浅析超长距离顶管施工工程.docx

浅析超长距离顶管施工工程我国目前已完成的超长距离项管工程(1) 上海南市水厂过江顶管工程：钢管，管道直径0 3.0m，采用三段双铰型 工具管和14只中继环，一次顶进1120m，穿越黄浦江和大片地面建筑物，1987 年 6 月完成钢管单向一次顶进长度创造世界第一，经评审“软土地区钢管长距 离顶进施工技术”获国家科技进步一等奖，莫定了我国超长距离顶管技术基础2) 汕头市自来水厂过海输水顶管工程：钢管，直径0 2.0m，采用一台三段 双铰型工具管和10只中继坏，一次顶进1140m,穿过海面通向宕石岛，1989年 4 月完成，再创钢管顶管一次顶进长度世界纪录.(3) 上海奉贤开发区污水排海顶管工程：钢筋混凝土管，管道直径中 16m， 采用一只三段双铰型工具管和20只中继环，一次顶进长度1511m，管道顶向杭 州湾深水水域，创顶管单向一次顶进长度世界纪录4) 厦门污水排海顶管工程：钢管，管道直径0 1.8m，采用一台三段双铰型 工具管和11只中继环，一次顶进长度1050m，管道顶向海域，1995年11月完成, 开创了软弱土层中超长距离顶管施工纪录5) 深圳妈湾污水排海顶管工程：钢管，管径2.4m，采用一台三段双铰型工 具管和32只中继环，一次顶进长度1609m，管道顶向珠江口伶仃洋。

顶管施工 于 1995 年 12 月完成，再一次创造单向一次顶进长度的世界纪录. 该工程首次应 用组合密封中继环，并获得成功，为超长距离顶管解决了高水头复杂地层中的关 键设备6) 上海上游引水工程中的陇西支线顶管：钢管，管径0 2.2m，采用一台三 段双铰型工具管和10只中继环，一次顶进长度1290m，管道穿越民房、铁路等 大片地面建筑物，工程于 1996 年 11 月初完成7) 上海市上游引水工程中的长桥支线顶管：钢管管径0 3.5m. 采用一台三段 双铰型工具管，采用18只中继环，设计一次顶进长度1743m，管道穿越大片住 宅区，工程于 1997 年 4 月初完成，又一次刷新世界纪录. 该工程己研究解决了超 长距离顶管中的又一关键性技术— 高压供电技术，将 3300V 的高压电成功地引 入管道，解决了数公里顶管的供电问题该工程又解决了输送距离可达数公里的 顶管排泥问题，为更长距离的管道顶进创造了条件第3 章超长距离顶管技术的发展通过近年来的研究和工程实践，超长距离顶管技术又有了新的发展超长距 离顶管技术的发展，同时也带动了整个顶管技术的提高，特别是在沿海一带，顶 管施工已被广泛采纳。

我国超长距离顶管所采用的工具管主要是三段双铰型工具 管，其最大的特点是利于排障，对土层适应性强这正是超长距离顶管要求工具 管的必备性能，所以三段双铰型工具管至今仍是超长距离顶管首选机型1、工具管形式趋于多样化，性能更加完善近年来工具管的形式趋于多样化，主要有土压平衡式、泥水平衡式和开敞挖 掘式，都已有数百米的成功纪录开敞挖掘式由于掌子面较高，土体容易坍陷， 因此要求顶进土层承载力较高它的优点是排障能力较强，施工中设备保养、维 修方便，在承载力较高的土层中不失为可以选择的机型近年来这种机型，我们 又将把它发展成掌子面上半部可以关闭或开启的形式这样可以减少掌子面的自 由高度，使正面不易坍方土压平衡式和泥水平衡式工具管有其独特的优点，两 者对控制地面的沉降都比较理想土压平衡式为干出土，可以避免泥水分离，在 缺乏水源和施工场地紧缺的场合，更显示其优越性泥水平衡式的弃土以排泥管 排放，施工效率高泥水到达地面后需要分离，但粘性土分离困难，这使作为载 体的水，循环使用困难土压平衡式适用于粘性土，泥水平衡式适用于砂性土， 两者对土层各有选择因此对超长距离顶管来说，采用这类工具管尚需考虑顶管 土质是否单一、地下是否没有障碍物等。

如果顶进土层多变，承载力高低悬殊， 地层中可能有较大的障碍物，则还须采用三段双铰型工具管2、组合密封中继环研究应用成功 顶管中以是否采用中继环区别普通顶管和长距离顶管，而超长距离顶管顶进 距离要超过干米，则最前面的中继环，每顶进一公里，来回动作达一万次，这对 任何性能的密封圈来说都是很难达到不被磨损，不会渗漏的，实践证明确实如此 中继环密封的损坏不但与顶进距离有关，而且还与水头压力大小和土质性能有 关因此对超长距离顶管来说选择一种性能优越的中继环是当务之急，对数公里 的水下顶管来说更成了关键设备组合密封中继环是在综合钢管顶管中继环和混 凝土顶管中继环的优点基础上设计而成的，其最显著的特点是密封装置与管道是 组合而成的，既可以安装一道，也可以安装多道该密封装置既可以用于钢管顶 管，又可以用于混凝土顶管，其特点是可以用于较高水头和复杂地层中的顶管， 密封圈磨损后可以在常压下方便地更换，目前该装置己通过25〜27m高水头下的 施工实践根据试验，该组合密封中继环可用于 30米左右水头下的施工我国的超长距离顶管是在钢管基础上发展起来的，国外的超长距离顶管是在 混凝土管基础上发展起来的，两者有许多共同之处，也有不同之处。

不同之处主 要是管段的联结方法不同，钢管是焊接接长的整体性好，混凝土管是插接接长的， 纵向可以弯曲由于两种管道的这一特性区别，顶管施工中的纠偏技术是各不相 同的，混凝土顶管容易纠偏而钢管顶管比较难从工具管性能来说，钢管和混凝 土管工具管的纠偏受力计算是绝然不同的3、 高压供电突破常规首次在顶管管道内采用 随着超长距离顶管的发展，管道内的动力设备越来越多，工具管需要用电，中继环需要用电，排泥泵需要用电，通风也需要用电，因此 380 伏市电的供电电 缆己不胜负担管内供电问题制约了超长距离顶管的发展在盾构施工中，高压 供电己普遍采用，原因之一是盾构施工动力设备主要集中在前部，功率大，非解 决不可其二，盾构施工的断面一般较大，高压供电的安全度较大，容易解决 顶管管道特点是断面较盾构施工的断面小，安全供电成为高压供电的关键为解 决在断面较小的顶管管内实现安全高压供电，要求高压变压器不但绝缘性能要 好，而且体积要小，特别是高宽的尺寸要尽量缩小，但允许沿管轴线方向延长 目前顶管管道内的我国第一套高压供电变压器就是按这一要求设计的为了避免 单台体积过大，采用分散式供电尽管高压供电变压器在设计上作了详尽的考虑 和很大的努力，但毕竟体积还较大，因此采用高压供电的超长距离顶管的管径不 能过小，要受到变压器的制约.根据目前的变压设备的体积，超长距离顶管管径 最小不宜小于2.4m。

根据顶管用电的情况，顶进长度大于1500m的顶管施工， 宜采用高压供电4、 采用重复串联管道泵以群泵形式排泥获得成功 为了求得超长距离顶管施工效率和经济效益，排泥形式往往首选以排泥管排放，这是因为管道排泥所占空间小，排泥连续，而且效率高顶管中水力采掘的 泥浆一般用水力机械排放，千米以上的顶管采用串联水力机械排放，但排放距离 仍然有限为解决这一问题，在超长距离顶管中开始采用重复串联管道泵以群泵 形式排泥最近自动控制群泵启动又获得成功，使这一技术更趋于完善，这为今 后数公里的排泥创造了条件5、海水触变泥浆应用成功污水深水排放管道的敷设是超长距离顶管应用的重要方面，再加上较多的沿 海顶管管道，对这些顶管必须弄清地下水中是否有氯离子为了充分发挥顶力的 作用，在管壁与土体之间采用触变泥浆起润滑作用应用触变泥浆好的顶管，管 壁四周的摩阻力可以减小2/3〜3/4反之触变泥浆一旦失效，管道顶力可以增 加 2-3 倍，以致顶管受阻普通的触变泥浆只能在淡水中使用，一旦遇到氯离子， 触变泥浆就会很快失水，泥水分离，触变泥浆失去润滑作用6、 曲线顶管测量技术研究城区顶管往往会遇到平面上的曲线顶管，穿越江河通向水域的管道遇到垂直 方向的曲线顶管.无论是水平面向的还是垂直方向的一般均称为曲线顶管，曲线 顶管中的一项关键技术是管道定向测量。

曲线顶管因管外的测量仪器与工具管无法通视，因此必须改变常规的施工测 量方法，经纬仪必须进管道但管道在施工过程中是在不断向前移动的，因此仪 器点的座标也是在不断变化的要在座标不断改变的测站上随时随地指出管道前 进方向，这就是曲线顶管中管道定向测量要解决的中心问题解决的办法有两种：(1) 管道内布置多台电子经纬仪，依靠电子经纬仪的优势，在短时间内通过 计算机确定第一台经纬仪的指向这一方法实质上是经纬仪导线法，方法可行但 成本高2) 管内仅设置一台普通经纬仪，一个规标，两者均布置在工具管的后部 工具管标尺、经纬仪、后视规标三者间保持一定的距离，并与管道固定另外尚 需一台全站仪，每顶进数十米，测定一次工具管后的管轴线，并输入计算机，这 些过程是通过磁卡转输自动完成的施工中可以根据顶进距离，通过计算机的运 算，管内经纬仪就能指出工具管顶进方向采用这一方法，速度快、成本低、使 用人力少7、 测力纠偏技术更趋于成熟完善管道的偏差是由作用于工具管上的不平衡外力引起的，在平衡力的作用下管 道沿直线顶进，反之就会偏离直线不平衡力的形成过程，预示着管道偏差的发 生所以事先消除不平衡力，就能防止管道的偏差发生。

在这基础上应用计算机精密推算出工具管端面中心点的位置，不致于造成纠 偏过量或不到位这就是用计算机纠偏的基本原理尽管钢管刚性很强，纠偏比混凝土困难，只要掌握上述纠偏方法后，仍然可 以精确地按设计轴线顶进目前对有经验的施工队伍来说，超长距离顶管的施工 偏差一般可控制在 10cm 以内（不包括测量误差）根据这一原理，同样可以将钢管顶管的测力纠偏移植到混凝土顶管两者不 同之处是纠偏力和与纠偏效果在量级上有区别8、软弱土层中的顶管获得新进展 我国沿海有大量淤积而成的陆地和海床，地表以下的土层承载力极低， 30-40kPa 是常见的在海床下的土层承载力更低这里有一个在特软土层中顶 管并获得成功的实例可以借鉴，这个工程就是厦门污水排海顶管工程，该工程全 长 1050m ，其中有 300m 范围是在土质极差的淤泥质土层中顶进该淤泥的重度 为1.39t/m3,含水量98%,承载力＜20kPa管道在该土层中顶时，由于事先通过 周密的计算采取了有效的措施，施工顺利，而且偏差小实践证明在这样的土层 中是同样可以采用顶管敷设管道的但是该工程在施工中也因土质太差、承载力 太低曾遇到过困难当管道通过这层软弱土层进入砂性土层时,因正面阻力增加, 管轴线在土质特软处严重地出现局部失稳,后来采取措施,促使失稳的管轴线复 位,管道才继续顶进。

9、钢管壁厚薄型化研究在实践上有新进展钢管管壁的厚薄与顶管工程造价有一定的影响,所以顶管钢管璧厚的研究必 然引起各方面的兴趣顶管钢管的壁厚一般采用管径的 1%,比埋管管道的管壁 要厚,加厚部分完全是为了满足顶管的需要决定钢管壁厚加厚的因素是顶管的 顶推力大小、管轴线弯曲程度自从采用中继环以后,顶管顶力不再需要无限增 加,并可以从设计角度加以限制因此管壁可以减薄,但管轴线弯曲程度不能由 设计控制,完全取决于施工人员的技术素质管轴线弯曲后不但管道弯矩增加, 而且管壁摩阻力骤增,管道顶力增加如果管道弯曲过大,可以形成塑性铰,这 就是波纹失稳、管壁断裂的原因目前钢管顶管技术己经成熟，管道偏差可控制在几公分的范围内，一旦有了 偏差，有经验的施工人员都不急于回复到0，而是经过较长的距离后再归 0因 此管道的弯曲应力大大减少.所以对熟练的施工队伍施工，管壁是可以减薄的上海基础工程公司在过甫江的一条顶管工程中，对减薄钢管壁厚作了一次尝 试，①3.0m的钢管，壁厚减薄到26mm，相当于管径的0.86%施工中因为纠偏 平稳偏差小，减薄后的管壁不但能适应顶管受力需要，而且管道椭圆度反而比第 一根过江的管道小。

通过这次工程实践，总结得出顶管管壁可以减薄到管径的 0.8%，但不小于计算管壁厚度加腐蚀厚度另加2mm施工单位。