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摘要：近年来，随着高速公路、下穿桥梁、铁路等城市建设的迅猛发展，特别是某地大力建设的城市引水系统，广泛采用了顶管法施工技术。这种方法不需要进行交通隔断，对周围环境影响小，一次顶进技术突破1.9km顶距，成为城市建设的首选。目前我国的顶管技术正朝着超长距离，大直径的方向发展。本文针对超长距大直径钢顶管下穿桥梁的施工措施进行了相关分析，以期为同类工程提供借鉴。
关键词：超长距大直径；钢顶管；施工措施
1.工程概况
某输水管线由4根支线组成全长207公里，全部采用钢顶管施工。其中某支线全长26公里，设计为DN3600口径双管，平均埋深在15米左右。其中C6标段穿越需要下穿桥梁基础、民房等构筑物，并穿越河道，过桥桩基础最小静距是20cm，提前进行绕行，过河流因为覆土较薄，一是减速，控制土压和顶推力，二是减少该区段注浆量和注浆压力，有条件的可以对河床进行覆土压重，三是根据河床变化及时调整顶进参数。本文根据C6标段进行超长距大直径钢顶管施工措施进行介绍，为同类工程提供参考。
2.主要技术措施
2.1土压平衡顶管工艺原理
土压式顶管是机械式顶管施工的一种。它的主要特征是在顶进过程中，利用土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力，它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。它和泥水式顶管施工相比，最大特点就是排出的泥土或泥浆都不需要进行泥水分离等二次处理，非常适合挖掘量大的大口径顶管施工。
土压平衡顶管机的切削刀盘将挖掘面的泥土切下后，通过刀盘后的搅拌棒将泥土搅拌成具有良好塑性、流动性和止水性的三性土，再通过螺旋输送机排出泥土仓。通过改变推进速度和螺旋输土机的排土速度来实现排土量与顶管机的切削量保持平衡，同时也就实现了土压的平衡。
2.2顶管出洞
2.2.1顶管出洞的风险
（1）在打开洞门的过程中，前方的流砂涌入井内，以至于根本无法将顶管机推进到洞门内。
（2）在出洞过程中，尽管顶管机已经推进到洞门内，但是由于各种原因使得前方水土从洞口止水装置流入到工作井内。这不仅会引起机头磕头，顶管姿态失去控制，而且还会造成出洞处地面出现较大沉降，并严重影响后续顶进施工。
（3）顶管机出洞过程及出洞后初始阶段更换顶铁时，必须采取防止顶管机后退的措施，避免因反摩阻不足以抗衡顶管机前端土压力而造成地面塌陷等风险。
2.2.2解决措施
（1）對于粉砂透水层的顶管出洞，工作井的结构应该优先考虑沉井、三轴搅拌桩和连续墙的形式，对钻孔桩围护则应该慎用。
（2）引起出洞段地面沉降和机头磕头的根本原因是水土从洞口流失。所以，洞口止水装置的设计和安装应能够满足较好的水密性要求，必要时采用组合密封圈和防止橡胶法兰反转的措施。由于机头壳体的外径一般要比焊接钢管的外径大，建筑空隙一般为20mm左右，所以，止水装置的设计和安装都应该充分考虑二个不同工况，满足有效的止水要求。
（3）对于泥水平衡顶管机面板上的开口大小和切削刀的宽度应该与排泥管路的口径相匹配，以避免进入泥水舱内的加固碎块堵管。有可能的话，将泥水管路改为D150，堵管的可能性就更小了；对于土压平衡顶管机则需要控制顶速和出土量，平稳均衡顶进，确保土体稳定。
（4）出洞过程及出洞后初始阶段，更换顶铁时，对顶管机及管道采用焊接、止滑等加固措施，防止顶管机及管道后退。
2.3轴线的确定与控制
若工作井、接收井均完成，必须对工作井、接收井洞门中心坐标、高程进行复测。根据测量获得的实际洞门数据，拟合出顶进轴线。若工作井完成、接收井未完成，首先对工作井洞门中心的实际坐标、标高进行复测，根据复测得实际数据与接收井洞门的设计坐标拟合出顶进轴线。根据各施工单位顶管机设计参数、导轨相关参数、管道中心参数，计算导轨面的理论高程、水平轴线。
当顶进线出现偏差时，通过对顶管机千斤顶伸缩量的调整，减小偏差值使之逐步回到设计轴线的位置。大直径钢管纠偏时不能过于剧烈，否则会造成钢管局部弯矩过大，不但加大顶阻，同时会对焊接环形成较大应力。顶进时要对顶管机的走势及时掌握、及时分析，根据顶进趋势对纠偏进行指导。施工中，每顶一节6.6米的管节就要进行一次轴线测量，增加出洞阶段及纠偏的测量次数。经常复测测量控制点，使测量精度得到保证。顶进一定长度后，采用半自动测量设备及人工接站测量方法测量轴线，经常采用坐标法复测顶进轴线。钢管焊接产生的烟雾、管道内的水分蒸发和大气压会对管道内的通视造成影响，必须采取措施进行干预。
2.4注浆减阻技术
对于长距离顶管施工，采用每道管节开设注浆孔形成注浆孔环的触变泥浆减阻技术作用尤为明显，可有效减小顶进阻力。触变泥浆由膨润土、CMC（粉末化学浆糊）、纯碱和水进行配制而成。根据工程实际，调制浆液时，必须经过充分搅拌。浆料采用ZJ-400型高速旋流搅拌机进行搅拌，每次最多可搅拌400L浆液。浆液配比为25kg浆料+300kg水，每次搅拌不得低于3min。现场设5m3塑料存储罐2只，搅拌均匀的浆液输送至存储罐中静置2小时以上，充分膨胀以后才能使用。顶进过程中控制注浆量和注浆压力，在顶管管节周围快速形成泥浆环套。
2.5中继间的顶进
2.5.1顶力计算
根据常用的经验公式计算顶力。
式中：F——总推力（kN）
F0——初始推力（kN）
Fs——单位接触面积摩擦阻力（kN/m2），淤泥粘中质土采取触变泥浆减阻措施，根据经验取Fs =2.5kN/m2（根据本工程数据推算单位接触面积摩擦阻力为2.0 kN/m2，为保险起见取值2.5kN/m2）。
D——管外径，D=3.67m L——推进长度（m），L=1110m
而初始推力
式中：B——迎面阻力（kN/m2），淤泥质土中，顶管机中心深度11.8m，根据计算结果B=98.5kN/m2
2.5.2中继间的布置
中继间主要是分担主顶初始推力的作用，考虑到钢管焊接、防腐、检测、复测等影响停滞时间较长（约5小时），启动顶力会受到影响，为保险起见1#中继间在主顶顶力达到最大允许顶力的35%即4200kN时放置，后继的中继间在主顶顶力达到最大允许顶力的75%即9000kN时放置。中继间在主顶顶力达到90%时即10800kN时开始启动。中继间布置位置见表1。
2.5.3中继间的密封
本工程顶进距离长，中继间可能需要多次启动辅助主顶顶推，且本顶管工程为长江引水工程，管道工作压力大，对中继间密封件的要求极高。中继间密封件一旦失效，将对顶管工程造成灾难性后果。
中继间密封采用如图所示的内外组合形式，内圈为可充气的弹性橡胶气囊，外圈为橡胶耐磨环。充气环上设有充气嘴，通过充气嘴向充气环充气，使充气环内保持0.4MPa的压力。耐磨环就会紧贴中继间壳体行成一道可靠的密封。
2.5.4中继间的控制
一般中继间是从前往后逐一动作的，如果以人工操作作为控制方式会随着中继间数量的增加降低施工效率。因此，本工程采用串联中继间和组顶系统的集中控制系统按照奇偶顺序分为两组。处于同一组的中继间以及主顶同时动作向前顶进，待中继油缸推进到最大行程时，行程开关动作，这组中继间停止动作，另外一组中继间开始启动。这样两组顶进装置交替向前推进。
2.6焊接施工
由于钢管焊接工作量大，焊接时顶管施工必须停顿，焊接工作将严重影响到整个施工工期。CO2气体保护焊因为使用送丝机连续送丝，较手工焊更换焊条减少了焊接接头，节省了焊接时间，提高了焊接速度和效率。因此管道焊接选用CO2气体保护焊。除了CO2气体保护半自动焊接方式以外，计划采用管道全位置自动焊接的方法来提高焊接效率、保证焊接质量，自动焊与半自动焊相互结合。
焊接采用“X”型坡口，其坡口角度为60°，钝边为1～3mm，管道组装间隙4～6mm。焊缝以管道水平轴线为界分为上下两个部分，焊接前在上环缝内侧、下环缝的外侧填装圆柱形的焊接陶瓷衬垫，先焊接上半部分的外环缝以及下半部分的内环缝，这样可以强制根焊成型，避免使用碳弧气刨清根，减少工作量，缩短焊接工作时间。单面焊接完成即可拆除陶瓷衬垫，再焊接反面的仰焊部分。
最后在上下焊缝交界处，用碳弧气刨进行清理后手工进行焊接。
3.总结语
大直径长距离钢顶管在施工中应该特别注意以下几条：
（1）钢顶管的工作井出洞之前，应该认真分析水文地质情况，选择合理的围护结构和出洞加固方式，（包括降水方案）并在基坑挖土之前应该落实各项质量控制措施。另外，出洞的姿态控制精度和洞口止水装置的密封性能对顺利完成随后的顶进都是十分重要的。
（2）钢顶管的姿态控制应特别强调高精度的原则。加强对测量和糾偏操作的管理，落实报警制度和处理机制。
（3）顶管机后与钢管间便于转向的钢筋砼连接管，除了应该满足密封性能以外、特别要对柔性接口的连接强度、刚度设计给予高度的关注，避免接口的变形和破坏导致工程风险。
（4）在正常顶进过程中，钢顶管的地面沉降应该是可控的。但是，有必要一是对顶管掘进机开挖面的稳定控制方法，二是对管外壁完整触变泥浆润滑套的注浆工艺管理，三是对钢顶管的上抬问题引起高度重视，四是润滑泥浆的置换时机、预留钢管应力释放过程同样不可忽略。
（5）有关顶力的控制，也是要重视泥浆润滑套压注工艺的管理。包括材料和配方、管路系统设备的布置和注浆方法，最大限度地降低顶进阻力。
（6）超长距顶管完成后中继间、注浆孔封闭以及功能性试验同样不能忽视。
关键词：超长距大直径；钢顶管；施工措施
1.工程概况
某输水管线由4根支线组成全长207公里，全部采用钢顶管施工。其中某支线全长26公里，设计为DN3600口径双管，平均埋深在15米左右。其中C6标段穿越需要下穿桥梁基础、民房等构筑物，并穿越河道，过桥桩基础最小静距是20cm，提前进行绕行，过河流因为覆土较薄，一是减速，控制土压和顶推力，二是减少该区段注浆量和注浆压力，有条件的可以对河床进行覆土压重，三是根据河床变化及时调整顶进参数。本文根据C6标段进行超长距大直径钢顶管施工措施进行介绍，为同类工程提供参考。
2.主要技术措施
2.1土压平衡顶管工艺原理
土压式顶管是机械式顶管施工的一种。它的主要特征是在顶进过程中，利用土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力，它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。它和泥水式顶管施工相比，最大特点就是排出的泥土或泥浆都不需要进行泥水分离等二次处理，非常适合挖掘量大的大口径顶管施工。
土压平衡顶管机的切削刀盘将挖掘面的泥土切下后，通过刀盘后的搅拌棒将泥土搅拌成具有良好塑性、流动性和止水性的三性土，再通过螺旋输送机排出泥土仓。通过改变推进速度和螺旋输土机的排土速度来实现排土量与顶管机的切削量保持平衡，同时也就实现了土压的平衡。
2.2顶管出洞
2.2.1顶管出洞的风险
（1）在打开洞门的过程中，前方的流砂涌入井内，以至于根本无法将顶管机推进到洞门内。
（2）在出洞过程中，尽管顶管机已经推进到洞门内，但是由于各种原因使得前方水土从洞口止水装置流入到工作井内。这不仅会引起机头磕头，顶管姿态失去控制，而且还会造成出洞处地面出现较大沉降，并严重影响后续顶进施工。
（3）顶管机出洞过程及出洞后初始阶段更换顶铁时，必须采取防止顶管机后退的措施，避免因反摩阻不足以抗衡顶管机前端土压力而造成地面塌陷等风险。
2.2.2解决措施
（1）對于粉砂透水层的顶管出洞，工作井的结构应该优先考虑沉井、三轴搅拌桩和连续墙的形式，对钻孔桩围护则应该慎用。
（2）引起出洞段地面沉降和机头磕头的根本原因是水土从洞口流失。所以，洞口止水装置的设计和安装应能够满足较好的水密性要求，必要时采用组合密封圈和防止橡胶法兰反转的措施。由于机头壳体的外径一般要比焊接钢管的外径大，建筑空隙一般为20mm左右，所以，止水装置的设计和安装都应该充分考虑二个不同工况，满足有效的止水要求。
（3）对于泥水平衡顶管机面板上的开口大小和切削刀的宽度应该与排泥管路的口径相匹配，以避免进入泥水舱内的加固碎块堵管。有可能的话，将泥水管路改为D150，堵管的可能性就更小了；对于土压平衡顶管机则需要控制顶速和出土量，平稳均衡顶进，确保土体稳定。
（4）出洞过程及出洞后初始阶段，更换顶铁时，对顶管机及管道采用焊接、止滑等加固措施，防止顶管机及管道后退。
2.3轴线的确定与控制
若工作井、接收井均完成，必须对工作井、接收井洞门中心坐标、高程进行复测。根据测量获得的实际洞门数据，拟合出顶进轴线。若工作井完成、接收井未完成，首先对工作井洞门中心的实际坐标、标高进行复测，根据复测得实际数据与接收井洞门的设计坐标拟合出顶进轴线。根据各施工单位顶管机设计参数、导轨相关参数、管道中心参数，计算导轨面的理论高程、水平轴线。
当顶进线出现偏差时，通过对顶管机千斤顶伸缩量的调整，减小偏差值使之逐步回到设计轴线的位置。大直径钢管纠偏时不能过于剧烈，否则会造成钢管局部弯矩过大，不但加大顶阻，同时会对焊接环形成较大应力。顶进时要对顶管机的走势及时掌握、及时分析，根据顶进趋势对纠偏进行指导。施工中，每顶一节6.6米的管节就要进行一次轴线测量，增加出洞阶段及纠偏的测量次数。经常复测测量控制点，使测量精度得到保证。顶进一定长度后，采用半自动测量设备及人工接站测量方法测量轴线，经常采用坐标法复测顶进轴线。钢管焊接产生的烟雾、管道内的水分蒸发和大气压会对管道内的通视造成影响，必须采取措施进行干预。
2.4注浆减阻技术
对于长距离顶管施工，采用每道管节开设注浆孔形成注浆孔环的触变泥浆减阻技术作用尤为明显，可有效减小顶进阻力。触变泥浆由膨润土、CMC（粉末化学浆糊）、纯碱和水进行配制而成。根据工程实际，调制浆液时，必须经过充分搅拌。浆料采用ZJ-400型高速旋流搅拌机进行搅拌，每次最多可搅拌400L浆液。浆液配比为25kg浆料+300kg水，每次搅拌不得低于3min。现场设5m3塑料存储罐2只，搅拌均匀的浆液输送至存储罐中静置2小时以上，充分膨胀以后才能使用。顶进过程中控制注浆量和注浆压力，在顶管管节周围快速形成泥浆环套。
2.5中继间的顶进
2.5.1顶力计算
根据常用的经验公式计算顶力。
式中：F——总推力（kN）
F0——初始推力（kN）
Fs——单位接触面积摩擦阻力（kN/m2），淤泥粘中质土采取触变泥浆减阻措施，根据经验取Fs =2.5kN/m2（根据本工程数据推算单位接触面积摩擦阻力为2.0 kN/m2，为保险起见取值2.5kN/m2）。
D——管外径，D=3.67m L——推进长度（m），L=1110m
而初始推力
式中：B——迎面阻力（kN/m2），淤泥质土中，顶管机中心深度11.8m，根据计算结果B=98.5kN/m2
2.5.2中继间的布置
中继间主要是分担主顶初始推力的作用，考虑到钢管焊接、防腐、检测、复测等影响停滞时间较长（约5小时），启动顶力会受到影响，为保险起见1#中继间在主顶顶力达到最大允许顶力的35%即4200kN时放置，后继的中继间在主顶顶力达到最大允许顶力的75%即9000kN时放置。中继间在主顶顶力达到90%时即10800kN时开始启动。中继间布置位置见表1。
2.5.3中继间的密封
本工程顶进距离长，中继间可能需要多次启动辅助主顶顶推，且本顶管工程为长江引水工程，管道工作压力大，对中继间密封件的要求极高。中继间密封件一旦失效，将对顶管工程造成灾难性后果。
中继间密封采用如图所示的内外组合形式，内圈为可充气的弹性橡胶气囊，外圈为橡胶耐磨环。充气环上设有充气嘴，通过充气嘴向充气环充气，使充气环内保持0.4MPa的压力。耐磨环就会紧贴中继间壳体行成一道可靠的密封。
2.5.4中继间的控制
一般中继间是从前往后逐一动作的，如果以人工操作作为控制方式会随着中继间数量的增加降低施工效率。因此，本工程采用串联中继间和组顶系统的集中控制系统按照奇偶顺序分为两组。处于同一组的中继间以及主顶同时动作向前顶进，待中继油缸推进到最大行程时，行程开关动作，这组中继间停止动作，另外一组中继间开始启动。这样两组顶进装置交替向前推进。
2.6焊接施工
由于钢管焊接工作量大，焊接时顶管施工必须停顿，焊接工作将严重影响到整个施工工期。CO2气体保护焊因为使用送丝机连续送丝，较手工焊更换焊条减少了焊接接头，节省了焊接时间，提高了焊接速度和效率。因此管道焊接选用CO2气体保护焊。除了CO2气体保护半自动焊接方式以外，计划采用管道全位置自动焊接的方法来提高焊接效率、保证焊接质量，自动焊与半自动焊相互结合。
焊接采用“X”型坡口，其坡口角度为60°，钝边为1～3mm，管道组装间隙4～6mm。焊缝以管道水平轴线为界分为上下两个部分，焊接前在上环缝内侧、下环缝的外侧填装圆柱形的焊接陶瓷衬垫，先焊接上半部分的外环缝以及下半部分的内环缝，这样可以强制根焊成型，避免使用碳弧气刨清根，减少工作量，缩短焊接工作时间。单面焊接完成即可拆除陶瓷衬垫，再焊接反面的仰焊部分。
最后在上下焊缝交界处，用碳弧气刨进行清理后手工进行焊接。
3.总结语
大直径长距离钢顶管在施工中应该特别注意以下几条：
（1）钢顶管的工作井出洞之前，应该认真分析水文地质情况，选择合理的围护结构和出洞加固方式，（包括降水方案）并在基坑挖土之前应该落实各项质量控制措施。另外，出洞的姿态控制精度和洞口止水装置的密封性能对顺利完成随后的顶进都是十分重要的。
（2）钢顶管的姿态控制应特别强调高精度的原则。加强对测量和糾偏操作的管理，落实报警制度和处理机制。
（3）顶管机后与钢管间便于转向的钢筋砼连接管，除了应该满足密封性能以外、特别要对柔性接口的连接强度、刚度设计给予高度的关注，避免接口的变形和破坏导致工程风险。
（4）在正常顶进过程中，钢顶管的地面沉降应该是可控的。但是，有必要一是对顶管掘进机开挖面的稳定控制方法，二是对管外壁完整触变泥浆润滑套的注浆工艺管理，三是对钢顶管的上抬问题引起高度重视，四是润滑泥浆的置换时机、预留钢管应力释放过程同样不可忽略。
（5）有关顶力的控制，也是要重视泥浆润滑套压注工艺的管理。包括材料和配方、管路系统设备的布置和注浆方法，最大限度地降低顶进阻力。
（6）超长距顶管完成后中继间、注浆孔封闭以及功能性试验同样不能忽视。