３０ ｍｇ／ｍ ，ＮＯ： 不大于５０ ｍｇ］ｍ３ ＣＯ２不大于０．５％，ＳＯ２不大于 ｏ．０００５％，１８～２０ ｍ／ｄ。顶进过程中，最终顶力为１ ０５０ ｔ，侧摩 阻力保持稳定，为０．４～０．５ ｋＰａ。从顶进区间轴线偏 差上看，最大轴线偏差为：平面偏差一ｌ０．５ ｃｍ，高 程偏差２．１ ｃｍ，机头扭转２。，施工控制良好。该顶 程内的最大沉降值约为５．５ ｍｍ，达到设计要求及 施工预定目标。 ３ 作ｏ业面的温度不超过３２。相对湿度不超 ６结论 （）作业面的温度不超过 。（）相对湿度不超 ｕ－日 过８０％，噪音不超过８０ ｄＢ。 （４）通风的空气必须清洁，送风风速应大于 ０．１５ ｍ／ｓ。 （１）根据超大直径、长距离顶管的特点，通过 组合式阀门的布置方式改进了泥水管路系统，并 通过特殊的接力泵形式解决了长距离顶管的出土 问题。 （２）按照规范要求，设置３个中继间，并采用 组合式密封设计，防止中继间密封圈的在长距离 顶进中磨损而发生渗漏。同时，施工中控制好注浆 减阻的施工管理，针对性调整中继间位置和数量。 （３）针对长距离顶进施工措施中，对泥浆减阻 措施、掘进机和管内供电措施、通风系统改进和顶 管轴线控制措施进行了系列优化。 参考文献： ４．４．２通风系统及施工 顶管顶程长度Ｌ＝Ｉ １２５ ｍ，管内作业时班组人 数为６人，工作井深Ｈ＝１０ ｍ。 在靠近工作井井口的地面上，采用鼓风机通 过ＤＮ１５０ＰＶＣ管道沿工作井底部进入管道，把新 鲜空气一直送至端部机头处。通风管道固定在工 作井侧壁和管道内壁的侧边，在工作井底部、管道 口和中继间处采用风琴式软管，以利风管伸缩。随 着管道的不断顶进，通风管也应在管道口的位置 相应接长。 通风机采用ＢＳＨ一１５０型罗茨鼓风机。排出压 力５８．８ ｋＰａ，进风量１９．２３ ｍ３／ｍｉｎ，功率２２ｋＷ，满 足管道内换气和控温的要求。 另外，在风管末端安装减压消音装置，降低通 风口的啸叫噪音。当工作井内焊接作业以及管道 内中继间安装时，应采用小型排风机，防止烟气进 入管道。 …１葛金科，沈水龙，许烨霜．现代顶管施工技术及工程实例【Ｍ】．北 京：中国建筑工业出版社，２００９． 【２】杂填土条件下长距离大管径泥水平衡机械顶管施工工艺研究 ［Ｊ１．￣ｔＪｉｌ水泥，２０１７（６）：２５９—２６０． ｆ３】潘立．大刀盘泥水平衡式长距离大口径顶管施工技术［Ｊ］．建筑施 工，２０１６，３８（８）：１１３２—１１３４． 【４】王福芝，曾聪，孔耀祖．大直径长距离顶管润滑泥浆方案研究【Ｊ］． 地质科技情报，２０１６（２）：４９—５２． ［５罗云峰．５】长距离大直径混凝土顶管中的减阻泥浆研究与应用ｆＪ］． 建筑施工，２０１４，３６（２）：１８６—１８８． ５施工实绩 迎宾７＃～迎宾８＃顶程两段顶管，北线先行施 工，共顶进混凝土管４４４节，历时７０ ｄ，南线后行 施工，间隔２９０环，共顶进混凝土管４４５节，历时 ５３ ｄ。顶管推进施工过程正常进行，顶进速度约为 （上接第１７０页） ［２】李德月．超重车运输中桥梁承载能力的评估［ＪＪ．华东公路，２００１ （２）：７—８． 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