頂管工程之退管施工技術研究

陳銘輝（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707）

1 工程概況

1.1 總體簡介

白龍港南線輸送干線SST1.2標管道主要位于上海市徐浦大橋外環線外側，從華涇路提升泵站出發，穿越黃浦江，沿林浦路、S20公路到達濟陽路交匯井。管道采用鋼筋混凝土管頂管施工，總長3 687 m，其中過江管管徑為Φ2 700 mm，長為1 087 m；黃浦江連接管管徑為Φ2 700 mm，長為2 600 m，沿線包括頂管工作井3座，頂管接收井4座。管道施工采用沉井、鉆孔灌注樁、旋噴樁等圍護結構形式。頂管沿線穿越黃浦江等重要河道和城市軌道交通8號線、S20公路濟陽路立交等建（構）筑物。

白龍港南線輸送干線SST1.2標管道施工平面示意圖，如圖1所示。其中，W2號－W1號過江管段頂管工程（以下簡稱“工程”）為超長距離復合曲線頂管工程，管道覆土變化大、地下水壓力大、穿越土層及周邊環境特別復雜，管道頂進上下坡度達到40‰，江底最高點和最低點之間的落差為16 m，在黃浦江底呈“V”字型，可以稱之為上海市歷史上難度最大的頂管工程之一。該工程施工幾乎涵蓋了頂管在軟土地層中頂進的復雜問題，施工難度巨大。

圖1 白龍港南線輸送干線SST1.2標管道施工平面示意圖

1.2 頂管穿越土層地質情況

W2號－W1號段頂管主要位于⑤2-2層灰色粉砂、⑤2t層灰色粉質黏土夾黏質粉土、⑤2-1層灰色砂質粉土夾粉質黏土、⑥層暗綠色粉質黏土等土層，頂管穿越⑥層暗綠色粉質黏土層段長度約為588 m。土層物理力學性質參數，如表1所示。

表1 土層物理力學性質參數

1.3 周邊環境

1.3.1 地形地貌

擬建場地位于上海市浦東新區三林鎮外環線S20公路南側、林浦路東側綠化帶內，地勢較為平坦，管道覆土厚度為14.05～21.40 m，地面標高在＋4.97 m～＋5.00 m。

1.3.2 管道與沿線建（構）筑物的關系

管道與沿線建（構）筑物的關系，如表2所示。

表2 管道穿越沿線建（構）筑物情況匯總

2 退管施工概況

2.1 退管施工方案

原W2號－W1號段過江頂管（從W2號浦東工作井向W1號浦西接收井頂進）在頂進至336 m處，遭遇立新船廠廠區下方樁基礎障礙物，導致該段頂管無法繼續頂進。因此考慮將W1浦西井作為頂管工作井，調整頂進軸線后重新頂進，同時將已頂管道的部分管節拔出，將W2號浦東井作為接收井，并以W2號浦東井原洞口進洞的施工方案來實施擬建管道施工。

2.2 已頂管道頂管機與障礙物位置關系

在第134節管節頂進過程中發現，頂管機操作臺上儀表所顯示的數據異常，頂管機遭遇障礙物，隨即停止頂進作業。經現場勘察、測量、調閱圖紙，確定過江頂管的頂管機頭已位于立新船廠船體車間辦公樓東側墻體下方，障礙物為立新船廠船體車間辦公樓東側3號立柱下方樁基礎。

樁基為滬G501《上海市結構通用圖集》中的450 mm×450 mm混凝土預制樁，樁長25 m。立新船廠廠區內地面標高4.70 m（以下描述中采用地面相對標高±0.00 m表示），承臺底位于地面以下1.35 m，樁底插入深度為－26.35 m；頂管管底埋深為25.9 m，管頂覆土厚度為22.7 m；樁底標高低于頂管機底部45 cm以上，樁基中心位于頂管機刀盤面板中心左側36.65 cm位置[1]。船體車間的地下樁基在過江頂管設計軸線范圍內共有6根，目前已磨除1根并遭遇到頂管軸線方向上的第2根樁基，若頂管繼續頂進需磨除5根樁基。頂管機與樁基相對位置平面圖和剖面圖，如圖2、圖3所示。

圖2 頂管機與樁基相對位置平面圖

圖3 頂管機與樁基相對位置剖面圖

該管道在之前頂進中已磨除1根樁基，并已遭遇船體車間下方第2根樁基，第1根樁基目前坐落于頂管機上方，若退管施工連同頂管機頭一起退出，將會對船體車間的下方土體產生二次擾動，加劇車間結構的破壞程度。退管施工時廢棄原過江頂管機頭前殼體，將頂管機可拆卸的零件回收，并將機頭采用粉煤灰砌塊填充，將機頭后方134節管節退出。頂管倒退施工示意圖，如圖4所示。

圖4 頂管倒退施工示意圖

3 工程重點與難點

3.1 沉降控制要求高

退管施工過程中，再次擾動管道周圍土體，使土體強度和位移產生較大變化，從而造成地面進一步沉降，并波及頂管管道上部的建（構）筑物[2]。因此，在施工過程中需要控制沉降，減少對周邊環境的影響。

3.2 退管、復頂工藝難度大

本工程W2號－W1號過江管段由于遭遇船廠未知樁基無法繼續頂進，需將長達95 m管節退出。W2號－W1號段管道95 m退管施工可參考的以往類似工程經驗較少，退管距離長，管道沿線存在多處民房，沿線土層經過原頂管頂進的擾動土體較不穩定，施工技術難度高、風險大。

3.3 退管施工洞口止水難度高

退管施工是將頂進的管節從井外向井內退出，在退出洞口的管節容易出現背土現象。本段管道在W2號工作井洞口段的土層為⑤2-2層灰色粉砂，該土層含水量豐富，補給極快，通常的洞口止水裝置不能有效應對退管施工中的洞口止水問題，極易造成洞口橡膠止水圈產生外翻，致使洞口出現漏水、漏砂現象，存在洞口附近地面發生沉降事故的隱患。

3.4 施工質量要求嚴格

本工程為上海市重點工程，工程的施工質量是上海市污水處理系統正常運轉的保障。過程中需對每一道工序的施工質量嚴格把關。

4 退管施工技術措施

4.1 鋼結構封門設計制作

為了避免退管對立新船廠建筑結構帶來不利的影響，經過充分研討決定本次實施退管施工的管道長度為95 m，因此，需廢棄已頂管道②號中繼間前方240 m的管節長度（含93節鋼筋混凝土管節及1套鋼中繼間）。退管施工前需拆除管道內所有設備，對廢棄管道內部進行填充，并在②號中繼間前殼體部位制作鋼封門。鋼結構封門設計位置，如圖5所示。

圖5 鋼結構封門設計位置示意圖

鋼結構封門應具備足夠的剛度和強度，不能因受外力產生變形而影響擋土止水效果。經抗彎、受拉、焊縫強度計算，確定采用δ30鋼板作為胸板、封板；δ25鋼板作為結構筋板。為便于填充管道內腔，在胸板上設置水泥漿等填充注漿孔及壓力表的預留孔、放氣孔、觀測孔等。預留洞的孔徑和數量，如表3所示。DN2700 mm機頭后殼體封板注漿孔、探測孔、壓力表布置示意圖，如圖6所示。

表3 鋼結構封門胸板預留洞配置

圖6 DN2700 mm機頭后殼體封板注漿孔、探測孔、壓力表布置示意圖

4.1.1 焊縫強度計算（受正面土壓力）

（1）鋼封門強度計算：主焊縫是沿直徑Φ2 760 mm分布，焊接高度（鋼板為δ＝30 mm的80%）為25 mm；

（2）焊縫的環狀面積：A＝2 760×π×25＝216 770 mm2；

（3）按剪切強度計算，許用剪切強度：[τ]＝80 N/mm2（材料為Q345-B鋼材）；

（4）焊縫所能承受的力：P＝A×[τ]＝173 416 400 N≈17 341.6 kN；

（5）鋼封門受力面積：A0＝πr2＝5 982 850 mm2；

（6）鋼封門受均布壓力：P＝1 MPa；

（7）鋼封門實際受力：P0＝P×A0＝5 982 850 N＝5 982.85 kN；

綜上，P＞P0，滿足要求。

4.1.2 焊縫強度計算（受鋼絞線拉力）

（1）2道水平弧長焊縫為2 218 mm，9道垂直焊縫長度為9×30 mm＝270 mm，焊接高度（鋼板為δ＝30 mm的80%）為25 mm。焊縫示意圖，如圖7所示。

圖7 焊縫示意圖

（2）焊縫面積：A＝2 488×25＝62 200 mm2；

（3）按剪切強度計算，許用剪切強度：[τ]＝80 N/mm2（材料為Q345-B鋼材）；

（4）焊縫所能承受的力：P＝A×[τ]＝4 976 000 N＝4 976 kN；

要做好企業的財務預算管理是需要企業的各個部門之間的相互配合相互合作的。又有關部門制作出多套財務預算方案，在經過企業中的各個部門的認真挑選，選擇住一套最合理有效的方案。而這套方案需要企業中的各個部門去完成的。所以說財務預算管理具有系統性。需要企業的各個部門的積極配合團結協作才能把企業的財務預算管理完成好。如果有一個部門沒有將這個財務預算完成好，將會對整個系統產生巨大的影響。所以每個部門必須嚴格要求自己，認真完成制定好的企業財務預算計劃。企業可以規定相應的獎罰制度。對完成好的給與相應的獎勵反之對完成不好的部門加以批評教育。這樣可以使各個部門更好的去完成方案。

（5）鋼絞線束單側允許最大拉力：P0＝2 525 kN；

綜上，P＞P0，滿足要求。

4.1.3 鋼封門受拉抗彎強度計算

鋼封門橫向、縱向分別設有4根主筋板，共計8根主筋板，最長主筋板的長度為2 710 mm，鋼絞線在鋼封門上的受力點位于橫向兩側、縱向中心部位。鋼封門結構剖面，如圖8所示；筋板受力分析，如圖9所示；筋板抗彎截面積，如圖10所示。

圖8 鋼封門結構剖面圖

圖9 筋板受力分析圖

圖10 筋板抗彎截面積簡圖

計算橫向4根主筋板的抗彎強度，具體計算如下。

（3）鋼封門抗彎強度計算：σmax＝Mmax/Wx＝6.02×10-3MPa＜[σ]＝160 MPa。其中，Q345-B鋼材抗彎強度為160 MPa。

經計算可知，橫向4根主筋板的抗彎強度滿足拔管施工要求。

4.1.4 圓形鋼封門中心應力和周界應力計算

板厚h＝30 mm；半徑r＝1 380 mm；

均布載荷q＝1 N/mm2；

中心應力σr、σt計算：σr＝σt＝±1.24q(r/h)2＝57.04 MPa＜(σ＝120 MPa)；

周界應力σr、σt計算：σr＝0；σt＝±0.52q(r/h)2＝23.92 MPa＜(σ＝120 MPa)。

經驗算，該鋼結構封門強度滿足拔管施工要求。

4.2 鋼結構封門安裝

退管施工前，需拆除管道內所有設備，對廢棄管道內腔進行填充；在②號中繼間前殼體部位制作鋼封門，②號中繼間前方廢棄管道側砌筑磚擋墻。鋼結構封門安裝位置剖面圖，如圖11所示。

圖11 鋼結構封門安裝位置剖面圖

4.3 廢棄管道填充

擬建管道與廢棄管道最小間距為1.1 m，頂管頂進過程中，隨著頂進距離的增加，管道兩側土壓力將產生變化，管道左側土壓力相比于右側較大，對擬建管道與廢棄管道產生側向擠壓力。因此，拔管施工前，需將廢棄的239 m管道填充，防止新建管道在頂進過程中因側向土體壓力過大，廢棄管道的管節接縫出現漏水、漏泥現象，造成地面沉降。

填充材料采用黏土加水拌合后，通過預留注土孔注入填充土，將廢棄管道填充滿。

4.4 鋼絞線安裝

本次退管施工采用φ15 mm、7芯的鋼絞線。每股鋼絞線理論最大受拉力約為20 t（即75%的破壞強度），實際使用單股拉力約為13.3 t（即50%的破壞強度）。在管道左右兩側布設鋼絞線，單側鋼絞線組由19股、38根構成，可以提供約505 t的拉力。鋼絞線組端頭采用夾片固定在19孔的錨板上，錨板分別焊接在②號中繼間前殼體及井內的反拉支架上。

在管道內左右兩側安裝鋼絞線，將②號中繼間與反拉支架進行連接。為防止鋼絞線架設距離過長，因鋼絞線自重產生彎曲并影響傳力，在鋼絞線下方架設支架，支架設置間距為7.5 m。

4.5 井內反拉支架安裝

受力固定點選擇在②號中繼間后殼體及反推架部位，采用500 mm×300 mm型鋼制作反推架，管道拔出施工中的力均勻分散到②號中繼間后殼體及反拉支架上，防止因受力不均引發型鋼彎曲等破壞現象。

4.6 退管注漿

隨著需退管節不斷地退出W2號井洞口，當后殼體退至距離洞口加固區1 m時，切換使用水泥漿進一步充填退管施工產生的空隙。通過鋼封門預留的25.4 mm注漿孔，采用2臺活塞泵將水泥漿注入洞口加固區。

水泥漿液采用水泥、粉煤灰、細砂調配而成。水泥漿液配比，如表4所示。

表4 水泥漿液配比

當注水泥漿退管時，管節需保持連續后退。應避免管節在水泥漿中停留的時間過長，防止水泥漿固化后包裹住后殼體的承插口，使退管施工無法繼續進行。退管切換注水泥漿階段示意圖，如圖12所示。

圖12 退管切換注水泥漿階段示意圖

當首節管節后退至剩余50 cm時，停止管節后退，主頂油缸抵住管節防止其后退，同時持續注漿，提升注漿壓力至1.3 MPa后，停止注漿，關閉注漿閥。后殼體退至洞口階段示意圖，如圖13所示。

圖13 后殼體退至洞口階段示意圖

等待W1號－W2號頂管機進入加固區抵住后殼體鋼封門后，頂管機推動后殼體退出W2號洞口，同時完成W1號－W2號段過江管頂管出洞和W2號－W1號段退管施工，即可拆除W2號井內主頂油缸及井內設備。

5 技術創新

本工程開發了復雜地質條件下，大口徑長距離鋼筋混凝土頂管退管施工工藝，有效解決了大口徑長距離鋼筋混凝土頂管在復雜江底環境下，遇到障礙物需重新調整線路繼續頂進的施工難題。在白龍港南線輸送干線SST1.2標過江管段首次成功將已頂進337 m含2套中繼間的大口徑長距離鋼筋混凝土頂管退回②號中繼間及后方95 m管道，并對廢棄管道和原頂進線路進行填充，最終從廢棄管線下方成功穿越。

6 結 語

本次退管經抗彎、受拉、焊縫強度等計算滿足要求后，將兩側裝有鋼絞線的鋼封門焊接在中繼間殼體上，利用反推架將鋼絞線拉動，使管節逐步拔出，同時通過注漿填充的緊密配合，使95 m管道順利退到W2號井洞口，為W1號－W2號段過江管頂管順利頂進提供了管位，使得本工程最終順利貫通，也為長距離頂管退管施工提高了寶貴的經驗。