頂管施工技術在城市水系建設中的應用

梁紅偉

（開封市引黃管理處）

1 應用現狀及前景

頂管施工技術適用于穿越城市交通干道、廣場、重要建筑物、構筑物等不便明挖條件下進行各種管道的鋪設施工，因頂管施工技術具有綜合造價低、施工效率高、環境污染小、施工揚塵污染小、不影響交通、施工安全性高等優點，在市政給排水、城市水系工程、城市供熱、燃氣管道、電力管網等地下管線鋪設中廣泛應用。隨著經濟社會的發展，對環境保護、施工揚塵防治的要求越來越高，為頂管施工技術的快速發展創造了有利條件，近年來中國頂管施工技術得以快速發展，頂管施工技術也日趨成熟，應用前景更為廣闊。

2 頂管基本原理

頂管施工是在頂管兩端布置工作井和接收井，在工作井內設置頂力裝置、安放頂管管材，通過主頂千斤頂和中繼間的頂力，推動管節從工作井預留洞口頂出，利用頂力持續頂進，管材穿過土層從接收井洞口穿出，形成封閉的管道。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

開封市澗水河綜合治理工程是一渠六河連通水系工程的重要組成部分，位于市區東京大道北側規劃100 m綠化帶內，西起開封西湖，東至東護城河，河道全長約7.60 km，渠道設計引水流量為2.50 m3/s，是連接開封市老城和新城，向老城區水系和城市周邊東護城河、黃汴河供水的重要水系工程。河道沿線共穿越10條道路，其中穿越環堤路、金明大道、東陳莊路、黃河路、西環城路、萬興苑路、開柳路等7條城市主要交通道路交通任務大，車流量非常大，如采用大開挖澆筑箱涵的施工方式，會造成交通擁堵、揚塵污染、環保壓力大，開挖及后期恢復路面的費用高，且恢復后路面外觀效果差，經論證均采用頂管穿越的方式。

3.2 工程地質情況

根據地質資料，地層自上而下分別為：第①層粉砂（Q2al 4），第②層輕粉質壤土（Q2al 4），底部有重粉質壤土透鏡體，第③層粉砂（Q2al 4），第④層重粉質壤土（Q1al 4）上部褐色為主，一般軟弱狀，下部灰黑色，一般可塑狀，第⑤層粉細砂（Q1al 4）。

4 沉井布置

4.1 沉井的作用

沉井包括工作井和接收井，工作井是滿足頂進施工時布設千斤頂、導軌等頂進機械設備，供應頂管管材的工作平臺，接收井是為接收頂管機布設的豎井。

4.2 沉井布置應考慮的主要因素

①應考慮地下管線埋深及分布情況，電力、熱力、通信、等管線密集，要摸清地下管線埋深，根據埋深確定管道頂進高程，根據管頂高確定工作井深度。②應考慮施工場地要求，利于排水、出土和運輸。③應探明施工現場地質情況，根據地質情況合理布置沉井平面位置。④應考慮頂進時頂進設備頂進的后坐力，兼具頂進后靠背墻的作用。

根據工程現場條件和施工工藝，工作井和接收井平面布置均選擇矩形，經計算工作井平面凈尺寸為6.60 m×5 m，接收井尺寸為4.60 m×4 m。

5 頂管管材選用

目前常用的頂管管材有預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、鋼筋混凝土管。

工程鋼筒混凝土管及鋼筋混凝土管比較適合，但鋼筋混凝土管價格比較低，綜合考慮，本工程采用鋼筋混凝土管，根據工程荷載，本工程選擇鋼筋混凝土三級管。

6 頂進方式比選

6.1 氣壓平衡頂管施特點及適用條件

氣壓平衡頂管的基本原理是使挖掘面與保持一定壓力的壓縮空氣相接觸，用來阻止挖掘面上土體中的地下水，形成無水干燥的作業環境。頂進時對土層擾動較小，挖出的土含水量小，利于外運。適用土層較廣，最佳適用土層是有障礙物的復雜土層；管頂覆土要求，大于2倍管徑，管頂覆土須不發生氣體泄露；投資大，適用于長距離頂管中，才具有較好的經濟性。

6.2 土壓平衡頂管特點及適用條件

土壓平衡頂管的基本原理是通過機頭前方的刀盤削切并攪拌土體，同時利用螺旋輸土機輸送挖土的頂管施工方式。土壓平衡頂管施工的主要特點是在頂進施工過程中，通過調節土艙內渣土的壓力維持挖掘面穩定。適用土質為黏土、粉土、砂土等土層。能維持挖掘面的穩定，從而減小了地面沉降，可用于地面沉降較小的場合。

6.3 泥水平衡頂管特點及適用條件

泥水平衡式頂管基本原理是利用泥水平衡頂管機械削切泥土，利用泥漿泵系統將泥水輸送至頂進面，泥水與削切泥土混合形成泥漿，再經泥漿泵系統將混合泥漿輸送至工作井外，頂進過程利用注入的泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力。泥水平衡頂管的特點是平衡的精度比較高、施工的速度快，適用的土質比較廣。可用于粘性土、粉質土、粉土、砂土，不適用透水系數大的砂卵石。管頂覆土深度＞1.50倍管外徑，且＞3 m。

經綜合比較分析，本工程采用泥水平衡式頂管工藝，泥水平衡頂管能有效平衡地下水、對管體周圍土體的擾動較小，地面沉降較小，挖掘面穩定；可連續頂進作業，施工效率高；無需工人進入管道內作業，人員的安全保障好。

7 力學計算

7.1 頂力估算

頂管參數：管道外徑2.40 m，管道內徑2 m，壁厚0.20 m，管道設計頂進長度92 m（開柳路），管道每節長2 m，平均埋深9 m，管材為鋼筋混凝土柔性剛承口管（三級管DRCPⅢ2 000×2 000×200）強度C50。

管道的總頂力計算公式：按照《給水排水工程頂管計算規程》CECS 246：2008（12.4.1）

式（1）中F0—總頂力標準值（KN）；D1—管道的外徑（m）取2.40 m；L—管道設計頂進長度（m）設計92 m；fk—管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2），按本規程表12.6.14 采用（依據地質條件取9 kN/m2）。

經計算的總頂力F0=6 927 kN

7.2 管道允許最大頂力

鋼筋混凝土管允許頂力計算公式：

式中：Fdc，為混凝土管道允許頂力，單位N；Φ1，混凝土材料受壓強度折減系數，取0.90；Φ2，偏心受壓強度提高系數，取1.05；Φ3，材料脆性系數，取0.85；Φ5，混凝土強度標準調整系數，取0.79；fc，混凝土受壓強度設計值，單位pa；C50管抗壓強度取23.1N/mm2。

Ap，管道的最小有效傳力面積，單位mm2；本工程為直線頂進未考慮偏心受力

式中γQd，頂力分享系數；取1.30。

經過計算管道允許頂力Fdc=12 480 863 N=12 481 kN。

7.3 中繼間設置

總頂力（6 927 kN）＜管節允許頂力值（12 481 kN），不用設置中繼間。

8 測量、糾偏、泥漿減阻等重要技術控制

8.1 測量

頂進測量是為管道向設計方向頂進提供正確導向，測量的精度直接影響頂進方位偏差，甚至影響到頂管的順利貫通，要注重做好測量工作，因此需精心實施，并有專人復核，確保無誤。頂進測量主要包括垂直偏差測量和水平偏差測量。將地面永久水準點引測至基坑內，設臨時基準點，在井內架設激光經緯儀，將激光投射到機頭測量靶上，由機頭內的影像采集系統將信號傳達到地面操作臺，機頭高程和水平偏差就一目了然。初頂和糾偏時應加密測量，每進尺0.50 m 測量記錄1 次，正常頂進時，每進尺1 m，測量記錄不少于1次。

8.2 糾偏

頂進過程中工具管迎面阻力不均勻、管壁周圍摩擦力不均勻等原因會造成頂進方向未按預定軌跡前進，就需要改變工具管走向減少偏差。糾偏常用糾偏千斤頂法，頂進走向發生偏差時，通過調節四組千斤頂的伸縮量糾正偏差值，使工具管回到預定頂進方向。

8.3 泥漿減阻

頂進時管壁與土體摩擦產生摩阻力，為減少摩阻力，頂進時須使用泥漿減阻。為確保注入的漿液能夠形成完整的環狀，每節管距插口端底部預留注漿孔，每節管設置注漿孔3 個，沿圓周120°分布。每個預留孔安裝1 個單向閥，使注漿只進不出。頂管注漿與掘進機頂進同步，頂進中不斷進行補漿，使頂管機在頂進中形成完整的漿套。

9 常見注意問題

施工進場前要進行詳細的地質復勘，詳細勘察沉井和管道位置的地質構造情況和地下埋藏物分布情況，形成詳細勘察報告，以利于提前制定可行的施工方案和應急預案。設計總平布置要結合現場條件，場地布置要便于管材、機械運輸，泥漿沉沙池設置。

防止頂進和出洞時機頭下沉現象。機頭進洞后做好止水，避免洞口處土體流失、管體沉降等現象；機頭出洞后，及時將機頭取下，將機頭及時吊出井外，并抓緊處理井內泥漿，進行洞口封堵；為防止機頭下沉常用套筒將機頭端前2～3節管材連接形成整體，可有效減少管道的不均勻沉降，防止出洞前機頭下沉現象。

穿越道路段頂進時，在道路上應設置3～5個觀測點，隨時觀測，如發現地面有裂縫、沉降等現象須暫停施工，并會同參建各方及有關專家共同制定適當的搶救方案，方案確定后方可繼續施工。

10 結語

頂管施工技術在澗水河工程的應用是較為成功的，河道全程7.60 km共穿越7處主要交通道路，均采用了頂管技術，即減少交通擁堵，又減少了揚塵污染，在城市的水系穿越交通道路等類似工程中，可以優先采用非開挖頂管技術。