某河道整治項目長距離大直徑頂管無中繼間施工技術研究及應用

盧 斌,馬永志,陳 松,蔡坤晉

(1.中建水務環保有限公司，北京 100071；2.中建三局南方公司基礎設施部，廣東 深圳 518000)

中繼間是大直徑長距離頂管重要設備之一，目前在長距離頂管施工中應用廣泛，但是中繼間仍存在不足。如中繼間前后管材之間接頭密封性相對較差，是頂管施工技術難點；中繼間安裝周期長，加工成本高，操作不便，降低工效；中繼間拆除需采用氣割，施工安全要求高，氣割對管道內外防腐存在影響。因此對于一些對于工期進度、工程造價、管道耐久性要求高的工程，盡量減少使用中繼間數量。

2018年9月28日，深圳市某河道整治截污工程上、下游污水系統均已貫通，中間連通區域存在一未貫通節點，要求在2018年11月1日前完成。該段管道長度為168 m，內徑為2.2 m，采用頂管施工。根據《頂管技術規程》(CECS:246)，該頂管施工需設置2處中繼間。《給水排水管道施工及驗收規范》(GB 50268—2008)6.3.1條要求一次頂進距離超過100 m需采用中繼間技術。如采用中繼間方案，工期進度難以滿足要求。綜合分析頂管方法、管材、土層等情況，經充分論證，該項目取消中繼間設置，發揮頂管機械頂力、后背土體和后背墻結構強度、管道材料強度，保障工期進度。

1 長距離頂管影響因素

1.1 管道總頂力

長距離頂管要克服迎面和管道周邊土體阻力才能頂進作業，管道總頂力可按式(1)估算[1]:

F0=πD1Lfk+NF

(1)

式中F0為總頂力標準值；D1為管道外徑；L為管道設計頂進長度；fk為管道外壁與土的平均摩阻力；NF為頂管機迎面阻力。

目前頂管掘進機械分為人工掘進和機械掘進，機械頂管又分為土壓平衡、泥水平衡、氣壓平衡和巖石頂管。根據頂管機械前端面和機型的不同，對于頂管機迎面阻力計算方法不同[2]，公式見表1。

表1 管道迎面頂力計算公式

1.2 管道外壁摩阻力

頂管施工為非開挖施工，其上部覆土自重及管道周邊土體壓力對于管道周邊形成摩阻力。隨著頂管頂進距離的加大，摩阻力越來越大，是長距離頂管阻力主要組成部分。摩阻力與土壓力、摩擦系數有關，實際頂管施工中頂管覆蓋層厚度往往變化較小。因此，降低管道摩阻力主要考慮降低摩擦系數。目前主要方法是在頂進管道與周邊土層環狀空間注入觸變泥漿，形成完整連續潤滑膜，保障減摩效果。不同管材，不同掘進方式下，管道側壁與土體摩擦系數見表2[3]；采用觸變泥漿后，管道外壁單位面積平均摩阻力可按表3[1]計算。

表2 不同土層和管徑下管道摩擦系數

表3 觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力 kN/m2

1.3 頂管管材強度

頂管施工目前應用最多的是鋼筋混凝土管材、鋼管、玻璃鋼夾砂管。此3種管材允許最大頂力計算公式見表4[2]。

表4 管道允許頂力計算公式

1.4 頂管主頂裝置

頂管施工主頂設備多采用液壓驅動的活塞式雙作用油缸頂進，目前常規主頂設備單臺頂力800～3 000 kN，耐壓42 MPa，部分廠家能夠做到超高壓50 MPa。常規頂管頂進裝置主要包括后靠背、頂鐵、導軌和油缸4大組件(如圖1所示)，頂進油缸數量可以是大于2的任意數量，總的頂進能力和頂進管道承載能力相關。根據《液壓缸技術條件》(JBT 10205—2000)[5]液壓缸體能夠承受其最高工作壓力1.5倍壓力，實際操作過程中以最高工作壓力作為允許頂進作用力。

1-導軌；2-油缸；3-頂鐵；4-后靠背

1.5 后座結構形式

一般情況頂管結構后座墻位于頂管工作井內，為使油缸推力均勻作用頂管工作井后方土體，需澆筑一堵后背墻，后背墻能夠承受管道頂力。后座結構尺寸取決于頂管管徑大小和后背墻被動土壓力，因此需要對于在最大頂力情況下后座土體不被破壞，充分利用天然土體強度，同時后座墻結構也能滿足頂力作用下不發生破壞。

滿足后背土體不被頂力破壞同時還需要后背墻自身結構強度滿足需要，其驗算見公式(2)[3]

Mr=0.28Bt2σct

(2)

式中t為后座墻厚度；σct為混凝土抗拉強度；B為后座墻寬度；Mr為后背墻承受最大彎矩。

2 大直徑長距離頂管無中繼間施工技術設計原則

2.1 充分發揮后背墻及后背土體強度

后背土體及后背墻強度是保障長距離頂管順利進行首要要素，目前關于后背土體計算方法較多(見表5)，可用多種方法驗證校核，確保方案可行。

表5 后靠背土體反力計算公式

F0≤R

(3)

M≤Mr

(4)

式中F0為管道總頂力；R為后背墻土體允許頂力；M為設計頂力下后背墻彎矩；Mr為后背墻承受最大彎矩。

2.2 充分發揮主頂機械頂進能力

為充分發揮頂管頂進機械性能，通過頂力驗算，布置若干個液壓油缸，油缸布置對稱，以免受力不均導致管道頂進偏位。頂管管徑、長度、土層信息確定后計算出管道總頂力，根據總頂力大小選取滿足要求的主頂油缸和個數(根據公式(5)、(6)驗算)。

Fj≥F0

(5)

Fj=nfj

(6)

式中Fj為頂管機機械頂進推力；F0為管道總頂力；n為主頂油缸數目；fj為油缸工作壓力。

2.3 充分發揮管材設計強度

長距離大直徑頂管目前常用的有鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼管，常用混凝土管材抗壓強度范圍為14.3～23.1 MPa，玻璃鋼夾砂管抗壓強度范圍為90～100 MPa，鋼管抗壓強度210 MPa。

Fd≥F0

(7)

式中Fd為管道允許頂力；F0為管道總頂力。

頂管施工前根據最大頂力和不同管材允許頂力進行初步評估，確保所選管材能夠滿足頂力需要。鋼管抗壓強度最高，重量輕，與土體摩擦系數小，頂力相對小，但覆土深度較大時，需加強其環向剛度壁厚需加大，難以加工；玻璃鋼夾砂管強度高，彈性變形大，傳力效果好，質量輕，摩阻力小，但是目前玻璃鋼夾砂管單價相對較高；鋼筋混凝土管目前應用廣泛，生產廠家多，供貨周期快，接頭連接方便，抗腐蝕能力優于鋼管，施工效率高。實際應用中，在滿足設計強度條件下，綜合管道工程造價、使用性質、土層條件、施工工期等要求確定管材。

3 某河道項目無中繼間長距離頂管實施及效果驗證

3.1 不同管材頂力計算及管材允許頂力計算

根據地質勘察成果頂管覆土層厚12 m，頂管穿越強風化泥巖、中粗砂、粉質黏土3個土層，選用泥水平衡方式進行頂管施工。為減小管道側壁摩阻系數，采用觸變泥漿減阻。通過對鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼管3種管材總頂力和允許頂力進行計算(結果見表6)，其中鋼筋混凝土管和玻璃鋼夾砂管滿足要求(見表7)，根據造價控制、管道生產周期和供貨進度選擇C40鋼筋混凝土頂管。

表6 某河道不同管材頂管施工總頂力計算

表7 某河道不同管材允許頂力計算

3.2 后背墻土體反力和后背結構驗算

根據表6計算，鋼筋混凝土頂管總頂力為9 491.77 kN。按照1.5節公式驗算5種后背墻土抗力(見表8)。結果表明，僅北京地標(DB11/T 594.2—2014)計算結果不滿足要求，原因在于其未考慮后座墻后板樁或工作井對土抗力的聯合作用，結果偏于保守，僅作為參考。綜合考慮其他4種算法，按照公式(3)，后背墻土體反力滿足頂進需要。

表8 某河道頂管后靠背土體反力計算

后背墻結構為3.5 m×3.0 m，厚0.5 m，C35商品混凝土澆筑，為雙向簡支板，驗算出頂力作用下承受彎矩為624.5 kN·m。此尺寸構件素混凝土允許承受最大彎矩為384.65 kN·m，不能滿足公式(4)需要，因此對后背墻進行配筋，配置雙層雙向直徑16@150三級鋼筋，配筋面積As=1 350 mm2。

3.3 頂管機械選型及頂力施工過程記錄

根據計算總頂力，選擇8臺最大推力1 970 kN主頂油缸，油缸額定壓力31.5 MPa，缸徑220/280 mm，8臺油缸對稱布置在頂管頂鐵上，總頂力15 760 kN，滿足公式(5)、(6)要求。通過施工頂管頂力記錄和設計總頂力對比(見圖2)發現：設計總頂力隨著頂進距離增加頂力波折性逐漸增大，末端頂力為最大值9 491.77 kN；施工期間測得最大頂力在152 m處，最大頂力值10 258.4 kN，152～168 m區間頂管頂力急劇減小。頂力波折變化原因在于實際土層密實度、注漿效果、土層變化都會使得頂力出現一定范圍波動；末端頂力急劇下降原因在于頂管機頭接近河道岸坡，接收側土體頂力因土體發生變形位移導致應力逐漸釋放急劇減小。

圖2 某河道設計總頂力和實測總頂力對比示意

該頂管2018年9月28日開始頂進作業，2018年10月25日完成，比計劃提前6 d，滿足了現場污水管道貫通節點要求。

4 結語

1)實際頂管施工過程中，在滿足頂力和管材強度前提下，應根據實際場地條件、工期進度需要、生產加工難度及造價多方面因素綜合考慮，選擇合適管材。

2)地質勘察鉆孔只能以點帶面，揭示主要土層分布，計算頂力與實測往往有一定差別。某河道頂管實測頂力較設計最大頂力大8%，因此施工過程選用頂管機械、管材強度應適當考慮一定裕度，避免頂力無法滿足管道頂進需要。

3)實際施工過程中實測最大頂力已經超過后背抗力計算值，在加強后背墻土體監測后，未發現應力和變形變化，故未停止頂管作業。分析認為現場頂管結構采用直徑8 m的圓形沉井作為工作井，后背墻能夠將頂力均勻傳遞，頂管工作井整體土抗力能夠滿足頂管頂進需要。

4)隨著我國建筑材料和施工機械技術的發展，更高強度的頂管管材、更大頂力的頂管機械、更精確的定位裝置為地下頂管工程提供了更大助力。在經過合理分析和論證后，考慮無中繼間頂管作業能夠節省工期和成本，可為其他類似項目提供參考。