頂管設(shè)計與優(yōu)化

李佩南，阿懷瑾，張 璐

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

頂管法施工是將管道敷設(shè)明挖施工改為暗挖的一種地下管道非開挖施工工藝[1]。在地面存在建筑物、交通繁忙的公路和地下存在建（構(gòu)）筑物及管廊復(fù)雜的地段敷設(shè)新的地下管道，采用傳統(tǒng)的開挖、鋪設(shè)、回填施工工藝比較困難。為了減少對建（構(gòu)）筑物的破壞，減小對交通的干擾，減少征地拆遷，頂管法施工已成為地下管道施工中的最佳選擇。

1 工程概況

某防洪工程位于黃土高原腹地的延安市，隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，工程區(qū)規(guī)劃開發(fā)建設(shè)為具有濱水商業(yè)中心、住宅區(qū)、研發(fā)創(chuàng)新中心、商貿(mào)服務(wù)區(qū)、文旅小鎮(zhèn)、養(yǎng)生休閑區(qū)、產(chǎn)業(yè)區(qū)等多功能綜合區(qū)域，對區(qū)域發(fā)展起著非常重要的作用。工程區(qū)內(nèi)降水具有年際變化大、年內(nèi)分配不均的特點，降雨集中于夏季且多陣雨、暴雨，易形成洪水。

工程區(qū)溝谷呈“U”型，谷底寬500～1000m，溝河谷兩岸樹枝狀“V”型沖溝發(fā)育，谷坡沖蝕強烈，黃土崩塌、滑坡多見。工程區(qū)地層按巖性可劃分為3層，自上而下分布：壓實填土，第四系人工堆積層()，重度為18kN/m3，承載力基本容許值fa0=150kPa，抗剪強度φ=15°，c=16kPa；黃土狀壤土，第四系中更新統(tǒng)風(fēng)洪積層()，重度為22.5kN/m3，承載力基本容許值fa0=140kPa，抗剪強度φ=23.4°，c=18.9kPa；砂巖夾泥頁巖，侏羅系下統(tǒng)棗園組()，重度為24kN/m3，承載力基本容許值fa0=800kPa，抗剪強度φ=45°，c=20kPa。

2 頂管管位及管材選擇

根據(jù)工程平面布置（圖1），排洪干管需穿越1號、2號道路，這2條道路為該區(qū)域內(nèi)的主干道，無法中斷交通采用開槽法施工，因此選擇頂管法穿越。根據(jù)地面及地下建（構(gòu)）筑物情況、水力條件、地質(zhì)條件，經(jīng)過比較選定頂管段全長211.09m，設(shè)置工作井1處、接收井1處，比降約3.5%。

圖1 頂管管位布置圖

根據(jù)地勘資料，頂管從工作井至接收井依次穿越砂巖夾泥頁巖、黃土狀壤土、壓實填土，可進行頂管施工。

根據(jù)水力計算結(jié)果，頂管管徑為3.5m，頂管法施工常用的管道有鋼管、鋼筋混凝土管、剝離鋼夾砂管、鋼筒混凝土管（JCCP）及鋼筒混凝土管（PCCP），通過技術(shù)經(jīng)濟比較，最終選定管材為鋼筒混凝土管（JCCP）。

3 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂管管道需滿足頂力、覆土壓力及其他使用工況下的強度要求。頂管頂力應(yīng)取管材傳力面允許最大頂力、工作井后背土體的允許頂力二者的小值[2]。

3.1 管道總頂力計算

根據(jù)CECS246-2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[3]，管道總頂力標準值F0按下式估算：

式中：D1為管道的外徑，m；L為管道設(shè)計頂進長度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2；NF為頂管機迎面阻力，kN。泥水平衡式頂管機迎面阻力NF計算按下式：

式中：Dg為頂管機外徑，m；γs為土的重度，kN/m3；Hs為覆蓋層厚度，m。

經(jīng)計算，管道總頂力標準值為49.85×103kN，考慮該工程頂管通過多為砂巖夾泥頁巖，總頂力設(shè)計值采用標準值擴大15%安全富裕進行設(shè)計，總頂力設(shè)計值為57.33×103kN。

3.2 管道允許頂力計算

根據(jù)CECS246-2008，鋼筋混凝土頂管傳力面允許最大頂力Fdc按下式計算：

式中：φ1為混凝土材料受壓強度折減系數(shù)；φ2為偏心受壓強度提高系數(shù)；φ3為材料脆性系數(shù)；φ5為混凝土強度標準調(diào)整系數(shù)；fc為混凝土受壓強度設(shè)計值，N/mm2；Ap為管道的最小有效傳力面積；γQd為頂力分項系數(shù)。

經(jīng)計算，混凝土管道允許頂力設(shè)計值為25.88×103kN，管道允許頂力小于總頂力設(shè)計值，為防止頂力過大對管道及工作井造成破壞，需通過設(shè)置中間井或中繼間來減小管道所受最大頂力。

3.3 中繼間設(shè)置

當(dāng)工作井主頂實際推力達到最大設(shè)計值的50%時設(shè)置第1個中繼間，實際推力達到最大設(shè)計值的60%時啟用。第2個及以后的中繼間應(yīng)當(dāng)在工作井主頂實際推力達到最大設(shè)計值的70%時安裝，實際推力達到最大設(shè)計值的80%時啟用[1]。

中繼間設(shè)置數(shù)量需要根據(jù)施工情況進行確定，長度超過40.00m的大直徑頂管，減阻措施至關(guān)重要，良好的減阻措施可極大地減小管道阻力，節(jié)省中繼間數(shù)量，提高頂管效率。

4 工作井設(shè)計

工作井結(jié)構(gòu)形式有沉井、鋼板樁、地下連續(xù)墻、灌注樁和SMW工法。工作井按井底至地面的高差分為淺工作井和深工作井，高差超過10.00m均為深工作井。根據(jù)縱斷面布置，該工程工作井深度為21.75m，為深工作井，深工作井宜使用沉井法施工。

1）工作井最小內(nèi)凈長度（圓井最小內(nèi)徑L）按下兩式計算結(jié)果的最大值選取：

式中：l1為頂管機長度，m；l2為下井管節(jié)長度，m；l3為千斤頂長度，m；l4為留在井內(nèi)的管道最小長度，m；k為后座剛性頂鐵和環(huán)形頂鐵的厚度之和再加安裝富余量，m。

經(jīng)計算，工作井最小內(nèi)凈長度L≥9.70m，則工作井最小內(nèi)凈長度設(shè)計值為11.00m。

2）深工作井最小內(nèi)凈寬度B按下式計算：

式中：D1為管道的外徑，m。

經(jīng)計算，工作井最小內(nèi)凈寬度B=14.66m，工作井最小內(nèi)凈寬度設(shè)計值為15.00m。

5 頂管工程優(yōu)化設(shè)計

5.1 工作井優(yōu)化

在保證工作面和使用功能的前提下，本著節(jié)約造價、簡化施工、減小工作量的原則，將工作井尺寸由11.00m×15.00m的方井調(diào)整為內(nèi)徑11.00m的圓井，并將其調(diào)整為永久跌水井，以解決上游埋管坡度大、流速大的難題，減小上游埋管的埋深和土方開挖工程量，降低工程整體造價、優(yōu)化工期。同時，工作井的施工由沉井優(yōu)化為逆作法施工。

沉井法施工適用于埋深較深的頂管永久井和周邊較空曠的地區(qū)[2]。沉井一定范圍內(nèi)有管線或建（構(gòu)）筑物的，不適用沉井法施工。當(dāng)沉井下沉?xí)r，會帶動井周圍土體一起下沉，引起周邊建筑物傾斜或沉降，同時對周圍土體有一定不利影響。當(dāng)場地受限時，既不適用沉井也無法進行開挖施工，工作井逆作法施工就成了最好的選擇。沉井逆作法施工具有對周邊建（構(gòu)）筑物影響較小、土方量小[5]、安全性高、加快施工進度、減小施工難度的優(yōu)點[6]。

5.2 管道坡度優(yōu)化

根據(jù)目前國內(nèi)、外施工技術(shù)現(xiàn)狀，頂管縱斷面設(shè)計一般采用兩端豎井與水平頂管結(jié)合的方式，其中，水平頂管坡度多控制在0.5%～1.0%[7]。大坡度頂管給頂管后座、導(dǎo)軌的排布，頂管動力系統(tǒng)的設(shè)置，以及頂管軸線控制測量方法等有更高的要求[8]。

為了提高施工過程中地控制精度，同時保證管道排水通暢，滿足最大過流的前提下，頂管坡度適當(dāng)減小。結(jié)合實際情況，頂管縱坡由4.75%調(diào)整為3.0%，經(jīng)過計算滿足下游流速大于上游流速，避免因流速變小引起的淤積。

6 結(jié)語

頂管法施工技術(shù)在防洪工程中的應(yīng)用，避免了對地面交通、周圍建（構(gòu)）筑物的干擾，減小了環(huán)境污染及水土流失，當(dāng)管道埋置較深時，其造價明顯低于明挖施工，可節(jié)約工程造價。