袁珊珊，李光宏，吳海波

（1.湖北交投武漢投資有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢華源電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

近年來，隨著城市的快速發(fā)展，各行業(yè)用電需求增長迅速，為解決城市用地緊張的現(xiàn)狀，城市輸電線路工程逐漸由架空線路轉(zhuǎn)為電纜線路［1］。在電纜線路工程中，不可避免會與高速公路、鐵路以及河道交叉，應(yīng)權(quán)屬單位要求，穿越以上構(gòu)筑物（或地物）一般采用頂管施工工藝。本文結(jié)合武漢市天河機場專線電纜線路工程下穿繞城高速實際施工情況，從頂管頂進計算及管道頂進施工方面討論小口徑長距離頂管設(shè)計、施工要點，為今后為此類管道穿越工程積累寶貴經(jīng)驗。

1 工程概況

機場電纜專線頂管穿越繞城高速是天河機場電力遷改工程的一部分，管道垂直穿越繞城高速采用泥水平衡式頂管施工工藝，頂進長度 230 m，管道內(nèi)徑φ1.2m、管材為頂進施工法用 Ⅲ 級鋼筋混凝土管，繞城高速寬 38 m，高速兩側(cè)防護林分別為 50 m、35 m，靠近 35 m 側(cè)有一寬約 26 m 的魚塘（水深 2.0 m，淤泥層厚 1.0 m）及國防光纜，靠近 50 m 側(cè)約 8 m 位置存在一根 DN 1 000 mm 的高壓燃氣管道。頂管穿越繞城高速段簡圖如圖 1 所示。

圖1 頂管穿越繞城高速標高示意圖

工作坑采用沉井方法進行施工，沉井為鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級 C 35、抗?jié)B等級 P 8，沉井總高度 10.6 m，內(nèi)部尺寸 4.5 m（寬）×6.0 m（長），除頂管井后背墻側(cè)井壁壁厚為 800 mm 外，沉井其他側(cè)壁均為 650 mm 厚，沉井頂標高距離現(xiàn)狀地面 0.5 m，沉井采用二次制作一次下沉的排水施工法。頂管施工工藝流程如圖 2 所示。

圖2 頂管施工工藝流程圖

2 施工難點

1）頂管下穿現(xiàn)狀高速、燃氣、國防光纜，且繞城高速車流量較大，頂進過程中對地面沉降要求高，對施工精度要求很高。

2）沉井、頂管地質(zhì)條件較為復(fù)雜，沉井下沉穩(wěn)定較難控制，雨季及地下水位對施工影響大。

3）頂管管徑較小、頂進距離長，一次頂進頂力已超過頂管管材許用頂力，需采取減阻措施+間隔設(shè)置中繼間，小頂管頂進人員較難進入管道，管內(nèi)空氣不易流通，頂力較難控制。

3 頂管頂進相關(guān)計算

3.1 頂管頂力估算

頂管施工中，管道頂進總阻力由掘進機迎面阻力和管道外壁的摩阻力組成［2-4］，頂管頂力估算見式（1）～（3）。

式中：R1為頂進計算總頂力，kN；Nf為掘進機的迎面阻力，kN；F為管道外壁的摩阻力，kN；D為管道外徑，m；H為管道頂部以上覆土層厚度，m；γ為管道所處土層重度（根據(jù)地勘資料γ=19.5 kN/m3）；L為頂管計算頂進長度，m；f為頂進時頂管管道表面所受的摩阻力，kPa。

本工程頂管頂進長度 230 m，穿越土層為 3-1 粉質(zhì)黏土，采用觸變泥漿減阻管壁單位面積平均摩阻力取 5 kPa，據(jù)此計算出頂管總頂力為 5 422.04 kN。

3.2 后背墻設(shè)置

假定主頂千斤頂施加的頂進力是通過后座墻均勻地作用在工作坑后的土體上，為確保后座在頂進過程中的安全，后座的反力或土抗力R應(yīng)為總頂進力P的1.2～1.6倍，反力R計算見式（4）及式（5）。

式中：R2為頂管后背墻提供反力，kN；α為系數(shù)，取α=1.5～2.5；γ為土的容重，kN/m3；H為后座墻的高度，m；B為后座墻的寬度，m；Kp為被動土壓系數(shù)（無量綱）；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；φ為管道所處土層的內(nèi)摩擦角。

本工程頂管井后背墻尺寸為 5.8 m×10.6 m，后背墻土層為 3-1 粉質(zhì)黏土，黏聚力c=33 kPa，內(nèi)摩擦角φ=15.4°據(jù)此，頂管后背墻能提供的總反力為29 089 kN，遠大于頂管頂進所需總頂力，滿足頂進要求。

3.3 中繼間設(shè)置

1.2 m 內(nèi)徑鋼筋混凝土頂管能承受頂力 2 955 kN；小于管道頂進總阻力，需在頂進過程中間隔設(shè)置中繼間實行分段逐級頂進。則中繼間主要工作參數(shù)可采用式（6）～（8）進行計算：

式中，Lm為主千斤頂最大頂進長度，m；R頂為主千斤頂最大頂力，kN，n為中繼間個數(shù)，取整數(shù)；F2為中繼間最大頂力，kN；k1、k2為主頂油缸、中繼間工作系數(shù)（無量綱，分別取 0.8 及 0.6）；L1為第一個中繼間設(shè)置位置，m。

本工程主頂裝置采用兩只額定頂力≤4 000 kN 油缸進行施工，中繼間采用 4 只額定頂力≤1 500 kN 油缸進行施工，因工作系數(shù)×主頂油缸頂力及中繼間最大頂力均大于頂管管材頂力，上述值均取用頂管管材許用頂力，則本工程需設(shè)置中繼間 2 個，第一個中繼間設(shè)置在頂管機尾部 60 m 處，根據(jù)經(jīng)驗，第一個中繼間一般應(yīng)安裝于頂管機后 20～40 m，本次第一、二個中繼間分別設(shè)置在頂管機尾部 30 m、130 m 處。

4 施工要點

4.1 沉井施工

沉井施工是整個頂進工程的前置條件［5，6］。為保證沉井接縫澆筑不漏漿，本工程模板采用鋼模板組裝而成，沿沉井高度搭設(shè)綜合腳手架，井壁對拉螺桿為 18 mm鋼筋，在對拉位置設(shè)置 3 片止水鋼板防止?jié)B水；工作井混凝土抗?jié)B等級P8，施工時混凝土中應(yīng)摻加水泥用量 8 % WG-CMA 高性能抗裂防水劑，塌落度控制在（14±3）cm 為宜。井壁施工縫設(shè)成凹槽，沿凹槽設(shè)置一圈-400×4 鋼板止水帶。沉井制作時，因場地受限，沉井底部設(shè)置 250 mm 厚素混凝土墊層并在墊層與刃腳之間鋪設(shè)尼龍布隔離，井壁混凝土達到設(shè)計強度 70 % 以上，刃腳混凝土達到設(shè)計強度后鑿除混凝土墊層。鑿除混凝土墊層應(yīng)按照先內(nèi)后外、對稱鑿除原則進行，對空穴孔洞用砂或砂夾碎石回填。

工作井中的頂管出洞口、接收井中的頂管進洞口整圈采用簾布橡膠板結(jié)合可轉(zhuǎn)動鋼板止水，其中簾布橡膠板由模具分塊壓制，然后連接成一整框；制做密封鋼壓板時，先將絞接套與翻板焊接，然后將轉(zhuǎn)軸插入絞接套，最后將轉(zhuǎn)軸與圓環(huán)板焊接牢固；為有利于頂管機順利通過，可在橡膠密封環(huán)的相應(yīng)側(cè)面涂黃油。頂管進、出洞口止水措施大樣如圖 3 所示。

圖3 頂管進出洞止水措施

為減小下沉過程中受到的摩阻力，增加井外壁的光滑度，井壁下沉前，對外壁涂熱瀝青兩道，厚 0.5 mm，再涂刷 1 層石蠟，沉井下沉挖土按以下原則：①分層、均均、對稱挖土；②土質(zhì)較軟時，沉井挖土先挖中間部分，刃腳周圍土體保留，使沉井自然切土下沉；③沉井壁頂設(shè) 4 處沉降觀測點，以控制沉井均勻下沉、及時糾偏，下沉應(yīng)按勤測勤糾的原則進行。為保證水下封底混凝土與井壁的結(jié)合，在拆除模板、沉井下沉之前，應(yīng)將沉井接觸面底板鑿毛、頂板與井壁連接處亦鑿毛。待沉井下沉至接近設(shè)計標高時，加強沉降觀測，當 8 h 內(nèi)沉降量不大于 10 mm 澆注混凝土底板。封底采用干封底法，沉井底中部附近設(shè)一口集水井，封底時水泵不斷抽水，直至封底完畢，用 C25 混凝土封堵集水井。

4.2 頂進施工

根據(jù)本工程現(xiàn)有的場地條件及土質(zhì)、施工安全、施工經(jīng)濟適應(yīng)性原則選用 NPD 泥水平衡頂管機。頂管系統(tǒng)總體布置示意如圖 4 所示。

圖4 頂管系統(tǒng)總體布置示意

本工程頂管采用注漿和涂蠟 2 種減阻方法，當機頭已頂進土層 8 m 時，開始注漿，注漿孔沿縱向間隔 8 m 設(shè)置一處，受管徑影響，在頂管機尾部環(huán)向均勻地布置了 3 只壓漿孔，孔相互交錯，確保形成完整有效的泥漿套。減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍的空隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等的作用，泥漿的實際用量要比理論用量大得多，一般可達到理論值的 4～5 倍，實際施工時根據(jù)頂進土體、頂進狀況及沉降做調(diào)整。注漿時要遵循“隨頂隨壓、逐孔壓漿、全線補漿，漿量均勻”的原則［8］。

本工程后背墻與主頂油缸之間采用焊接一體式鋼后靠板，尺寸為 3 640 mm 寬×3 640 mm 高×300 mm厚，后靠板主要由加勁板和四周面板滿焊而成，全部采用 20 mm 鋼板滿焊。內(nèi)置加勁鋼板縱、橫向間距均為200 mm，其中焊接材料采用 Q345B 型鋼，連接處全部進行滿悍。

初始頂進速度不宜過快，一般按 10 mm/min 控制，正常頂進速度控制在 20～30 mm/min，遭遇障礙物時控制在 10 mm/min 以內(nèi)。頂進時采用勤糾、少糾的原則。頂進作業(yè)按每推進一根管節(jié)測量一次數(shù)據(jù)，對偏移量超過規(guī)范要求的情況，立即停止作業(yè)、檢查、糾偏。

每隔8m左右布置一個橫斷面進行地面沉降監(jiān)測，在橫斷面上布點為在頂管中心線兩側(cè)、頂管結(jié)構(gòu)外壁 1.5 倍洞徑之間的范圍內(nèi)，間距為 2 m，監(jiān)測應(yīng)包含房屋結(jié)構(gòu)及地表沉降、房屋周圍地層沉降等。

管道頂進就位后，注漿置換掉管道外壁原注入的膨潤土漿，注漿材料采用水泥、水玻璃混合漿液，配比為水泥∶水玻璃=1∶1，水灰比 0.5，注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa 之間，注漿量考慮 3 倍滲透系數(shù)。一次注漿后 24 h 內(nèi)再次注漿，重復(fù)注漿不小于 2 次，注意注漿壓力保壓時為 0.1 MPa；泥漿置換完成后，拆除主通道注漿管管道。

5 結(jié)語

管道頂進施工方式對既有公路影響較小，對環(huán)境、交通影響也大幅降低，本工程采用合理的頂管施工工藝確保了小頂管一次性穿越武漢繞城高速、高壓燃氣管道及魚塘，隨著管道頂進施工工藝的推廣，其經(jīng)濟效益與社會效益逐漸增強。Q