明俊聰 李之騰

(山西元工電力工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030009)

1 概述

頂管施工技術(shù)是繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展起來(lái)的一種非開(kāi)挖技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于穿越公路、鐵路、河流、鬧市區(qū)等不具備開(kāi)挖條件的各種管道鋪設(shè)，可有效降低綜合成本、縮短施工工期、減少對(duì)環(huán)境及交通等的影響、提高工程施工的安全性，在市政地下管線中應(yīng)用廣泛。

太原某110 kV電纜線路工程，線路全長(zhǎng)2.72 km，與環(huán)城高速公路G2001交叉1次。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，G2001太原環(huán)城高速公路為雙向六車道，穿越高速里程K6+000 km處，東側(cè)與本工程新建24孔電纜排管相接，西側(cè)與已建市政隧道相接。整個(gè)線路位于城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)，受路網(wǎng)規(guī)劃及現(xiàn)有建筑的限制，施工場(chǎng)地緊張。經(jīng)綜合技術(shù)比較，該段下穿高速公路推薦采用內(nèi)徑φ2 800 mm頂管方案，長(zhǎng)度110 m。

2 頂管工程

2.1 頂管的特點(diǎn)

頂管施工屬于非開(kāi)挖施工技術(shù)，不需要進(jìn)行大量的挖方作業(yè)，施工工作面較小，可在繁華市區(qū)內(nèi)施工。

頂管施工首先在兩側(cè)分別設(shè)頂進(jìn)工作井、接收井。頂進(jìn)工作井內(nèi)安裝后座墻、主千斤頂及鋪設(shè)管道，作為頂管工作的主要工作空間。接收井主要用于工具機(jī)頭設(shè)備的接收。工作原理是利用主頂油缸產(chǎn)生的推力，把工具管、管道和掘進(jìn)機(jī)推向接收工作井，通過(guò)接收井的預(yù)留口穿出，形成電力管道(見(jiàn)圖1)。

2.2 頂管施工方法分類及其使用條件

2.2.1按管徑大小分類

1)大口徑是指φ2 000 mm以上的頂管，人員能夠自由通行。

2)中口徑是指φ1 200 mm～φ1 800 mm的頂管，人員能夠半通行。

3)小口徑是指φ500 mm～φ1 000 mm的頂管，這種管徑的頂管人員無(wú)法通行。

4)微型頂管口徑很小，通常在φ400 mm以下，最小的只有φ75 mm。

本工程頂管尺寸選型根據(jù)電力需求容量，選用內(nèi)徑φ2 800 mm，為大口徑頂管。

2.2.2開(kāi)挖距離分類

通常把頂進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)400 m并設(shè)置中繼間的頂管稱為長(zhǎng)距離頂管，小于400 m的為普通頂管，超過(guò)1 000 m的為超長(zhǎng)距離頂管。

本工程頂管作業(yè)長(zhǎng)度為110 m，屬于短距離頂管。

2.3 頂管施工方法

頂管施工方法主要有：泥水平衡式、土壓平衡式、擠壓式和人工頂管。針對(duì)具體工程，不同地質(zhì)條件及施工要求等，在確保質(zhì)量及安全的條件下，選擇合理的施工方法(見(jiàn)表1)。

表1 頂管施工方法比較

2.3.1泥水平衡式頂管

以全斷面切削土體，將適當(dāng)壓力的泥漿注入到裝置隔板的密封艙內(nèi)，在開(kāi)挖土體表面形成一層致密的泥膜，利用泥水的壓力來(lái)平衡周圍土體壓力及地下水壓力，保證工作挖掘面的穩(wěn)定性，泥水同時(shí)也作為輸送棄土的介質(zhì)的機(jī)械頂管施工方法。

2.3.2土壓平衡式頂管

以切制輪開(kāi)挖的流料作為支撐介質(zhì)，刀盤通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)開(kāi)挖土層，挖下的土體流料經(jīng)切制輪的開(kāi)口，壓入開(kāi)挖腔內(nèi)與塑性土漿混合，通過(guò)壓力艙壁將推力傳遞到土漿上，以此來(lái)保護(hù)未開(kāi)挖地層土體進(jìn)入開(kāi)挖腔內(nèi)的機(jī)械頂管施工方法。

2.3.3擠壓式頂管

在掘進(jìn)機(jī)下部安裝有螺旋輸送裝置，施工中將進(jìn)入喇叭口形破碎室的泥土通過(guò)壓力墻破碎，然后再通過(guò)砂石泵排出至地表。

2.3.4人工頂管

人工頂管是一種以人工作業(yè)為主的施工方法。在施工時(shí)，人通過(guò)借助輔助工具進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)及輸送作業(yè)。常用的開(kāi)挖類輔助工具有鎬、鍬以及沖擊錘等，輸送類輔助工具有傳送帶、手推車或軌道式的運(yùn)輸?shù)V車等。

2.4 頂管機(jī)選型

頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)形式的選擇一般由土的穩(wěn)定系數(shù)Nt的計(jì)算、對(duì)地面沉降的控制要求以及控制技術(shù)措施共同確定，其計(jì)算公式為:

其中，γ為土的重度;h為機(jī)頭中心至地面的高度,m;q為地面荷載;n為折減系數(shù)，一般取1.0；Su為土的不排水抗剪強(qiáng)度。

一般情況下：

當(dāng)Nt≥6，且地面沉降控制要求很高時(shí)，因正面土體流動(dòng)性很大，需選用封閉式頂管機(jī)。

當(dāng)4

當(dāng)Nt≤4，且地面沉降控制要求不高時(shí)，可考慮采用手掘式頂管機(jī)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查以及以往施工經(jīng)驗(yàn)，本工程對(duì)地面沉降量要求很高，故采用封閉式頂管機(jī)頭，采用土壓平衡式結(jié)合人工手掘式兩種方法進(jìn)行頂管作業(yè)。

3 管材

3.1 頂管管材的材料分類

按頂管管材的材料類型分為如下幾類：

1)鋼筋混凝土管道；2)鋼管，包括有縫鋼管和無(wú)縫鋼管；3)玻璃纖維加強(qiáng)管；4)球墨鑄鐵管道；5)陶土管；6)塑料管(PVC管)；7)石棉水泥管道。

3.2 管材選用

目前頂管法施工中使用最多的就是鋼筋混凝土管。一般單根管節(jié)的長(zhǎng)度不宜超過(guò)頂管機(jī)或微型隧道掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)度，管道長(zhǎng)度通常以2.0 m～3.0 m為宜。

根據(jù)調(diào)查，目前太原地區(qū)生產(chǎn)的最大頂管內(nèi)徑φ3 000 mm，壁厚300 mm，采用C40混凝土。單節(jié)長(zhǎng)度2.5 m，參考重量18.3 t。根據(jù)國(guó)標(biāo)，頂管分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)三種荷載級(jí)別。Ⅱ級(jí)管用于覆土小于6 m時(shí)，Ⅲ級(jí)管用于6 m～9 m覆土。

3.3 管道的許用頂力

結(jié)合本工程各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，頂管選用鋼筋混凝土管。鋼筋混凝土管道斷面的允許頂力，對(duì)頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度、成功與否起著決定性作用，管材本身強(qiáng)度、頂進(jìn)作業(yè)時(shí)的加壓方式、頂鐵與管道端面的接觸狀態(tài)以及受力面積等因素均不同程度影響著管道的實(shí)際允許頂力。

資料顯示，混凝土管道的抗壓強(qiáng)度一般應(yīng)大于30 MPa。

混凝土管道的允許頂力通?？捎靡韵鹿接?jì)算：

其中,[Fr]為管道許用頂力值，kN；σc為管體本身抗壓強(qiáng)度，kN/m2；A為受壓面積，m2；S為安全系數(shù)，一般取2.5～3.0。

本工程采用φ2 800 mm鋼筋混凝土管，管長(zhǎng)度為2.0 m，管壁厚為300 mm，Ⅰ級(jí)荷載C50預(yù)制混凝土管道，管道端面垂直度的允許誤差應(yīng)不大于5 mm，管道水平方向的偏差最大值應(yīng)不大于10 mm，管道外徑的允許誤差不大于12 mm。

3.4 接口形式

常用的頂管接口形式有平接口、企口、柔性接頭鋼承口、柔性接頭雙插口。

本工程采用柔性接頭鋼承口。鋼承口管接口形式又稱為F型管接口，主要是在接口處設(shè)一個(gè)橡膠止水圈，材質(zhì)采用遇水膨脹橡膠，在吸收水分以后體積會(huì)膨脹1倍～3倍，可有效防止鋼套環(huán)與混凝土管結(jié)合面產(chǎn)生滲漏。

4 頂進(jìn)工作井設(shè)計(jì)

4.1 管道頂部覆蓋厚度

根據(jù)頂管的施工要求，以及參考《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》(試行)、CECS 246:2008給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程，管頂覆土層厚度宜大于管外徑的1.5倍，并不小于3 m。否則頂管時(shí)，頂管機(jī)頭會(huì)向上漂移。本工程管道內(nèi)徑2 800 mm，壁厚300 mm，覆土層厚度應(yīng)不小于5 100 mm，根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)地形高差因素，最終高速公路路面到頂管頂部的距離確定為15 m。

4.2 地面沉降計(jì)算

本工程需穿越高速公路，在施工時(shí)應(yīng)保證高速路面安全，應(yīng)盡量減少施工對(duì)道路正常通行的影響，故需要對(duì)該處高速路面沉降量控制提出要求。目前，工程界常采用的理論主要為Peck提出的地面沉降槽理論。由于Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積，地面沉降可視土質(zhì)情況、覆土深度、采用的掘進(jìn)機(jī)類型、操作水平等因素而不同，并根據(jù)這個(gè)假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式：

δmax=Vi/(2.5×i);

i=H/(2.5×tan(45°-θ/2));

Vi=0.25×π×D2×η。

其中，δx為x位置的地面沉降量，mm；δmax為管道軸線上方的最大地面沉降量,mm；x為離頂管軸線的水平距離,m；i為地面沉槽寬度系數(shù)；θ為土壤內(nèi)摩擦角,本工程為22°;Vi為管道單位長(zhǎng)度的土體損失量,m3/m;D為頂管外徑，本工程為3.4 m；η為土體損失百分率，本工程采用5%；H為頂管埋深，高速公路到頂管頂部的距離為15 m。

參考CECS 246：2008給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程中規(guī)定，頂管造成的公路地面沉降應(yīng)不大于20 mm。經(jīng)試算，路面沉降小于20 mm則管覆土深度應(yīng)不小于15 m，故本工程頂管覆土按15 m考慮，并采取相關(guān)技術(shù)措施控制路面沉降。

4.3 工作井型式及尺寸確定

工作井坑形狀一般有矩形、圓形、腰圓形、多邊形等幾種，其中矩形工作坑最為常見(jiàn)。本工程受地形限制，永臨結(jié)合考慮后期做電纜井用，同時(shí)兼顧降低施工支模難度、減少工程量，選用矩形工作井坑(見(jiàn)圖2)。

1)矩形工作坑的底部尺寸參考下式確定：

工作坑底部寬度：B=D1+S。

其中，D1為頂管管道外徑,本工程為3.4 m；S為施工作業(yè)操作兩側(cè)預(yù)留寬度，一般取2.4 m～3.2 m,本工程取2.6 m。

綜上，本工程頂進(jìn)工作井寬度為6 m。

工作坑的底部長(zhǎng)度:L=L1+L2+L3+L4+L5。

其中，L1為頂管機(jī)機(jī)體長(zhǎng)度，本工程為5 m；L2為千斤頂長(zhǎng)度，約為2.5 m；L3為后座墻、頂鐵、安裝余度，約為1.5 m。

綜上，本工程頂進(jìn)工作井長(zhǎng)度為9.0 m。

2)工作坑深度應(yīng)符合下列公式要求:

H1=h1+h2+h3。

其中，H1為工作坑地面至坑底的深度，m；h1為地面至管道底部外緣的深度，覆土深度為1.5D=5 m,頂管外徑為3.4 m，地面至管道底部外邊緣的深度為8.37 m，為滿足公路地面沉降要求，最終確定頂管在高速公路下方的覆土厚度為15.0 m，現(xiàn)施工地面頂管覆土厚度為10.5 m，地面至管道底部外緣的深度為13.8 m；h2為管道外緣底部至導(dǎo)軌底面的高度，取0.25 m；h3為基礎(chǔ)及其墊層的厚度(不應(yīng)小于該處井室的基礎(chǔ)及墊層厚度)，取0.25 m。

綜上，頂進(jìn)工作井的深度為14.5 m(如圖3所示)。

頂進(jìn)工作井底部寬度為6.0 m，長(zhǎng)度為9 m，深度為14.5 m。

接收井的尺寸根據(jù)實(shí)際地形，頂管在地下按水平頂進(jìn)考慮，尺寸確定如下：

a.底部寬度為5.5 m(頂管機(jī)直徑為3.4 m，考慮施工余度2.1 m)；

b.底部長(zhǎng)度為6 m(頂管機(jī)長(zhǎng)度為5 m，考慮1 m的施工操作余度空間)；

c.深度為12.0 m。

4.4 頂進(jìn)工作井及接收井開(kāi)挖方式選擇

本工程受場(chǎng)地限制，頂進(jìn)工作井位于東環(huán)高速與道路之間，寬約30 m；接收井位于東環(huán)高速與市政公路之間，寬約25 m，均不滿足放坡開(kāi)挖條件。同時(shí)頂進(jìn)工作井及接收井較深，為了確保房屋及公路的安全，開(kāi)挖需采取支護(hù)措施，考慮本期頂管施工和后期用作電纜豎井，采用沉井法修筑工作井坑。

4.5 地質(zhì)條件

1)穿越高速公路地下廊道巖土工程地質(zhì)條件。

線路管道穿越既有東環(huán)高速公路工程，穿越段管道長(zhǎng)度約為110.0 m，管道材質(zhì)為鋼筋混凝土預(yù)制管，高速路面較兩側(cè)井位處地面高5 m～8 m，地質(zhì)勘探場(chǎng)地位于兩側(cè)工作井，故提出工作井處地層深度20 m以內(nèi)的地基土地層參數(shù)，自上而下劃分為三大層，分別為①層雜填土、②層(黃土)粉土、③層粉土層。

2)穿越高速公路天然地基土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與建議值(見(jiàn)表2)。

表2 天然地基土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與建議值

3)場(chǎng)地穩(wěn)定性、適宜性評(píng)價(jià)。

據(jù)本次勘察結(jié)果及區(qū)域地質(zhì)資料，穿越地段場(chǎng)地屬穩(wěn)定場(chǎng)地，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。可在②層，③層黃土狀粉土中進(jìn)行此次穿越。本次勘探深度范圍(20 m)內(nèi)未揭露地下水，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)地貌資料進(jìn)行綜合分析，可不考慮地下水對(duì)本工程的影響。

4.6 沉井

沉井是由側(cè)壁、刃腳、內(nèi)壁(隔墻)、豎向框架、底板、井蓋等構(gòu)成的。

5 后座墻

5.1 后座墻的重要性

后座墻主要在頂進(jìn)管道時(shí)提供反作用力。在頂管施工過(guò)程中，后座墻不僅要求達(dá)到一定的強(qiáng)度，同時(shí)還要穩(wěn)定，施工中一旦發(fā)生破壞，頂管施工就要停工，可見(jiàn)后座墻設(shè)計(jì)的重要性。

5.2 后座墻設(shè)計(jì)要求

后座墻設(shè)計(jì)首先在強(qiáng)度上要滿足設(shè)計(jì)頂進(jìn)力作用下不被破壞，不變形，卸荷后能恢復(fù)原態(tài)并保證完整，其次應(yīng)安裝方便，便于施工，安裝在垂直管道頂進(jìn)軸線上，避免偏心受壓，引起傾斜變形發(fā)生事故。

5.3 后座墻形式

常用的后座墻一般有現(xiàn)澆混凝土式、裝配式。本工程使用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土后座墻。

5.4 后座墻反作用力的計(jì)算

假設(shè)頂進(jìn)作業(yè)時(shí)，作用在工作坑后的土體上的力是均勻的。一般為確保在頂進(jìn)過(guò)程中后座的安全，后座能承受的反作用力或土抗力R應(yīng)為總頂進(jìn)力P的1.2倍～1.6倍。

反作用力R可采用公式計(jì)算：

其中，R為總推力之反作用力，kN；α為系數(shù)，取1.5～2.5;B為后座墻的寬度，m；γ為土的容重，kN/m3；H為后座墻的高度，m；KP為被動(dòng)土壓系數(shù)，粉土取2.66；c為土的內(nèi)聚力，kPa；h為地面到后座墻頂部土體的高度，m。

本工程工作井采用沉井結(jié)構(gòu)，為鋼筋混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，故后座墻采用現(xiàn)澆混凝土形式，是比較理想的受力模型。根據(jù)頂進(jìn)力的大小，對(duì)混凝土后座墻的彎拉區(qū)應(yīng)設(shè)置網(wǎng)格鋼筋，混凝土墻的一般厚度應(yīng)根據(jù)管道直徑大小確定，一般為0.8 m～1.0 m?；炷恋膹?qiáng)度為C20以上，在達(dá)到其強(qiáng)度的80%以上時(shí)才可以承受頂進(jìn)力。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上，作為一種市政很常用的非開(kāi)挖施工方式，頂管及沉井方案也能很好的解決電力工程中遇到的如下穿高速路等特殊地段的施工要求。在保證對(duì)高速影響最小的情況下，也能同時(shí)保證電力工程順利竣工。目前該工程頂管部分已完成施工。