某綜合管廊頂管工程設計

朱鶯鳳

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道。推進城市地下綜合管廊建設，統籌各類市政管線規劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等問題，有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀、促進城市集約高效和轉型發展，有利于提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量。

從2015年起，城市新區、各類園區、成片開發區域的新建道路要根據功能需求，同步建設地下綜合管廊；老城區要結合舊城更新、道路改造、河道治理、地下空間開發等，因地制宜、統籌安排地下綜合管廊建設。在交通流量較大、地下管線密集的城市道路、軌道交通、地下綜合體等地段，城市高強度開發區、重要公共空間、主要道路交叉口、道路與鐵路或河流的交叉處，以及道路寬度難以單獨敷設多種管線的路段，要優先建設地下綜合管廊。加快既有地面城市電網、通信網絡等架空線入地工程。

綜合管廊穿越河道、穿越城市重要道路，穿越大型管線時，為盡量減少對既有環境的影響，頂管技術運用越來越多。頂管技術就是借助頂推裝置，將管道在地下逐節頂進的非開挖施工技術。頂管施工不需要開挖地面，不破壞地面構建筑物和地下管線及公路、鐵路、河道，施工周期短，施工對周遭的干擾小，是一種無污染、高效率的施工技術[1-3]。

1 工程概況

某市綜合管廊建設工程，位于某市生活綜合區。該綜合管廊平面上靠近道路東側機非分隔帶，頂管段為單個高壓電力艙，主要容納110 kV電力電纜。標準段頂板覆土約2.5 m（按照道路設計標高計算），標準斷面埋深約7.3 m。頂管區段共穿越兩條主干道，全長約650 m，共設3個頂管工作井及2個頂管接收井，總體布置見圖1。

圖1 總體布置示意圖

2 地質條件及周邊環境

2.1 土層分布情況

1層雜填土 Q4ml：褐雜色,干燥,松散狀,主要由黏性土，磚塊、筑路碎石填料等組成，堆填時間約5～10 a，不均勻。該層在場區內普遍分布，不均勻。

2層素填土Q4ml：黃褐色，濕-很濕，稍密狀，成份以黏性土為主，含少量粉土，近地表含植物根系及少量雜質。土質不均勻，該層在場區內普遍分布，為堆填時間超過十年的老填土，中等壓縮性。

3層粉質黏土Q4al+l：黃褐-褐紅色,可塑狀。稍有光澤，中等干強度，中等韌性。該層在場區內普遍分布。

4層粉細砂Q4al：以細砂為主，褐黃-褐灰色,很濕-飽和,稍密-密實狀。其礦物成份主要為長石、石英、云母等。勘察20.45 m深度內未穿透此層，據區域地質資料，該層分布連續且為巨厚層狀。地震不液化。

2.2 地下水分布情況

勘察深度內地下水屬潛水型。水位量測期間為豐水季節，此間實測穩定水位埋深2.56～6.30 m(以孔口原始地坪始計)，水位高程1 105.0 m左右，道路沿線水位高程平穩，無明顯水力坡度。地下水補給以側向徑流滲透補給為主，其它次之。近幾年由于城市建設規模擴大，退耕及周邊建筑施工降水影響，水位下降明顯。據調查，歷史最高水位黃海高程1 107.0 m左右，最低水位黃海高程1 104.5 m左右，近3～5 a水位圍繞高程1 105 m變化，地下水位動態主要受氣象、水文等因素影響呈季節性變化，正常期間水位年變化幅度在0.5～1.0 m之間。凍前地下水位平均埋深高程約1 106.0 m左右。

地表水主要來源于季節性雨水，積水時間較短，易排出。在豐水季節，受氣象、水文因素影響，地下水上升到路基的可能性較小，故預計地下水、地表水對路基的穩定性影響較小。

2.3 周邊管線及建筑物

南北向頂管區域沿線有DN400燃氣管，DN600給水管及電力管等。頂管西側沿線有一根DN2000雨污水管，距離頂管中心線約6 m。東側有二層及六層建筑物，最近的建筑物距離頂管中心線約12 m。頂管段內有東西向埋深最深的最大管徑DN2 600雨污水管道，管底埋深約11 m。周邊情況見圖2。

圖2 周邊情況示意圖

3 頂管位置及管材選擇

3.1 頂管斷面的選擇

綜合管廊頂管斷面需要滿足納入的管線空間以及工作人員通行空間。本工程為滿足納入110 kV電力電纜、管廊自用電力電纜、通信電纜以及滿足人員日常通行和檢修等操作空間，也為了便于施工，選用了常用的圓形管道斷面，內徑3.5 m。

3.2 頂管管線及標高確定

綜合管廊頂管通常采用直線頂進方式，施工時較曲線頂進方式更方便些，難度更低些。綜合管廊的整個頂管區段還需考慮通風、投料及引出等功能，需要根據總平面的防火通風區間、對外接出線纜布局以及片區規劃統籌考慮安排。本工程頂管區段為避讓沿線的建筑物及雨污水管道，并結合綜合管廊的通風要求，最終選擇在建筑物與雨污水管中間，靠近機動車道綠化分割帶下方。設立通風口、投料口及人孔在綠化帶上，這樣就可以不影響行人及車輛正常通行，又滿足通風投料及人員出入的要求。

頂管管道應盡量選擇在土層分布均勻的區段，并應考慮避讓地下障礙物。本工程地層分布較均勻，頂管段全線位于4號粉細砂層。頂管段需避讓與之相交叉的DN2 600雨污水管道。根據規范要求，頂管管頂距離雨污水管管底不應小于2 m且不宜小于1倍頂管外徑。本工程考慮到頂管井的深度問題，頂管標高確定在交叉的雨污水管道下方2 m處。

3.3 頂管管材的選擇

綜合管廊設計年限為100 a，考慮到防腐性及耐久性問題，一般頂管采用鋼筋混凝土管。本工程選用了內徑為3.5 m的DRCPⅢ3500 GB/T11836級鋼筋混凝土頂管，管節長度2.5 m。

4 頂管井結構設計

4.1 頂管井功能確定

綜合管廊頂管井可能不僅僅單純的用于頂管工程，有時還需要結合綜合管廊的通風、投料、管線引出等功能。因此，在管廊的總體布置上要統籌考慮安排，確定頂管井所需要滿足的功能需求。一般通風區間為400 m，投料區間200 m，引出區間200 m。本工程整個頂管區段約650 m，整個高壓電纜艙沒有引出功能。在整個頂管區段僅一處大部分位于綠化帶下方，適合將通風口、投料口、人員檢修出入口布置在此處。因此整段頂管段設置一處頂管井兼通風及投料功能，其余頂管井僅具備頂出或接收頂管功能及綜合管廊標準段的基本要求。

4.2 頂管井尺寸確定

頂管井平面尺寸需要考慮管道下放、各種設備進出、人員的上下通行、井內操作、測量等必要的施工空間。綜合管廊頂管井還需要滿足綜合管廊所需要的功能，如通風面積要求，投料口大小，配電間，控制室的設置等，包括檢修人員的日常通行維修。本工程頂管井長度方向選取滿足頂管機及頂管管節長度要求的兩者較大值。但在寬度方向，礙于施工場地寬度方向空間有限，最終寬度按淺工作井確定，基本滿足頂管施工要求，但增加了施工人員進出難度。

由于本工程受到場地的限制，又為了便于人員通行及施工安裝，最終選擇坡道的方式用于連接頂管井兩端頂管斷面。兩個管道之間的高差較小，而與標準段之間的高差較大。因此在與標準段連接時，采用倒虹的方式進行銜接。

頂管井深度還應滿足頂管及頂管機施工要求。不露出地面的頂管井一般頂板設置在地面以下2～2.5 m，便于道路施工及其他管道敷設施工。

本段頂管工作井除作為頂管井之外還具備綜合管廊通風及投料等功能。平面見圖3，剖面見圖4。

圖3 頂管井平面圖（單位：mm）

圖4 頂管井剖面圖（單位：mm）

4.3 頂管井及管道內力計算

頂管井可以是臨時井也可以是永久井。但在綜合管廊工程中，頂管井一般均為永久井。頂管井需要滿足頂管施工時的受力工況，也要滿足正常使用狀態下的受力工況。

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。

頂管頂力應取管材傳力面允許最大頂力、工

式中：Fdc為混凝土管道允許頂力設計值；φ1為混凝土材料受壓強度折減系數；φ2為偏心受壓強度提高系數；φ3為材料脆性系數；φ5為混凝土強度標準調整系數；fc為混凝土受壓強度設計值；AP為管道的最小有效傳力面積；γQd為頂力分項系數。

工作井后背土體允許頂力按式（2）計算：

式中：Ptk為后背土體允許頂力標準值；Ppk為工作井后壁板上被動土壓力合力標準值；Eep，k為工作井前壁板上主動土壓力合力標準值；ξ為考慮合力作用點可能不一致的折減系數。

施工頂力估算按管道側摩阻力及迎面頂力按式（3）計算：

式中：P為計算的總頂力；D1為管道外徑；L為管道的頂進長度；fs為管道外壁與土的平均摩阻力；PF為頂管機的迎面阻力。

當總頂力超過工作井允許頂力或管材允許頂力時，應設置中繼間。當設置一道中繼間不能滿足時，再增設若干中繼間，直至滿足總頂力要求為止。

4.4 頂管井圍護設計

常見的頂管井施工有SMW工法樁圍護、灌注樁圍護。另外還有沉井施工方式。作井后背土體的允許頂力二者的小值。

混凝土管頂管傳力面允許最大頂力按式（1）計算：

通常，頂管臨時井會采用工法樁圍護或灌注樁圍護較多。對于埋深較深的頂管永久井通常采用沉井。特別是平面尺寸小，井深較深的頂管井較多采用沉井方式。但沉井適用于周邊較空曠地區。對于本工程頂管區段內有管線及建筑物的情況，不適合沉井方式。沉井下沉時會帶動周圍土體下沉，對周圍土體有一定范圍的影響，并造成周邊建筑物沉降和傾斜。井體下沉時的井體傾斜也會對周邊管道造成影響。

本工程頂管井井壁距離沿線雨污水管道外壁僅2 m，井基坑深度又較深，因此本工程選用直徑1 m灌注樁咬合樁形式，起到圍護及止水帷幕的效果，并保證管道與灌注樁之間凈距1 m，盡量減少施工時對管道的影響。并在井底采用水泥土攪拌樁滿堂加固，盡量在滲透系數較大的砂性土中形成整體止水效果。頂管井根據深度設置4道支撐，在井壁施工完畢達到設計強度后拆除支撐，便于頂管施工。

本工程部分頂管外壁離建筑物僅7 m，因此也采用灌注樁咬合樁圍護，在管道與建筑物之間設置一道屏障，減少建筑物沉降及變形。

5 頂管井施工及監測

頂管工程施工前應探明周圍管線及地下障礙物，做好應急措施。施工時應根據地質土層的特點選擇合理的頂管機，并在頂進過程中選擇合適的頂管減阻措施。頂進過程中及時糾偏。

頂管工程施工時做好監測工作，對圍護結構、頂管管道、周邊道路、構建筑物及地下水位均應做好監測工作。本工程頂管區段穿越重要道路，并離建筑物較近，因此監測按一級基坑監測。

6 結語

頂管施工是污染小，效率高，影響范圍小的綠色環保施工。本段綜合管廊頂管工程既避免了過路時對交通主干道的影響，又減少了地下各類管線的遷改工作，還大大縮小了施工面積。