上海市机械施工集团有限公司
摘要：顶管一次性顶进2100米，全程没有启动中继间在国内比较罕见。上海市金山区新江水质净化二厂及排海工程项目部，在保证老沪杭公路、金山保摊工程浅堤、、金山城市沙滩顺堤等一线大堤安全的前提下，采用了一系列顶进技术，顺利完成了2100米排海管和1450米应急排放管的顺利顶进，节约了工期和成本，同时也为以后类似顶管施工积累宝贵经验。
关键词：顶管；中继间；顶力；垂直顶升。
1.引言
随着环境保护意识和环保整治力度的逐年加大，加之不断复杂化的施工工况，传统开槽埋管施工技术在市政工程中的应用比例正逐年减少，取而代之的是一种新型非开挖管道施工技术----顶管。由于顶管施工为非开挖作业，这对在交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市进行管线施工具有尤为重要的意义。它既能高效地完成施工任务，又攻克了传统施工方法对城市建筑物造成破坏及道路交通堵塞等诸多难题，同时又能保有一个整洁、舒适和美好的环境。
超长距离顶管是一项应用在大口径管道下穿江河或地面建、构筑物的顶管敷设新技术。自1987年我国完成第一根超长距离顶管以来，随着国内经济的高速发展和大规模的城市建设的需要，超长距离顶管在我国市政工程中已得到越来越广泛的应用。同时，经过三十多年不断的技术研究、工艺创新和工程应用的积累，我国的超长距离顶管施工技术水平已得到了飞跃式的发展，一次顶进长度已由最初的几十米发展到现如今的2000多米，且成套的顶进设备、工艺均已基本达到国际领先水平。我国超长距离顶管技术的不断进步正带动着国内整个顶管技术领域的发展提高。
金山排海工程共计两根“出海管”，一根长度2100米，一根长度1450米，从工作井始发向杭州湾海底顶进，由北往南分别要穿越三座大堤，超长距离排海管施工风险大，各项措施保障要求高，且杭州湾海底土层复杂多变，如果中间任何一个环节出现差错，将前功尽弃，后果不堪设想。
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图1.排海管顶进平面图
2.工程概况
管道管径为DN2000，壁厚3cm，排海管长度为2100m，末端管内底标高-21.50，坡率为5.95‰，应急排放管长度为1450m，末端管内底标高-19.80，坡率为7.45‰。两段管道从工作井出发，几乎平行，在应急排放管末端最远相距100m。管道均采用钢制管道，单节管节长度为6m，内径为2m，采用鸳鸯坡口焊接接口。
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图2.排海管顶进实景
排海管上部设有15根DN450上升管（12根正常使用，3根备用，结合水量近期使用9根）。每根上升管设1只喷头，每只喷头设4只DN180喷口，喷口射流角度取仰角15°，尾水经上升管由喷口排出。上升管及喷口采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制作。上升管露出海床泥面高度不小于1m。
应急排放管只在海上放流系统出现非正常情况时启用，管道切换由高位井内闸门进行控制。应急排放管末端设6根DN600上升管，间距为12m。每根上升管设置1只喷头，喷头采用DN600鸭嘴阀。上升管采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制作。上升管露出海床泥面高度不小于1m。
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图3.排海管垂直顶升剖面图
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图4.应急排放管垂直顶升剖面图
3.超长距离顶管施工技术
3.1.土压力的控制
从实际施工角度分析，主动土压Pa～被动土压Pp的变化范围较大，在覆土层较深时（除去三处围堤的特殊情况，当处于④层淤泥质粘土层时，最大覆土为11m左右），在0.101Mpa～0.315Mpa，而当处于⑤3层粉质粘土层时（最大覆土为8.15m左右），在0.056Mpa～0.323Mpa。
由于半理论半经验的计算公式与实际间势必存在差距，施工中我们将土压力初始值取为静止土压力Po和主动土压力Pa与被动土压力Pp平均值的大者，将土压设定控制在（200±20kpa）范围内，并在施工过程中根据地质变化（土层变化和覆土厚度变化），轴线姿态，反馈的摩阻力、顶力值及地表沉降数据（穿越三处围堤）经综合分析后做适时调整。
从最终监测来看，整个施工期内地面沉降均控制在了2cm以下，说明土压力的控制还是比较到位的。
3.2.顶力、摩阻力控制技术
控制顶力：
本工程顶进设备选用最大顶力4台2000kN双冲程油缸，总推力为8000kN。顶管工作井设计允许最大顶力为6000kN。故最大顶力控制在允许顶力的80％以内。
顶力估算：
根据经验及掌握的有关f值的规律，计算：
①顶管机迎面阻力F2≈1862kN，②管道与土层的摩阻力F1 ≈31039KN
F=F1+F2=1862+31039=32901KN>6000KN
中继间设置：
第一节中继节安放位置L1，
L1=（F3-F2）k1/f2=（6000×0.8-1862）×0.6/（3.14×2.08×5）=54m；
根据规范及施工经验取20～50m内，取为48m；第二节及以后中继间间距L2，
L2=F3*k2/f2=6000×0.75/13.07=344m。
取L2=342m；
主站顶进长度L0，
L0= F3*k3/f2=6000×0.8/13.07=367m；
取L0=360m。
2100米排海管中继间数量：
n=（L-L1-L0）/L2+1=（2100-48-360）/342+1≈6个。
排海管顶进最后阶段，其正常顶进时主顶顶力力为663t，由于全程未启动中继间，则平均摩阻力f基本控制在0.035t/m2，仅为施工前的目标控制值的1/3，说明我们在土压力把握，中继间设置，膨润土泥浆套制作与顶力控制之间做到了非常好的综合控制。
通过本工程的实际应用，排海管中继间由最初的6个到最后只设置4个，应急排海管由最初的4个到最后只设置3个，可以总结出如下经验：
（1）摩阻力、顶管总顶力的控制与浆套管的好坏有直接关系。
（2）根据顶进时的顶力、摩阻力的变化情况，往往需要对中继间的设置进行重新调整。这一方面直接与工程成本挂钩，同时也与后期中继间的闭合、施工风险及工期等息息相关。
在2100米排海管实际顶进过程中，得益于良好的触变泥浆系统，顶管一次性顶进到位，中继间一个都没有启动。
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图5.排海管贯通图
3.3.注浆系统
顶管施工中，顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效的方法是进行壁后注浆。注浆使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低顶进时的摩阻力，减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。本工程采用顶管专用膨润土泥浆材料进行减阻，使管道外侧摩阻系数控制在1.0kN/m2左右范围内。
按照注浆孔布设间距安装1寸环管并接三通阀至管节注浆孔，总管与阀门用软管连接。每段顶管第一节设置一套特殊注浆环（5孔），第二～五节均设一套注浆环（3孔），第六～五十一节每2节管子设一套注浆环（3孔），后续管节每4节管子设一套注浆环（3孔）。
注浆压入口的压力应稍大于该处的静止水压力、土体压力之和。注浆原则是注浆时必须保持“先压后顶、随顶随压、及时补浆”，根据顶力情况及时补浆，使摩阻力控制在最佳值。当实际减磨的效果大于f=1.0kN/m2时，必须改变触变泥浆的成分，在润滑剂材料中掺入聚丙烯胺高分子材料，改善润滑效果，使管道外侧磨阻系数控制在f=1.0kN/m2。
设计注浆压力控制在0.3MPa~1.0MPa，压力不宜过大，防止压穿、冒浆造成物资的流失，具体注浆压力需根据现场实际试验段顶进情况决定。
4.垂直顶升技术
排海管和应急排放管只有“出洞”没有“进洞”，两台机头顶进就位后就连同管节一起埋在海底，如何实现“中水”的排放，通过“垂直顶升”来实现，垂直顶升就是利用一组千斤顶和顶升架从排海管管节顶部“预留孔”处由下而上将管节顶出海床面，垂直顶升总的高度9~10米，出海床泥面1米，垂直顶升所用管节由15根φ450mm的管节组成，单节高度0.8米，管节与管节之间通过不锈钢螺栓连接。完成后由工作井向管内灌水，管内外水压达到平衡，最后由潜水员下海在露出海床顶部的管节上方安装喷头和鸭嘴阀，这样就实现了“中水”的排放。
4.1.垂直顶升设备深化设计技术
本工程对顶升管闷板、首节管、压环、预埋环、外钢套等进行深化设计，确保一整套顶升设施的技术可行、安全可靠。
底座：施工前先加工圆弧形底座，底座安放在钢管上后应与钢管和环向加劲板紧贴，缝隙应小于3mm；底座间隔1m安放一个，共放置2个底座，底座底部采用枕木对顶，使其与环形加劲板顶紧，防止滑移，同时进行高程复测，确保高度一致；底座设备布置应妥当、牢固，保证强度、刚度及稳定性。
液压站及千斤顶：顶进施工采用液压站作为动力源，其中油泵采用变量泵，用以调整顶进速度。液压站通过油管连接到二只千斤顶。千斤顶分别放置于两侧的支撑架上；液压站带有调节阀，根据施工需要调整进油速度，实现二只千斤顶顶升速度不一致，可达到纠偏效果。
垫块：采用10mm厚钢板焊接制作，作为顶升架提升过程中支托高度不够时放置在顶升架下部横档上的支垫。施工中一共使用4组垫块，每组为顶升架两侧各放置1个。
管节连接插销：
顶升时管段连接采用插销连接，并对其进行深化设，用不锈钢插销连接避免了电焊，这样既减小了在密闭空间中施工作业的风险，同时又加快了施工进度。
4.2.垂直顶升施工流程
顶升设备安装调试
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首节管顶升
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首节管顶升就位，安装止推环
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下节管就位，
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顶升
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管与管之间螺栓连接
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继续下节管顶升
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垂直度检查纠偏
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后续管节顶升
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上升管露出海床泥面1米，垂直顶升完成工作井和排海管灌水，与海平面相平，消除压力差
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潜水员下海安装喷头和鸭嘴阀
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图6.垂直顶升操作图
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图7.垂直顶升完成图
5.结束语
2100米超长排海管的顺利顶进和贯通，刷新了上海单次顶管顶进最长记录，一次顶进到位，全程未启用一个中继间，创造了顶管顶进的一个奇迹，在国内外也比较罕见。
此次排海管的顺利贯通，是顶管施工领域的一个重大突破，为以后类似施工提供参考和借鉴。