曲线顶管技术在三环线快速化工程的应用研究

研究工作报告

曲线顶管技术在三环线快速化工程的应用研究项目，在郑州市科技局的大力支持下，通过相关科研、技术人员的努力工作，相关使用单位的应用实践，项目研究成果达到并超过预期目标，现将项目实施的主要情况报告如下：

1 立项背景及意义

随着国民经济的迅速发展，城市基础设施建设全面展开，顶管法作为一种成熟的暗挖施工工法，已经被广泛应用于城市建设的各个领域。在国内，顶管法施工技术发展很快。在建筑密集市区或在穿越江河及江堤地段、下水管道、越江煤气管道、过堤出江排水管等工程中已有许多成功案例。目前，顶管施工场地周围环境逐渐复杂化，穿越线路内经常遍布重要管线、地铁运营线路、重要建筑物，公路高架桥，江河湖泊等等，这就要求顶管施工对于周围环境的影响要严格控制，争取做到微扰动施工，但从目前的施工水平和控制工艺来看，顶管法施工产生的扰动仍然较大，相比较而言盾构法仍然具有一定优势。

从目前的国内外研究资料可发现，对于顶管法穿越微扰动施工，在理论分析、试验技术、设计方法、施工技术等方面的综合研究还较少，在理论及实践上均存在着许多不完善之处。国内在工程实践中的应用也才刚刚起步，以目前的设计、施工技术水平，不停运进行顶管地下穿越微扰动施工还有较高的技术难度。因此，结合我国基础设施建设中不断涌现的顶管下穿越工程，深入研究顶管法下穿越工程合理的微扰动设计理论、施工技术及控制措施等是十分必要的、紧迫的，其研究成果对于促进生态地下工程的建设，减少地下穿越工程施工对地面环境、地下环境的影响具有重要的现实意义，同时也具有巨大的社会效应和经济效益。

从国内外顶管掘进机的资料来看，对根据地质条件进行切土量、排泥量和顶进量动态平衡方面的研究还较少，为了控制顶管下穿越施工对周围重要性建（构）筑物的扰动影响，需要进行这方面的深入研究。例如灰色淤泥质粘土层和灰色砂质粉土层等，该类地层含水量高，土层条件较差，为了降低环境扰动，有必要对顶管机切土量、排泥量、顶进量动态平衡进行研究。

另外，砂质粉土地层中大断面长距离顶管在国内外尚不多见，由此带来的砂质粉土中膨润土泥浆套质量控制技术和理论难题需要深入分析和研究，因此进行砂质粉土地层中膨润土泥浆套的质量控制方法的优化，形成自主的质量控制技术方法和指标体系，填补国内外在该方面的不足，显得尤为重要。

国内外在顶管法施工技术和控制技术方面已总结出许多成功的经验，并有一些可供指导工程实践的设计计算理论。但目前更多的是直线或者大曲率半径顶管施工的经验（多为粘性土层中的顶管工程），超大直径、砂质粉土层、江中浅覆土条件下的长距离顶管施工尚无成熟的施工工艺，也缺乏系统的理论研究成果。

当前郑州市城市地下管线改造施工正处于迅猛发展时期，地下管线施工一般采用明挖超大基坑法。该法现有技术施工周期长，占地面积大，并且在交通要道和繁华地带地下管线施工带来了交通堵塞和环境污染的问题。在现代化城市建设中，安全、有序、畅通的交通环境是城市发展的基础，是城市综合服务水平的体现，也是社会经济持续、快速、健康发展的保证。进入一个大好发展时期，中部崛起的号角已经吹响，城市跨越式发展的战鼓也已擂动，扩大城市规模、提高城市化水平、完善城市综合服务功能、提升城市形象是当前郑州市发展的重要任务，这需要对郑州市的城市框架、基础设施和区域交通环境进行重大完善、调整和投资。

由于目前施工在城市建筑物密集区域且不良地质条件下，采用机械顶管的方式穿越建筑物铺设管道时会对周边建筑物造成不可避免的不良影响，此时采用曲线顶管的方式可以有效的避开密集建筑物，最终能保证周边建筑物的安全的前提下完成管道铺设任务。曲线顶管技术的应用主要取决于以下几方面：

（1）城市交通的需要。由于各类管道归属于不同的产权业主，因此管道的建设、使用、维护管理存在的许多问题，最典型的是同一路段反复无序的开挖，频繁“开膛剖肚”，“马路拉链”现象使城市道路遭到严重“毁容”，给城市交通带来不便。对于繁忙而脆弱的城市交通系统，开挖敷设地下管道势必会造成交通中断，特别是敷设横穿城市主干道下地管道，大开挖埋管必然带来交通阻断，造成巨大的经济损失。这些地下管道往往埋深较小，在非开挖状态下对这些管道进行修复和敷设。

（2）市容环境的需要。曲线顶管土方工程量要比开槽施工工艺少很多，因此在土方开挖和运输时投入的机具消耗的能量少，机具造成的污染小。

（3）城市居民正常生活的需要，曲线顶管施工过程中管体运动对地面的影响甚微，不影响居民正常出行；由于绝大部分作业在地下完成，所以顶管作业区域附近居民可免受噪音污染之苦；它占用的场地很少，无需搬迁作业区域内的大量居民。

2 设定研究内容

2.1 设定研究内容

本项目将立足郑州地区工程地质特点及顶管施工技术水平，在以下几方面开展深入系统研究：

（1）顶管顶力分析及计算；

（2）曲率半径与管节尺寸关系研究；

（3）曲线的形成和控制研究；

（4）施工轴线与设计轴线的关系研究；

（5）地层沉降特点及机理研究；

（6）管节结构、制作质量等的要求研究；

（7）施工测量纠偏研究；

（8）浆料配比压浆工艺研究。

2.2 设定关键技术

为了完成项目目标，在整个研发阶段需要重点突破如下关键性技术难题：

（1）优化超长距离顶管注浆工艺及技术措施；

（2）顶管下穿越施工的扰动指标体系研究；

（3）顶管下穿越微扰动施工的检测技术及理论预测研究；

（4）顶管下穿越微扰动施工控制原理与控制技术研究；

（5）顶管轨迹控制与纠偏技术；

（6）顶管顶力预测计算方法;

3 设定研究目标

3.1 设定完成指标

（1）泥浆套及注浆方面

在顶进过程中注浆完成之后所形成的套状泥浆在各个土层之中的壁厚为5cm，从而形成与管材套装平行的结构，以利于管材沿固定轴线顺利前行。

（2）地面沉降方面

在曲线顶管施工完成之后在待地面沉降进入稳定的时候之后，对施工路段进行测量考核，地面沉降要控制在±3cm之内。

（3）开挖稳定性及纠偏方面

在顶进过程中及贯通后定位轴线的偏差在设计范围3cm之内。

3.2 设定完成目标

砂质粉土地层中大断面长距离顶管在国内外尚不多见，该课题的完成将能填补此方面国内外研究不足，进一步完善复杂土层大断面长距离顶管的设计计算理论和施工技术。通过大断面长距离顶管下穿越微扰动施工技术的系统研究，形成顶管下穿越微扰动设计与施工新理论与新规范，开发顶管下穿越微扰动施工新工法及其相应的技术装备，在不停运等前提下利用本项目的微扰动穿越施工技术实现在复杂环境下的顶管穿越施工。

根据规划线路，顶进过程中将下穿多道市政地下管线和多幢居民楼等障碍物，通过本项目研究，可以减少地下管线的改道费用、居民楼拆迁费用合计大约5000万左右，另外可以大大缩短需要拆迁耽误的工期，也间接节省了大批工程资金。

4 项目实施情况

4.1 研究技术路线

本项目依托北三环排污工程，首先通过文献资料的统计分析，初步对粉土和粉质黏土中曲线顶管施工对周围土层的作用机制，以及导致周围土层扰动的各影响因素进行了研究；其次，通过室内试验，研究了膨润土润滑作用的机理，并分析了鹏润土的掺量和物质组成、搅拌效果、温度等对触变泥浆润滑效果的影响；再次，在室内试验的基础上，通过室内模型试验，分析了触变泥浆中膨润土、纯碱、CMC和水掺量变化对管片外壁减阻效果的影响；再次，根据地面沉降变形规律，结合FLAC三维有限元数值模拟，深入研究了粉土和粉质黏土中曲线顶进施工中地面变形沉降规律及分布特征。并对比研究了机头压力、泥浆套、土体抗力等因素对地面沉降变形规律的影响，给出了地表沉降动态预测方法；最后，基于上述研究成果，结合实际工程经验，总结和提出粉土和粉质黏土中曲线顶管施工变形控制关键技术、纠偏技术和周边环境保护措施等等。本项目研究成果能够为今后粉土和粉质黏土中曲线顶管施工提供行之有效的指导建议。

4.2 研究工作计划

项目立项后，项目负责人立即根据项目申报书和项目可行性研究报告，组织申报书中拟定的科研人员和相关工程技术人员，开展项目研究工作，开展的主要工作有：

（1）2011年08月-2011年10月  统计整理文献资料，分析粉土和粉质黏土中曲线顶管施工对周围土层的作用机制，以及导致周围土层扰动的各影响因素。

（2）2011年11月-2011年12月  确定触变泥浆配比方案、室内模型试验方案。

（3）2012年1月-2012年5月  进行触变泥浆配比试验和室内模型试验，为曲线顶管施工提供设计参数。

（4）2012年6月-2013年4月  建立FLAC3D数值模型，分析曲线顶进施工中地面变形沉降规律及分布特征，着重研究机头压力、泥浆套、土体抗力等因素对地面沉降变形规律的影响。

（5）2013年5月-2013年9月  总结前面研究成果，并在此基础上借鉴工程经验提出顶管机选型建议，地面、周围管线和建筑物变形控制措施、顶管进出洞控制措施、以及纠偏技术措施等等。

（6）2013年10月-2014年4月  数据资料整理、补充研究、编写报告。

（7）2014年5月-2014年12月  成果总结、鉴定。

4.3 主要研究内容

本项目将立足郑州地区工程地质特点及顶管施工技术水平，在以下几方面开展深入系统研究：

4.3.1 统计与理论分析

粉土和粉质黏土中曲线顶管施工微扰动机理研究。通过文献统计分析，研究曲线顶管施工扰动机理，分析顶管达到前后和通过时地面沉降的分布特征及变化规律，探讨了注浆、超挖、覆土厚度较浅、不均匀地层、土体固结等因素对地面沉降分布特征及变化规律的影响。

4.3.2 室内膨润土配比试验研究

粉土和粉质黏土中曲线顶管施工过程中泥浆套成套技术研究。通过室内触变泥浆配比试验，研究了鹏润土的掺量和物质组成、搅拌效果、温度等对膨润土润滑作用发挥度的影响。研究表明：

（1）膨润土含量增加一倍，可使膨润土悬浮液的支撑作用提高到7倍至10倍。但是这也意味着，若膨润土含量减少1/2，支撑作用就可能降低到1/l0。所以，确定悬浮液中的膨润土含量，便有着如此重大的意义。

（2）搅拌越充分，膨胀时间就越短。搅拌时间，至少要有半个小时。在搅拌效果良好的情况下，搅拌过程结束后即已能够达到80%左右的最终流限，而在搅拌效果不良的情况下，这一比值则降低到大约35%。

（3）高温（夏季温度）可使膨胀时间缩短，低温（冬季温度）则使膨胀时间延长。当温度低于零度时，膨胀过程即告中止，但混合料并不会遭到破坏。解冻后膨胀过程又会重新继续下去，在这种情况下，须将冻结的时间计入膨胀时间之内；

（4）如果悬浮液中的膨润土含量在全部推顶距离上保持不变，那么对粗粒土壤来说，由于需要悬浮液的膨润土含量较高以保证支承作用，故而推顶阻力以及因之所需的推顶力就会比细粒土壤的情况下更大一些。

（5）但孔隙一旦被膨润土悬浮液充满，并因而形成支撑环带时，于是粗粒土壤的状况也就无异于细粒土壤了。因而在这种情况下，为了在推顶过程中支承土层，悬浮液中的膨润土只需要达到稳定极限所要求的最小含量40kg/m³即可。

4.3.3 室内模型试验研究

粉土和粉质黏土中曲线顶管施工过程中泥浆套成套技术研究。通过室内模型试验，分析了触变泥浆中膨润土、纯碱、CMC和水掺量变化对管片外壁减阻效果的影响。

（1）混凝土面板与各浆土混合物间的最大静摩擦系数以及滑动摩擦系数基本呈随质量比ξ的增大而逐渐减小的变化趋势，在ξ＝0（纯粘土）时最大，在ξ＝∞（纯触变泥浆）时最小。同时，在各种质量比的情况下，最大静摩擦系数均比滑动摩擦系数略大一点，但差别并不十分明显。

（2）混凝土面板与浆土混合物之间的摩擦系数比混凝土面板与纯粘土之间的摩擦系数有所减小。注入触变泥浆后可以降低顶管与周围土体的摩擦系数。建议控制浆土混合物的质量比以不小于0.2～0.3为宜，如此可以较大程度地降低顶管顶进过程中的摩擦系数，顶管与土体间摩擦系数可降低到原来的0.28倍左右，进而可以较大幅度地降低顶进阻力。

4.3.4 数值模拟研究

粉土和粉质黏土中曲线顶管施工中地面沉降变形规律研究。通过FLAC三维有限元数值模拟，深入研究了粉土和粉质黏土中曲线顶进施工中地面变形沉降规律及分布特征，并对比研究了机头压力、泥浆套、土体抗力等因素对地面沉降变形规律的影响，给出了地表沉降动态预测方法。研究表明：

（1）在顶管外侧形成质量较好的泥浆套，即顶管推进过程中摩阻力较小，其对周围土体的扰动也较小，地表的沉降将明显减小，在顶管轴线正上方尤为明显；随着离开顶管轴线距离的增加，这种影响逐渐减弱。摩阻力越大，顶管推进对其两侧地表土体的影响范围越大。摩阻力越大，顶管推进对轴线正上方土体的影响时间越长。

（2）摩阻力越大，机头正上方地表土体变形越小，即当机头通过时，其正上方的土体沉降越小，其前方土体的隆起值也越大，对前方土体的影响范围也越大；在机头后方（0～-20m）范围内，摩阻力越大，沉降越小；机头后方20m处，不同摩阻力作用下地表的沉降量相同；离开挖面20m之后，当摩阻力较小时，沉降基本稳定，而当摩阻力较大时，沉降发展较快，且摩阻力越大，沉降值越大。管壁外侧的泥浆套越完整，则地表的沉降量越小。

（3）注浆压力的变化对地表变形的影响较大，当注浆压力为0.1MPa时，沿顶管轴线横向地表产生沉降，随着注浆压力的增加，地表沉降不断减小，当注浆压力为0.2MPa时，地表产生隆起。注浆压力的变化对机头后部土体影响较大，而对机头前方土体几乎不产生影响。

（4）机头压力越大，地表变形的隆起值越大，其隆起的最高点距机头所在的位置越近。机头压力增大会使机头前方土体的变形增大，影响范围也增大；而对于机头后方的土体，机头压力越大，其沉降也越大，但沉降值远小于隆起值；对于机头正上方的土体，其变形量在不同的机头压力下保持不变。

（5）不同的抗力对管道横向方向的变形有一定的影响，而对纵向的变形几乎没有影响。由于顶管对外侧土体的抗力作用，地表横向的变形并非关于顶管轴线对称；外侧地表土体的变形要小于内侧的变形；抗力越大，这种差别也越大。同时，地表沉降最大的点并不是顶管轴线正上方的点，而是偏向顶管曲线的圆心一侧。

4.3.5 关键技术与措施研究

粉土和粉质黏土中曲线顶管施工变形控制关键技术研究。基于前面的研究成果，结合实际工程经验，提出顶管机选型建议，地面、周围管线和建筑物变形控制措施、顶管进出洞控制措施、以及纠偏技术措施等等。

5 研究成果及完成指标

5.1 研究成果

（1）通过室内膨润土配比试验，提出：①膨润土掺量大小对膨润土悬浮液的支撑与润滑作用影响非常显着；②膨胀时间与温度和搅拌有密切关系。搅拌越充分，膨胀时间就越短。搅拌时间，至少要有半个小时。在搅拌效果良好的情况下，搅拌过程结束后即已能够达到80%左右的最终流限，而在搅拌效果不良的情况下，这一比值则降低到大约35%；高温（夏季温度）可使膨胀时间缩短，低温（冬季温度）则使膨胀时间延长。当温度低于零度时，膨胀过程即告中止，但混合料并不会遭到破坏。解冻后膨胀过程又会重新继续下去，在这种情况下，须将冻结的时间计入膨胀时间之内；③相比粗粒土壤中，在细粒土壤中顶进阻力要小；④为了在推顶过程中支承土层，悬浮液中的膨润土只需要达到稳定极限所要求的最小含量40kg/m³即可。

（2）通过室内模型试验，提出：①混凝土面板与各浆土混合物间的最大静摩擦系数以及滑动摩擦系数基本呈随质量比ξ的增大而逐渐减小的变化趋势，在ξ＝0（纯粘土）时最大，在ξ＝∞（纯触变泥浆）时最小。同时，在各种质量比的情况下，最大静摩擦系数均比滑动摩擦系数略大一点，但差别并不十分明显；②混凝土面板与浆土混合物之间的摩擦系数比混凝土面板与纯粘土之间的摩擦系数有所减小。注入触变泥浆后可以降低顶管与周围土体的摩擦系数。建议控制浆土混合物的质量比以不小于0.2～0.3为宜，如此可以较大程度地降低顶管顶进过程中的摩擦系数，顶管与土体间摩擦系数可降低到原来的0.28倍左右，进而可以较大幅度地降低顶进阻力。

（3）提出了顶管机选型建议。粘性土及粉土层中，施工时常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而顶管机选型时应注意在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。

（4）提出了地面、周围管线和建筑物变形控制措施。①选用大刀盘泥水平衡顶管掘进机；②强化对触变泥浆压浆工艺的管理，充分运用泥浆套原理；③合理制定主要施工参数；④使用多组纠偏特殊管的纠偏系统；⑤信息化施工；⑥做好置换浆液工作，减少后期扰动土体固结产生的沉降、变形。

（5）顶管进出洞顶管姿态、进洞脱管控制措施。在洞口附近一定范围内采用高压旋喷、注浆、冻结、深井降水等加固施工措施。而后在工作井壁面出洞口的预留位置上凿除封门处的混凝土或砖墙，将掘进机顶入凿出的洞口，同时掘进机前端刀盘转动切削井壁上剩余的混凝土及土体，顶进过程开始。为了防止后部管节被破坏的情况发生，应考虑在工具头后于管节连接段加设千斤顶。工具头进入接收井后，千斤顶启动，将工具头徐徐推出混凝土钢套环，从而安全的将工具头脱离开管节。

（6）顶管轴线控制、纠偏技术措施。顶管纠偏应遵循“勤测勤纠、预测缓纠、预纠强纠”的原则。当顶管机头进入曲线段始曲点时，应进行曲线纠偏顶进。利用工具头纠偏油缸对工具头顶进方向进行调整。纠偏量的大小应使工具头自身弯曲度与曲线弯曲度相吻合（依靠头部特殊段及第一节砼管坐标来确定）。

顶入曲线段后，每次测量应以第一节砼管的偏差为标准，来确定工具头及特殊段的纠偏量，调整头部轨迹，并根据高程偏差情况来进行纠偏控制。顶管施工中，若砼管运行轨迹符合设计要求，即进入曲线段后，每节砼管曲线侧应有符合曲线半径数值正确的开缝。此时应及时利用砼管端口预埋件，用钢板进行固定，以防止利用中继环顶进形成的曲线变形。或因中继环有效行程缩短后，无法向前推进。必要的时候，可将中继环顶力中心偏向内侧，以防止中继环折角过大而损坏。如果曲线段砼管运行轨迹大于设计半径，砼管段开缝过小，则应在管壁处设置千斤顶将开缝扩至设计要求，并及时在缝内填塞木垫板，并用钢板固定，这样逐一调整，直到符合曲率要求再顶进。

5.2 实际完成指标

本项目已完成科研合同的目标责任、年度计划的全部内容，其中研发的内容目标已超额完成。完成的主要指标为：

（1）顶管顶力分析及计算；

（2）曲率半径与管节尺寸关系研究；

（3）曲线的形成和控制研究；

（4）膨润土润滑作用室内配比试验和模型试验研究；

（5）地面沉降分布特征及变化规律影响因素三维数值模拟研究；

（6）顶管机选型，地面、周围管线和建筑物变形、顶管进出洞、顶管轴线和纠偏技术等措施研究。

最后，形成了包括施工工艺、作用机理、地面沉降动态预测方法、膨润土配比方法和模型试验方法等一整套粉土或粉质粘土中曲线顶管施工方法和变形控制关键技术。

产生直接经济效益910多万元、节省顶管工程施工工期10%。

6 技术先进性综述

6.1 与国内外同类技术比较

针对郑州地区粉土或粉质粘土中曲线顶管施工技术，首先通过文献资料的统计分析，初步对粉土和粉质黏土中曲线顶管施工对周围土层的作用机制，以及导致周围土层扰动的各影响因素进行了研究；其次，通过室内试验，研究了膨润土润滑作用的机理，并分析了鹏润土的掺量和物质组成、搅拌效果、温度等对触变泥浆润滑效果的影响；再次，在室内试验的基础上，, 通过室内模型试验，分析了触变泥浆中膨润土、纯碱、CMC和水掺量变化对管片外壁减阻效果的影响；再次，根据地面沉降变形规律，结合FLAC三维有限元数值模拟，深入研究了粉土和粉质黏土中曲线顶进施工中地面变形沉降规律及分布特征。并对比研究了机头压力、泥浆套、土体抗力等因素对地面沉降变形规律的影响，给出了地表沉降动态预测方法；最后，形成了粉土和粉质黏土中曲线顶管施工关键技术。河南省情报所查新结果表明的本项目研究成果的先进性、独特性、创新性。

6.2成果的创造性、先进性

（1）诠释了曲线顶管施工过程中顶进扰动的机理及地面变形规律。

（2）提出膨润土掺量大小对膨润土悬浮液的支撑与润滑作用影响非常显着；建议膨润土浆液搅拌时间应在半小时以上。相比在细粒土壤中，在粗粒土壤中应适当增大千斤顶推力；为了在推顶过程中支承土层，悬浮液中的膨润土只需要达到稳定极限所要求的最小含量40kg/m³即可。

（3）提出混凝土面板与各浆土混合物间的最大静摩擦系数以及滑动摩擦系数基本呈随质量比ξ的增大而逐渐减小的变化趋势，在ξ＝0（纯粘土）时最大，在ξ＝∞（纯触变泥浆）时最小。同时，在各种质量比的情况下，最大静摩擦系数均比滑动摩擦系数略大一点，但差别并不十分明显。

（4）建议控制浆土混合物的质量比以不小于0.2～0.3为宜，如此可以较大程度地降低顶管顶进过程中的摩擦系数，顶管与土体间摩擦系数可降低到原来的0.28倍左右，进而可以较大幅度地降低顶进阻力。

7 研究成果的推广应用情况

目前，本项目研究成果已经被快速化工程的节点工程—北三环污水段工程所采用。

8 经济、社会效益

产生直接经济效益910多万元、节省顶管工程施工工期10%。

9 项目经费投入与使用情况

表1 项目经费投入与使用情况决算表

说明：计划于2015年1月25日召开项目研究成果的鉴定验收工作，预算含：

1、资料打印费：4500元；

2、专家费用：16000元；

3、交通费：1800元；

4、会议室租赁费：2000元；

5、就餐费：2000元；

6、后期论文发表、报奖及现场技术协作费：16000元。

合计：43300元

10 推广应用的范围、条件和前景以及下一步的打算

包括膨润土泥浆配比方法、曲线顶管施工扰动机理、地面沉降动态预测方法、顶管施工关键技术与控制措施与建议，可以应用于郑州粉土或粉质粘土层中曲线顶管施工中，具有广阔的推广运用前景，势必带来巨大的经济、技术效益，产生巨大的社会效益；同时对提升类似工程乃至我省地下工程的非开挖技术设计与施工技术水平，具有重大的经济、社会与环境效益。