攻克水下软土地层全国最大外直径钢筋混凝土顶管技术的监理质量控制

薛振友（英泰克工程顾问（上海）有限公司， 上海 200122）

0 引 言

超大直径 φ3 000～φ4 000 钢筋混凝土顶管工程陆续在国内实施，特别是在上海、广州等发达城市，已有较多的工程实践。超大直径顶管工程造价高，工程质量要求高，一旦产生顶进失败，将带来极大的经济损失和社会负面影响，基于顶管工艺的特殊性，处理难度也极大。为保障顶进施工的顺利进行，须保证顶管管材的加工质量和有效控制顶进施工的施工工艺。

1 工程概况

昆明尾水外排工程(二期)工程位于滇池之滨，主线东起大清河沉砂池，西至西园隧道旁提升泵站，中间由顶管钢筋混凝土管道连接，主要工程有构建筑物 15 座，管道7 206 m。项目总投资 5.4 亿元，工期 20 个月，其处理尾水的规模为 77.5 万 m3/d。

主线管道：DN3000 管道 1 131 m；DN3500 道 4 052 m；DN4000 管道(下穿滇池草海) 1 188 m，管道埋深水底 10 m左右，单段顶通。

经查阅，DN4000 (外径 4 700 mm)超大直径、超长距离水下顶管项目是目前国内最大的顶管工程。

DN4000 (外径 4 700 mm)超大直径顶段(K5+183—K6+371)，处于泥炭地层，具有高含水量、高孔隙比(11.9 kN/m3)、高压缩比、地基承载力低的特点。在顶进过程中，容易造成顶管掘进机方向失控。在设计工况运行阶段，易引发管节上浮或沉降，造成管道脱节，致使工程失败。

2 国内外发展状况

2.1 国外典型顶管工程案例(如表1 所示)

表1 国外典型顶管工程案例

2.2 近年我国大直径长距离顶管工程的成功案例(如表2 所示)

3 工程难点

(1) 顶管管径大。本工程采用的钢筋混凝土管道有DN3000、DN3500、DN4000 三种规格，其中外径 φ4 700 mm管道为目前国内最大外径顶管，对掘进机设计选型和各个系统的配置，以及顶进工艺和测量都是一个挑战。

(2) 一次顶进距离长。本工程共有 9 个顶段，其中外径φ4 700 mm 管道的顶段最长，顶距为 1 188 m。长距离顶进造成供电、通风、出渣、减阻泥浆加注及中继间控制、导向测量、方向控制等施工监理难度成倍增加。

(3) 地质条件复杂。本工程管道穿越软土层，特别是外径 φ4 700 mm 管道的顶段(K5+183～K6+371)全部位于滇池草海水下，处于泥炭地层，具有高含水量、高孔隙比(11.9 kN/m3)、高压缩比、地基承载力低(不足 50 KPa)的特点。在顶进过程中，由于承载力低，不能为顶管机纠偏提供足够的反作用力，容易造成顶管掘进机方向失控。在顶进及设计工况运行阶段，易引发管节上浮或沉降，造成管道脱节，致使工程失败。

表2 我国大直径长距离顶管工程的成功案例

4 超大管径在软弱土层顶进施工监理的质量控制

4.1 制管质量

本工程的重点为 DN4000 大直径混凝土管的预制质量，直径大、工期短、在西南地区首次施工，采用定型钢模板、蒸汽养护及人工振捣，整个制作工艺试生产，原材料的选择、模具、设备采购，工艺的实验，必须满足顶进需要。

在大直径管道的加工预制过程中，驻厂监理工程师的监理要点：原材料的控制；钢筋骨架的成型；模具的拼装；混凝土的质量控制；钢套环控制环节；止退环插口检量；预埋件橡胶圈检查；性能检测；管材运输保护。

4.2 软弱土层泥浆减阻技术的研发攻关

超大管径长距离顶管施工的最大障碍是随着顶进长度的增加管外壁摩擦阻不断增大，以至于达到或超过靠背和管材的抗压能力，因此需要在机头位置注浆和沿线补浆，形成润滑泥浆套，降低阻力，使得顶进能够顺利进行。

向管壁外压注触变泥浆是降低长距离顶进阻力的重要措施，常规顶管触变泥浆主要成分是膨润土，减阻泥浆配比单一，性能不能满足在不同土质条件下的顶管施工。在软弱土层中使用易造成护壁效果差、泥浆套形成不完整、泥浆消耗量大、减阻性能不佳。针对本工程长距离顶进，且穿越软土地层的难点，采用聚丙烯酰胺等润滑材料配制的新型化学浆液，通过实验室对润滑减阻浆液的配方进行了试验性研发及稳定性评价，最终确定了两种最优配方，即：膨润土聚合物浆液和无粘土聚合物浆液，分别用于机头注浆与沿线补浆，同时优化注浆管道和压注方法，对有效控制管外摩擦力起到了重要作用。从该顶段的顶力与摩阻系数曲线图得知摩阻系数仅为 0.21 t/m3，实现了管道顺利顶进。

4.3 软弱土地层中继间接力技术的控制

在软土地层中进行超大直径顶管施工，由于地基承载力不足容易造成管道失稳、并且轴向顶力越大，越容易造成顶力失稳。为了减小顶管轴向顶力，根据工程现场具体情况，应用模块计算分别对软弱土层的顶管工况、中继间的结构及技术参数、中继间的密封、管道顶进阻力、中继间的阻力和中继间的应用等要素进行了技术分析，且进行了水下软土层顶管新型中继间接力技术的攻关研讨。决定采用可拆卸式钢混组合中继间，顶管结束后，拆除千斤顶与止水装置，即可直接合拢中继间，不需要进行任何特殊处理。实践证明这一研发取得了制作简单、密封效果好、顶力顶速均匀、安拆方便、可回收利用。此项成果正在申报实用新型专利。

4.4 软弱土地层管道稳定性的技术控制

该顶段下穿滇池草海，全长 1 188 m，管顶的覆土厚度小(9 m～10 m)，管道主要穿越泥炭质土层，在顶进过程中和完工后地层经过扰动，管道可能因承载力不足或浮力过大造成失稳，导致管道发生位移而脱节。为防止管道失稳，采用了管道拉结处理措施。施工前组织专家组对施工专项方案进行了专家论证，在顶进过程中在管节两端增设预埋螺杆拉结，将管道连接为一个整体，可以增加顶进过程中管节的刚度，并防止满载时管道下沉造成的脱节。

4.5 顶管机头进出洞控制

严禁带水进洞的违规作业，机头出洞时要检查洞口加固措施是否合理有效；检查洞口止水橡胶圈尺寸、平整度是否符合设计要求；水密性是否良好；在拆除洞口封门时采用静态破碎法，减少土体扰动，同时尽量缩短正面土体暴露时间。机头出洞时放慢顶进速度，复核机头正确位置，发现偏差及时纠正。在接收井内做好接引导轨和防止土体流失措施等，机头到达洞口封门时放慢顶进速度，严禁大力挤压，进洞前准备好堵漏材料，同时准备好应急物资，防止洞口大量涌水引起地表塌陷和机头被水淹。

4.6 测量与纠偏

利用预测站和基准点轨迹的技术，完善了测量的导向系统，将已成型管节的前进轨迹预设为后续管节前进轨迹，每 42 s 自动测量1次，无需中断顶管施工。监理工程师根据数据分析有针对性地展开复测修正，确保测量的运行精度。

在水下软土层中进行纠偏时，泥炭土层不能为纠偏提供足够的反力，可能造成顶进方向失控。必须掌握偏差在较小的波动内、勤测勤纠、小幅度纠和看趋势纠的原则。在通过顶管机纠偏节进行纠偏的同时，增加了采用纠偏特殊管节进行纠偏。一旦发现顶管机自身纠偏动作效果不佳，偏差数据急剧发展时，启动设置的特殊管节进行辅助纠偏。

5 工程效果

5.1 顶进速度快

全长 6 249 m 的钢筋混凝土管道仅历时 9 个月就完成顶管施工，日平均顶进 22.5 m，创下了单日顶进 30 m 的最高记录。

5.2 工程质量优异(见表3)

5.3 施工成本降低

监理工程师注重先进工艺过程的应用控制，强化各环节的优化及监督，提高了作业效率，DN4000 超长距离顶管作业每班仅需 14 人，使得施工成本大大降低。

5.4 施工安全平稳

全长 6 249 m 的顶进施工顺利，在水下总安全顶进长度达 2 667 m，其中 DN4000 超大直径顶管安全穿越 1 188 m滇池草海湖底。施工沉降监测最大值 5 mm，沿途的湖滨公路、海埂大坝、西山缆车站、水上码头及岸边大厦等敏感设施，没有出现裂缝、倾斜及变形现象，施工顶进中正常运行使用。

5.5 文明施工节能环保

本工程通过技术改造，依靠科技进步，实现节能减排。设备节电 8 万kW·h；通过长距离泥浆管道输送集中处置，没有造成扬尘、噪声、泥浆四溢污染滇池水体的现象。被中国建筑业协会确定为“第三批全国建筑业绿色施工示范工程”。

6 结 语

随着我国“基础设施投资建设不断推进，非开挖地下施工技术的优势也将得到发挥，超大直径长距离顶管施工的发展空间巨大，如管径加大到 5 000 mm 以上，工程的应用领域范围将有革命性的突破。今后的发展趋势是圆形、矩形、圆拱形、多边形等，以适应箱涵顶进等各种工程的需要，故截面形状多元化是必然趋势。我们将在以后的工程监理中继续开展活动，运用 QC 管理知识，努力探索新技术、新工艺，不断攻克施工中的难题，确保施工质量，创出更多的精品和优质工程。