某綜合管廊頂管工程設(shè)計(jì)

朱鶯鳳

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共隧道。推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)，統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設(shè)和管理，解決反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題，有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀、促進(jìn)城市集約高效和轉(zhuǎn)型發(fā)展，有利于提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量。

從2015年起，城市新區(qū)、各類園區(qū)、成片開發(fā)區(qū)域的新建道路要根據(jù)功能需求，同步建設(shè)地下綜合管廊；老城區(qū)要結(jié)合舊城更新、道路改造、河道治理、地下空間開發(fā)等，因地制宜、統(tǒng)籌安排地下綜合管廊建設(shè)。在交通流量較大、地下管線密集的城市道路、軌道交通、地下綜合體等地段，城市高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)、重要公共空間、主要道路交叉口、道路與鐵路或河流的交叉處，以及道路寬度難以單獨(dú)敷設(shè)多種管線的路段，要優(yōu)先建設(shè)地下綜合管廊。加快既有地面城市電網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)等架空線入地工程。

綜合管廊穿越河道、穿越城市重要道路，穿越大型管線時(shí)，為盡量減少對(duì)既有環(huán)境的影響，頂管技術(shù)運(yùn)用越來越多。頂管技術(shù)就是借助頂推裝置，將管道在地下逐節(jié)頂進(jìn)的非開挖施工技術(shù)。頂管施工不需要開挖地面，不破壞地面構(gòu)建筑物和地下管線及公路、鐵路、河道，施工周期短，施工對(duì)周遭的干擾小，是一種無污染、高效率的施工技術(shù)[1-3]。

1 工程概況

某市綜合管廊建設(shè)工程，位于某市生活綜合區(qū)。該綜合管廊平面上靠近道路東側(cè)機(jī)非分隔帶，頂管段為單個(gè)高壓電力艙，主要容納110 kV電力電纜。標(biāo)準(zhǔn)段頂板覆土約2.5 m（按照道路設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算），標(biāo)準(zhǔn)斷面埋深約7.3 m。頂管區(qū)段共穿越兩條主干道，全長約650 m，共設(shè)3個(gè)頂管工作井及2個(gè)頂管接收井，總體布置見圖1。

圖1 總體布置示意圖

2 地質(zhì)條件及周邊環(huán)境

2.1 土層分布情況

1層雜填土 Q4ml：褐雜色,干燥,松散狀,主要由黏性土，磚塊、筑路碎石填料等組成，堆填時(shí)間約5～10 a，不均勻。該層在場區(qū)內(nèi)普遍分布，不均勻。

2層素填土Q4ml：黃褐色，濕-很濕，稍密狀，成份以黏性土為主，含少量粉土，近地表含植物根系及少量雜質(zhì)。土質(zhì)不均勻，該層在場區(qū)內(nèi)普遍分布，為堆填時(shí)間超過十年的老填土，中等壓縮性。

3層粉質(zhì)黏土Q4al+l：黃褐-褐紅色,可塑狀。稍有光澤，中等干強(qiáng)度，中等韌性。該層在場區(qū)內(nèi)普遍分布。

4層粉細(xì)砂Q4al：以細(xì)砂為主，褐黃-褐灰色,很濕-飽和,稍密-密實(shí)狀。其礦物成份主要為長石、石英、云母等?？辈?0.45 m深度內(nèi)未穿透此層，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該層分布連續(xù)且為巨厚層狀。地震不液化。

2.2 地下水分布情況

勘察深度內(nèi)地下水屬潛水型。水位量測期間為豐水季節(jié)，此間實(shí)測穩(wěn)定水位埋深2.56～6.30 m(以孔口原始地坪始計(jì))，水位高程1 105.0 m左右，道路沿線水位高程平穩(wěn)，無明顯水力坡度。地下水補(bǔ)給以側(cè)向徑流滲透補(bǔ)給為主，其它次之。近幾年由于城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，退耕及周邊建筑施工降水影響，水位下降明顯。據(jù)調(diào)查，歷史最高水位黃海高程1 107.0 m左右，最低水位黃海高程1 104.5 m左右，近3～5 a水位圍繞高程1 105 m變化，地下水位動(dòng)態(tài)主要受氣象、水文等因素影響呈季節(jié)性變化，正常期間水位年變化幅度在0.5～1.0 m之間。凍前地下水位平均埋深高程約1 106.0 m左右。

地表水主要來源于季節(jié)性雨水，積水時(shí)間較短，易排出。在豐水季節(jié)，受氣象、水文因素影響，地下水上升到路基的可能性較小，故預(yù)計(jì)地下水、地表水對(duì)路基的穩(wěn)定性影響較小。

2.3 周邊管線及建筑物

南北向頂管區(qū)域沿線有DN400燃?xì)夤?，DN600給水管及電力管等。頂管西側(cè)沿線有一根DN2000雨污水管，距離頂管中心線約6 m。東側(cè)有二層及六層建筑物，最近的建筑物距離頂管中心線約12 m。頂管段內(nèi)有東西向埋深最深的最大管徑DN2 600雨污水管道，管底埋深約11 m。周邊情況見圖2。

圖2 周邊情況示意圖

3 頂管位置及管材選擇

3.1 頂管斷面的選擇

綜合管廊頂管斷面需要滿足納入的管線空間以及工作人員通行空間。本工程為滿足納入110 kV電力電纜、管廊自用電力電纜、通信電纜以及滿足人員日常通行和檢修等操作空間，也為了便于施工，選用了常用的圓形管道斷面，內(nèi)徑3.5 m。

3.2 頂管管線及標(biāo)高確定

綜合管廊頂管通常采用直線頂進(jìn)方式，施工時(shí)較曲線頂進(jìn)方式更方便些，難度更低些。綜合管廊的整個(gè)頂管區(qū)段還需考慮通風(fēng)、投料及引出等功能，需要根據(jù)總平面的防火通風(fēng)區(qū)間、對(duì)外接出線纜布局以及片區(qū)規(guī)劃統(tǒng)籌考慮安排。本工程頂管區(qū)段為避讓沿線的建筑物及雨污水管道，并結(jié)合綜合管廊的通風(fēng)要求，最終選擇在建筑物與雨污水管中間，靠近機(jī)動(dòng)車道綠化分割帶下方。設(shè)立通風(fēng)口、投料口及人孔在綠化帶上，這樣就可以不影響行人及車輛正常通行，又滿足通風(fēng)投料及人員出入的要求。

頂管管道應(yīng)盡量選擇在土層分布均勻的區(qū)段，并應(yīng)考慮避讓地下障礙物。本工程地層分布較均勻，頂管段全線位于4號(hào)粉細(xì)砂層。頂管段需避讓與之相交叉的DN2 600雨污水管道。根據(jù)規(guī)范要求，頂管管頂距離雨污水管管底不應(yīng)小于2 m且不宜小于1倍頂管外徑。本工程考慮到頂管井的深度問題，頂管標(biāo)高確定在交叉的雨污水管道下方2 m處。

3.3 頂管管材的選擇

綜合管廊設(shè)計(jì)年限為100 a，考慮到防腐性及耐久性問題，一般頂管采用鋼筋混凝土管。本工程選用了內(nèi)徑為3.5 m的DRCPⅢ3500 GB/T11836級(jí)鋼筋混凝土頂管，管節(jié)長度2.5 m。

4 頂管井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 頂管井功能確定

綜合管廊頂管井可能不僅僅單純的用于頂管工程，有時(shí)還需要結(jié)合綜合管廊的通風(fēng)、投料、管線引出等功能。因此，在管廊的總體布置上要統(tǒng)籌考慮安排，確定頂管井所需要滿足的功能需求。一般通風(fēng)區(qū)間為400 m，投料區(qū)間200 m，引出區(qū)間200 m。本工程整個(gè)頂管區(qū)段約650 m，整個(gè)高壓電纜艙沒有引出功能。在整個(gè)頂管區(qū)段僅一處大部分位于綠化帶下方，適合將通風(fēng)口、投料口、人員檢修出入口布置在此處。因此整段頂管段設(shè)置一處頂管井兼通風(fēng)及投料功能，其余頂管井僅具備頂出或接收頂管功能及綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段的基本要求。

4.2 頂管井尺寸確定

頂管井平面尺寸需要考慮管道下放、各種設(shè)備進(jìn)出、人員的上下通行、井內(nèi)操作、測量等必要的施工空間。綜合管廊頂管井還需要滿足綜合管廊所需要的功能，如通風(fēng)面積要求，投料口大小，配電間，控制室的設(shè)置等，包括檢修人員的日常通行維修。本工程頂管井長度方向選取滿足頂管機(jī)及頂管管節(jié)長度要求的兩者較大值。但在寬度方向，礙于施工場地寬度方向空間有限，最終寬度按淺工作井確定，基本滿足頂管施工要求，但增加了施工人員進(jìn)出難度。

由于本工程受到場地的限制，又為了便于人員通行及施工安裝，最終選擇坡道的方式用于連接頂管井兩端頂管斷面。兩個(gè)管道之間的高差較小，而與標(biāo)準(zhǔn)段之間的高差較大。因此在與標(biāo)準(zhǔn)段連接時(shí)，采用倒虹的方式進(jìn)行銜接。

頂管井深度還應(yīng)滿足頂管及頂管機(jī)施工要求。不露出地面的頂管井一般頂板設(shè)置在地面以下2～2.5 m，便于道路施工及其他管道敷設(shè)施工。

本段頂管工作井除作為頂管井之外還具備綜合管廊通風(fēng)及投料等功能。平面見圖3，剖面見圖4。

圖3 頂管井平面圖（單位：mm）

圖4 頂管井剖面圖（單位：mm）

4.3 頂管井及管道內(nèi)力計(jì)算

頂管井可以是臨時(shí)井也可以是永久井。但在綜合管廊工程中，頂管井一般均為永久井。頂管井需要滿足頂管施工時(shí)的受力工況，也要滿足正常使用狀態(tài)下的受力工況。

頂管管道需滿足頂力、覆土壓力及其他使用工況下的強(qiáng)度要求。

頂管頂力應(yīng)取管材傳力面允許最大頂力、工

式中：Fdc為混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值；φ1為混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)；φ2為偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)；φ3為材料脆性系數(shù)；φ5為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)；fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；AP為管道的最小有效傳力面積；γQd為頂力分項(xiàng)系數(shù)。

工作井后背土體允許頂力按式（2）計(jì)算：

式中：Ptk為后背土體允許頂力標(biāo)準(zhǔn)值；Ppk為工作井后壁板上被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值；Eep，k為工作井前壁板上主動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值；ξ為考慮合力作用點(diǎn)可能不一致的折減系數(shù)。

施工頂力估算按管道側(cè)摩阻力及迎面頂力按式（3）計(jì)算：

式中：P為計(jì)算的總頂力；D1為管道外徑；L為管道的頂進(jìn)長度；fs為管道外壁與土的平均摩阻力；PF為頂管機(jī)的迎面阻力。

當(dāng)總頂力超過工作井允許頂力或管材允許頂力時(shí)，應(yīng)設(shè)置中繼間。當(dāng)設(shè)置一道中繼間不能滿足時(shí)，再增設(shè)若干中繼間，直至滿足總頂力要求為止。

4.4 頂管井圍護(hù)設(shè)計(jì)

常見的頂管井施工有SMW工法樁圍護(hù)、灌注樁圍護(hù)。另外還有沉井施工方式。作井后背土體的允許頂力二者的小值。

混凝土管頂管傳力面允許最大頂力按式（1）計(jì)算：

通常，頂管臨時(shí)井會(huì)采用工法樁圍護(hù)或灌注樁圍護(hù)較多。對(duì)于埋深較深的頂管永久井通常采用沉井。特別是平面尺寸小，井深較深的頂管井較多采用沉井方式。但沉井適用于周邊較空曠地區(qū)。對(duì)于本工程頂管區(qū)段內(nèi)有管線及建筑物的情況，不適合沉井方式。沉井下沉?xí)r會(huì)帶動(dòng)周圍土體下沉，對(duì)周圍土體有一定范圍的影響，并造成周邊建筑物沉降和傾斜。井體下沉?xí)r的井體傾斜也會(huì)對(duì)周邊管道造成影響。

本工程頂管井井壁距離沿線雨污水管道外壁僅2 m，井基坑深度又較深，因此本工程選用直徑1 m灌注樁咬合樁形式，起到圍護(hù)及止水帷幕的效果，并保證管道與灌注樁之間凈距1 m，盡量減少施工時(shí)對(duì)管道的影響。并在井底采用水泥土攪拌樁滿堂加固，盡量在滲透系數(shù)較大的砂性土中形成整體止水效果。頂管井根據(jù)深度設(shè)置4道支撐，在井壁施工完畢達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除支撐，便于頂管施工。

本工程部分頂管外壁離建筑物僅7 m，因此也采用灌注樁咬合樁圍護(hù)，在管道與建筑物之間設(shè)置一道屏障，減少建筑物沉降及變形。

5 頂管井施工及監(jiān)測

頂管工程施工前應(yīng)探明周圍管線及地下障礙物，做好應(yīng)急措施。施工時(shí)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)土層的特點(diǎn)選擇合理的頂管機(jī)，并在頂進(jìn)過程中選擇合適的頂管減阻措施。頂進(jìn)過程中及時(shí)糾偏。

頂管工程施工時(shí)做好監(jiān)測工作，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、頂管管道、周邊道路、構(gòu)建筑物及地下水位均應(yīng)做好監(jiān)測工作。本工程頂管區(qū)段穿越重要道路，并離建筑物較近，因此監(jiān)測按一級(jí)基坑監(jiān)測。

6 結(jié)語

頂管施工是污染小，效率高，影響范圍小的綠色環(huán)保施工。本段綜合管廊頂管工程既避免了過路時(shí)對(duì)交通主干道的影響，又減少了地下各類管線的遷改工作，還大大縮小了施工面積。