浅谈大口径超长距离钢顶管施工顶力控制

李凤梧

随着我国城市化建设的飞跃发展,市政工程的大量通信、电力、水管等管线的铺设,需要穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道等。顶管施工技术是一种较好保护环境的敷设地下管线的非开挖技术,因此在市政工程建设中得到广泛使用。

影响顶管的施工因素较多,顶力是顶管施工中必须确定的一个重要参数,平均摩阻力则是衡量顶进效果的一个重要指标。尤其大口径超长距离顶管施工顶进推力过大是困扰顶管施工多年的技术难题。靠提高顶管管材的抗压强度,加固顶管工作坑及后背等方法不仅不经济,还受到技术方面因素的制约,顶力控制得不好,将无法完成顶进。所以控制顶力成了顶管施工的关键。本文以上海青草沙严桥支线工程C6标J26号～J25号井大口径超长距离顶管施工过程顶力变化情况,对顶力和平均摩阻力随顶程变化规律及其影响因素作了深入分析。

1 工程及地质概况

青草沙严桥支线工程C6标J26号～J25号井顶进长度1 119 m,埋深13 m。采用DN3 600双管,管道呈南北走向,东、西双线管道中心间距7.2 m,钢管壁厚34 mm。根据顶管施工段工程地质剖面图分析(见图1),顶管施工主要涉及第③1和④层。大部分顶管穿越第④层,部分顶管处于两层交界处。第③1层灰色淤泥质粉质黏土,含云母、有机质条纹,夹少量淤泥质黏土及粉质黏土,局部地段夹多量粉性土,呈流塑状态,饱和,压缩性中等,土质不均匀。管道沿线土性有一定变化。第④层灰色淤泥质黏土,含云母、有机质条纹及贝壳碎屑,夹薄层粉砂,局部夹少量淤泥质粉质黏土,饱和,压缩性高,土质较均匀。

2 顶管施工中的顶力组成

在顶管顶进施工中,总顶力由两部分组成,即管节前端迎面阻力和管道摩阻力[1]。

作用在管道上的迎面阻力与土压力的大小、管径的大小有关,随着顶进距离的加长,迎面阻力占总顶力的百分比会减小,对整个顶力的影响不大。

管道摩阻力是顶力的重要组成部分,其大小直接影响顶力的大小。它与土层的土性参数、管道埋深、管材的种类、管径大小以及管道与土体之间的接触应力等因素有关。因此控制好摩擦力是超长距离顶管成败的关键。

3 影响顶力因素分析及采取控制顶力的措施

在顶进施工的全过程中,采集记录了主千斤顶的顶力数值。由于顶进过程影响顶力因素复杂多变,顶力全程呈较为剧烈震荡上升的趋势,平均摩阻力则在经过初期的高位震荡后,由于施工趋于稳定,如泥浆套已成型、轴线控制已相对稳定,以及顶程对影响因素的稀释作用而迅速下降并变得比较平稳。

图2就是根据J26号～J25号井顶程的顶力绘制的顶力曲线图,顶力数值记录的间隔是每顶进0.5 m。

分析顶力曲线的变化,并结合管道顶进施工的过程,可得出以下结论:

1)严格控制轴线偏差是保持较小顶力的保证。J26～J25顶程长度1119 m,顶力控制情况良好,其中西线贯通时顶力约12 000 kN,东线贯通时顶力只有6 000 kN左右,两条线的平均摩擦阻力分别只有0.7 kPa和0.5 kPa。这与良好的顶进轴线控制是密不可分的,东线由于高程偏差控制更加精确,顶力明显小于西线,平均要小2 000 kN左右。由于顶力不大,这两条线都只安放了一个中继间,而且中继间最终都没有启动使用。

2)大口径顶管顶力中的迎面阻力较大。两条线开始顶进时初始顶力都达到3 000 kN以上,这个数值也基本上就是迎面阻力的大小。顶管的直径越大,其迎面阻力也越大,并且大口径顶管的迎面阻力占总顶力的比例也要比小直径顶管所占的比例大。大口径顶管中不能忽视迎面阻力这个重要因素。特别要注意刚开始顶进时迎面阻力大于摩阻力,基本上当管道顶进约250 m～300 m,总顶力达到6 000 kN时,摩擦阻力才开始超过迎面阻力,在这期间都有可能发生管道随着千斤顶回缩一起后退的现象,要特别小心。

3)长时间停顿会造成顶力大幅上升。从图2中可以看出,顶力曲线基本上是由许多波长一致的波浪线组成的,波峰就是每节钢管焊接完毕后开始顶进时的起始顶力。而随着在钢管顶进过程中对触变泥浆套进行补充,顶力会逐渐下降。顶力上升的幅度从500 kN～4 000 kN不等,它与停顿的时间密切相关,停顿时间小于6 h时顶力上升并不明显,而停顿时间达到10 h后,顶力最少上升2 000 kN。因此,在大口径钢顶管施工中,要尽最大的努力提高焊接效率,缩短顶进停顿的时间。从图中还可以看到一个现象,东线顶进到最后100 m时顶力持续大幅下降,从11 000 kN左右很快降至8 000 kN,直至最后降至约6 000 kN。其中的一个重要原因是,东线顶管比西线晚约150 m,当西线率先贯通后,同一工作井内只剩下东线继续顶进施工,没有了相互干扰,东线施工速度大幅提高,特别是焊接时间明显缩短。

4)触变泥浆润滑套是控制顶力的关键。从图2顶力曲线中不难得出这样的结论:由于泥浆套的作用,顶力并不是随着顶进距离的增加而线性递增的。当泥浆套完整时,顶力整体上升放慢或是在下降。所以,如何在管外壁形成完整的触变泥浆润滑套是顶管施工的关键。随着顶进长度的增加,泥浆套得到不断的补充和修复,从两条线最后300 m的顶力曲线可以明显看出,顶力不仅没有继续上升,反而呈现出下降的态势,特别是东线顶力下降非常明显。

5)触变泥浆流失会造成顶力突变。由于需要穿越河道覆土较浅和沿线存在多个不明的钻探孔等原因,曾经多次出现过泥浆从地层的孔隙中泄露到地面或河道内的现象,泥浆的流失使得泥浆润滑套的完整性被破坏,泥浆套的完整性被破坏又会使得顶进阻力急剧上升。

从图2中可看出钢管顶进至400 m～480 m时,正在穿越一条名为华漕达港的小河浜,此处覆土深度只有4.9 m,且河底有一层厚厚的淤泥层。由于泥浆大量泄漏到河浜中,两条线顶力均大幅上升,其中西线从7 000 kN上升到10 000 kN,而东线也从在地层中存在严重孔隙的地方重新修复并建立泥浆润滑套确实比较困难,需要较长的施工过程才能够逐渐得到修复。因此,加强对注浆过程的管理,避免出现泥浆冒顶现象,保持完整的触变,泥浆润滑套就显得非常重要了。

4 结语

从以上对J26～J25顶程顶力曲线图的分析可以得出以下结论:大口径超长距离钢顶管施工初期顶力的大小主要是迎面阻力,是顶管施工初期主要控制目标,而随着顶程的增加,摩阻力逐渐增大并成为影响顶力的关键因素。严格控制轴线偏差减少纠偏量,避免长时间停顿,保证触变泥浆的注浆效果,减少触变泥浆流失,形成完整的泥浆套是减小顶进摩阻力的有效途径。

[1] 韩选江.大型地下顶管施工技术原理及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 王 争.非开挖顶进施工技术探析[J].山西建筑,2008,34(11):179-180.