２０１８年３月第３期 城市道桥与防洪 管理施工１３９ ＤＯＩ：１０．１６７９９￣．ｅｎｋｉ ｃｓｄｑｙｆｈ．２０１８．０３．０４２ 大直径竖曲线钢顶管施工关键技术研究 王建明 （上海羽畅建筑工程有限公司，上海市２０１２０２） 摘要：轨钢管受其特性制约不宜曲线顶管，但受条件限制工程中经常碰到曲线钢顶管。结合工程实例，介绍了钢管曲线顶 管管道接头的型式、顶进参数的取值、特殊管节的设置、穿越管线时的沉降控制，以及在施工过程中采用的针对性技术措施 等，克服了各个技术难点，保证了工程的安全施工。 关键词：竖曲线；钢顶管；中继环；顶管施工 中图分类号：ＴＵ９９０．０５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１８）０３—０１３９一ｏ４ １工程概述 某顶管为双排钢管顶进，顶进长度约为７４１ ｍ× ２，钢管外径西１ ８２０ ｍｍ，壁厚１８ ｍｍ，为避让深埋 管线，只能从管线下方管经过Ｒ＝１２ ０００ ｍ曲线后 ７３＃井管中 ７３—１＃井管中 顶入接收井。钢管作为顶管工程的管道已应用比 标高一８．０ｍ 标高一９．７ｍ 较广泛，通常情况下，由于钢管管道接口采用焊接 图１顶管曲线参数及周边环境 形式连接，不具备形成曲线线形的条件，一般情况 按此推算该段顶管曲线段需要特殊管８节（特殊 不采用曲线顶进，但该工程该顶段情况特殊，方案 管型式同中继环）。 经过专家评审可行后采用竖曲线顶进。 ２．３曲线段开口量计算 该工程整条管道位于第④层淤泥质黏土，土 ７３—１＃一７３＃顶段：钢管外径Ｄ＝Ｉ ８２０ ｍｍ，顶 质较均有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性高。 进长度Ｌ＝７４１ ｍ，设计曲率半径Ｒ＝１２ ０００ ｍ，管 针对本标段顶管的土层性质，采用泥水机械平衡 道长度（５节８ ｍ钢管＋特殊管１．５ ｍ）４１．５ ｍ， ＝ 式顶管机。该顶管机能平衡切削面水、土压力，有 ４１．５ ｍ。 效控制地面沉降，操作安全可靠，施工进度快。 曲线段开口夹角： ＝２ｓｉｎ （１ｄ（２Ｒ—Ｄ））＝２ｓｉｎ ２曲线顶管参数及特殊管结构 （４１．５／（２×１２ ０００—１．８２））＝０．１９８ １７。 曲线段开口量：△＝２Ｄｓｉｎ（ ２）＝２ Ｘ １．８２× ２．１顶管轴线曲线参数 ｓｉｎ（０．１９８ １７／２） ０．００６ ３—６ ｍｍ ７３一ｌ＃一７３＃段顶管总长为７４１ ｍ， 工作井７３一ｌ＃ 进入曲线段后管道单边张口拉开，钢管处于 开始４５０ ｍ后进入竖曲线段（向上爬坡），约２９１ ｍ 单边受力状态，为避免特殊管承插口处钢管与钢 后曲线段完成，曲线段直接顶入７３＃接收井内，如 图１所示。 管直接接触，承口处设置１ ｏｍ以上厚度的木衬 垫。 ２．２特殊管节布置 特殊管结构型式同中继间结构。 ７３一ｌ＃一７３＃顶段为竖曲线顶管，管道进入曲线 段长度约为２９１ ｍ，钢管长度为８ ｒｎ／节，曲线段每５ ３顶力控制及中继环布设． 节（４１．５ ｍ）钢管后面设置一环特殊管（１．５ ＩＩｌ／节）， ３．１ ７３—１＃－７３＃顶段顶力的计算 地面平均标高为５．０ ｍ，管道埋深日取平均值 收稿日期：２０１７—１１－２６ １３．５８ ｍ。 作者简介：王建明（１９７６一），男，浙江萧山人，工程师，主要从事 机头外径Ｄ＝Ｉ．８５ ｍ，钢管外径Ｄ＝Ｉ．８２ ｍ， Ｆ 市政工程施工工作。 １４０管理施工 城市道桥与防洪 ２０１８年３月第３期 Ｈ—Ｄ／３＝１３．５８－０．６１７＝１２．９６３ ｍ。 土层的基本参数，整条管道所在土层为④层 土内，因此：ｒ土＝１６．８ ｋＮ／ｍ ，Ｃ＝１０ ｋＰａ，ｑ￣＝１２．５。。 顶力计算包括到刀盘正面土压力和管道摩阻 力两部分Ｉ１＿。 ３．１．１顶进时刀盘正面平衡土压力计算 泥水平衡设备因机壳泥水平衡正面水压力， 固ｒｆ）＝ｒ土一ｒ水＝１６．８—９．８＝７ ｋＮ／ｍ 。 Ｐ主＝ＦＯｈ ｔｇ （４５。一 ／２）一２Ｃ·ｔｇ（４５。一 ／２）－－ ４２．４ ｋＰａ Ｐ被－－ｔ＂０ｈ ｔ （４５。＋ｑＶ２）＋２Ｃ·ｔｇ（４５。＋ ／２）＝ １６５．７９ ｋＰａ Ｐ设＝Ｐ主＋２／３（Ｐ被一Ｐ Ｊ：－）－－１２４．６６ ｋＰａ ３．１．２顶力估计 Ｆ－－Ｆｏ＋．厂×Ｌ（厂为每延长米管外壁摩阻力， 为 管道长度） 为封闭式工具管迎面阻力： １Ｔ，４·Ｄ ·Ｐ设。 Ｆｏ－－订／４·Ｄ ·Ｐ设＝３．１４／４×１．８５ ｘ １２４．６６－－ ３３４．９１９ ｋＮ ．厂为考虑注浆工艺时管壁外单位长度摩阻力 竹ｄ（其中 为单位面积管外壁摩阻力）。 本段顶管为直线＋曲线顶管，由于曲线段采 用特殊管为中继间形式，故不考虑曲线段摩阻力， 直线段 取２ ｋＮ／ｍ ，ｆ－厂ｌ竹ｄ＝２×３．１４×１．８２ １１．４３ ｋＮ／ｍ。 ３．１．３顶力Ｆ控制 顶管工作井的设计允许最大顶力为４ ０００ ｋＮ， 中继环允许顶力为８ ０００ ｋＮ（由１８个５００ ｋＮ的 油压千斤顶组成），对顶管工作坑的最大允许顶 力、管材的允许顶力以及地质情况等因素进行综 合考虑。该工程安全系数为６０％～８０％。 主顶控制顶力：Ｆ＝４ ０００×８０％＝３ ２００ ｋＮ 中继环控制顶力：Ｆ＝４ ０００×７０％＝２ ８００ ｋＮ ３．１．４顶进距离控制 （１）主顶顶距控制 主顶（此时用主顶油缸推进管道和机头）， 因直线段顶距为５２６ ｍ，超过主顶顶距，摩阻力 取ｆ直＝２ ｋＮ／ｍ ，主顶顶进时不考虑机头正面土压 力，故Ｆ如下： ＿厂直×Ｌ＜３ ２００ ｋＮ １１．４３×Ｌ＜３ ２００ ｋＮ 计算值：Ｌ＜２８０ １＂１１＂ 在顶距小于２８０ ｒｆｌ时，或顶力控制在３ ２００ ｋＮ 以下时，可直接采用主顶油缸顶进。 （２）中继问布置 根据前面计算和实际施工经验，１＃中继间顶 进中考虑机头正面土压力，要靠近机头，该段顶管 前约２３０ ｍ处于曲线管道内，中继间距离间距在 ４９．５ ｍ内，后面为直线管道，中继间距离控制在 ２８０ ｍ内，最后一环与主顶间距离控制在主顶允许 顶距内。综合曲线特殊管布置间距与上述顶力计 算，７３—１｝｝～７３＃顶管施工中继环布置如表１和图２ 所示 表１曲线段中继环设置参数表 顶段 里程 机头至２９１ｍ ４９１ｍ ２５０ｍ １＃＋ 。＃中继间布置 双管出 图２曲线段中继间布置示意图 ３．２中继环闭合 中继环的结构如图３、图４所示。顶管机头进 入接收井后，对中继间两道密封圈之间的专用注 浆孔内压注聚氨脂防水堵漏剂，以防止外侧泥浆 通过中继问渗漏。浆液压注完成，割除多余中继间 肋板、法兰，中继环后壳体前段坡口处直接与前壳 体中部焊接。中继间闭合焊接措施：中继间闭合焊 接采用与钢管组对焊接相同的焊丝。 ｌ 口 ／ ／／／／／／／／／／ １ 。１７０ ｌ６８Ｏ ３ｏ０ Ｉ—。 ！ 笪 ／ １．！ ．【．！ Ｑ １ ５ｎｎ 图３中继间结构示意图（施工中）（单位：ｍｍ） 内外套焊接处 图４中继间结构示意图（施工后）（单位：ｍｍ） 焊接前将钢板表面用磨光机打磨干净，不得 有锈蚀、油渍及其他污迹，对焊接剖口角度不符合 要求的用手提沙轮机修磨。点焊时应对称施焊，其 焊缝高度应与第一层焊接厚度一致。 ２０１８年３月第３期 城市道桥与防洪 管理施工１４１ ４沉降计算及沉降控制 ４．１沉降计算 Ｖｅｌ＝１『Ｄ×口Ｋ＝３．１４ Ｘ １．８５×０．０１５×０．２５ ０．０２１ ８ ｍ ｂ．长距离顶管每个中继间穿过地层，因其外 径与管道外径不同而引起的地层损失 Ｖｅ２＝ Ｄ２× Ｋ２ 顶管施工过程的沉降量与其失土率基本成正 比例关系，按规定失土率计算其最大沉降量 （￣ｍａｘ）可按包络公式估算： ＝ 一式中：Ｄ：为中继间外径；ｎ２为中继问外径与管道 ｌ／２．５ ｉ 式中：ＶＩ＝失土率× （Ｖ＝２．６８７ ｍ３为计算管道单位 出土量，机头外径１．８５ ｍ）；ｉ为沉降槽宽度系数， 外周半径之差；Ｋ２为中继间穿过后补浆不足率，补 浆最差时，Ｋ 可达Ｏ．５，而补浆理想时Ｋ Ｏ。 当中继环外径与管外径一致时Ｖｃ２＝Ｏ ＝月＿／（、／２订×ｔｇ（４５。一 ／２））＝ｌ４．５／（、／２ Ｘ ３．１４× ｔｇ ３８．７５。） ７．２１。其中， １为超挖量，日为管道 中心深度（此处Ｈ＝１４．５ｍ）， ＝１２．５ｏ。 沉降盆宽度Ｂ＝２１Ｖ，其中 为影响范围，ＩＶ＝ ２．５ ｉ， ＝２ Ｘ ２．５ Ｘ ７．２１—３６．０５ ｍ。 ４．２沉降分析 （１）开挖面引起的地层损失 与选用机头类型有关，本公司采用ＤＴ式泥水 平衡顶管机头，采用泥水仓平衡正面土压力，大刀 盘切削正面土体，开挖面失土率约在１％，相应的 失土率体积为０．０２６ ｍ 。 （２）机头纠偏引起的地层损失 工具管纠偏时，其轴线与管道轴线形成一夹 角，工具管顶进过程中的通道为椭圆形，此椭圆面 积与管道外圆面积之差值，即为工具管纠偏引起 的地层损失。 ＶＬ＝订 ％Ｌ 式中： ％为纠偏角弧度夹角；ｒ为工具管外半径； 为工具管单位出土量。 该工程中， 取０．３。，Ｄ＝１．８２ ｍ，Ｌ＝３ ｍ， ％为相应弧度， 单位长度体积Ｖ＝Ｏ．２５ １Ｔ ｄ ×１＝２．６ ｍ３ ＶＬ＝叮『 ％ ＝３．１４ Ｘ ０．９２５ Ｘ ０．００５ ２３６ ｔａｄ Ｘ ３＝ ０．０４５ ６ ｍ 失土体积＝０．１０１ ９ ｍ３ （３）管道外周环形空隙引起的土层损失 一般机头外径较管道外径大２～４ ｅｍ，因此机 头顶过后管道外周产生环形空隙，如不能充分注 浆充填，则使周围土体挤人环形空隙，导致地层损 失［２ｊ。 ａ．机头外径与管道外径不同而引起的地层损失 Ｖｃｌ＝１ＴＤ×ａＫ 式中：Ｄ为机头外径；口为机头外周半径与管道外 径之差；Ｋ为注浆未充满度，压浆最差时Ｋ＝１，注浆 良好时， ＝０．２～０．４。 ｅ．相临管节外壁不平整度过大时，引起地层 损失 Ｖｅ２＝订ＤＰ×却ＫｐＸ 式中：Ｄ 为管道外径；ａｅ为相临管节的管道外周半 径的差值； 为注浆不足率，ａｐ＜５ ｍｍ Ｋｐ－Ｊ，Ｏ， 却＞１０ ｍｍ，Ｋｅ：０．５～０（注浆良好可为０）；ｎ为穿 过某处地层的管节半径值大于３ ｍｍ的出现次数， 可根据管节制造精度及安装精度估计。 Ｖｅ２＝１ＴＤＰＸａｐ Ｋｐ×ｎ＝３．１４×１．８２×０．００１ ５× ０．１ Ｘ ９０＝０．０７７ １ ｍ 环形间隙引起的土层损失 ０．０４５ ６＋０．０２１ ８＋ ０．ｏ７７ １＝０．１４４ ５ ｍ 总失土体积ＶＩ＝Ｏ．０２６＋０．１４４ ５＝０．１７０ ５ ｍ３ 综上，本段顶管估算累计失土率＝０．１７０ ５／２．６× １００％＝６．５％ 最大沉降量：６ｍａｘ＝Ｏ．１７０５／（２．５×７．２１）＝９．６ ｍｍ ４．３沉降控制措施 因本段顶管施工过程中需要穿越较多地下公 用管线，其对沉降相对要求较高，因此其穿越段失 土率基本按５％以内控制，其余部分失土率可按 ９％以内控制。 （１）设备地面沉降隆起与刀盘正面水压力、土 压力有直接关系，本泥水平衡顶管机具有自动平 衡正面土压力、水压力的特点，故正面水土流失引 起的地面沉降较易控制。穿越地物时可根据地面 连续５０ ｍ内三个断面的沉降监测点群将正面土 压、水压调整到最佳值。 （２）顶进轴线偏差也会引起较大的地面沉降， 故在顶进操纵时，操纵人员要认真、仔细分析机头 偏差量，谨慎纠偏，确保管道偏差控制在尽可能小 的范围内。 （３）适当控制泥浆排除量同样可降低地面沉降 量，根据经验数据调整出浆量来控制。 （４）认真控制触变泥浆注人量，适当补浆有效 填充管道空隙，也是控制地层沉降的有效措施。 １４２管理施工 城市道桥与防洪 ２０１８年３月第３期 ５钢管曲线顶进技术控制 （１）机头前、后两只钢壳相套而成，为二段一 铰的焊接钢结构圆筒，纠偏油缸设置在前、后壳体 值，以避免姿态失控的情况发生。 （６）当机头进入曲线段，由专人２４ ｈ观察所有 曲线段的管道开口量情况，量测管缝张开量，并随 时插入三夹板（大于环缝大半的部位），以均匀接 口受力，控制开口量；发现接口的结构出现变形和 破坏的隐患时，立即停止顶进，对危险的接口进行 加固处理。 之间，可使前、后两壳体在三维作相对作用后产生 折角纠偏。顶进轴线的偏差与管道顶进阻力、地面 沉降、管道接口的水密性及管道水力条件有很大 关系，根据测量的机头位置数据，结合机头的前后 壳体间折角、机头滚动角、倾斜仪读数，即可算出机 头的现存偏差及发展趋势。 （２）根据发展趋势确定是否需要纠偏。决定纠 偏时动作不要过大，根据管道行程可逐渐放大，如 偏差较大时不可在同一节管道内完成纠偏动作， 应根据机头偏移值计算其偏离角度同纠偏最大机 头折角比较，估算纠偏油缸伸出量，通过一段管道 长度修正偏移值。 （３）在顶管机尾部的过渡环后面的是第一节特 殊管（中继间形式），８ ｍ钢管与第一节特殊管连 接，根据不同曲率半径布置相应的特殊管间距，顶 管施工时中继间作为特殊管能起到纠偏的作用。 （４）顶管机进入曲线段时，为避免机头纠偏量 过大或不足情况下，偏离设计轴线，将机头和过渡 套下部螺栓拧松预留３ ｍｍ，并将上半部分螺栓拧 （７）７３—１＃ ７３＃顶段管道前２９１ ｍ（曲线段）， 曲线段每２ １ＴＩ设置一环压浆阀管，即每根管道设 置４环压浆阀管，曲线后２００ ｍ每４ ｉｎ设置一环， 即每根管道设置２环压浆阀管，剩余２５０ ｍ每８ ｉｎ 设置一环，即每根管道设置１环，每环压浆孔９Ｏ。 均布４个压降球阀。 （８）浆液配制重量比：膨润土：ＣＭＣ：纯碱： 水＝１０４：１．０５：３．０５：８００ ６结语 该工程采用泥水平衡式曲线顶管施工。根据地 质情况配制泥浆，运用压密注浆技术来控制泥水平 衡式曲线顶管施工所引起的沉降，通过中继环的设 置解决了曲线管道的顶进，提高了复杂环境下顶管 的适应性，施工技术的运用效果良好，可供日后同 种工况条件下的泥水平衡式顶管施工借鉴。 参考文献： ［１］马．谢尔盖．顶管ＩＴｆ￣［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９８３． ［２］韩选江．大型地下顶管施工技术原理及应用【Ｍ１．北京：中国建 筑工、ｌ 出版社，２００８． 紧；在顶管机头进入第二段向下曲线时 ，则应该采 用相反的措施。 （５）以姿态控制曲线图指导纠偏，并确定报警 ＿ 十中十中● ●中十中十十中卞中中ｔｔ中 ｔｔ 中 七●● ●● 十中十七十ｔｔｔ ●中●七●●十卞●十＋中●●中● ●十七十十中●ｔ十中●七●●十 ●●●十十ｔｔ ■●●中中 （上接第１１４页） 标准，对堤围建设，要尽可能地达到保护水环境安 全及防洪的需要，避免一些不客观的硬性治理，要 尽量地还河道以自然的本色，保护其周边的生态 环境尽量不在建设中进行破坏。保留或恢复湿地、 河湾，急流和浅滩，为野生的水生与陆生植物，鱼 类与鸟类等动物的栖息繁衍提供方便条件。推广 应用新型护岸、丁坝、鱼道、人工浮岛及生态型的 城市雨洪利用排水系统等技术和产品。要造成一 态治理的含义，在展开对中小河道生态治理的过 程中，尊重自然规律，使中小河流的综合效益最大 化。地方政府应该加大资金、技术投入力度，并且 加强河道的日常管理和维护，保障中小型河道生 态治理工作的可持续发展，为我国水利工程生态 环境保护工作创造有利的条件。 参考文献： 【１】赵强，杜向群．中小河流生态治理探讨【ＪＪ．水资源开发与管理． ２Ｏ１５（３）：６８—６９． 种人与自然亲近的环境，注意保留江河湖泊天然 的美学价值，体现人文关怀。 ［２】徐海巍．加强中小河流生态治理的思路探讨［Ｊ１．工程科技，２０１６（１７）： ２４５． ５结语 中小河道生态治理经过大力的发展，已经成 ［３】河川治理中心．河道整治中心（日本）滨水地区水设施规划与设 计［Ｍ］一Ｅ京：中国建筑工业出版社，２００５． ［４］陈济．关于河道治理的生态水利模式探究【Ｊｊ＿水利科技．２０１２（２５）： ｌ９３． 为我国水利工程建设中的重要组成部分，由于过 去的监管不到位，所以导致中小河道受到严重的 污染，原有功能退化，我国的水生态系统遭到严重 ［５］于德全，丁万峰，于万涛．浅谈中小河流生态治理［Ｊ】．科技视界， ２０１３ｆ３１１：３７７． 破坏，所以需要加大治理力度。应该真正的理解生
