曲線頂管施工質(zhì)量控制

韓華定，舒兆亞，吳宇寒，吳玉俊

（1.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇揚(yáng)州 225007；2.高郵市水務(wù)產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225600）

高郵市高郵湖應(yīng)急備用水源為高郵市政府2018年度重點(diǎn)工程，位于高郵市馬棚街道，清水潭南600 m，新建穿越京杭運(yùn)河至高郵湖取水（穿越一級(jí)堤防）的輸水管道，規(guī)格為DN2400的JPCCP預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土，管道豎曲線半徑為8 000 m，下穿京杭運(yùn)河頂管長(zhǎng)775 m，同時(shí)通過(guò)DN1000的PCCP輸水管道7.2 km輸水至高郵市第二水廠。

工程地質(zhì)條件：本工程場(chǎng)地地貌類型屬水網(wǎng)平原，土層分為8層，其中①～④層為灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、重粉質(zhì)壤土，⑤層以下為褐黃色粉質(zhì)黏土、黏土、重粉質(zhì)壤土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。

工程特點(diǎn)：取水口位于高郵湖側(cè)，電力、交通不便；頂管施工技術(shù)難度大；輸水管道戰(zhàn)線長(zhǎng)、矛盾多。

施工難點(diǎn)：取水管道頂管下穿京杭運(yùn)河及兩側(cè)堤防，一次性曲線頂進(jìn)775 m，在非開(kāi)挖管道施工中屬于大直徑、長(zhǎng)距離、曲線頂管施工，施工質(zhì)量控制是工程的主要難點(diǎn)。

本工程施工聚焦了曲線頂管施工的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，保障了工程質(zhì)量。

1 頂管施工技術(shù)

1.1 沉井施工

1.1.1 沉井制作

本工程共有2座沉井，其中工作井布置在京杭運(yùn)河?xùn)|堤堤后一支渠路北側(cè)40.0 m，距堤防坡腳124.0 m處，平面尺寸為10.6 m×7.6 m，刃腳底高程為▽-7.6 m，沉井頂高程▽7.0 m，沉井壁厚及底板均為800 mm；接收井布置在高郵湖內(nèi)，距堤防坡腳57.0 m，平面尺寸為9.6 m×6.6 m，刃腳底高程為▽-5.8 m，沉井頂高程▽11.0 m，沉井壁厚為800 mm，底板厚

1 000 mm。

沉井的施工主要包括沉井結(jié)構(gòu)制作與井體下沉2部分。工作井及接收井均采用2次制作、1次下沉、1次接高的施工工藝。

1.1.2 沉井下沉

（1）沉井下沉前準(zhǔn)備。沉井下沉?xí)r，第一節(jié)混凝土須達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%，第二節(jié)須達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%；下沉前進(jìn)行技術(shù)、安全交底，排好值班表；檢查所有降水井，保證井點(diǎn)的正常運(yùn)行；清理沉井內(nèi)壁雜物，與底板連接處表面混凝土應(yīng)鑿毛；主要用水直接從附近河道中抽水，確保水量充足；沉井下沉前在井內(nèi)外設(shè)簡(jiǎn)易扶梯，頂部布置欄桿及照明。在沉井四周外側(cè)布置高程控制點(diǎn)，標(biāo)記水準(zhǔn)尺刻度（精確到10 cm），各高程點(diǎn)、水準(zhǔn)尺應(yīng)穩(wěn)固可靠。特別重視刃腳踏面的底高程的測(cè)量與復(fù)核；沉井下沉期間，24 h輪班作業(yè)，夜間照明必須滿足夜間施工的要求。

（2）下沉過(guò)程監(jiān)測(cè)。下沉過(guò)程中，要對(duì)沉井主體監(jiān)測(cè)（沉降速度、不均勻沉降及整體位移），同時(shí)也要對(duì)四周土體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。沉井主體監(jiān)測(cè)：在沉井井壁四周布置沉降觀測(cè)點(diǎn)，布置豎向軸線，定時(shí)觀測(cè)軸線變化情況，并做記錄。如累計(jì)位移超過(guò)5 cm時(shí)，則應(yīng)采取糾偏措施。沉井四周土體監(jiān)測(cè)：定時(shí)觀測(cè)沉井四周土體變化情況，如發(fā)生突然下沉或產(chǎn)生較大裂縫，則應(yīng)分析原因，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。排泥區(qū)監(jiān)測(cè)：定時(shí)觀察排泥區(qū)情況，若堆方突然加大導(dǎo)致圍堰失穩(wěn)或發(fā)生缺口，則應(yīng)立即采取加固措施。

1.1.3 沉井封底

當(dāng)沉井下沉接近設(shè)計(jì)標(biāo)高，應(yīng)加大觀測(cè)頻率，基本穩(wěn)定后，在8 h沉降量小于0.1 m時(shí)方可封底。先將井底整平，鋪筑塊石或碎石擠淤，后進(jìn)行沉井封底。

（1）封底施工。封底混凝土可適當(dāng)摻加速凝劑，集中力量加快混凝土施工進(jìn)度，增加重量防止底部土方反彈和滲水，以保證封底混凝土的質(zhì)量。

（2）底板施工。封底混凝土凝固24 h后即可進(jìn)行底板的鋼筋綁扎。底板混凝土澆筑前必須鑿除并清洗好底板與井壁的混凝土表面，防止底板滲漏窨潮。底板澆筑完畢后應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，加大降水井的觀測(cè)和維護(hù)，確保24 h連續(xù)不間斷抽水，保證底板混凝土的施工質(zhì)量。

1.2 頂管機(jī)型的選擇

根據(jù)施工工藝的要求，本工程頂管所采用的施工工藝為機(jī)械泥水平衡法，頂管機(jī)型選用平面大刀盤(pán)泥水平衡頂管機(jī)技術(shù)。平面大刀盤(pán)頂管機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于刀盤(pán)呈平面狀，開(kāi)口率達(dá)6%，泥土倉(cāng)的壓力略高于土體的壓力，可防止土體流失，做到機(jī)內(nèi)與機(jī)外的水位平衡。

（2）刀盤(pán)切削下來(lái)的土經(jīng)攪拌，具有較好的塑性和流動(dòng)性。

（3）由于本工程部分地段為粉質(zhì)黏土，局部含鐵錳質(zhì)結(jié)核，刀盤(pán)及刀具磨損較重，所以刀具采用合金刀具。

1.3 施工流程

頂管工程施工流程見(jiàn)圖1。

圖1 頂管工程施工流程

2 施工質(zhì)量控制

2.1 管材選用

管材質(zhì)量驗(yàn)收由專人負(fù)責(zé)，要求如下：①管道進(jìn)場(chǎng)每節(jié)必須有出廠合格證；②管道外觀尺寸檢查，必須符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求；③承插口及薄鋼板無(wú)明顯損壞，混凝土表觀良好；④對(duì)接管口的允許相對(duì)轉(zhuǎn)角小于0.57°；⑤為確保頂管接口質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，每根管材對(duì)接后、進(jìn)洞前都必須進(jìn)行打壓試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求的可繼續(xù)頂進(jìn)，不滿足要求的應(yīng)及時(shí)拔出，更換橡膠圈或管材。

施工證明，JPCCP管材有理想的密封效果，對(duì)曲線頂進(jìn)有較好的適應(yīng)性。

2.2 測(cè)量放樣

（1）導(dǎo)線測(cè)量。導(dǎo)線測(cè)量的目的是從基準(zhǔn)測(cè)量交樁點(diǎn)通過(guò)附和導(dǎo)線的形式把坐標(biāo)、方位引測(cè)到沉井附近，再?gòu)某辆蛳聜鬟f到頂管位置的導(dǎo)線測(cè)量。

（2）水準(zhǔn)測(cè)量。水準(zhǔn)測(cè)量較為簡(jiǎn)單，把已知水準(zhǔn)點(diǎn)高程通過(guò)測(cè)量引至沉井附近，然后再沉井附近點(diǎn)高程經(jīng)過(guò)測(cè)量向沉井下延伸，計(jì)算出頂管各點(diǎn)高程。

（3）軸線（曲線）測(cè)量。軸線測(cè)量就是將設(shè)計(jì)頂管軸線放樣至實(shí)地位置，即軸線放樣。該工作在曲線頂管施工中較為重要，它關(guān)系到頂管預(yù)留洞口位置是否正確，關(guān)系到頂管能否按設(shè)計(jì)的曲線如期順利出洞。

軸線測(cè)量采用CAD軟件（內(nèi)業(yè)）和全站儀（外業(yè)）進(jìn)行。首先，將軸線點(diǎn)坐標(biāo)和井中心坐標(biāo)載入CAD軟件中，然后以井中心為中心畫(huà)一圓（略大于工作井半徑），再將軸線延長(zhǎng)，與圓相交。其次，利用全站儀將兩點(diǎn)坐標(biāo)放樣出來(lái)。將點(diǎn)放出來(lái)后，利用鉛垂原理將軸線中心引至設(shè)計(jì)標(biāo)高即可。

2.3 豎曲線頂管跟蹤測(cè)量方案

（1）管道內(nèi)測(cè)站布置。由于本工程頂管為豎曲線頂管，不能從井內(nèi)直接測(cè)量到機(jī)頭，因此管道內(nèi)必須設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)。轉(zhuǎn)點(diǎn)每100 m設(shè)置1個(gè)，站臺(tái)為事先制作的簡(jiǎn)易三腳支架，然后把專用全站儀強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)固定在支架上。

（2）管道接口縫隙差的計(jì)算。經(jīng)計(jì)算每管節(jié)縫隙之間的開(kāi)口距離為0.00108 m，管口的轉(zhuǎn)角θ為0.0215°。查規(guī)范得知，曲線段的管道接口密封性能是可靠的。如果頂管在曲線段的接口縫隙破壞、契形膠帶跑到鋼套環(huán)外、管道接口密封失敗，滲漏造成的影響無(wú)法估量。為了保證施工質(zhì)量，起始段2節(jié)管道預(yù)制時(shí)增加整套內(nèi)鋼環(huán)預(yù)埋件，安裝時(shí)采用大直徑拉桿與預(yù)埋件焊接，使2節(jié)管道連成一體，增加整體剛度，減少變形帶來(lái)的接口縫隙破壞。

酸和堿之間的中和反應(yīng)是初中化學(xué)教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)之一。在定性實(shí)驗(yàn)中教材是向滴有少量酚酞溶液的稀氫氧化鈉溶液中逐滴加入稀鹽酸，通過(guò)觀察酚酞紅色的消失說(shuō)明中和反應(yīng)恰好完成。這種方法雖然現(xiàn)象較明顯，易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但也存在明顯不足，其一是酚酞顏色細(xì)微的變化需要人的估計(jì)，接近滴定終點(diǎn)不能準(zhǔn)確地顯示，由于酚酞溶液有一定的變色范圍，當(dāng)酚酞溶液變?yōu)闊o(wú)色時(shí)，中和反應(yīng)不一定恰好完成；其二是無(wú)法知道中和滴定實(shí)驗(yàn)中溶液酸堿度的動(dòng)態(tài)變化，以及酚酞溶液由紅色變?yōu)闊o(wú)色后溶液的pH。

2.4 頂力估算及中繼間布置

（1）頂力估算。頂力估算依據(jù)《頂管工程施工規(guī)程》DGTJ08-2049-2008規(guī)范中總頂力，經(jīng)計(jì)算為3 745 t，大于主頂總推力1 200 t，因此該段頂管需設(shè)置中繼間。

（2）中繼間的設(shè)置計(jì)算。經(jīng)計(jì)算頂管的總推力大于設(shè)計(jì)要求的總推力，需設(shè)置中繼間進(jìn)行中間接力頂進(jìn)。頂進(jìn)過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制頂推力，當(dāng)頂推力達(dá)到1 080 t時(shí)（即設(shè)計(jì)要求的90%），需及時(shí)啟動(dòng)中繼間。

經(jīng)計(jì)算并結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，中繼間的布置為：頂管機(jī)→50 m處安裝①中繼間→200 m處安裝②中繼間→350 m處安裝③中繼間→500 m處安裝④中繼間→600 m處安裝⑤中繼間→余下175 m頂距由主頂完成。

本工程為超長(zhǎng)距離頂管，共需5套中繼間，每只中繼間的長(zhǎng)度為1.2 m。中繼間按以上方案隨頂管一并安裝。何時(shí)啟用中繼間，需要根據(jù)頂推力的大小確定。如管道頂進(jìn)時(shí)，頂推力大于1 080 t，且頂推困難，則需啟動(dòng)中繼間；另外頂進(jìn)過(guò)程中遇到土質(zhì)變化較大，或者頂進(jìn)糾偏角度太大，停頂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成頂力急劇上升，經(jīng)研究決定必須啟動(dòng)中繼間。因此，頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻率，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決［2］。

（3）中繼間由專業(yè)金屬構(gòu)件公司制作。

3 質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 頂管姿態(tài)控制

3.1.1 頂進(jìn)偏差原因分析

（1）形成滾動(dòng)偏差的原因。刀盤(pán)切削土體的扭矩主要是由頂管機(jī)殼體與土層之間的摩擦力矩來(lái)平衡。當(dāng)摩擦力矩?zé)o法平衡刀盤(pán)切削土體產(chǎn)生的扭矩時(shí)頂管機(jī)將形成滾動(dòng)偏差。過(guò)大的滾動(dòng)會(huì)影響糾偏油缸，造成測(cè)量、糾偏及出土困難，對(duì)頂管軸線偏斜也有一定影響。

（2）引起方向偏差的因素。在頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中因?yàn)椴煌课豁斶M(jìn)千斤頂參數(shù)的設(shè)定偏差，使頂進(jìn)方向產(chǎn)生偏差。由于頂管機(jī)表面與地層間的摩擦阻力不均勻、開(kāi)挖面上土壓力的差異以及切削刀口切削欠挖時(shí)引起的地層阻力不同，也會(huì)引起一定的方向偏差。

開(kāi)挖面土層性質(zhì)差異容易引起方向偏差。即使在開(kāi)挖土體力學(xué)性質(zhì)十分均勻的情況下，受頂管機(jī)刀盤(pán)自重的影響，頂管機(jī)也有下降的趨勢(shì)。因此，在頂進(jìn)的過(guò)程中，必須對(duì)豎直方向的誤差進(jìn)行嚴(yán)密跟蹤監(jiān)測(cè)，隨時(shí)修正各種原因引起的方向偏差，把頂進(jìn)方向偏差控制在允許范圍內(nèi)。

3.1.2 頂管機(jī)的姿態(tài)監(jiān)測(cè)

（1）人工監(jiān)測(cè)。采用全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器測(cè)量頂管機(jī)的軸線偏差，形成數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)頂管機(jī)的姿態(tài)。

（2）滾動(dòng)角的監(jiān)測(cè)。用電子水準(zhǔn)儀測(cè)量高差，推算頂管機(jī)的滾動(dòng)圓心角，監(jiān)測(cè)頂管機(jī)的滾動(dòng)偏差。方法是在切削艙隔墻后方對(duì)稱設(shè)置2個(gè)測(cè)量點(diǎn)，2年點(diǎn)處于同一水平線上，且距離為一定值。測(cè)量2個(gè)點(diǎn)的高程差，即可算出滾動(dòng)角。

豎直偏角的監(jiān)測(cè)：電子水準(zhǔn)儀可直接測(cè)量頂管機(jī)的俯仰角變化，上仰或下俯其角度增量的變化方向相反；水平偏角的監(jiān)測(cè)：電子全站儀可直接測(cè)量頂管機(jī)的左右擺動(dòng)，左擺或右擺水平方向角的變化方向相反。通過(guò)豎直偏角和水平偏角的監(jiān)測(cè)可分析頂管的姿態(tài)是否處于合理區(qū)間，決定是否采取糾偏措施。

（3）激光導(dǎo)向監(jiān)測(cè)。頂管機(jī)上安裝的激光導(dǎo)向系統(tǒng)，是從一個(gè)固定基準(zhǔn)點(diǎn)向頂管機(jī)測(cè)量板發(fā)射激光束，然后計(jì)算出頂管機(jī)相對(duì)設(shè)計(jì)線路的偏差位置。頂管機(jī)相對(duì)設(shè)計(jì)軸線的偏差值顯示在監(jiān)控顯示器上。操作人員在控制室內(nèi)，通過(guò)控制系統(tǒng)修正頂管機(jī)的偏差。

測(cè)量裝置由目標(biāo)測(cè)量板即激光靶板和傾角羅盤(pán)裝置組成，激光靶板測(cè)量激光入射點(diǎn)和入射角，傾角羅盤(pán)儀測(cè)量機(jī)器在2個(gè)方向上的轉(zhuǎn)角。測(cè)量時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以進(jìn)一步提高頂管機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)的精度［3-7］。

3.1.3 頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整

（1）滾動(dòng)糾偏。由于刀盤(pán)正反向均可以出土，因此通過(guò)反轉(zhuǎn)頂管機(jī)刀盤(pán)，就可以糾正滾動(dòng)偏差。允許滾動(dòng)偏差不大于1.5°，當(dāng)超過(guò)1.5°時(shí)頂管機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提示操作者切換刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。

（2）豎直方向糾偏。控制頂進(jìn)方向的主要方法是改變單側(cè)千斤頂?shù)捻斄?。但它與頂管機(jī)姿態(tài)變化量間的關(guān)系沒(méi)有固定規(guī)律，需要靠人的經(jīng)驗(yàn)靈活掌握。

當(dāng)頂管機(jī)出現(xiàn)下俯時(shí)，可加大下側(cè)千斤頂?shù)捻斄?，?dāng)頂管機(jī)出現(xiàn)上仰時(shí)，可加大上千斤頂?shù)捻斄?lái)進(jìn)行糾偏。

（3）水平方向。與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時(shí)加大左側(cè)千斤頂?shù)捻斄?，右偏時(shí)則加大右側(cè)千斤頂?shù)捻斄Α?/p>

（4）糾偏注意事項(xiàng)：①切換刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，先讓刀盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，間隔一段時(shí)間后，再改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定；②要隨時(shí)根據(jù)開(kāi)挖面地層情況及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，修正頂進(jìn)方向，避免偏差越來(lái)越大；③頂進(jìn)時(shí)要及時(shí)進(jìn)行糾偏，消除偏差后，再繼續(xù)向前頂進(jìn)；④確保頂管機(jī)泥水壓力平衡和地層穩(wěn)定的技術(shù)措施；⑤下管對(duì)接時(shí)，嚴(yán)防頂管機(jī)后退，確保正面土體穩(wěn)定；⑥同步注漿充填環(huán)形間隙，使混凝土管能盡早支承地層，控制地層沉陷；⑦作好泥水艙壓力平衡控制，保證開(kāi)挖面土體穩(wěn)定；⑧利用信息化施工技術(shù)指導(dǎo)頂進(jìn)管理，保證周圍自然環(huán)境。

3.2 頂管施工應(yīng)急對(duì)策

3.2.1 機(jī)頭進(jìn)洞后退控制

由于管道埋深較深，土壓力會(huì)加大，進(jìn)洞時(shí)機(jī)頭可能會(huì)受到土的壓力往后退。針對(duì)這種情況在千斤頂縮回之前，用電焊將機(jī)頭與導(dǎo)軌的接觸面焊牢，待過(guò)渡環(huán)與機(jī)頭連接好再割開(kāi)機(jī)頭與導(dǎo)軌之間的焊縫，繼續(xù)頂進(jìn)。周而復(fù)始，直到頂進(jìn)管節(jié)不后退為止。

3.2.2 進(jìn)洞時(shí)機(jī)頭發(fā)生下沉、尾部上翹現(xiàn)象控制

針對(duì)這種情況，在機(jī)頭進(jìn)洞時(shí)用螺桿將過(guò)渡環(huán)和第一節(jié)管節(jié)連接并栓牢。

（1）除在工作井預(yù)留孔處安裝橡膠止水圈外，根據(jù)地質(zhì)情況，有必要在洞口外進(jìn)行土體加固，其范圍深度為管底以下3 m，寬度、高度為管外徑外面3 m。

（2）為防止工具管出洞以后發(fā)生“磕”頭現(xiàn)象，在底部安裝延伸導(dǎo)軌，寬度與井內(nèi)導(dǎo)軌一致。當(dāng)工具管推進(jìn)完畢，安放第一節(jié)管時(shí)，應(yīng)將工具管與導(dǎo)軌焊接牢固，亦可在洞口內(nèi)壁的C型預(yù)埋件用型鋼拉住工具管，防止主千斤頂縮回以后由于正面土壓力的影響使工具管退回。

3.2.3 頂進(jìn)時(shí)路面的沉降與隆起控制

頂管施工前，在頂進(jìn)軸線路面上預(yù)先布置沉降相結(jié)合，能夠更好地進(jìn)行降水預(yù)測(cè)，促進(jìn)水文行業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

高頻微波鏈路測(cè)水新技術(shù)具有優(yōu)先利用基站資源、可快速搭建網(wǎng)格、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、無(wú)需日常維護(hù)等顯著特點(diǎn)，節(jié)省了大量人力、物力及維護(hù)成本，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)降水監(jiān)測(cè)，為水災(zāi)害防御、氣象水文、水資源管理、農(nóng)業(yè)種植、交通管理、應(yīng)急調(diào)度、軍事保障、無(wú)人駕駛、市民出行、快遞企業(yè)等提供“快、精、準(zhǔn)”的降水?dāng)?shù)據(jù)服務(wù)，是對(duì)現(xiàn)有降水監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效補(bǔ)充或革新，具有良好的社會(huì)和經(jīng)

濟(jì)效益。