超浅覆土钢管幕施工控制技术研究

超浅覆土钢管幕施工控制技术研究

严斌

上海市宝山区政府重大工程建设项目管理中心 201901

摘要：以陆翔路~祁连山路贯通工程Ⅱ标钢管幕施工为研究背景，介绍了超浅覆土条件下钢管幕施工控制工程措施。从掘进机选型、顶进中的姿态控制及变形控制等方面详细阐述超浅覆土条件下管幕施工技术措施。该钢管幕施工对周边环境影响较小，施工效果较好。

关键词：钢管幕；超浅覆土；姿态控制；变形控制

1.工程概况

陆翔路～祁连山路贯通工程Ⅱ标段，位于上海市宝山区顾村镇、大场镇，呈南北走向，工程范围南起朱家弄河，北至镜泊湖路，路线总长为1.1km。工程从南向北沿线经过S20外环高速及顾村公园，其中穿越S20外环高速段采用钢管幕结合顶管顶进的施工方法。

管幕段长度为85m，采用φ824@1100壁厚12mm的钢管，相邻钢管之间的空隙为276mm，钢管数量共26根，东西两侧各13根，横断面呈 “一”字形。钢管幕顶部距S20外环高速路肩位置约2.20m，距S20外环高速路拱位置约2.83m。管幕和顶管间的设计间隙为30mm。为保证钢管幕施工中S20外环高速顺利通行，以及顶管顺利顶进，钢管幕的姿态控制及变形控制显得至关重要。

2.工程地质条件

2.1 S20外环高速结构组成情况

根据上海城市建设档案馆资料调查，S20外环高速路面结构层厚度为75cm，主要为：4cm厚沥青层；4cm厚中粒混凝土层；6cm厚粗粒混凝土层；1cm厚上封层；45cm厚粉煤灰三渣以及15 cm厚砾石砂层。

S20外环高速两侧路肩区域为回填土，含有碎石、树根等障碍物，对管幕顶进设备要求较高。

2.2 钢管幕施工穿越地层情况

钢管幕穿越的土层主要为第②1灰黄色粉质黏土层、第③灰色淤泥质黏土层。其中，第②1层为软可塑性土，含氧化铁斑点，局部为粘土；第③层为流塑性土，含少量有机质，局部为淤泥质黏土，夹粉土、粉砂较多。具体参数详见下表：

表2.1 管幕穿越地层情况参数表

根据以上参数，钢管幕穿越的土层均为饱和、软可塑或流塑、高压缩性的土体，土层透水性较差，强度较低。该土层适合管幕施工。

3.钢管幕顶进姿态控制及沉降控制要求

根据施工场地的工程地质、水文地质情况、周边环境等要求，管幕施工姿态控制要求：高程±50mm；平面：±50mm。

管幕施工S20外环高速路面沉降量及隆起量均不大于20mm。

4.钢管幕施工设备选型

根据周边环境及地层情况，管幕施工设备选型为NPD824泥水平衡式掘进机，该设备具有以下特点。

（1）具有二次破碎功能；

（2）掘进机刀盘选用6根条幅面板形式；

（3）设置刀盘电流报警装置；

（4）采用倾斜仪传感器，能够实时精确显示机头前方筒体的水平倾斜角和旋转角度。

（5）采用激光导向系统及激光纠偏系统。

5.钢管幕施工变形控制措施

5.1钢管幕施工准备

（1）洞门密封圈安装

出洞洞门密封圈的安装是管幕顶进施工重要的工序之一。该装置采用压板+止水帘布橡胶板的形式。如下图所示：

（a）压板正面示意图 （b）止水装置安装剖面示意图

图5.1 洞口止水装置图

（2）基座及导轨安装

基座上的两根轨道必须平行、等高。轨道与顶进轴线平行，导轨高程偏差不超过3mm，导轨中心水平位移不超过3mm。

5.2钢管幕出洞段施工措施

（1）洞门加固

洞口采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩加固。

（2）轴线定位。

始发前，对每一根钢管中心位置精准定位。

（3）洞口钢环安装及洞门破除。

洞门分两次进行凿除，首先使用水钻法人工凿除槽壁75cm；然后安装洞口止水装置；止水装置安装完成后，采用快速水泥封堵洞口钢环内外圈；然后安装延伸导轨；最后凿除剩余的10cm钢筋砼。

（4）安装机头过渡管。

（5）掘进机出洞精度控制。

用3个5吨手拉葫芦将机头与导轨捆绑固定，葫芦链条间隔1米，链条与机壳间隙用10*10cm的木条纵向填充并拉紧，松紧度现场根据情况加以松紧链条，以固定顶管机贴合导轨向前推进，推至第一道葫芦链条至洞口30cm处，拆除第一道葫芦链条，至后方钢管处加以捆绑，反复操作，直至机头全部推出加固区，进入原状土层，具体示意图如下，应时刻注意机头轴线偏差数据，确认机头微小的轴线偏差情况，轴线偏差不得大于±2 mm。

图5.2 掘进机定位控制示意图

（6）加固区推进

加固区推进速度控制在0.5~1cm/min。时刻注意机头倾斜仪和偏转传感器数据，确认机头微小偏转情况，并采用改变刀盘转向的方法加以调整，直至进入原状土。

5.3钢管幕正常顶进段施工措施

（1）顶力配置

顶进设备采用2台200T双冲程千斤顶左右对称布置，其提供的顶力可以满足一次顶进85m的要求。

（2）顶进过程中采用注浆减摩措施

有效地向管节外围压注触变泥浆，形成和维护好泥浆套，起到高效的减摩作用，对于减少顶管顶进阻力、控制顶管姿态是至关重要的。同时触变泥浆充满管幕钢管外侧的建筑空隙，起到支承作用，可有效减少S20外环线地面沉降。由于本项目覆土层较浅，注浆压力控制在0.05～0.08MPa之间。

（3）沉降变形控制措施

①泥水仓压力控制

在钢管顶进过程中，在顶进速度尽量保持不变的前提下，开挖面稳定主要通过由变频器控制的进排泥泵系统，调节进排泥流量，控制泥水仓压力。施工时泥水仓压力控制在0.05~1.0MPa。

②顶进速度及刀盘转速

刀盘进入原状土后，正常顶进过程中，维持顶进速度在6.0~10.0 cm/min，刀盘转速3-4r/min，尽量减少刀盘和纠偏对土体的扰动。当进入重要管线敏感区域时，顶进速度及刀盘转速降低。

5.4钢管幕进洞段施工措施

在顶管机到达距接收井3.5m时，开始停止压浆，以释放浆套压力，减少机头进洞土体流失。因为沿线减阻注浆都是采用高浓度浆液，在机头进洞时易在接收井围护和原状土交接处的钢管外侧一周形成高粘度浆套和3.5m左右的土塞，以阻挡土体泄漏达到控制沉降的目的。

5.5钢管幕掘进机进洞后施工措施

（1）井口封堵

钢管进入管幕接收井内后，立即用快凝水泥对钢管和管幕接收井之间的空隙进行洞门封堵，并压水泥浆填充钢管外侧和重力挡墙之间的间隙，防止浆液流出，造成地面沉降。

（2）置换触变泥浆

当钢管幕顶进结束后，通过已完成的钢管内预留的注浆孔，依次用纯水泥浆液将顶进过程中的触变泥浆置换掉。

严格控制水泥浆的注浆压力和注浆量。置换水泥浆的水灰比为0.45，单根钢管注浆压力P=0.1～0.2MPa，考虑注浆浆液外渗和2倍理论空隙，单根钢管的预估总注浆量约Q=2.21 m3/根。

6.钢管幕施工姿态控制措施

6.1姿态控制组织措施

钢管顶进过程中，针对姿态控制建立三级报警机制。

表6.1 顶进精度轴线控制报警（高程及水平）

6.2油缸导轨及相关后方配套

顶管机后方配套由导轨、千斤顶、油泵架等组成。其中：

（1）顶进油缸

采用2只200T千斤顶双冲程油缸，行程3.0m，对称布置，顶进过程中，通过油缸行程差，对钢管幕顶进姿态进行纠偏。

（2）顶管导轨

导轨端面平整度误差要求小于3 mm，导轨采用200×200的方钢。

（3）油泵架由20#槽钢组成；油缸架长度约为2m，宽度约为1.6m。

6.3顶进轴线精度控制

顶管机内设置激光导向系统。

图5.3 顶管机内激光导向系统示意图

上图中，红点为钢管轴线实时坐标点。工作井内的激光束打到激光传感器的后面板上，可以获取顶管机机身的轴线偏差坐标，为管线的纠偏控制提供量化的依据。

蓝点为顶管机纠偏坐标点。由放置于电动机中心的反射激光束打到激光传感器的前面板上，可获取刀盘中心的偏差坐标，为机头的纠偏控制提供量化的依据。

7.S20外环高速路面监测点设置

S20外环高速路面监测点及中间绿化隔离带地表监测点按剖面沿道路走向布设，每剖面21个测点，测点间距3m，共设置4个剖面，剖面编号从北向南分别为S1-1~S1-21、S2-1~S2-21、S3-1~S3-21、S4-1~S4-21。

图7.1 S20外环高速路面监测点布置示意图

8.施工后钢管幕姿态情况

钢管幕顶进施工过程中，姿态控制较好，掘进机切口高程偏差控制在±30mm以内；水平偏差控制在±30mm以内。

图8.1 西线5号钢管幕顶进姿态与里程关系曲线图

图8.2 东线5号钢管幕顶进姿态与里程关系曲线图

8.施工后S20外环高速路面沉降情况

东线及西线钢管幕施工完成后，S20外环高速路面沉降量控制在1cm左右。满足预期要求。

图7.1 S20外环路面沉降累计变化量与监测断面1关系曲线图

图7.2 S20外环路面沉降累计变化量与监测断面2关系曲线图

图7.3 S20外环路面沉降累计变化量与监测断面3关系曲线图

图7.4 S20外环路面沉降累计变化量与监测断面4关系曲线图

9.结论

在超浅覆土及周边环境较为复杂的条件下，通过采用针对性的工程措施：掘进机的选型、掘进机顶进施工中姿态控制、变形控制，从而较好的控制钢管幕的顶进精度及地表变形，钢管幕的姿态偏差可以控制在30mm以内，为后续顶管施工创造了有利条件，S20外环高速路面沉降量控制在1cm左右，保证了外环高速的顺利运行。

参考文献：

[1] 葛金科、沈水龙、许烨霜.现代顶管施工技术及工程实例.中国建筑工业出版社，2009

[2] 葛春辉.顶管工程设计与施工.中国建筑工业出版社，2012

[3] 上海公路桥梁（集团）有限公司. 陆翔路-祁连山路贯通工程（Ⅱ标段 K2+160~K3+265.15）投标文件.上海：上海公路桥梁（集团）有限公司，2017

[4] 马·谢尔盖. 顶管工程[M]. 北京: 中国建筑工业出版社，1983