裕翔街頂管布置與管材比選

武慶安

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

1 工程概況

石家莊環(huán)城水系新開河道在樓底鎮(zhèn)附近由西向東依次與并行的總退水渠和裕翔街相交，交角80°。裕翔街頂管是水系穿越總退水渠、裕翔街及既有管線的建筑物。交叉及頂管布置如圖1。

圖1 交叉情況及頂管布置示意圖

1.1 相關(guān)工程

1.1.1 水系河道

為寬40m的新開挖河道，河底高程58.6m，岸頂高程63.8m。為滿足景觀要求，交叉點上、下游設(shè)計水位分別為61.54m和60.49m，水頭差1.05m，設(shè)計流量6m3/s。

1.1.2 總退水渠

是石家莊的重要排水通道，渠道采用全斷面混凝土襯砌，開口寬度32m，渠底高程58.4m，堤頂高程63.8m；設(shè)計排水流量175.35m3/s，對應(yīng)水位62.98m。

1.1.3 裕翔街

是石家莊的交通主干道，路寬60m，路面高程63.8m。路下建有排污、供水、供熱等9條市政管道，其中的排污方涵斷面最大，埋置最深，為頂管設(shè)計的控制性因素之一。該排污方涵外輪廓斷面尺寸為5m×4.1m（寬×高），頂、底板分別為0.37m和0.45m厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)墻為0.6m厚的磚砌結(jié)構(gòu)（內(nèi)側(cè)水泥砂漿抹面），建基高程56.9m。

1.1.4 頂管

3條DN1600鋼筒混凝土管（JCCP），管道中心距4.5m，管頂高程50.21～49.71m。

1.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)為粘砂多層地質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖1）。地層由上至下分別為：①壤土，層厚2.3～4.9m，底板高程57.99～59.56m；②砂壤土，層厚1～2.7m，底板高程57.21～59.19m；③中砂，層厚2.8～7.3m，底板高程50.89～54.56m；④粗砂，層厚2.6～3.5m，底板高程50.91～51.85m；⑤壤土，層厚5.8～8.2m，底板高程43.71～45.05m；⑥中砂，層厚2～4.7m，底板高程40.17～41.71m。根據(jù)鉆探成果及調(diào)查資料，地下水埋深大于40m。

2 頂管布置

本工程共布置3條鋼筒混凝土管（JCCP）頂進穿越總退水渠、裕翔街及排污方涵，頂管內(nèi)徑1.6m，壁厚0.16m，外徑1.92m。頂管兩端結(jié)合工作坑及接收坑布置進出水建筑物。

2.1 建筑物軸線

建筑物軸線走向與石環(huán)水系河道走向一致，水系河道寬度40m，交叉建筑物軸線調(diào)整余地不大，故而將建筑物軸線與河道軸線重合布置。

2.2 頂管間距

相互平行的頂管水平凈距一般宜大于1倍的管道外徑。本工程采用管道外徑1.92m，結(jié)合石家莊地區(qū)類似頂管工程施工經(jīng)驗，初擬管道中心距4.5m，凈距2.58m。

2.3 頂管高程

頂管施工中經(jīng)常是先開挖后頂進，開挖后的土體出現(xiàn)臨空面，而且一般情況下，開挖斷面略大于管道外徑，即使管道頂進后，管道外壁與土體之間也存在一定縫隙。這種臨空面或縫隙的存在易造成土體松弛、坍落，影響被穿越建筑物基底土體的穩(wěn)定，進而影響建筑物的安全。地下工程的長期實踐證明，土體的這種松弛、坍落有一定限度。當土體坍落變形到一定程度時，將不再發(fā)展，并形成一定形狀的坍落拱。為保證既有建筑物的安全，一般要求坍落拱頂覆土厚度不小于1.5倍的管道外徑。

根據(jù)普氏理論，對于松散土，坍落拱高度計算公式：

由式（1）～（3）計算得坍落拱跨度和高度分別為3.71，2.21m。根據(jù)坍落拱計算及穿越建筑物設(shè)計參數(shù)確定管頂高程見表1。

表1 不同建筑物的管頂高程 單位：m

由表1可知，排污方涵為頂管高程的控制性因素，工程確定排污方涵管頂高程51.81m，該高程亦可滿足總退水渠及裕翔街的要求。

2.4 布置確定

由坍落拱計算可知，坍落拱跨度3.71m，本工程初擬的管道中心距4.5m滿足要求。

由于坍落拱的管頂高程51.81m，頂管恰好從中粗砂層與壤土層分界部位穿越。在觸變泥漿減阻的施工條件下，管壁與中粗砂的平均摩阻力介于11.0kN/m2～16.0kN/m2之間，與壤土的平均摩阻力介于3.0kN/m2～5.0kN/m2之間。由于上部中粗砂層摩阻力約為下部壤土層摩阻力的3倍，極易造成頂進偏差，施工難度較大，此外，糾偏工作也會影響施工進度。為降低總頂力、減小糾偏工作、加快施工進度、保證施工質(zhì)量，盡可能消除頂進施工對排污方涵的影響，設(shè)計將管頂高程下調(diào)1.6m至50.21m，使管道全斷面穿越壤土層。

3 管材比選

根據(jù)工程布置，管道常年承受0.12MPa的內(nèi)水壓力，為避免滲漏影響工程安全，設(shè)計按給水管道考慮。

根據(jù)國內(nèi)工程實際，對應(yīng)用較為廣泛的鋼筒混凝土管（JCCP）、鋼管（SP）、玻璃纖維增強塑料加砂管（RPMP）等給水管材進行了比選。

3.1 管材性能

3.1.1 鋼筒混凝土管（JCCP）

JCCP管由PCCP管道發(fā)展而來，是專門用于頂進施工的1種管材。管段長度一般在2.5～5m，采用鋼承口接頭連接。

JCCP管管壁內(nèi)有1層薄鋼筒，抗?jié)B能力強；能承受較高的內(nèi)水壓力，可達1.0MPa；環(huán)向剛度大，能承受較高的外壓；管段采用鋼質(zhì)承插口連接，制作精度高，承口鋼套管呈環(huán)狀，插口有凹槽，置于凹槽內(nèi)的密封膠圈受雙向擠壓形成很好的密封性；管身防腐能力較強，而且安裝后的鋼承口外露部分用砂漿灌注封口，也具有良好的防腐性能，使用壽命可達50a以上。其缺點是重量大，外壁粗糙，施工所需頂力較大；水阻較大，糙率系數(shù)取0.013。

3.1.2 鋼管（SP）

SP管在頂管施工中應(yīng)用較普遍，頂管用SP管常用Q235B鋼板卷制而成，管段長度一般不小于6m，現(xiàn)場對焊連接。

SP管易加工、強度高、不透水，且焊縫具有與母材相同的抗壓能力及密封性，因而，對抗?jié)B要求高、內(nèi)水壓力大的頂進施工管道多選用SP管。但SP管環(huán)剛度較低，受外壓后容易變形；管段之間采用焊縫剛性連接，縱向剛度大，頂進施工中產(chǎn)生偏差時不易糾正；需做內(nèi)外防腐處理，特別是焊縫的防腐處理必須現(xiàn)場人工施作，防腐質(zhì)量不易控制；自重較大；使用壽命較短，一般在20a左右；水阻較大，采用水泥砂漿內(nèi)襯防腐處理后，其糙率系數(shù)取0.013。

3.1.3 玻璃纖維增強塑料夾砂管（RPMP）

RPMP管是國內(nèi)給排水行業(yè)正在推廣使用的一種新型復合材料管道，頂管用管段長度不大于6m，采用雙插口或承插口接頭連接。

RPMP管承受內(nèi)水壓力高，是高壓輸水的理想管材；外壁光滑，頂力小，而且接頭采用柔性連接，頂進施工易于糾偏；內(nèi)壁光滑，水阻小，糙率系數(shù)均值約為0.01；自重輕，管徑相同的情況下，單位長度重量只有SP管的1/5、JCCP管的1/10左右；抗老化及防腐能力強，使用壽命一般在50a以上。但RPMP管剛度低，受外荷作用變形大，特別是管段接頭部位的變形容易產(chǎn)生滲漏。

3.1.4 性能比較

（1）3種管材均能滿足本工程的設(shè)計要求。SP管需現(xiàn)場焊接后對焊縫進行防腐處理，施工工藝復雜、工期長、質(zhì)量不易保證，此外使用壽命也相對較短，后期維護成本較高；

（2）RPMP管剛度較低，受外壓作用變形大，管段接口易發(fā)生滲漏，而且國內(nèi)施工經(jīng)驗相對較少；

（3）JCCP管兼具SP、RPMP管的優(yōu)點，避免了其缺點，而且水阻系數(shù)相對較大的缺點在短距離輸水管道中反映不明顯。

綜合比較從管材性能考慮，推薦采用JCCP管。

3.2 管材投資

3.2.1 管道直徑

設(shè)計采用3條管線，其中2條管道供水，1條管道備用。

根據(jù)JCCP、SP、RPMP 3種管材計算管徑分別為1.54，1.54，1.51m，管徑相差無幾，設(shè)計管材規(guī)格，均選用管徑為1.6m。

3.2.2 投資比較

由于各種管材建筑物布置及施工措施相同，投資差異主要由管材的不同造成，因此，本工程只對管道投資進行估算。各種管材設(shè)計指標及相關(guān)報價如表2。其中JCCP管單價為訂貨價格，SP、RPMP管單價為廠家報價。

表2 管道設(shè)計參數(shù)及投資

由表2可知，JCCP管單價最低，不需防腐處理，施工費用居中，總造價最低；RPMP管雖然不需防腐處理，且施工費用最低，但由于制作工藝相對復雜，生產(chǎn)廠家報價最高，總造價與JCCP管粗比沒有優(yōu)勢；SP管雖然廠家報價居中，但由于需要現(xiàn)場焊接及焊縫防腐工作量大，施工費用最高，且管道內(nèi)外壁需做防腐處理，總造價最高。從投資角度考慮，優(yōu)先推薦JCCP管。

4 結(jié)語

（1）裕翔街頂管設(shè)計中，根據(jù)地形地質(zhì)條件，合理分析，確定頂管從壤土層穿越，降低了頂力，減少了糾偏工作量，極大地降低了施工難度。

（2）根據(jù)管材性能及投資比較分析，確定選用JCCP管材，有效地降低了工程投資。

（3）頂管管材應(yīng)根據(jù)工程實際比選確定。本工程由于輸水線路短，不同管材的糙率系數(shù)對管徑選擇影響不大。但隨著輸水距離的逐步增加，JCCP管糙率系數(shù)大的缺點也會逐步顯現(xiàn)，致使工程投資上升，這時RPMP管水阻小的優(yōu)點將會越來越明顯。

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