大断面矩形超长距离顶管研究与应用

1 项目概况

某管廊项目下穿京杭大运河段，设计采用顶管方案施工，顶管电力管廊设计长度625 m。顶管为单仓双线顶进（顶完一侧后再进行另一侧顶进），两幅净间距5.85 m。预制单舱管廊断面为4 m×4 m，净尺寸为3 m×3 m，单节管长度为2.5 m，重量为45.94 t。顶管覆土厚度为 8.2~22 m，纵坡为0.2 %。本项目矩形大断面、625 m超长距离，是本项目的难点和重点，具有较高的技术难度。京杭大运河（梁济运河）为二级航道，货物运输繁忙，是南水北调东线工程，同时也是重要的航道和水利工程，对顶进施工提出了较高要求。

2 确定施工方案和设备选型

依据T/CECS 716—2020《矩形顶管工程技术规程》，矩形土压平衡式顶管适用距离小于或等于200 m，泥水平衡顶管适用于距离小于等于300 m。本项目单线长度为625 m，超出了规范推荐工况1倍以上，所以超长距离顶管是本项目的一个难点，需要重点把控，充分策划和论证。在方案论证阶段，重点在顶管工程计算书中对顶力、管节承受力和中继间布置进行了验算，依据总顶力及管壁的承受能力计算得出应该设置5个中继间，以备顶力过大时分段顶进。

根据类似工程使用顶管机的经验和项目特点及地质概况，通过各项分析，确定采用泥水平衡施工方案。经过方案论证、考察相关顶管工程及顶管设备厂家，本项目最终选择安徽某公司矩形泥水平衡顶管机。该机型适用于淤泥质土、粉土、砂土、卵砾石含量小于20 %且粒径小于50 mm砂卵石的含水层和不含水层，适用本项目地质。

3 确定中继间数量

依据T/CECS716—2020《矩形顶管工程技术规程》，当顶推距离较长、始发井顶推系统不足以提供全部顶力时，应设置中继间接力顶进。中继间加设及数量应按顶进总顶力及管壁的承受能力确定。

结合地区经验按表1取值，中继间布置见表2。

表1 中继间间距计算

表2 中继间布置

4 技术要点及工艺流程

顶管施工是一项较为综合复杂的暗挖工程，技术要点多、控制难度大，包括总顶力估算、后靠背承载力及反力墙设计；顶管始发和接收技术措施及安全控制；管节的选择及管节长度的确定，管节连接与防水，管节内外防腐；注浆减阻措施，泥浆制备和输送设备及安装规定；顶管掌子面及管节压力监测；顶管测量、纠偏方法及姿态控制措施；中继间的位置、安装、使用和拆除等措施，每个环节对顶管质量及后期运行都很关键。泥水平衡法顶管施工工艺流程如图1所示。

图1 泥水平衡法顶管施工工艺流程

5 实施过程与方案对比

高压管廊下穿京杭大运河顶管过程中严格按照方案实施，左幅顶管自2022年10月27日开始顶进，到2022年12月28日成功贯通，工期62 d，日均进度10 m/d，符合施工计划，同时顶管地面高程、平面高程和管节旋转指标均符合规范要求，验证了泥水平衡顶管法适用于大断面矩形超长距离顶管施工。

5.1 预制管节质量控制

过程重视管节生产过程质量控制，包括管节强度、外形尺寸、承插口密封胶条安装等检测项目，同时逐节进行进场验收。顶进过程未发生管节及接口破损，无裂缝和渗水现象。重点做好管节标识二维码，可以查明生产日期及作为检验合格的标识。顶进的管节必须达到28 d养护龄期且强度复核设计要求。

5.2 多措施减阻降低顶力

5.2.1 触变泥浆减阻

顶进过程中应同步向管外壁注入减阻泥浆，并根据泥浆的损失适当补充注浆。在顶进过程中，触变泥浆采用穿越专用胶粘剂（膨润土），新型润滑剂（RH–2）、强力固壁剂（QGJ）、膨胀剂等混合材料，以起到润滑减阻的作用。

在机头尾部设置有触变泥浆注浆孔，顶进施工同步注入触变泥浆。注浆遵循“同步注浆与补浆相结合”和“先注后顶、随顶随注、及时补浆”的原则，以形成原始浆套。在实际顶进过程中，并不是每节管节均注入触变泥浆，机头后方5~10节管节顶进过程中保持同步注浆，其他节段每间隔一定时间循环开启注浆阀门，顶进过程中安排专人开关注浆阀门。管节环向设有8个注浆孔，每组注浆孔有独立的阀门控制，顶进过程中一般只注顶板和顶板注浆孔。注浆量和注浆时机结合顶力的触变泥浆保持压力控制，一般控制在2 kg/cm²。

5.2.2 管节外壁涂刷石蜡减阻

管节进场验收后，在管节外壁涂抹含非亲水减阻剂的石蜡进行减阻。为了减少顶进过程中的摩阻力，增大顶进长度，在管道顶进前管外壁涂抹改性石蜡减阻。顶进过程中每日记录顶力情况，如图2所示。结合顶进出浆判断开挖面土质调整泥浆配合比，有效降低了顶进中的阻力。顶进过程中平均顶力为14 400 kN，为设计顶力上限的40 %，可见效果非常好，也证明了触变泥浆在顶进过程中的关键作用。

图2 顶力变化曲线

从技术方案角度，严格按照方案安装了5个中继间。顶进过程中，最大顶力为距离出洞25 m左右，进入接收井附近土体加固区时，因土体强度较高，且接近出洞、开洞门过程中放慢施工进度时，最大顶力为3 086 t，达到设计允许顶力的86 %。后续连续顶进时，顶力又逐渐回落。依据T/CECS716—2020《矩形顶管工程技术规程》，当总推力达到中继间推力的90 %时，启动中继间，所以本项目顶进过程中未启动中继间。

5.3 做好基坑变形及地表沉降监测

本项目在开洞口及顶进初期，因洞口出水带泥造成基坑外部分区域地表沉降，但没有造成其他影响，分析原因如下。（1）因基坑外侧地下水位高，部分地下水透过基坑周边加固区从洞口周边流出，并带出部分泥土，造成地表下脱空或承载力不足。（2）顶进对底层扰动，加剧了地表沉降。

针对以上情况，采取了加强降水、洞口橡胶密封堵水等措施，基本控制住地下涌水。同时，针对脱空的区域进行了注浆补强，避免沉陷进一步发展。

5.4 控制泥水仓压力

泥水平衡施工工艺主要靠泥仓压力平衡开挖面的稳定。因此影响地表沉降的因素有触变泥浆的注浆压力、补浆的及时性和顶进过程中泥仓压力。本项目下穿大运河河道位置是覆土最浅的段落，覆土厚度仅为7 m，极易造成土体沉降或覆土涌起，所以控制泥水仓压力是关键。在顶管过程中，实时观测顶进机头显示的泥水仓压力，调整根据顶进过程中顶进速度、排泥速度和进水压力值。顶进过程中通过有效适度的控制，达到了平衡的效果，除洞口外未发生沉降。

5.5 姿态控制及管节纠偏

矩形顶管不同于圆形顶管，因为圆形顶管顶进过程中机头偏转管节断面形式不受影响，但是矩形顶管出现偏转影响工作面形状，并可能引起管节缝隙漏水的质量问题，因此矩形顶管的难度高于圆形顶管施工。顶进过程对顶进方向的高程偏差、轴线偏差、姿态进行了重点测量，姿态控制同样是顶进过程的控制重点。洞口始发时，顶管机与后续3节管节之间进行机械连接，防止机头过重始发下沉。

顶进过程中除对操作台仪表数据进行观察外，每天进行1次管节内的实地测量，将测量数据与仪表数据比对，防止出现系统数据错误或传感器故障等客观因素，影响对纠偏情况的判定。顶进时，出现轻微扭转和高程偏差现象，按规范计算轴线与外边角高差最大是1.4 cm，规范允许值为8 cm，在规范允许范围内。

根据观测数据提前预判偏转趋势，按照“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的原则，采取偏转措施。对于出现的规范允许范围内偏差，纠偏遵循“先纠高程、后纠轴线、小角度连续纠偏”的原则，其中高程和轴线纠偏采用机头的纠偏油缸进行纠偏，纠偏油缸的伸出量一次不超过2 cm。机头偏转纠偏主要通过粘土输送泵注浆打泥，当具有超一个方向连续偏转的趋势且偏转角度大于等于0.4°时，开始往机头偏转侧的底板和侧壁注浆孔内打粘泥，主要成分为钙土，及时调整了机头偏转，保证了顶进姿态。

5.6 防后退措施

（1）顶管埋深较大，顶管机迎面水、土压力大，管道初始顶进阶段，应连续施工，中途暂停顶进时，千斤顶应顶住末端管节。

（2）顶进结束后，末端应设置防后退挡块或对末端3~5节进行机械连接，以消减顶进过程中弹性压缩的回弹，避免因为弹性压缩释放增大管节间缝隙，造成漏水。

6 结束语

本项目通过实施，验证了泥水平衡法顶管施工适用大断面矩形超长距离管廊顶管，通过前期认真策划，过程严加管控，在施工速度、施工质量方面均满足规范要求，施工进度和总顶力控制指标控制达到或超出了预期，取得了较好的效果，为类似工程施工积累了成功经验。泥水平衡法在顶进过程中应连续施工，适用泥浆泵流体形式出渣，提高了工作效率，加快了施工进度。但每次管节吊放和安装过程中，均需断开泥浆进出管道和减阻泥浆管道，因此在场地空间和吊装能力满足的情况下，加长预制管节可加快施工进度。