張林峰

（蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在城市快速發(fā)展的同時，地下管網作為城市的大動脈，承擔著信息傳遞、電力輸送、天然氣輸送、供暖、給水、廢水排放等功能。在地下管道的鋪設中，傳統(tǒng)的明挖法敷設管道不僅開挖回填量大，而且管線多沿著路網鋪設，會阻斷交通，給本就負重的交通帶來壓力，并且還會涉及拆遷工作，延緩工期，增加造價[1]。頂管法作為一種暗挖方式，其斷面類型多，管節(jié)可工程預制，從而大幅提高施工效率，而且施工期間對地面交通影響較小，可減少拆遷和土方開挖，對周邊環(huán)境影響較小，是當前市政地下管線首選的施工方式。頂管法可以很好地解決下穿既有管線、河流、建筑物等問題。我國地質條件復雜，在頂管設計過程中會遇到各種問題，其設計必須因地制宜，有針對性地解決工程問題，確保結構安全[2]。

本文就濕陷性黃土地區(qū)地下雨水管線的頂管法施工設計要點開展研究，重點介紹頂管頂力值設計、頂管工作井設計的主要內容，并介紹頂管接頭防水設計等內容，以期為后續(xù)的施工和類似工程提供借鑒和參考。

1 濕陷性黃土工程特性及項目概況

1.1 黃土濕陷性及工程性質

黃土濕陷性：黃土在自重或者外荷載作用下，在受到水的浸濕后，土體的結構被迅速破壞并產生較大的濕陷沉降特性，根據其作用力可以分為自重濕陷性黃土與非自重濕陷性黃土，判別依據為：當自重濕陷量的實測值不大于70 mm時濕陷類型為非自重濕陷性黃土，自重濕陷量的實測值大于70 mm時為自重濕陷性黃土。根據濕陷系數(shù)δ0可以將其分為4個等級，即δ0＜0.015時為非濕陷性黃土，0.015＜δ0＜0.030時為弱濕陷性黃土，0.030＜δ0＜0.070 時為中等濕陷性黃土，δ0＞0.070時為強濕陷性黃土。

濕陷性黃土產生濕陷性的條件是荷載和水的作用。對于非自重濕陷性黃土，在無外荷載的作用下，無論其容重多大，無論如何浸濕都不會產生濕陷性；對于飽和黃土，由于其在形成的歷史中已經產生了濕陷性，且土體已經沉降結束，所以無論外荷載多大，也不會再產生濕陷性沉降，但是當土體失水后，土體變得干燥，其濕陷性則會恢復。通過以上分析可知，當基底壓力小于濕陷壓力時，對地基可不做處理；當基地壓力大于濕陷性終止壓力時，就必須關注其沉降量。在沉降變形中，已經包括了濕陷沉降量，當基地壓力等于天然結構強度時，此時的濕陷性表現(xiàn)最為強烈，設防標準可按照最大限度考慮地基濕陷性設置[3]。

1.2 工程概況

本工程為蘭州市新區(qū)雨水管道項目，頂管共兩種管徑：蘭州市新區(qū)經十五支路管徑為1 000 mm，頂管長度420 m；蘭州市新區(qū)緯十二路雨水管的管徑為2 400 mm，頂管段長度為525 m。雨水管道頂管為F型鋼筋混凝土排水管（Ⅲ級），承插連接，橡膠圈柔性接口。

頂管穿越黃土層，根據地勘測試結果，表層土具有Ⅳ級（很嚴重）自重濕陷性。

1.3 頂管設計對濕陷性地層的要求

頂管技術被廣泛應用于公路、鐵路、市政工程中，技術成熟，積累了較多設計經驗。但是在濕陷性黃土地區(qū)，面臨黃土濕陷的可能性，因此在設計之前，必須就黃土的濕陷性進行測定，判斷濕陷發(fā)生的可能性以及濕陷沉降量，確保頂管的管基不會產生濕陷性變形，影響管道的正常使用。在頂進過程中，管壁外的土體受到擾動，上層土體易形成松動或空洞，引起地面沉降或塌陷[4]。頂管結束后，從混凝土管內部通過注漿孔向管外土體注入加固水泥漿液，對土體進行加固，最大限度消除管底及周圍土體沉降。由于本工程為雨水管道，為防止管道滲漏和地下水涌入，管節(jié)間必須有可靠的防水措施。本工程剛性鋼圈接頭，接頭內采用環(huán)齒橡膠密封環(huán)。

在頂管施工過程中，為了盡量減少對濕陷性黃土的浸濕作用，頂管工作應盡量從下游向上游方向進行。地下水由工作面流向工作井集水坑，再用泵排出地面；對管道滲水和漏水點，先鑿V形槽，埋入導水水管，用速凝水泥封閉管周，待水泥有一定強度后，用手動泵壓入水泥摻玻璃漿液封堵。

2 頂管頂力設計

頂管頂力計算是頂管設計的重要內容，也是施工設計的最基礎內容，其計算結果是千斤頂數(shù)量與型號、后背墻的尺寸和中繼間設計的依據，直接影響各類設備、結構尺寸的選型。

2.1 基本假設

巖土工程設計過程中，由于土體模型復雜，因而需要在計算前進行一些假設：刃腳切土過程中，會引起前方土體松動和管周土體的松動；所取出的土體是工作面的土體；周圍土與管道組成超靜定系統(tǒng)，但在計算過程中按靜定結構分析。通過以上假設，可以發(fā)現(xiàn)影響周圍土體對管道荷載的因素主要有：管道的外徑D、土體與管道的剛度、埋深h、地下水位、頂進時間。

2.2 有效高度H有效推導

Terzagtfi等將頂管模型等同于隧道模型進行設計計算，如圖1所示，推導頂管上部覆土的有效高度H有效。

圖1 頂管土壓力計算模型

定義頂管上部土體對頂管的作用寬度為B，總寬度為2B，根據模型可以推導出：

式中：b為管道半徑，φ為土體的內摩擦角。

管道的外徑D外=2b，D外=h，代入式（1），則頂管上的壓力p為：

式中：γ為土體的容重；λ為土壓力系數(shù)。根據拱頂理論，頂管上的壓力p為：

根據土力學的相關理論，土壓力p為土體的容重γ與有效高度H有效之積：

代入計算，可以推導出有效高度H有效為：

2.3 頂管頂力計算

根據摩擦力的基本原理，管周的摩阻力F摩為：

式中：F摩為頂進摩阻力；p為管周土壓力；μ為摩擦系數(shù)，s為接觸面積。

管道的受力簡化模型如圖2所示。根據之前的推導，管道上部的土壓力p頂為：

圖2 頂管周圍土壓力計算模型

管道直徑較小時，可以假定兩側的土體參數(shù)相同，即：

管道底部的土壓力p底為：

式中：G為頂管每延米長度的重量。

在計算過程中，無法利用各個方向的土壓力進行計算，需要將各個方向的土壓力進行等效替代。簡化的土壓力p為：

則管道周圍單位面積的摩阻力F為：

則頂管的頂力F頂力為：

式中：L為頂進的長度；γ中為土體平均容重。

2.4 頂力設計的意義

頂推力是制約頂管頂進的重要因素，在設計過程中，工作井、管道的抗壓強度和中繼站等需要根據頂力進行選型和設計，如果在施工過程中頂力超過設計值，將會破壞工作井和管節(jié)，甚至會損壞千斤頂；如果實際頂力值遠小于計算值則會造成極大的浪費，因而頂管頂力的設計是頂管設計工作的重要一環(huán)。

3 頂管工作井設計

3.1 布置原則

在頂管設計過程中，需要根據管線合理布置工作井和接收井。工作井作為安裝設備的場地，也是提供頂管始發(fā)反力端頭，同時也是承擔液壓千斤頂反推力的構筑物。在布置時，頂管的一次頂進長度要適宜，不宜過長。如果一次頂進長度過長，工作井和接收井的數(shù)量會降低，但頂推力較大，對頂管結構和工作井結構的強度要求較高，同時施工機械的性能也會提高；如果頂進長度過短，工作井和接收井的數(shù)量會相應增加，但會降低施工頂進的難度，降低對結構強度和機械的要求。與此同時，頂管管線的布置還應符合交通、電力等行業(yè)對所屬設施的保護要求，布置的位置應交通便利、水電供應方便、便于排水；還需要結合施工頂進的方式來確定布置位置。

3.2 結構設計

工作井根據結構的形狀可以分為矩形、圓形、腰圓形、多邊形等，在實際工程中，常用的是矩形工作井，當頂管埋深較大時，工作井一般采用圓形，工作井的施工方式主要有明挖法施工與沉井法施工。工作井（接收井）按其結構形式又分為鋼筋混凝土井、鋼板樁井、地下連續(xù)墻井等幾種類型，如果地質條件較好，頂力值不大時，還可以采用水泥攪拌樁臨時支護甚至放坡開挖，但是需要結合后座墻來提供反推力。工作井的尺寸確定要考慮管節(jié)長度、直徑、頂管機的尺寸、頂管設計標高等因素，在設計過程中，還需要考慮頂管頂力的反作用力對結構的作用。

本工程頂管工作井采用沉井施工技術，結構形式為鋼筋混凝土整體深井結構；根據頂管的尺寸，共設計兩種規(guī)格的工作井：Y1～Y6工作井的凈尺寸為3.00 m×4.50 m×11.00 m×0.40（長×寬×高×厚）、工作井 Y11～Y15，Y25～Y26，Y29～Y30凈尺寸為4.0 m×6.0 m×11.0 m×0.4 m（長×寬×高×厚）。頂管施工完成后，澆筑管周圍混凝土，將工作井作為檢查井。

4 結語

本文就濕陷性黃土地區(qū)地下雨水管線的頂管法施工設計要點開展研究，首先介紹濕陷性黃土的特性及其工程分類，并介紹頂管設計過程中對濕陷性黃土的要求以及避免濕陷性的工程措施，然后介紹頂管頂力的設計計算過程及其重要性，并介紹頂管工作井布置和設計的原則，以期為后續(xù)的施工和類似工程提供借鑒和參考。