上海盛鑫建设工程有限公司 上海 200331
一、工程概况
1.1工程简介
本工程为桃浦西路（真北路-泵站）道路积水点改善工程，其中雨水管道Ф2400顶管采用“F”型钢承口式钢筋砼管，“F”型钢套环，楔形橡胶圈接口。本工程Ф2400污水顶管全长963m，顶管工作井3座，顶管接收井3座，管道平面设计如下：
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1.2工程周边建筑物及管线情况及曲线顶管概况
本标段沿线的构筑物主要有：桃浦河防汛墙、八字桥、勤丰桥、桃浦河出水箱涵等。
顶管施工可能影响到的现状管线有：信息、燃气、上水、污水、雨水管等。由于桃浦西路Ф1000现状污水管道采用顶管施工工艺，Ф2400新建管道施工前对原工作井、接收井围护结构位置及深度进行确认，确保不影响新建管道顶进。新建雨水顶管为绕过原污水管工作井及接收井结构部分管段采用曲线顶管，其中Z5工作井至Z6接收井曲线半径337.7m，曲线半径很小，属于急曲线顶管，施工难度大。另由于管位北侧有桃浦河防汛墙，施工期间正值汛期对安全要求很高。
1.2工程地质情况
地基土自上而下为第11层为填土、第2层褐黄~灰黄色粉质粘土、第3层灰色淤泥质粉质粘土、第3t层灰色砂质粉土、第4层灰色淤泥质粘土、第51层灰色粘土、第51t层灰色砂质粉土、第52层灰色砂质粉土、第53层灰色粉质粘土、第6暗绿~草黄色粘质粉土、第7灰黄~灰色粘质粉土。根据地质报告51t、52层有微承压水，7层有承压水。承压水水头埋深一般为3~11m。施工期间应加强进行承压水水头观测，确保基坑安全。拟建场地地下水属潜水类型，水位主要受大气降水及地表水影响，设计时按常年地下水位0.5m计算。地下水对混凝土无腐蚀性。
雨水顶管位置主要在2、3、3t层地基土中，顶管施工时为确保顺利进行，针对不同的土层采用相应的施工方法。
二、主要施工技术
2.1成品管的选型与设计
目前顶管用的管材型号有企口管、T型钢套接口管和F型钢套接口管三种。本工程选用F型成品管。管节接缝有以下几何关系：
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S---缝隙差 D---外管径 L---管子长度 R---曲率半径 θ---转角
S=（L/R）*D tgθ=L/R
缝隙差如下
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根据计算，采用标准管节长度L=2.5m，R=600及R=337.7的管段管节缝隙差较大，相邻的两管节之间的转角θ也较大。这种情况会引起两种后果：一是管接口的密封性能得不到可靠保证；二是管子断面的受力面积减少，局部会产生应力集中现象而影响到管子的强度。为此将R=600管段改为L=2.0m的特殊管，R=337.7管段改为L=1.5m的特殊管，这样如上图标所示，转角θ值均小于θmax=0.5º的规范要求，且缝隙差也得到有效减小，曲线段的管子接口密封性能是可靠的。
但在实际施工中，还必须严格把关。如果顶管在曲线段的管子接口缝隙失控、契形胶带跑出钢套环外、那么管管接口密封失效，后果不堪设想，应引起高度重视。解决办法是在前8节管子都用拉杆加以限制，成品管上的预埋件采用整环内钢环，锚固件选用8×35带钢，要确保拉杆的可靠性。
2.1管道密封
F型管的接口采用楔型橡胶止水带，实际径压缩量为11mm，能够满足密封要求。但是在纵向，由于曲线缝隙、木衬垫加厚、管子端面的不平整等影响，如果采用标准钢套环伸出端长度，止水带就会移到钢套环外侧，接口的密封性能将得不到保证，为此我们把原来的长度增加了40mm。实际施工表明，在急曲线状态下接口密封性能仍是可靠的。
研究成品管的另一个重要问题是管节端面的木衬垫。在直线段，木衬垫受力已经被压缩了一部分。进入曲线段以后，在管道内侧又被压缩了一部分，但是这种压缩与材料性能有关。试验显示：采用多层夹板，变形量为15%，很小；而采用松木，变形量可以达到30%以上。对急曲线顶管施工，曲线段管子端面的承载面积应尽可能大些，同时衬垫材料也能够满足强度条件，显然松木衬垫更适应于急曲线顶管施工；同时，木衬垫的厚度也不宜太薄，否则将起不到压缩变形和补偿端面承载面积的作用。为此选择厚度为30mm的松木衬垫。
2.2顶管设备选型和设计
顶管掘进机的选型与土质情况有关，而与曲线情况无关。由于顶管穿越土层基本上都在灰色淤泥质黏土层中，土体软弱，含水率高，所以选择多刀盘土压平衡顶管掘进机，顶管的管内出土采用泥水管路系统，实现了泥水循环出土和连续顶进，提高了工效。但是曲线顶管的机头纠偏系统应另行设计，尤其对急曲线顶管，必须满足机头处有3~4套纠偏系统，用机头处的整体弯曲弧度来导向，引导后续的管道顺利曲行。
多刀盘土压平衡掘进机的开挖面稳定机理是通过调节主顶油缸的推进速度，或控制螺旋输送机的排土量来使土仓内的压力维持在设定的土压力P0上。调节主顶油缸的推进速度是调节土方的挖掘量，推进速度快，则挖土量多；反之，则挖土量少。排土量是通过调节螺旋输送机的转速来控制，螺旋输送机转速增大则排土增多；反之，排土量则减少。P0理论上控制在主动土压力和被动土压力之间，然后从实际推进过程中不断进行调整，优化推进参数，以使开挖面处于理想的平衡状态。
根据工程实践和有关资料，纠偏系统的设计应注意以下关键数据：
1）机头纠偏油缸总推力 控制在6510Kn，取8台D=200mm双作用油缸，每组2台，满足推力要求。
2）机头长径比（即机头前壳体长度/机头外径），如果长径比过小，在软土地层中顶进，往往因为土体反力不够，加之掘进机自重和机械振动的影响，即使在机头纠偏油缸伸出的情况下，仍无反应，本工程的机头长径比取值为1：1，纠偏效果良好。
3）机头最大纠偏角度，由于顶管纠偏的原则是勤测、勤纠、微纠，所以机头最大纠偏角度取值过大，操作人员往往很难控制微纠的原则，但是设计太小，又不能满足及时纠偏的要求，根据大量经验数据，最后取为2°
4）纠偏特殊管的设计，一般掘进机的纠偏系统设计成1套4组，成45°斜线上下方布置，但是考虑到本工程为急曲线顶管，所以在机头的1套纠偏系统上再增加3套纠偏系统，这种纠偏系统是用纠偏特殊管形式来解决的，即在F型成品管的尾部预置若干个油缸槽，以便顶管进入曲线段时，可以用油缸强行把成品管接缝张开，同时在接缝处塞入木垫，满足设计确定的θ值和缝隙值。
2.3轨迹控制与纠偏技术
（1）顶管控制测量
控制测量中有高程测量和左右偏差测量。高程测量较简单，在地面上把水准点标准引测至井边，通过垂直吊钢尺引测至井下，再在管道内用水准仪测至机头内标靶，即可知道机头高程偏差。此水准还可以机头测出来，闭合差按二级水准控制。
左右偏差测量是在井内后靠背处设一固定仪器墩，仪器墩上设强制对中孔，上架全站仪或棱镜，全站仪视距方向尽量与纵向管中心线重合。在全站仪前方井壁的井口设一目标点（为了便于校核也可设左右两点）。地面上通过已知的控制点放出井口目标点的坐标，方法采用三角测量，控制其测量误差在允许范围内。全站仪架在目标点上，在仪器墩上架棱镜，因井较浅，一镜就能看到目标放出仪器墩对中孔坐标。再把全站仪架在仪器墩上把后座这点和井口目标点的连线作起始导线边，管道内用导线法测量，因为是直线顶管，管道布置一条导线即能测出机头内固定标靶中心点的水平角和距离，通过计算，接合标靶中心点与管中心设计轴线的相对关系即可算出机头的左右偏差。
此控制测量的频率以每20m测量一次，进洞前50m需加密测量。
（2）顶进时的测量
控制测量需在管道静止的状态下进行，测量过密将影响到顶管进度，在管道顶进时，我们可以用激光经纬仪照准标靶的方法测量。方法是在出洞前通过控制测量测出后座仪器墩对中孔坐标，在仪器墩上架经纬仪，在机头内设标靶，标靶上标出二维直角坐标。移动标靶，使坐标原点与激光经纬仪目镜内十字丝交点重合后固定。顶进后直接读取标靶上坐标原点与激光点的漂移值，根据后座坐标和标靶与管中心关系即可算出左右、上下偏差。此方法较直观，但后座坐标需用控制测量复核，而且本工程纵向有0.15%和0.08%的坡度，管中心高程方向需根据顶进距离的变化而调整。此测量频率按管长和千斤顶情况，以每主千斤顶顶一个行程测一次。
（3）曲线顶管纠偏技术
除了机头一套纠偏装置以外，把最前3节管子设计成纠偏特殊管，即在普通管的尾部预留油缸槽，放置起曲油缸，以便顶管进入曲线段时，可以同时启用机头纠偏油缸和起曲油缸，并把木垫逐步垫到设计厚度，形成整体弯曲弧度开始起曲。当然也可以把机头设计成具有多组纠偏装置的壳体，进行纠偏。
只要机头及前几节管子已经开始起曲，后面的管节一旦到达起曲段，也会自行起曲。为了保持曲线，必须在管节开口后，逐步塞入木垫，直到设计厚度为止同时可在前8节管子上设置拉杆，以便控制管节缝隙的变化，以防线型失控。
当顶进从曲线段恢复到直线段时，也是通过机头纠偏油缸和起曲油缸实现的。这时可把原来压实的木垫抽出，或在反方向塞入木垫，逐步达到设计厚度。
曲线顶管从直线段到曲线段和曲线段恢复到直线段，应经过一段过渡曲线。施工前可根据设计曲线制定实际控制曲线，实际控制曲线宜保持在设计曲线的内侧。
2.4泥浆减阻技术
在长距离曲线顶管施工中，与直线顶管相比，受曲线和物理力学的影响，顶进的阻力比同距离的直线顶管阻力要大的多.所以注浆减摩的作用显的也很重要.
触变泥浆的应用是减小顶进阻力，确保顶管成功，减少中继环数量的重要措施。泥浆润滑减摩剂俗称触变泥浆，是由陶土粉、羧甲基纤维素CMC（粉末化学浆糊）、纯碱Na2CO3和清水H2O按一定比例配方组成。
浆液重量配合比为：
陶土粉 CMC 纯碱 清水
104（kg）1.05（kg） 3.05（kg）800（kg）
触变泥浆配比，根据不同土质确定。本顶管土层含水量高，渗透性强。管道在淤泥质夹砂层中穿越，最容易产生偏差。因此要求浆液粘度要高，失水量要小，以对土层能起到一定的支承作用。利于管道出洞后管节周围能迅速形成泥浆润滑外套。
触变泥浆减摩效果的好坏，除了与上述选用的浆液材料和配比泥浆搅拌后储存时间有关外，还与注浆孔的布置、注浆泵的选用、注浆压力的大小及浆液量多少跟顶进速度快慢有很大的关系。
顶进施工中，泥浆的用量主要取决于管道周围压等空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆流失及地下水稀释及水中氯根离子等的作用，泥浆的实际使用量要比理论计算量大得多，一般可达到理论值的4-5倍，但在施工中还要根据土质情况、顶进力大小、地面沉降等因素作适当的调整。因在土质比较松软的情况下顶进，故需防止压力过大而冒浆，应严格控制泥浆泵压力。
2.5中继间应用
本工程Z1~Z2，Z4~Z5管道长度均超过200米，拟当顶管进离过长顶力不够时采用钢制中继环，中继环的长度为1.3m。中继环安装时间主要视顶力的上升速度而定。由于管道顶进时，常会发生一些不可预见的因素，如土质变化，漏水，纠偏角度太大，触变泥遭到破坏，停顶时间过长等，都会造成顶力急剧上升，必要时启动待用的中继环。因此，顶进过程中必须加强监测，发现问题及时研究解决，以免贻误中继环的安放时间。
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当顶力超过管材极限承载的70%时，应立即启用中继环顶进。
三、结语
（1）顶管姿态控制精度高。本次顶管运用了自动测量引导系统，很好地解决了急曲线顶管的测量难题，满足曲线顶管“勤测勤纠”和控制好顶进轴线的要求，顶程轴线偏差始终控制在 C 4& ±60mm之内，机头准确贯通进洞，向下偏差2.2cm，向左偏差 3.5cm。
（2）注浆减摩效果好。本次顶管总推力为5870kN，掘进机迎面阻力为600kN，管道周边单位面积平均摩阻为1.45kPa，在三维急曲线顶管中，顶进阻力小，充分说明了顶管注浆减摩效果好。
（3）地表沉降小，最大点的沉降值为3cm，平均沉降值1.3cm。顶管在交通繁忙的复杂地层中顶进，先后安全穿越多根地下管线、民房和其他构筑物，避免了管线搬迁和民房动迁的大量工作。
参考文献：
［1］DBJ08-220-96上海市政排水管道工程施工及验收规程
［2］夏明耀，曾进伦/地下工程设计施工手册 中国建筑工业出版社
［3］顶管工程 北京：中国建筑工业出版社