第３期 ２０１６年６月 非开挖技术 Ｃｈ．ｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２１３ 大直径长距离曲线顶管在软硬土层中的综合 余剑锋 （广东省基础工程集团有限公司广东广州５１Ｏ６２０） 摘 要：本文以顶管项目为依托，介绍了大直径长距离曲线顸管综合技术在软硬土层中的应用幅 重点阐述了刀盘改造、曲线测量、软硬地层顶进控制以及长距离注浆减阻和中继接力技术，这项综合 在今后地下空间发展利用过程中将有很大的发展前景 本文可为以后类似工程建设提供借鉴和技术支 关键词：曲线顶管、注浆减阻、中继接力、刀盘改造 １前言 随着城市化进程的快速推进，土地紧缺、交 通拥挤等问题日益加剧，合理开发地下空间已成 为解决上述问题的有效途径，顶管法以其非开挖 敷设管道的技术在地下空间开发上越来越多地采 用。在实际丁程中，由于地下管线的综合性越来 越强，穿越土质越来越复杂，且平面上受到道路 形状的制约、地面建筑物保护的影响，竖向上存 在地质条件的差异性等因素，促使顶管工程向大 直径、长距离、曲线方向发展。 图１顶管轴线上地表情况 在珠江 角地区，地下水十分丰富，泥水平 衡式顶管较多应用于Ｔ程实践，本文依据 山岛 内ｌ ｌＯｋＶ及２２０ｋＶ架空线路改迁工程中的一段顶 管实例，介绍大直径长距离曲线顶管在软硬土层 中的综合应用，对以后类似＿Ｔ程提供参考。 ２工程概况 ｊ山岛内１ｌＯｋＶ及２２０ｋＶ架空线路改迁工程 位于佛山市南海区 山大道侧，该工程主线路采 用ＤＮ３５００钢筋混凝土顶管施Ｔ。其２＃～１＃段为 一次性顶进６７９ｍ，且为曲线顶进，在距２＃始发 图２曲线绕过广珠西线桥墩 井４２０ｍ处进入曲线段绕开广珠西线桥墩，曲线段 长度约１５４ｍ，曲率半径Ｒ＝１０００ｍ，管顶平均覆土 厚度为５．５ｍ，全段穿越强风化泥质粉砂岩、微风 化砂岩、粉质粘土和淤泥层，其中硬 轴抗压强度高达８８．６ＭＰａ。沿途存在大点 军用光纤电缆、自来水管和雨水管等管 ２０ 』｛：挖技术 Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 图３ ２＃一１＃管道平面图 ３复合地层大直径长距离曲线顶管 这种刀盘结构稳固， 技术 刀盘开口率约为２５％ 共１７把。 本工程为大直径（外径４．１４ｍ）、长距离（长 度６７９ｍ）、硬岩（抗压强度８８．６ＭＰａ）、曲线（曲 率半径ｌＯ００ｍ）顶管集成为一体的综合顶管Ｔ程； 根据以往完成的大直径、长距离、硬岩和曲线顶 管经验，从刀盘刀具选择、曲线控制、注浆减阻、 中继接力、电压降补偿等控制因素出发，分析各 ｌ一 因素的综合影响，研究探索综合性顶管施工技术。 图５】 （２）破碎舱改连 破碎舱在顶管 大块岩石第二次破码 颗粒尺寸为２００ ｍｍ。 破碎舱后，刀盘背 突起耐磨破碎筋组成 图４顶进地层岩石。芯样 刀盘牛腿的耐鏖 距离是不同的，不 ３．１顶管机选型 Ｔ程穿越地层为复合地层，顶管段需要穿越 地层依次有：强风化泥质粉砂岩一粉质粘土一微风 化砂岩ｆ长度约９０ｍ，单轴抗压强度约８８．６ＭＰａ）一 粉细砂一粉质粘土一淤泥，岩层芯样如图４。同一 断面土质软硬不均，沿顶进方向土质变化大，顶 管机刀盘设计和刀具布设具有较大濉度。 （１）刀盘面板 碎，最后令碎石颗 腿到锥形破碎舱表厦 地面的排渣口允许最 ３．２曲线顶管施工技 曲线顶管与直 后续管节随顶管机ｌ 线状管节沿弧线运亏 挖，否则管节就无法 （１）曲线段超手 曲线顶管的曲 为了克服硬质岩层，顶管机采用６根辐臂支 撑的厚壁法兰连接主驱动装置并且作为刀盘面板 的基座，７］盘采用面板式设计，在岩层施Ｔ中， 第３期 余剑锋：大直径长距离曲线顶管在软硬土层中的综合应川 ２ｌ （ａ）加装喷水装置 （｝】）加装耐磨装置 图６顶管机刀盘改造图 （ｒ・）加装钢丝刷 超挖量大小与曲率半径、管节长度有关，管道理 论超挖量可按下式计算： 测量时．由顶管一 作井安装一俞固定于仪器 墩上的自动全站仪Ｔ，及固定于井壁上的二个后视 Ｍ 一争ｃｌ－ＣＯＳ 式中Ｍ一理论超挖量（ＩＴＩ）； 点（Ｐ。和Ｐ ）组成顶管贯通测量地下导线的起始 基准点，随顶管顶进的长度和线形在管道内固定 安置Ｔ１， ，…中转测站。由离机头最近的全站 仪最后测量同定安置于机头内的棱镜Ｐ，、Ｐ，坐标， Ｒ一曲率半径（ｍ）； Ｄ．一管道外径（ｍ）； 然后求算当前机头位置中心Ｐ 坐标。 Ｌ一管节长度（ｍ）。 （２）曲线段线型控制 在曲线段顶进过程中，整体管节的线型需 要通过管节接口张开程度来控制。曲率越小，管 节问张口越大；反之，曲率越大，管节间张口越 小。为保持曲线顶管线型，管节张口应随着顶管 顶进过程发生变化。为控制张口量的变化，需在 管节张口间塞钢垫片，垫片厚度有５ｍｍ、８ｒａｍ、 １０ｒａｍ，并可互相组合。 施Ｔ过程中，对进入曲线段管节接口及时塞 垫片，并观察每一接口垫片的松紧，对松动垫片 进行更换或增加，并注意管节张口间的止水效果。 （３）曲线段线型测量 图７测量系统示意图 在曲线顶管中因管内测站位置会随着管节顶 进而变化，且管内测站需在隧道内采用“之”字 形折线布置才能保证通视。 曲线顶管中，为提高测量精度，利用固定转 点测站进行引测，防止测点在测量过程中移动影 响测量精度；为提高测量速度，每个转点均采用 强制对中法进行仪器安装；为配合测点安平，每 个棱镜头配一个棱镜基座。 图８曲线顶管测量 ２２ 非丹挖技术 Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （４）中继问线型调整 的顶进参数，以适应不同地层施工。 （１）粘土层 在粘土层地质顶进施工中，由于粘土的粘性 造成在顶进中极易形成泥饼，裹住顶管机刀盘， 曲线顶管时，孔洞轴线与顶进管节轴线往往 是不一致的，顶进管节轴线会向曲线外侧偏移， 这样管节顶力的合力中心会偏向曲线内侧，如果 这时管节中设置了中继间，可通过调整中继间的 合力中心，使其与管节顶力的合力中心一致，以 保持曲线段平稳顶进。 中继间顶力调整的办法是曲线外侧的中继油 缸停用，停用数量可理论计算，也可通过观察调整。 简便一点的方法是在中继间工作时观察前后段管 节问转角的变化，若转角增加，表示要增加停用 的油缸数量；反之则减少停用油缸数量；当转角 不变时，可认为到达平衡。 前方土体无法切屑和排出，会造成顶管顶力偏大， 刀盘电流突增等问题。 该地层顶进需要减慢顶进速度（顶进速度 ＜２０ｍｍ／ｍｉｎ），同时通过改变顶管机电机运行频率 加快刀盘转速，让粘土充分进行搅拌。并使用高 压清水进行冲洗，减少泥饼的形成。循环泥浆粘 度控制低于２２ｓ。同时可采用化学添加剂改善粘土 性能。 （２）淤泥层 淤泥地层含水率大、孔隙比大、压缩性高、 承载力较差，由于顶管机自身重量较大，在承载 力较差的淤泥层极易产生下沉，因此，在顶管机 进入淤泥层时，应将顶管机下纠偏千斤顶稍稍伸 出，并加快顶进速度，将泥水仓泥水压力提高至 比地下水位高出２０ｋＰａ左右，泥浆粘度控制在２２ｓ 以上，并控制好进排浆压力。 （３）硬岩层 顶管机在硬岩段顶进时，应采取慢速顶进， 减少刀具的贯人度，避免滚刀蹦口的现象，如图 １ｌａ、１ｌｂ所示；同时，在顶进中应进行高压清水 图９施工中的曲线顶管 的输送，一是为了降低刀具的温度，二是对滚刀 上粘土进行冲洗，减少偏磨的现象，如图１ １ｃ；另 外，顶管机在岩石切削中会产生石粉，容易在沉 底堆积，抬升管节，使管节与顶部岩层挤压卡死， 所以要控制好循环泥浆的浓度，及时补充新的触 变泥浆。 在硬岩段顶进时，轴线控制也非常关键。硬 岩段纠偏难度大，纠偏空间有限，且会加大刀具 磨损量，存在顶管机卡住的风险。因此，在岩石 层顶进时要控制好顶管机姿态。 ３．４长距离顶管施工技术 在长距离顶管中，不仅需要通过注浆减阻来 图１０成型的曲线顶管 减少顶进过程中的阻力和通过中继接力来增加顶 ３．３复合地层顶管施工技术 进中的推力，还需要考虑电压降的问题。 （１）注浆减阻技术 针对长距离硬岩顶管，需要克服顶进过程中 对于软硬综合地层中曲线顶进施工，除了对 顶管机选型、曲线线型控制外，还要对顶进过程 的施Ｔ参数进行控制。针对不同土质，调整不同 管体外表面与岩层之间摩阻力大的问题，首先采 第３期 余剑锋：大直径长距离曲线顶管在软硬土层中的综合应用 ２３ （ａ）崩边 （ｂ）缺口 图１１滚刀磨损情况 （ｃ）偏磨卷边 用压注触变泥浆减少摩擦阻力。注浆可使管周外 壁形成泥浆润滑套，使管节受到一定的浮力，减 少管节与周边土体的接触面积，从而降低了顶进 时的摩阻力。 虑到注浆管中的浆体流动性及注浆持续性，浆体 粘度又不宜过大，这就要求泥浆根据地层特性取 其综合性能。 根据试验研究表明，采用膨润土配置的触变 触变泥浆压注要以同步注浆为主，补浆为辅， 先注后顶，随顶随注，及时补浆。在停止顶进 及开始顶进前应压注触变泥浆，减小再次启动 泥浆其浓度对粘度、润滑性有影响从而改变摩擦 阻力系数，下表１对比了触变泥浆浓度的变化对 其粘度、比重和流动性、凝胶性能的影响。 表１触变泥浆配比表 试样 膨润 ＰＨ值 １０ｈ粘度 ２４ｈ粘度 比重 土：水 （ｓ） （ｓ） （ ｍ１） １ ２ ３ 的顶推力。在顶进过程中，注浆压力应比地下 水压力略高，但也要避免击穿地面影响注浆效 果。泥浆注浆量应控制在管土间缝隙空间体积的 １．５～２．０倍。 （２）中继接力技术 长距离顶管中，克服顶进过程中管体外表面 与岩层之问摩阻力大问题第二个方法是采用中继 接力。中继接力是在顶进管节中放置一个或几个 由数十个小千斤顶组成的中继环，这些中继环以 状态 ６％ ８ ｌ８．８７ ２５．０３ ３０．５７ ２１．５７ ３３．０６ ３８．３７ １．０５ 表面胶凝 １．０６ 表层胶凝 １．０７ 胶凝较好 ８％ ８．５ ９％ ９ ４ ５ ｌ０％ ｌ２％ ９ ９ ３５－４２ ５５．２８ ４ｌ－３１ ６７．７２ １．０８ 胶凝好 后部的管节段获取后座力来推动前部的管节段， １．１ 过度胶凝 然后再在其后部中继环或主顶千斤顶的顶推力作 用下小千斤顶复位，以备下一次顶推。这样，长 距离顶管就被中继环分成数小段依次顶进，减小 在顶管施工中，为了压注触变泥浆后在管道 外壁能形成稳定的泥浆套，浆体应保持一定粘度， 不能离析，才能具有胶凝护壁的效果；同时，考 了主顶千斤顶所需配备的后座力，降低了对井体 图１２触变泥浆配置 图１３触变泥浆压注 ２４ 非开挖技术 Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 施工的工程实例总结了该项技术应注意的几个问 题： （１）在复杂地层曲线顶管时，刀盘刀具的配 置应综合考虑刀盘抗扭、刀具破岩和破碎仓二次 破碎问题； （２）由于曲线顶管不能通视，曲线段测量应 采用测站进行转点，并强制对中、多次测回进行 测量误差的控制。 （３）软硬土层施＿Ｔ时应根据不同土层调整顶 进参数，达到各不同地层的平顺过渡和顺利顶进。 图１４管节中的中继环 （４）长距离顶进时可考虑采用利用触变泥浆 综合性能进行注浆减阻施工和合理布设中继环， 达到顶力分步传递，同时注意电压保证措施。 本文总结了在复杂地质条件下采用大直径、长 距离曲线顶管需要注意事项，在城市地下空间迅速 发展的今天，大直径曲线顶管施工技术有着广阔的 发展前景，本文可为今后类似工程提供借鉴意义。 图１５中继环中的千斤顶 结构的性能要求。 ３长距离配电技术 长距离顶进后，由于传输用电缆不断增长， 导致电功率损耗加大，电压下降，顶管前端电机 不能正常运转；采用升降压装置，在始发井内放 置升压装置，将３８０Ｖ输入电压升至１０００Ｖ输出电 压，再用中压电缆输送至离顶管机３０ｍ左右位置 参考文献： 图１６变压器降压装置 ［１】由广明，朱合华，刘学增，葛金科．曲线顶管施 工环境影响的三维有限元分析，地下空间与Ｔ 的降压器，转换成３８０Ｖ电压输出给顶管电机。 这样可以节省管道内输电线缆的布设，减小 输送电缆损耗的功率，满足长距离顶管电机用电 功率要求。但目前也存在升降变压器体积较大， 管内运输和安放都较困难的确定，需要以后进一 步改进。 程学报【Ｊ】．第３卷第２期，２００７年４月 【２】陈金良，王宪法，陈才炎．泥浆技术顶管施工中 的应用分析［Ｊ】民营科技．２００７年第５期 【３】陈洁锐，朱科峰．泥水平衡顶管法在不良条件 下的施工实例【ＪＪ．建筑技术开发．第３４卷第３ 期，２００７年３月 ４结论 本文通过大直径长距离曲线顶管在软硬地层 ［４】李家鑫，于庭伟．顶管施工技术在市政工程中的 应用【Ｊ】．施工技术．２００７．ＮＯ．７总第４５期 【５】张卫军．顶管掘进机选型分析【Ｊ】．建筑机 ３期 剑锋：大ｌｔ－，－ ｔ ｏ．：Ｋ 离曲线顺符 软硬 ｋｂ￣－＇Ｊｔ的综合￣ｊ Ｊ Ｊ Ｊ ２５ 撤，２００６（０６）（Ｉ 半月刊） 作川机 及效果分析Ｉ Ｊ１．探矿Ｉ （岩十钻捌 １ ），２Ｏｌｏｃｌ２） 刘Ｊ火新，李默，吕洪丹，岛鹏，张爽．彳１１ ４们＋地层 大【：］径长距离管道顶管施一ｒ技术…． ；ｆ｝Ｉ＿ｒ 程 建没．２０１４｛０１ １ ８］田艳玲 ｆｊ长宗强． 琳， 凡【 ． ２０１ ２（０８） 地 人¨ 径长距离管道顶僻施Ｔ 影响 索…．油气储上耋． 浆减摩 简崇林，马孝存．长距离顶管Ｔ程 Ｔｈｅ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ Ｌｏｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｃｕｒｖｅｄ Ｐｉｐｅ ｊ ａｃｋｉｎｇ ｉｎ Ｓｏｆｔ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｒｏｃｋ Ｙｕ Ｊｉａｎｆｅｎｇ （Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ ｌ ０６２０ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｕｒｖｅｄ ｐｉｐｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ０１１ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ． ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ ｓｌｕｒｒｙ ａｎｄ ｒｅｌａｙ ｊａｃｋｓ ｉｎ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｐｉｐｅ ｊａｃｋｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｐａｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ．Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｕｒｖｅｄ Ｐｉｐｅ Ｊａｃｋｉｎｇ；Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ Ｓｌｍ’ｒｙ；Ｒｅｌａｙ Ｊａｃｋｓ；Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｕｔｔｅｒ Ｈｅａｄ 第５期顶管施工技术上岗培训班顺利结业 第５期顶管施ｒ：技术培训班于６月 １８—１９ Ｕ在江苏扬州顺利举行，由中旧地 质学会非开挖技术专业委员会主办，扬州 广鑫暖 设备彳丁限公司承办，于６月１９日 顺利结业。培训班授课老师主要有：北京 市政二公司顶篱分公司总ｒ，武志同；绍 兴磐 管道Ｔ稃有限公司总 婵， 兆铨： ｃｓ 丌秘书长，木文鉴；扬州Ｊ 鑫重型设备 有限公司总 余彬泉等。培训内容主要包 括土乃学基础、地 管线探洲、 １二程地质 勘察、非）１：挖技术术语、顶管技术规程、顶 学员共５７人