頂管穿越堤防及河道工程設(shè)計(jì)
——以廣東省肇慶市某濕地排水涵管穿越河道相關(guān)頂管工程為例

汪平

（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）

頂管穿越堤防及河道工程設(shè)計(jì)
——以廣東省肇慶市某濕地排水涵管穿越河道相關(guān)頂管工程為例

汪平

（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）

以廣東省肇慶市某濕地排水涵管穿越河道相關(guān)頂管工程為實(shí)例，介紹了頂管穿越堤防及河道方案的設(shè)計(jì)，論證了頂管方案的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，總結(jié)了設(shè)計(jì)及施工過程中的要點(diǎn)，為今后同類工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

頂管；堤防；河道工程

0 引言

頂管施工是一種非開挖施工方法，可有效減少大開挖對(duì)地面建筑物和環(huán)境的影響。我國(guó)自從1954年在北京進(jìn)行的第一例頂管施工以來，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，無論在技術(shù)上、頂管設(shè)備還是施工工藝上都取得了很大的進(jìn)步。

2002年9 月，我國(guó)西氣東輸項(xiàng)目的關(guān)鍵工程，全長(zhǎng)3 600 m、管徑為1.8 m的鋼管從23～25 m深的地下成功橫穿黃河。該工程無論從頂進(jìn)長(zhǎng)度、埋深、地質(zhì)條件，還是鋼管直徑在國(guó)內(nèi)尚屬首次。也是目前世界上復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑鋼管一次性頂進(jìn)距離最長(zhǎng)的頂管工程。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，我國(guó)的地下管線的需求量也在逐年增加。加之人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，頂管技術(shù)將在我國(guó)地下管線的施工中起到越來越重要的地位和作用。

1 工程背景

根據(jù)區(qū)域排水規(guī)劃，肇慶新區(qū)長(zhǎng)利涌以東、長(zhǎng)利大道以西區(qū)域雨水匯集后，排入長(zhǎng)利濕地。經(jīng)過濕地調(diào)蓄，通過一根排水涵管，穿過長(zhǎng)利涌，排入硯陽湖，見圖1。

圖1 區(qū)域排水規(guī)劃圖

長(zhǎng)利涌上接九坑河水庫(kù)，下接西江，是肇慶新區(qū)骨干排洪河道，汛期洪水位11.70～11.90 m，防洪堤頂標(biāo)高13.20 m；長(zhǎng)利濕地位于長(zhǎng)利涌左岸，面積11.84 hm2，區(qū)域常水位為4.0 m，最高水位控制為5.0 m，調(diào)蓄庫(kù)容約11.84萬m3；硯陽湖位于長(zhǎng)利涌右岸，面積99 hm2，設(shè)計(jì)常水位為3.1 m，設(shè)計(jì)高水位4.5 m，總庫(kù)容約396萬m3。

根據(jù)施工進(jìn)度安排，該工程為度汛施工，無法采取大開挖和攔河圍堰方式，因此推薦采取頂管方案。

2 工程規(guī)模

2.1 水文計(jì)算

（1）設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)廣東省水文總站2003年頒布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》及廣東省水文總站1991年編的《廣東省暴雨徑流查算圖表》查得的各歷時(shí)暴雨參數(shù)，通過暴雨頻率計(jì)算得到20 a一遇各歷時(shí)暴雨設(shè)計(jì)值。

設(shè)計(jì)暴雨過程：根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊(cè)》設(shè)計(jì)暴雨分配方法分配得到20 a一遇設(shè)計(jì)暴雨過程，見圖2。

圖2 設(shè)計(jì)暴雨過程線

（2）設(shè)計(jì)澇水

城鎮(zhèn)澇片設(shè)計(jì)澇水的計(jì)算一般采用綜合徑流系數(shù)法。

徑流系數(shù)：根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（G B 50014-2006，2016版）肇慶中心城區(qū)徑流系數(shù)取0.65。

設(shè)計(jì)雨強(qiáng)：區(qū)域?qū)儆谡貞c新區(qū)，管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為5 a一遇，根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式得到5 a一遇60m in降雨強(qiáng)度為64.1 mm。

（3）濕地調(diào)蓄

濕地概況：長(zhǎng)利濕地面積達(dá)11.84 hm2，區(qū)域常水位為4.0 m，最高水位控制為5.0 m，調(diào)蓄庫(kù)容約11.84萬m3。

調(diào)蓄計(jì)算：根據(jù)資料按水量平衡方程式進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。

長(zhǎng)利濕地起調(diào)水位為4.0 m，濕地下泄能力按寬頂堰出流進(jìn)行計(jì)算，最終確定濕地出口缺口底高程為4.0 m，寬5 m，濕地最大下泄流量約5 m3/s，見圖3。

圖3 濕地調(diào)蓄過程

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）工程等級(jí)

本工程為Ⅱ等工程，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)。

（2）設(shè)計(jì)流量

根據(jù)上述水文計(jì)算，最終確定管涵的最大過水流量約5 m3/s。

（3）管涵規(guī)模

管涵規(guī)格采用倒虹吸管水力計(jì)算：

通過計(jì)算確定管涵采用直徑為2 m，最大流速約1.59 m/s。

（4）設(shè)計(jì)水位及設(shè)計(jì)河底標(biāo)高

長(zhǎng)利濕地公園水位：（頂進(jìn)井）

設(shè)計(jì)高水位：5.00 m；

設(shè)計(jì)常水位：4.00 m；

設(shè)計(jì)河底標(biāo)高：4.00 m。

硯陽湖景觀渠：（接收井）

設(shè)計(jì)高水位：4.50 m；

設(shè)計(jì)常水位：3.10 m；

設(shè)計(jì)河底標(biāo)高：0.50 m。

3 頂管設(shè)計(jì)方案

（1）新建頂進(jìn)井、接收井各一個(gè)，尺寸9.6 m× 6.6 m；

（2）工作井地基加固處理；

（3）新建D N2000頂管一根，長(zhǎng)度約306 m；

（4）新建D N2000出水管一根，長(zhǎng)度約10 m。

頂管工程平面見圖4。

圖4 頂管工程平面圖

3.2 頂管管材選擇

管材的選擇對(duì)工程造價(jià)和海上施工安全性的影響很大，因此，合理的選擇管材十分重要。目前頂管工程常用的管道主要有鋼管、鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（P CC P）。從降低頂管施工風(fēng)險(xiǎn)、防滲安全性和控制施工工期的角度考慮，選擇鋼管作為本工程頂管的管材。

3.3 排放口設(shè)計(jì)

（1）頂進(jìn)井設(shè)計(jì)

2.2.1.1 精選種子 菟絲子種子隨園藝植物種子傳播，如稗草、牛繁縷、看麥娘、狗尾草等，可以通過篩選、水選等剔除菟絲子種子。

工作井結(jié)構(gòu)要滿足施工階段，正常運(yùn)行階段及檢修階段不同負(fù)荷情況下的結(jié)構(gòu)受力要求，工作井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，抗?jié)B等級(jí)為S6。

施工方案有沉井法，有支護(hù)的明挖法等。考慮到工作井位于空曠地帶，周邊建構(gòu)筑物少，環(huán)境控制要求低，有條件采用沉井施工，且沉井施工速度快，質(zhì)量易保證，較之采用有支撐的明挖方案混凝土用量小，可節(jié)省大量支撐系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益好，故推薦沉井法。

頂進(jìn)井頂標(biāo)高為6.00 m，凈尺寸為8 m×5 m，壁厚為800 mm，刃腳底標(biāo)高為-5.30 m，底板頂標(biāo)高為-3.00 m，厚800 mm，底板下用C20素混凝土封底，素混凝土底標(biāo)高為-5.80 m，進(jìn)水孔口尺寸為5×1.5m，孔底標(biāo)高為4.00m，設(shè)置鋼格柵進(jìn)行攔污，頂管底標(biāo)高為-2.00m，距離工作井底板1m，見圖5、圖6。

為了增加工作井的允許頂力，對(duì)工作井底部及背部土體進(jìn)行高壓旋噴樁加固。底部新建Φ600×14000@1000水泥攪拌樁進(jìn)行地基加固，攪拌樁樁底標(biāo)高為-10.00 m；井背新建新建Φ600× 8000@500水泥攪拌樁進(jìn)行加固，攪拌樁樁底標(biāo)高為-5.00 m，見圖7。

（2）接收井設(shè)計(jì)

工作井結(jié)構(gòu)要滿足施工階段，正常運(yùn)行階段及檢修階段不同負(fù)荷情況下的結(jié)構(gòu)受力要求，工作井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，抗?jié)B等級(jí)為S6。

圖5 頂進(jìn)井?dāng)嗝鎴D（單位：mm）

圖6 頂進(jìn)井平面圖（單位：mm）

圖7 攪拌樁加固圖（單位：mm）

接收井頂標(biāo)高為6.00 m，凈尺寸為8 m×5 m，壁厚為800 mm，刃腳底標(biāo)高為-5.30 m，底板頂標(biāo)高為-3.00 m，厚800 mm，底板下用C20素混凝土封底，素混凝土底標(biāo)高為-5.80 m，

出水口新建D N2000鋼管，長(zhǎng)度為10 m，管底標(biāo)高為0.50 m，接硯陽湖，見圖8。

4 頂管施工方案

4.1 施工關(guān)鍵技術(shù)要求

（1）大口徑長(zhǎng)距離鋼頂管施工測(cè)量控制要求高，糾偏難度大。

本次頂管的長(zhǎng)度為306 m，屬于長(zhǎng)距離頂管施工。頂進(jìn)過程中，土層性質(zhì)變化、注漿效果等會(huì)造成頂進(jìn)阻力變化，頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線會(huì)經(jīng)常發(fā)生偏差，且頂管測(cè)量精度要求高。

圖8 接收井?dāng)嗝鎴D（單位：mm）

相應(yīng)對(duì)策：由于長(zhǎng)距離大口徑鋼管焊接成整體，缺乏柔性，糾偏較為困難，因此出洞階段就必須形成良好的導(dǎo)向，掘進(jìn)機(jī)后設(shè)置二節(jié)過渡活絡(luò)節(jié)幫助糾偏。施工過程中必須勤測(cè)勤糾，確保頂進(jìn)軸線控制在允許偏差范圍內(nèi)。

（2）穿越河道對(duì)施工的要求高

本次頂管從長(zhǎng)利涌下穿過，管頂距設(shè)計(jì)河底標(biāo)高相距4 m，覆土層較淺。

相應(yīng)對(duì)策：頂管在穿越河道施工時(shí)，需嚴(yán)格控制管道的偏差量，做好沉降監(jiān)測(cè)工作。并且在穿越河道時(shí)需對(duì)河道河床標(biāo)高進(jìn)行排摸，對(duì)比管道埋深，保證管道上方覆土層厚度。

（3）長(zhǎng)距離頂進(jìn)通風(fēng)空氣保障措施

該工程由于長(zhǎng)距離頂管作業(yè)面空間有限，又處于半封閉的工作井內(nèi)，頂管施工操作人員在工作過程除消耗大量氧氣外，期間施工作業(yè)會(huì)產(chǎn)生一些有毒有害氣體、或地層中淺層有害氣體中會(huì)釋放到施工作業(yè)面。因此，為保證施工人員正常工作環(huán)境，需要建立高效的施工作業(yè)面通風(fēng)以及安全保障措施。

相應(yīng)對(duì)策：

a.建立通風(fēng)系統(tǒng)，擬采用壓風(fēng)機(jī)將地面新鮮空氣壓送到機(jī)頭處，壓風(fēng)機(jī)型號(hào)：B S H-150,排出壓力58.8 k P a，進(jìn)風(fēng)量19.23 m3/m in，功率22 k W。風(fēng)管在井內(nèi)采用Ф150P V C管，管內(nèi)也采用Ф150P V C管，懸掛于管子一側(cè)。根據(jù)計(jì)算，在頂管結(jié)束前，機(jī)頭到達(dá)900 m處的風(fēng)管前的送風(fēng)量為1 m3/s；滿足機(jī)內(nèi)作業(yè)人員的衛(wèi)生和安全要求。

b.在機(jī)頭位置配備滅火器，防止地下沼氣引起的火災(zāi)事故。

c.如需進(jìn)入管道內(nèi)施工，必須先用送風(fēng)機(jī)進(jìn)行管內(nèi)送風(fēng)，使管內(nèi)空氣含氧率不低于20%，新鮮空氣量不低于每人每小時(shí)30 m3。有害氣體濃度不高于健康標(biāo)準(zhǔn)，管內(nèi)溫度不超過32 C0，相對(duì)濕度不超過80%，易燃?xì)怏w的濃度不超過爆炸下限的10%。在頂進(jìn)過程中

d.要選用國(guó)家許可的大氣檢測(cè)儀器對(duì)管內(nèi)氣體進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

4.2 頂管機(jī)選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況，本次頂管采用大刀盤泥水平衡式機(jī)頭，大刀盤泥水平衡掘進(jìn)機(jī)通過面板機(jī)械切削泥土而采用水力輸送棄土，同時(shí)利用泥水壓力來平衡地下水壓力和一部分土壓力，見圖9。

圖9 NPD2200泥水平衡式頂管機(jī)示意圖

N P D2000泥水平衡式頂管機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

4.3 管道內(nèi)部布置

該工程采用泥水出土方式。根據(jù)需要管道內(nèi)布置井水管、排泥管、通風(fēng)管、注漿總管。照明、動(dòng)力、通訊等電纜專用掛鉤掛于管道內(nèi)壁，各種管道架設(shè)焊接在鋼管內(nèi)的鋼筋支架上，見圖10。

表1 NPD2000泥水平衡式頂管機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

圖10 管道內(nèi)布置示意圖

4.4 注漿孔布置

用泥漿減阻是長(zhǎng)距離頂管減少阻力的重要環(huán)節(jié)之一，在頂管施工過程中，如果注入潤(rùn)滑泥漿能在管子的外圍形成一個(gè)比較完整的漿套，則其減摩效果是十分令人滿意的，一般情況摩阻力至1～3 k N/m2。該工程采用每2節(jié)管節(jié)設(shè)置一組注漿孔，每組4個(gè)1寸注漿孔，90°均分設(shè)置，每組注漿孔有獨(dú)立的閥門控制。

4.5 泥漿置換

頂進(jìn)結(jié)束后，在穿越建筑物的下方對(duì)已形成的泥漿套的漿液進(jìn)行置換，置換漿液為水泥漿并摻入少量粉煤灰，在管內(nèi)用單螺桿泵壓住，壓漿體凝結(jié)后（一般20 h）拆除管路封悶注漿孔。

5 結(jié)語

（1）頂管穿堤工程對(duì)大堤的影響主要是由于土體的變形而造成，地層土體的變形產(chǎn)生的表象包括地表的隆起和沉降，根據(jù)地質(zhì)資料，采用適合工具管。在穿越大堤前及時(shí)調(diào)整好施工參數(shù)，減慢推進(jìn)速度，穿越過程中勻速推進(jìn)，嚴(yán)禁停推，盡可能減小地面沉降。

（2）位于穿越大堤段的管節(jié)增設(shè)補(bǔ)漿孔結(jié)構(gòu)，在上部設(shè)施沉降過大時(shí)能及時(shí)進(jìn)行二次注漿，并在工具管穿越后進(jìn)行補(bǔ)注漿，以有效控制后期沉降。補(bǔ)漿孔范圍可在大堤前后各15 m內(nèi)。

（3）控制頂管頂力的偏心度，頂進(jìn)中應(yīng)使頂推合力盡可能與管道的軸線接近，仔細(xì)糾偏勤測(cè)勤糾，一般每頂推20 c m要測(cè)一次。應(yīng)特別加強(qiáng)動(dòng)態(tài)信息化施工的技術(shù)含量，使各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能以最短的時(shí)間得到傳遞、反饋，以便調(diào)整參數(shù)、及時(shí)驗(yàn)證、補(bǔ)充完善，從而使施工過程始終處于最優(yōu)化狀態(tài)進(jìn)行，確保施工安全和工程質(zhì)量。

（4）采取嚴(yán)密的防止泥水流入管道的密封措施。在頂管施工前，對(duì)工具管尾端與管道搭接處、中繼環(huán)與管節(jié)端頭相搭接的環(huán)形橡膠密封裝置等各種可能導(dǎo)致滲漏泥水的環(huán)節(jié)，都要進(jìn)行嚴(yán)格檢查。

T U991.02

B

1009-7716（2017）06-0150-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.044

2017-03-20

汪平（1985-），男，上海人，工程師，從事水利及市政工程設(shè)計(jì)工作。