如何根据顶管工程的实际条件估算顶力并合理布设中继间的数量和位置是长距离顶管工程中最为关键的一个环节^[1,2]。现有工程上的顶力估算采用的是半理论半经验的规程算法^[3,4], 即采用理论完备的计算公式, 同时结合经验性的参数取值来估算顶力;在计算中级间数量时, 又预留一定的顶力富裕量作为安全储备^[5]。

在实际工程中, 应对顶力突增的普通做法是将中继间许用顶力的30%~40%作为安全裕度, 这也是一种综合考虑了施工经济性和安全性的经验做法, 但这个经验值不能考虑中继间最大顶力绝对值的影响, 也没能够考虑顶进区间施工难度的影响, 在工程中应用具有一定的局限性。

国内众多的学者和工程技术人员对长距离顶管工程中的顶力估算和中继间布置及结构优化方面都进行了一定的研究, 但主要都聚焦在中继间的布置方案、质量要素及中继间优化改进等方面^[6~10], 未对顶力突增的大小及其规律展开分析研究, 其也未能依次提出相应的应对措施。

基于厦门市某地下综合管廊工程中单区间长982m, 外径3.6 m的海底混凝土顶管的实测顶力, 对其中11次顶力突然增大的原因展开分析, 研究由于不同因素造成的施工停滞对顶管顶力的影响规律及作用机理, 并基于顶力剧增的原因及变化规律提出了在大口径长距离顶管工程中, 应对顶力突增的5条应对措施, 为类似工程的设计与施工提供参考。

厦门市某过海段综合管廊采用2根内径为3m的平行直线型顶管, 纵断面呈一字坡, 从翔安侧上坡至大嶝侧, 纵向坡度0.3%, 单线长度为982m, 顶管管节采用C50钢筋混凝土预制, 采用F型接口, 壁厚300mm, 管节长度为2.5m。

本次实测顶力为先行施工的单线顶管部分。

根据工程地质勘查报告, 顶管轴线范围内主要为粉质粘土、残积砂质粘性土、中粗砂或岩脉残积粘性土, 顶进穿越地层的土体物理力学参数见表1。管道覆土厚度为6~12m, 管道轴线为直线, 顶进施工由低到高, 始发段60m的顶管轴线及其与周边地层的关系见图1。

顶管顶进区间的顶进里程、平均覆土厚度和地层条件之间的关系见表2, 其中顶管轴线穿越的主要地层是以某个区段中占绝大部分的地层。

根据顶管施工记录中的每一个工况下所对应的顶力大小, 研究顶力变化的规律, 尤其是顶力突然增加的过程与规律进行分析。

在顶管顶进过程中, 实时记录顶管施工过程中每一节顶管所对应的主顶油缸的工作压力, 并根据油缸的压力与千斤顶顶力的关系将之换算成顶进施工的总顶力, 并将其与顶进里程建立关系, 绘制曲线。为了对比理论计算顶力与实际顶力的关系, 在曲线中加入了分别根据《给水排水管道工程施工及验收规范》 (GB 50268-2008) 中摩阻力为2kPa和3kPa估算得到的顶力进行参照分析, 三者关系见图2。需要说明的是, 该区间的顶管施工过程中布置了2个中继间, 但在施工过程中没有启动过, 故基于工作井内千斤顶油缸上实测的顶力即为区间总顶力。

从图2的顶管顶进实测得到的总顶力与顶程的关系曲线中得出以下几个结论:

(1) 从实测顶力与顶程的关系曲线来看, 在982m的顶进区间长度内, 仅在150~220m的区段内总顶力超过了3kPa平均摩阻力计算得到的总顶力, 而这一区段主要都位于花岗岩残积土层, 与此同时, 根据施工记录, 该区段的顶进施工纠偏量较大, 某处程度上影响了泥浆套的质量, 摩阻力受其影响较其它区段要大一些, 但该区间实测得到的总顶力也仅略大于GB 50268-2008推荐的平均摩阻力取值区间的下限制值3kPa计算得到的总顶力。

(2) 在顶管始发后250 m区间内, 顶管实测顶力大于以3kPa平均摩阻力计算得到的理论顶力, 这主要是由于该段顶管覆土厚度较大、同时施工中的纠偏量也较大, 多超过20 mm, 造成局部段管节与地基土直接摩擦而非在润滑泥浆中顶进产生的平均摩阻力稍大;当在顶程达到250m之后, 管道轴线进入海底区域, 覆土厚度减少8m以上, 同时纠偏量逐步小于15mm, 此时顶力就逐步企稳。

(3) 根据《给水排水工程顶管技术规程》 (CECS246-2008) 的建议, 粘土层的平均摩阻力取值区间为3~5kPa;中砂层中的平局摩阻力的取值区间为11~16kPa, 而根据GB 50268-2008的建议, 在“当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时, f_s可直接取3~5kN/m²”。本工程实测顶力与3kP平均摩阻力计算得到的曲线对比见图2, 从中可以看出从区间总的顶力估算而言, 采用规程推荐的下限值可以满足安全施工需求。

(4) 在该顶管的顶进施工期间, 一共产生了11次比较明显的顶力突增, 对于突增的初步原因已分析列在图2各顶力变化曲线中。

图2为该工程顶管施工过程中, 11次顶力突增的工况与顶力曲线对应的情况, 为了进一步细化每个顶力突变的时, 总顶力变化的比例及幅度, 对这11个工况顶力增加前后的情况进行对比, 对比过程及原因分析见表3。

从表3的对比数据中可以看出, 由于施工停滞产生的顶力增加的绝对值多超过1 000kN, 最大的甚至达到了5 700kN, 超过了1个许用顶力为12 000 kN中继间的40%顶力裕度, 即大于4 800kN;增加的比例较大多数超过30%。

顶管顶力突然增加的原因可大致分为3类, 即地层地质条件的变化、外部原因导致的施工停滞及顶管机械或其配套设备的机械故障。

地层地质条件的变化也可以细分为两种:一是在顶管进洞或出洞口处的地基处理 (一般为高压旋喷桩、水泥土搅拌桩或压密注浆加固的地基土) 导致的顶管切削加固后的地基土;二是在长距离顶管工程中, 遇到地层条件的变化, 如本工程中由中粗砂层进入到脉岩残积粘性土层, 或其他工程中由单一土层进入复合土层中的情况。该类型的顶力变化在施工前可以预期的, 具体工程中通过正确地估算顶力和布设中继间, 可合理规避施工风险。

对于停工产生的顶力增加是顶管工程中最为常见的一个顶力突增原因, 外部停工的原因多种多样, 包括施工受阻、停电、极端天气及行政要求等, 外部原因造成的施工停滞不可预计, 且时间长短对摩阻力的影响尤为明显, 在方案设计和施工过程中应做好相应的应急预案, 以避免顶力过大造成施工恢复时无法重新启动顶进施工的极端情况。

顶管施工过程中掘进机械及其配套附属设施的机械故障也常常造成某种特定类型的施工异常, 常见的问题是电机故障、进出浆的管道堵塞、泥浆泵故障、分离机故障等问题, 关于该类型的问题需通过加强下井前机械的检测、顶进施工过程中各类设备状态的监控和必要维护、做好不同设备故障后的应急预案来达到减小设备故障概率、缩短故障后机械功能恢复等措施。

顶力突增的原因众多, 在实际工程中应结合具体的机械设备情况、工程地质条件、周边环境条件和社会条件做好不同的应急预案。

(1) 提高顶管机械及其附属设备的可靠性。为了最大可能地减小顶进施工过程中的机械故障造成的顶力突增, 应在顶进机械下井前做好各个零部件的质量检测, 尤其是以往工程中常见损坏及损坏后难以及时更换的部位, 同时需要在事前准备好可供更换的设备零部件或货源, 当发生故障后尽可能地缩短更换的时间。

(2) 根据工程地质条件预判阻力并调整顶进速率。在顶进方案设计和施工组织方案设计阶段, 要重点关注顶管进出洞口地基处理段、顶进区间地层变化处、上软下硬地层处的位置, 在施工时提前预判各处的顶进阻力, 合理调整顶进速度, 做到“逢小可快、遇大则慢”的顶进速率控制原则。

(3) 根据顶进区间长度合理选择平均摩阻力值。在总顶力估算环节, 目前工程上的做法都是采用顶管机的迎面阻力加上管道与土体之间的摩阻力两部分组成, 算法固定而且较为简单, 但摩阻力的取值是一个与土层类别相关的区间参数, 其取值大小对顶力的估算结果影响较大, 尤其是在长距离顶管工程中。由于顶力突增的情况在顶管工程中屡见不鲜, 以文章的背景工程来看, 单线区间顶力大幅增加的次数超过了11次, 故而在顶力估算时, 在各类不利条件下的顶力突增是不得不考虑的因素。根据图2中实测顶力与平均摩阻力取2kPa和3kPa的总顶力曲线对比来看, 在该工程中采用3kPa来估算总顶力是合适的, 即按照规程GB 50268-2008的建议, 在实际工程应用时可遵循“长区间取较小值、短区间取较大值”的原则, 当然前提条件是应将在管节间注入减阻泥浆形成泥浆套进行减阻。

(4) 优化中继间的布置位置。根据规程规范的规定, 在具体施工时当实际顶力达到中继间总推力的50%~60%时, 就安放第一个中继间;随后每当达到中继间总推力的70%~80%时, 就安放下一个中继间。从本文2.2节工程实测的数据来看, 实际工程中突增的顶力绝对值超过了所设置中继间40%的裕度, 虽然由于工作井的千斤顶顶力剩余较多, 不需要启动中继间即实现了顶进, 但从方案设计角度来看, 第一个中继间采用40%的裕度进行布置是存在较大的风险的。在实际工程中应用时, 当计算需要布置中继间时, 尤其在长距离顶管和地质条件复杂的工程中, 尽量减小第一个中继间与机头之间的距离, 将中继间的顶力富裕系数调整至50%以上, 一般情况下建议第一个中继间与机头之间的距离不超过60m。对于第一个中继间后的其他中继间, 在顶力突增时需要承担的是该中继间与前一个中继间之间的管节与土体之间的摩阻力, 采用30%的裕度是可以满足工程实际需求。

(5) 顶力突增时的施工控制措施。根据顶力突增的原因分析, 应对顶力突增的措施包括了施工组织方案措施、施工控制措施和应急预案措施等方面。在施工控制措施可总体上分为正常施工时, 即顶力突增前的措施和顶力突增时的措施两大部分, 对于正常施工时的控制措施已在3.2节中简述, 此处强调顶力突增时的主要控制措施。遇到可能导致顶力突增的问题时, 首先要排查、明确产生突增的原因, 而后对症下药, 尽可能降低顶力增加的幅度, 如保持刀盘的慢速转动、保证减阻泥浆的注入等, 以避免刀盘前方的泥水舱失水凝固或减阻泥浆的流失、凝固而导致的阻力增大。

(1) 顶管施工过程顶力突增的原因主要包括了地层地质条件的变化、外部原因导致的施工停滞及顶管机械或其配套设备的机械故障等3类。

(2) 工程实测顶力突增的绝对值多超过1 000kN, 最大值超过了5 700kN, 在顶进方案设计和施工组织措施中, 必须考虑顶力突增因素的影响, 应尽量提高机头后方第一个中继间的顶力富裕度, 条件允许时建议不小于50%。

(3) 长距离顶管施工时, 应加强下井前的机械检测与仪器的标定, 并做好易损零部件的更替预案。

(4) 顶进施工速率的控制遵循结合实际顶力控制的原则, 即“逢小可快、遇大则慢”, 同时在顶管机械正常运行, 但由于周边环境变化产生顶力突增时, 应及时降低顶进速率的做法。

(5) 当施工遇障碍物物无法掘进或因机械之外的问题需要停工时, 务必保证顶管机械间或性地启动, 同时泥浆泵也必须不定时补浆, 以避免泥水舱及顶管周边的泥浆失水后凝固影响后续顶进。

需要说明的是, 本文有一定的局限性, 不一定适合我国北方广大硬质土地区, 也未能考虑钢筋混凝土排水管管口承压能力的影响。