淺淡穿堤頂管工程設(shè)計(jì)

麥樹鋒

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635）

淺淡穿堤頂管工程設(shè)計(jì)

麥樹鋒

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635）

頂管是地下管道非開挖施工的一種,它的特點(diǎn)是將管道敷設(shè)改明挖為暗挖。對(duì)于交通繁忙、地面建筑物眾多、地下構(gòu)筑物和管線復(fù)雜的市區(qū)以及不便明挖的工程來說非常重要。以《樂排河(清遠(yuǎn)段)污染綜合整治工程截污干管穿越北江遙堤專項(xiàng)工程》為實(shí)例，對(duì)頂管管材的選擇、設(shè)計(jì)、施工等幾個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)探討，可為同類型的穿堤頂管設(shè)計(jì)提供參考。

穿堤；頂管；工程設(shè)計(jì)

1 工程概況

樂排河（清遠(yuǎn)段）排污管穿越遙堤地處北江大堤石角段，位于石角鎮(zhèn)三江村旁，為北江大堤石角堤段的第二道防線。樂排河截污干管設(shè)計(jì)管徑為D600，排污管中心線高程為2.599～2.701m，堤頂高程為19.223m，穿堤長(zhǎng)度為103m?？紤]到開挖深度大，邊坡放坡范圍大，以及堤頂交通的需要，故采用頂管施工，即在堤身先頂進(jìn)一條管路，在套管內(nèi)鋪設(shè)排污管，套管所在地質(zhì)為粉砂及填土層。根據(jù)進(jìn)人檢修的需要，以及截污管的排氣、清除泥沙沉積等問題，采用內(nèi)徑為1.6m的管道作為外套頂管。

2 頂管設(shè)計(jì)

2.1 管材的選擇

可作為頂管管材的有鋼管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、聚合物混凝土、陶瓷管及鑄鐵管等。現(xiàn)就對(duì)較常用的鋼管及鋼筋混凝土管進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，鋼管的強(qiáng)度高，但整根鋼管的縱向剛度大，頂進(jìn)糾偏施工難度較大，且鋼管易腐蝕。鋼筋混凝土管的抗壓強(qiáng)度及剛度都比較大，不難滿足各種靜力要求，管道的接頭可采用柔性接頭，糾偏施工較靈活，且價(jià)格便宜，便于工廠預(yù)制，施工進(jìn)度快。遙堤屬一級(jí)堤防，安全性極其重要，故采用Ⅲ級(jí)C50鋼筋混凝土鋼承口接頭管，壁厚160mm。

圖1 穿堤截污管簡(jiǎn)圖

2.2 管道計(jì)算

（1）頂管施工段管道允許頂力驗(yàn)算

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008）的規(guī)定，鋼筋混凝土頂管傳力面允許最大頂力可按下式計(jì)算：

混凝土頂管內(nèi)徑1.6m，壁厚160mm，按插口最小面積計(jì)，則傳力面積Ap＝0.88m2，管材C50混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fc＝23.1N/mm2，代入式中可得傳力面允許最大頂力Fck＝7949kN。

《頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管》（JC/T640-2010）附錄A給出了頂進(jìn)施工用鋼筋混凝土排水管許用頂力參考值，管子接頭形式為柔性鋼承口，對(duì)應(yīng)的許用頂力為5200kN。與采用公式計(jì)算的許用頂力相比，此值較小。

綜合考慮以上因素，頂管施工過程允許的最大頂力定為5200kN。

（2）管道荷載計(jì)算

頂管結(jié)構(gòu)上的荷載永久和可變荷載，其中永久荷載有管道結(jié)構(gòu)自重、豎向土壓力、側(cè)向土壓力、管道內(nèi)水重和頂管軸線偏差引起的作用。作用于頂管上的土壓力不同于開槽明挖埋管上的垂直土壓力。頂管管周的土為原狀土，而開槽明挖埋管周邊的土為填土。用計(jì)算埋管的土壓力公式計(jì)算頂管是不妥當(dāng)?shù)?。本工程圓形管道在各種荷載作用下簡(jiǎn)圖見《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008）附錄B。

根據(jù)《給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS143：2002）或《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50332-2002）的規(guī)定，不開槽、頂進(jìn)施工的管道，管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

作用在地下管道上的側(cè)向土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列公式確定：

根據(jù)以上公式計(jì)算結(jié)果見表1。

（3）鋼筋混凝土管內(nèi)力計(jì)算

管道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用下列極限狀態(tài)計(jì)算表達(dá)式：

作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值，應(yīng)按下式確定：

管道生產(chǎn)廠商應(yīng)根據(jù)極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果對(duì)鋼筋混凝土管道配筋。根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008）的規(guī)定，混凝土管道在組合作用下，管道橫截面的環(huán)向內(nèi)力可按下式計(jì)算：

管道橫截面內(nèi)力按《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008）附錄B中圓形剛性管道荷載作用圖中4個(gè)部位分別計(jì)算，根據(jù)荷載計(jì)算結(jié)果，鋼筋混凝土管道各工況下的內(nèi)力計(jì)算見表2～表3。

表1 頂管鋼筋混凝土管道所受荷載設(shè)計(jì)值

表2 頂管施工管道施工期內(nèi)力計(jì)算表

表3 頂管施工管道運(yùn)行期內(nèi)力計(jì)算表

3 工作井、接收井設(shè)計(jì)

3.1 工作井和接收井尺寸擬定

工作井及接收井尺寸參考《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008）及相關(guān)類似工程工作井尺寸確定。

按相關(guān)技術(shù)規(guī)程，《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》規(guī)定工作井最小長(zhǎng)度、寬度及深度應(yīng)滿足：

（1）工作井

① 按頂管機(jī)長(zhǎng)度確定，工作井的最小內(nèi)凈長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

L≥L1+L2+k=7.6m

② 工作井最小寬度可按淺工作井：B= D1+(2.0～2.4)=4.2m

③ 工作井深度可按下式計(jì)算：

H=HS+D1+h=5.3m

根據(jù)以上計(jì)算，并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程選取工作井凈長(zhǎng)度取8.0m，凈寬度取5.0m，深度5.3m，井壁厚500mm。

（2） 接收井

① 規(guī)程規(guī)定接收井最小長(zhǎng)度應(yīng)滿足：

B=D1+2×1000=4.0m

② 接收井的接收口尺寸應(yīng)滿足：

D′=D1+2（c+100）=2.3m

根據(jù)以上計(jì)算，并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程選取接收井凈長(zhǎng)度取5.0m，凈寬度取4.2m，深度4.2m，井壁厚400mm。

圖2 工作井簡(jiǎn)圖

圖3 接收井簡(jiǎn)圖

3.2 抗浮計(jì)算

本工程所處位置地下水位較高，需對(duì)工作井和接收井進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。工作井和接收井所在位置地下水位分別為3.8m和5.16m，底板底高程分別為1.36m和1.46m。

①工作井水的浮力：6×9×(3.8-1.36)×10=1318kN

② 接收井水的浮力：5.8×5×(5.16-1.46)×10=1073 kN

③ 工作井自重：110×25=2750 kN>1318 kN 滿足抗浮要求。

④ 接收井自重：50×25=1250 kN>1073 kN 滿足抗浮要求。

3.3 頂力估算

管道的總頂力可按下式估算：

F0=3.14×D1×L×fk+Nf=4194kN

根據(jù)項(xiàng)目施工特點(diǎn)，擬采用泥水平衡式機(jī)型，迎面阻力Nf計(jì)算公式如下：

Nf=3.14×D2g×Rs×Hs÷4=565kN

管道的允許推力為7949kN以及接口許用頂力5200kN均大于總頂力4194kN，滿足要求。

4 頂管施工方案

4.1 頂管施工工藝

頂管施工工藝可分為：手掘式、泥水式、土壓式、氣壓式。其中泥水平衡式和土壓平衡式頂管施工較為普遍。

本段穿越土層為粘土、細(xì)砂層，選用泥水平衡頂管施工，該施工方法適用土質(zhì)范圍廣，可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定，對(duì)頂管周邊土體擾動(dòng)比較小，沉降小，總推力比較小，適用于長(zhǎng)距離頂管；工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)時(shí)進(jìn)度快，缺點(diǎn)是遇到覆土層過薄，或者遇上滲透系數(shù)特別大的砂礫、卵石層，作業(yè)就會(huì)因此受阻。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）規(guī)定，當(dāng)需要采用頂管法施工時(shí)，應(yīng)選擇土質(zhì)堅(jiān)實(shí)的堤段進(jìn)行，沿管壁不得超挖，其接觸面應(yīng)進(jìn)行充填灌漿處理。為防止頂管管道與管周邊土體產(chǎn)生滲漏通道，發(fā)生接觸沖刷破壞，在每節(jié)預(yù)制套管內(nèi)預(yù)留四個(gè)灌漿孔，灌漿孔位于每節(jié)預(yù)制管中部。

圖4 泥水平衡式頂管現(xiàn)場(chǎng)施工照片

本項(xiàng)目頂管采用泥水平衡施工法，穿過的土層部分為細(xì)砂層，挖掘過程中堤防邊坡容易失穩(wěn)，為保護(hù)頂管施工期間的挖掘面，在工作井和接收井靠近堤防側(cè)進(jìn)行土體加固，沿管道兩側(cè)布置連體水泥攪拌樁。另考慮頂管施工對(duì)堤防滲性能的長(zhǎng)期影響，井身與堤防之間有可能形成滲漏通道，故在其接觸面進(jìn)行灌漿處理，增強(qiáng)井背與堤身的粘接，切斷滲漏通道。

4.2 工作井、接收井施工工藝

（1）沉井施工

本項(xiàng)目地下水位較高，井的深度均距原地面5m深左右，如采用明槽開挖，開挖范圍將涉及到遙堤，在盡量不破壞原有堤防的前提下，工作井、接收井采用沉井施工。采用人工或風(fēng)動(dòng)工具挖土，或在地面使用抓斗挖土機(jī)相結(jié)合分層開挖，每層挖土0.4～0.5m厚，對(duì)稱、均勻開挖土層。

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，可采用壓重下沉或空氣幕下沉等輔助措施。壓重下沉可采用壓鋼軌、型鋼等加壓方法，均勻?qū)ΨQ加重，使沉井下沉。空氣幕下沉沉井通過預(yù)埋在沉井壁中管路上的小孔，向外噴射壓縮空氣，以減小井壁摩阻力，下沉完畢后井壁摩阻力可以得到恢復(fù)。

（2）沉井封底

考慮到本段地下水位較高，故采用不排水封底，首先將井底浮泥清除干凈，井壁的混凝土接觸面用水沖刷干凈，并鋪碎石墊層。封底混凝土可用導(dǎo)管法灌注，待水下封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，一般養(yǎng)護(hù)為7d～10d，方可從沉井中抽水。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于堤防不適合開槽明挖的前提下，采用頂管穿堤方案是可行的；

（2）本文對(duì)穿堤段頂管進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，對(duì)所采用管道的允許頂力和荷載內(nèi)力進(jìn)行了分析，并對(duì)工作井和接收井的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)工程實(shí)踐證實(shí)，相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)論可滿足施工需求；

（3）作用于頂管管道周邊的土壓力計(jì)算，不應(yīng)按開槽明挖埋管填土的方法計(jì)算；

（4） 對(duì)于穿越土層為粘土、細(xì)砂層，可選用泥水平衡頂管的施工方法；

（5） 在不便于開挖和地下水位較高的地方，工作井和接收井可采用沉井法不排水封底施工。

[1]頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管JC/T 640-2010[S].北京：中國建材工業(yè)出版社出版，2011.

[2]給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程CECS 246：2008[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

[3]給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程CECS143：2002[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[4]給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50332-2002[S].北京，中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50286-2013[S]. 北京，中國計(jì)劃出版社，2013.

[6]陳舒，揚(yáng)鐘媛.頂管穿越塊石海堤施工方案的研究和實(shí)施[J].廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（02）.

The Design of Pipe Jacking Project on Traversing Soil Dam

MAI Shu-feng
(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, China)

Underground pipe jacking, a no excavation construction method, is characterized by changing open-cut excavation into hidden excavation, which is very important for those urban areas with heavy traffic, ground buildings,complex underground structures and pipelines, and other construction inconveniences. In this paper, taking “Dry Pipe Project on Lepai River (Qingyuan Soil Dam section) Comprehensive Renovation of Sewage Pollution Across the North River Levee” as an example, the author explores several aspects of the project, such as pipe materials selection,project design, construction and other related factors, in hope to provide reference to the design of similar project.

traversing soil dam; pipe jacking; project design

U656.314

：A

：1672-2841（2016）04-0008-05

2016-11-20

麥樹鋒，男，工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)、水工施工等工作。