上海污水治理二期3000顶管

1 工程概况

上海市污水治理二期2.5标工程位于浦东新区龙东大道北侧，西起建平路至高潮花园，其中穿越汤臣高尔夫球场一段采用双排混凝土顶管施工(其编号为22号工作井~21号接收井)，该段顶管全长310m×2，管节外径为3540mm，内径为3000mm，管节长度3000mm，顶管坡度+0.087%，管顶覆土厚度为4.8m。顶管施工采用外径3560mm的土压平衡式多刀盘顶管机，最大后顶力为1000t。管道沿线将穿越市话电缆井及动力电缆井各一座，管顶距市话电缆井及动力电缆井的底板距离分别为2.54m、2.07m。 

顶管衬砌结构均采用"F"型预制钢混凝土管节，相邻两管节间采用特制接头承插连接，衬砌接缝防水采用天然橡胶制成的锲型橡胶圈。

图1 汤臣顶管平面示意图

2 地质条件

本工程范围内的土层从上往下依次为：填土、褐黄色粘土、灰色粉质粘土、灰色淤泥质粘土。顶进断面全线上部处在灰色粉质粘土内，下部处在灰色淤泥质粘土内，见表1。 

工程地质 表1 

3 顶管机

本工程选用的多刀盘土压平衡式顶管机特点是出土顺畅，操作容易，维修方便，尤其适用于软粘土层中的顶管施工。 

顶管机刀盘的切削面积达全断面的60%，虽然不及大刀盘土压平衡式顶管机的全断面切削搅拌，但已经完全可以满足软土土层中的顶管施工。而通常大刀盘土压平衡式顶管机的质量约为其所排开土体质量的0.6倍，但本机质量还不到它所排开土体质量的0.4倍，所以可以有效防止因机头过重而使方向失控，产生走低现象。本机采用四把切削刀盘对称布置，所以只要把左右两把刀盘按相反方向旋转，就可使刀盘间的转矩得以平衡，而不会如同大刀盘顶管机那样容易产生偏转。顶管机构造见图2。

图2 土压平衡式多刀盘顶管机构造图

4 进出洞施工措施

从工作井中出洞开始顶进是整个施工过程中的关键环节之一。为确保顶管机顺利出洞，防止土体坍塌涌入工作井，出洞前先在砖封门前打设一排钢板桩，钢板桩入土深度达到工作井底板以下。当顶管机出洞时，先把砖封门拆除，这时由于钢封门挡住，土体不会涌入。等到顶管机推进到距钢封门50~100mm时，洞口止水圈已能发挥作用了，然后再按出洞口一侧向另一侧依次拔除钢板桩。为减少钢板桩拔除过程中对顶管机正面土体的扰动及可能出现的建筑间隙，钢板桩全部拔除后应立即顶进，缩短停顿时间。 

在出洞施工初期，由于顶管机正面主动土压力远大于机头及混凝土管节的周边摩阻力和与导轨间摩阻力的总和，因此极易产生管节后退，引起顶管机前方土体不规则坍塌，使顶管机再次推进时方向失控和向上爬高。为此，采取在洞口两侧各安装一只手拉葫芦，当主顶油缸回缩之前，先将最后一节管节拉住不让其后退，同时在出洞之初就预设了一定的向下纠偏量，尽可能克服出洞时机头抛高的情况。从实际施工的效果来看还是比较理想的，出洞期间的高程最大偏离值，北侧为-2.8cm,南侧为+4.5cm。 

顶管机进洞施工与出洞相比较为简单，当顶管机靠近洞门时，须控制好土压力，在切口距封门20~50cm时停止顶进，并尽可能降低切口正面土压力，确保拆除封门时的安全，拆除封门后将顶管机迅速、连续顶进，直到进洞洞口止水圈发挥作用为止，这就完成了进洞进程。

5 长距离顶进施工措施

(1)顶进轴线控制 

长距离顶管施工的核心问题是对顶力的控制。计算管壁土压的公式： 

Pv=γ·H·D 

PL=γ(H+D/2)D tg2(45°+φ/2) 

Pv--管道上竖向土压力 

PL--管道上侧向土压力 

γ--土体容重 

H--覆土层厚度 

D--管道外径 

上述公式是基于土柱的受力模型，适用于不稳定土层或覆土层厚度小于卸力拱高度的情况下。从公式中可以清楚地看到单位长度上的顶进阻力与管径、覆土层厚度、土体容重、土层性质有关。但是在实际顶管施工中纠偏对顶力的影响非常明显，顶管机在顶进过程中由于受力不均匀，导致偏离管道设计轴线，所以必须对机头的前进方向和旋转进行纠偏，使其沿设计方向平稳前进。纠偏在顶进过程中是不可避免的，是自始至终伴随着顶进而进行的。每次纠偏时必须对顶管机施加力矩使之改变前进方向，施加的力矩就相当于附加了一个土压力从而使阻力增大。这一附加阻力在规范中没有反映，但它却是一个不可忽视的因素。

纠偏阻力的估算方法： 

Pa=f/2·σ·L 

a--纠偏阻力 

f--管壁与土体间的摩擦系数 

σ--侧壁土压力 

L--顶管机长度 

可见当顶管机的尺寸和土体的性质确定后，附加阻力与纠偏角成正比，即纠偏角度越大，附加阻力也越大。所以在长距离顶管施工中需进行全过程连续监测，随时掌握顶管机偏离设计轴线距离的数据，并结合前方机头操作台上数字式倾斜仪的读数来判断顶管机实际顶进线路的变化趋势，并及时采取措施加以控制，避免因机头失控而被迫进行大角度纠偏。实际施工中加强了对轴线的监测，发现有偏离的趋势就及时采取纠偏措施，使得顶进轴线的控制较为理想，顶管高程、平面控制见图3、图4、图5、图6，这就为将顶力在设计值的范围内提供了有力的保证。

图3 北线顶管高程控制图

图4 南线顶管高程控制图

图5 北线顶管平面控制图

图6 南线顶管平面控制图

(2)注浆减摩 

注浆减摩是长距离顶管中非常重要的一项工艺，是关系到顶管成功与否的一项关键的技术。为确保减小管道外壁的摩阻力采取了以下技术措施。 

①保证润滑泥浆的稳定性，根据土质的变化适当调整配方，以满足不同的需要。 

②合理布置注浆孔。在混凝土管节雄头一侧按120°设置三个孔，压浆总管安装于管节断面右侧，每隔6m接一三通阀门至管节注浆孔，在顶管机后的连续3节都设置注浆孔。 

③制定合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行。为使顶进时形成的建筑间隙及时被泥浆所填补形成泥浆套，必须坚持"先压后定、随压随顶、及时补浆"的原则，泵送出口处的压力控制在1~1.25kg/cm2。

④压浆孔的位置设在管节雄头一侧靠近边缘处，这样在管节拼接后注浆孔就完全被前一节的钢环所遮盖，压出的浆液先会在钢套环与混凝土管节外壁之间形成浆套然后再被挤出。这样泥浆套就较容易形成，减摩的效果也就比较明显。 

(3)中继间 

利用中继间进行接力顶进是中长距离顶管的一项重要技术措施。中继间的布置要求顶力及操作的要求，以提高顶进速度。第一只中继间应放在比较前面，因为顶管机的正面土压力在推进过程中会因土质条件和施工情况等因素发生较大的变化，所以当总推力达到设计推力的60%时就安放第一只中继间，以后当达到

计推力的80%时安放下一只中继间，而当主顶推力达到设计推力的90%时就必须启用中继间。 

土压力设定值：P=γhtg2(45°＋φ/2)=1.45kg/cm2 

顶管机正面阻力：F=πd2/4×p=143t 

管壁摩阻系数：取0.6t/m2 

设计推力1000t，中继间推力按设计推力80%计算 

第一套中继间设置里程：L1=98m 

第二套中继间设置里程：L2=120m 

本工程总顶程310m，设中继间两套，与顶管机切口距离分别为98m、218m。以北侧顶管为例，实际施工时在105m处放置了第一只中继间，但由于泥浆减阻的效果显著，顶进轴线控制较好，实际顶进阻力远小于理论计算值，所以中继间一直未使用，直到最后进洞过程中才第一次启用。致使顶进程序大大简化，顶进速度大大提高。北线顶管1999年1月11日出洞，1999年2月10日进洞，历时30天；南线顶管1999年1月15日出洞，1999年2月12日进洞，历时28天。

6 双排顶管施工技术措施

汤臣段顶管由于工期紧迫，因此在经过充分论证的前提下决定采用双排顶管前后同时顶进施工方法。相对于单条分别顶进施工，双排顶管主要有三个方面的问题有所不同：①顶管工作井后靠土体的稳定性；②双排顶管两顶管机纵向间距的确定；③双排顶管引起的地层损失和沉降槽的预测。

(1)顶管工作井后靠土体的稳定性验算 

P=2F1+F2+Fp-Fa 

P--顶管最大计算顶力 

F1--沉井侧面摩阻力 

F2--沉井底面摩阻力 

Fp--沉井后靠井壁被动土压力 

Fa--沉井顶向井壁总主动土压力 

F1=0 5PaHA 1μ 

F2=Wμ(W--沉井底面总压力) 

Fp--A［0.5γH2tg2(45°+φ/2)+2cH tg(45°+φ/2)+γghHtg(45°+φ/2］ 

Fa=A［0.5γH2tg2(45°-φ/2)-2cH tg(45°-φ/2)+γhHtg(45°-φ/2)］ 

但由于顶力P的反复作用，沉井后靠土体反复产生压缩变形，孔隙水压力增大，有效应力降低，及沉井侧面与土体之间的孔隙未填实等原因，F1不予考虑。因地下水位较高，沉井受到的浮力足以抵消井体自重，所以F2也不能计入，见图7。

图7 沉井受力示意图

本工程选用的后靠土体的稳定性验算公式： 

P≤(Fp-Fa)/S 

S=1.1

A=15.5m×11.6m

φ=8° 

γ=18kN/m3 

c=8.55kPa

h=0.6m

H=11.6m 

Fp=15.5×11.6［0.5×18×11.62×1.32+2×8.55×11.6×1.15+18×0.6×11.6×1.32］=358170kN 

Fa=15.5×11.6［0.5×18×11.62×0.75-2×8.55×11.6×0.87+18×0.6×11.6×0.75］=149175kN

P=Fp-Fa=358170-149175=2095kN≈1.1×1900t 

P≤(Fp-Fa)/S

S=1.1 

P≤2095/1.1=190000kN 

为保证工作井后靠土体的稳定性，施工时需避免南北两条顶力同时达到最大值，顶力之和控制在1900t以内。 

(2)双排顶管两顶管机纵向间距的确定 

双排顶管前后同时顶进的施工方法，关键是要确定两管的纵向间距L，这对于减少两管间的相互干扰和对中间部分土体的扰动至关重要。 

P=F 

P=P0π［D/2+d tg(45°+ Φ/2°］2 

P0--静止土压力 

D--顶管机外径 

F=PpπD2/4 

P0π［D/2+d tg(45°+φ/2)］2=PpπD2/4 

在上式中F按施工中控制压力的上限取值，计算所得的结果偏于安全。除顶管机挤土产生的影响外，尚需考虑到因顶管机纠偏引起侧向土体的扰动。另外，由于机头无注浆孔，摩擦力引起的对侧向土体的扰动也必须考虑。 

双排顶管最小纵向间距：Lmin=γ(d+H) 

H为前方顶管机头长度，因本工程施工中第一节混凝土管节与机头之间是刚性连接，所以H应为机头长度+第一节管节长度； 为由土层性质决定的系数，取1.5，见图8。

图8 双排顶管纵向间距示意图

φ=8°

γ=17.1kN/m3 

c=8.55kPa

H=6.6m 

Pp=γHtg2(45°+φ/2)+2c tg(45°+φ/2)=17.1×6.6×1.32+2×8.55×1.15  =168.kPa

P0=γH+2c=17.1×6.6+2×8.55=95.76kPa

95.76×3.14［1.77+d×1.15］2=168.×3.14×1.772 

d=0.504m 

Lmin=γ(d+H)=1.5×(0.504+3+6)=14.256m

Lmin取15m在工程实际过程中L始终控制在15m以上。同时又对前方管道的侧向位移进行了跟踪监测，管道内每隔6m设一标志，利用经纬仪作同步观测，所得数据与顶管机顶进轨迹曲线相对照，未发现有超过顶管机侧向位移的情况。 

(3)双排顶管引起的地层损失和沉降槽的预测 

双排平行同步顶管引起的地层损失，近期常采用有限元法，可以考虑多种地层，机头尾部空隙、灌浆等施工因素。在施工中为了便于应用，选择了Peck公式经验预测法，Peck假定顶管施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以沉降槽体积应该等于地层损失的体积，并且地面沉降曲线的横向分布是正态分布曲线。 

Sx=［v1/(2.5×I)］×exp(-X2/2I2) 

Smax=V1/(2.5×I) 

Sx--距中心为x的地面沉降量 

V1--地层损失量，等于单位长度的沉降槽体积 

Smax--管道中心处最大沉降量 

I--沉降槽宽度系数

I=H/［2.5 tg(45°-φ/2)］ 

H--覆土厚度 

R--顶管半径 

其反弯点在X=I处，该点出现最大沉降坡度，在X=3I及X=0处，出现最小曲率半径。双排顶管沉降曲线Peck公式的地层损失理论有关论述，考虑到沉降在数值上远小于覆土厚度、顶管直径和沉降槽宽度，所以采用叠加法来估算双顶管的最大沉降，也基本可以满足等面积代换的原则。

图9 沉降槽示意图

R1--顶管外径 

R2--管节外径 

V1=(R12-R2２)×3.14=(1.792-1.772)3.14=0.224m3 

I=H/［2.5 tg(45°-φ/2)］=6.6/(2.5×0.87)=3.03 

单管最大沉降：Smax=V1/(2.5×I) =0.224/(2.5×3.03)=2.96cm

因双排顶管间距为8.1m，所以取4.05m、8.10m两处进行沉降量计算 

4.05m处：S=［0.224/(2.5×3.03)］exp(-4.052/2×3.032)=1.21cm 

8.10m处：S=［0.224/(2.5×3.03)］exp(-8.102/2×3.032)=0.08cm 

双管最大沉降分别出现在两根顶管的正上方Smax=3.04cm 

在出洞阶段由于打拔板桩、纠偏、泥浆套尚未形成等原因，实测最大沉降较理论计算值偏大，达到4.12cm；而在其它阶段由于泥浆及时填充了部分土层间隙使得最大沉降较理论计算值偏小，仅为2.82cm。

7 穿越电缆井的保护措施

南侧顶管出洞后顶进约50m，开始穿越动力和市话两座电缆井，见图10。 

施工前先在顶管机顶进轴线上每隔3m布置一沉降监测点，同时在电缆井受影响的范围内布设四排横向沉降监测点，间距为2m。 

穿越电缆井时施工注意事项： 

图10 汤臣电缆井示意图

(1)控制顶进速度不宜过快，一般在15mm/min左右； 

(2)确保连续施工，尽量避免顶管机在电缆井底时间停留，严格控制出土量，防止欠挖和超挖，从而有效地控制地面沉降，减小对电缆井的不良影响； 

(3)纠偏量，减小对土体的扰动； 

(4)加强润滑泥浆的压注管理，掌握好浆液注入量和注浆顶进结束后通过管道的压浆孔注入水泥浆，置换固化浆液，减少后期沉降。 

对电缆井的实际监测结果见表2。 

顶管机穿越电缆井监测结果 表2

(1)本工程中所使用的多刀盘土压平衡式顶管机具有价格低廉、结构简单、操作容易和自重较轻等特，适用于软粘土层中的顶管施工； 

(2)顶管施工中进洞工序是一项关键的工作，采取有效的措施保证出洞阶段的安全与顺利将直接关系到整个工程的成败； 

(3)注浆减摩技术是顶管施工中的一个重要环节，良好完整的泥浆套将大大减小顶进阻力，减少中继间的使用数量，节约投资，简化工序，大幅提高顶进速度； 

(4)中继间是实现长距离顶管施工最根本最直接的措施，但在顶管施工中，由于密封圈磨损，中继间加工精度不足或本身设计存在缺陷等多种原因发生漏水、漏浆等现象，给工程带来许多问题，需要在以后的工程实践中不断改进； 

(5)双排顶管施工，必须控制合理的纵向间距，减少双管相互干扰；而且对施工中环境的保护也提出了更高的要求； 

(6)随着城市化的发展，人民生活质量的日益提高，为减少土地占用和加快施工速度，双排顶管的施工方法将在许多城市的地下管线工程中得到运用，有着广阔的发展前景。