補水管道頂管設計方案研究

史國坤，郭曼麗，趙紅書

（中電建生態環境設計研究有限公司，江蘇 蘇州 215131）

由于頂管技術日趨完善，頂管施工技術在國內的工程中得到廣泛的應用。經查閱相關的資料及文獻，其大多數是研究頂管的施工方法及施工工藝在實際工程中的應用。文章以南昌市水環境綜合治理工程（前湖水系及烏沙河上游段）一級水力調控工程（以下簡稱“工程”）為背景，研究頂管近距離下穿快速路、上穿地鐵、橫穿橋墩的問題，分析評價施工階段和運行階段頂管對快速路、地鐵、橋墩的影響。工程已經施工完畢并投入使用，到目前為止未發現頂管對快速路、地鐵、橋墩造成任何負面影響。通過對該設計方案的研究，解決了頂管近距離穿越建筑物的問題，希望能為以后類似的工程設計提供參考。

1 工程背景

工程由一級泵站和一級補水管道組成，主要任務是從贛江取水經一級補水管道提水至前湖調節池，經前湖干流向前湖進行補水。一級補水管道位置交通示意圖如圖1所示，一級補水管道起于一級泵站，位于生米大橋上游230m處，然后沿祥云大道南側規劃生態綠廊鋪設，沿途穿越贛江南大道、三清山大道、九龍大道、圭峰大道、學府南大道，最后到達前湖調節池。一級補水管道總長約4.2km（單管），采用K9級球墨鑄鐵管雙管布置，管徑DN1200，設計流量為3m3/s，單管設計流量1.50m3/s。文章主要針對一級補水管道穿越三清山大道進行詳細說明。

圖1 一級補水管道位置交通示意圖

2 施工條件

2.1 位置條件

一級補水管道在樁號為K0+827.593～K1+092.858垂直下穿三清山大道。三清山大道的西向車道下面為南昌地鐵2號線，一級補水管道需從地鐵2號線上穿過。一級補水管道在豎直方向還需避開雨水管、燃氣管、電力檢查井；在水平方向需避開生米大橋西互通A匝道和G匝道的橋墩。

2.2 地質條件

根據勘探成果，一級補水管道下穿三清山大道頂管段主要穿過③粉質黏土層、①-2人工填土層，其中③層為均勻土層，①-2層為非均勻土層，適宜采用頂管施工，但在頂進過程中應對①-2層進行提前加固處理，以防頂管施工后地表有過大的下沉。在頂進過程中若遇孤石等不良地質，應采取有效措施破除孤石，并適時進行糾偏，防止管道偏離錯位。另外，該頂管段上方距離燃氣、雨污、電力和通信等管道較近，頂管施工時應引起充分注意，防止施工過程中管道偏離錯位，破壞上方管道設施。

3 工程布置

一級補水管道下穿三清山大道示意圖如圖2所示，一級補水管道下穿三清山大道設置兩個工作井和一個接收井。1#工作井位于生米大橋西互通G匝道西面，2#工作井位于三清山大道和生米大橋西互通A匝道之間的綠化帶中，接收井位于金領駕校內。

圖2 一級補水管道下穿三清山大道示意圖

3.1 管道水平方向布置

由圖2可知，一級補水管道從生米大橋西互通A匝道和G匝道的第一跨穿過，A匝道和G匝道的橋墩成為制約管道水平方向的重要因素之一。經到生米大橋管理處收集相關資料，生米大橋西互通A匝道第一跨的凈間距為17.72m，由于一級補水管道和A匝道之間的夾角為48.00°，A匝道在管道方向上的凈間距為7.83m。管道（雙管）的凈間距為3.7m，管道布置時，確定管道和第一跨橋臺的凈距離為2.03m，和第一跨橋墩承臺的凈距離為2.12m。生米大橋西互通G匝道第一跨的凈間距為17.68m，由于一級補水管道和G匝道之間的夾角為48.00°，G匝道在管道方向上的凈間距為9.47m。管道（雙管）的凈間距為3.7m，管道布置時，確定管道和第一跨橋臺的凈距離為2.95m，和第一跨橋墩承臺的凈距離為2.82m。

一級補水管道與生米大橋西互通A匝道和G匝道的空間關系如圖3、圖4所示。

圖3 管道與A匝道空間關系圖

圖4 管道與G匝道空間關系圖

3.2 管道豎直方向布置

根據《南昌地鐵2號線正線縱斷面線路圖》（左線施工圖），一級補水管道與地鐵2號線交叉處的隧道頂高程為11.87m。根據物探探測及實測結果，一級補水管道軸線上，電力檢查井底高程17.80m、φ800雨水管底高程18.16m、φ500燃氣管底高程18.58m、三清山路面高程20.39m。根據豎直方向上的制約因素，為了既不影響三清山大道快速路和南昌地鐵2號線的正常運行，也不損壞雨水管和燃氣管等管道，經得軌道、燃氣、電力等部門的認可，一級補水管道中心高程定為16.97m。此時，一級補水管線和三清山大道快速路路面距離為2.82m，和地鐵2號線的凈距離為4.50m，和φ800雨水管的凈距離為0.59m，和φ500燃氣管的凈距離為1.00m，滿足相關規范要求。

3.3 工作井布置

一級補水管道下穿三清山大道頂管長度為228m（單管），其中1#工作井至2#工作井頂管長度為162m（單管），2#工作井至接收井頂管距離66m（單管）。1#工作井、2#工作井、接收井距離地鐵2#線的距離分別為89.40m、55.60m、125.60m，頂管井與地鐵2#線的凈距離均大于50m，滿足相關規范要求。穿三清山大道頂管段平面布置及縱斷面情況如圖5、圖6所示。

圖5 穿三清山大道頂管平面布置圖

圖6 穿三清山大道頂管段縱斷面圖

4 安全評價

4.1 一級補水管道對橋基的安全評價

（1）結構關系概況。一級補水管道在樁號為K0+827.593～K1+092.858處垂直穿越三清山大道。一級補水管道與生米大橋西互通A匝道和G匝道的結構關系如下：①水平方向。一級補水管道從橋梁樁基中間穿過，管道離橋梁樁基A7的最小間距為2.12m，離橋梁樁基A8的最小間距為2.03m，離橋梁樁基G7的最小間距為2.82m，離橋梁樁基G8的最小間距為2.95m。兩補水管道的中心距離為2.50m。②豎直方向。樁基承臺高2m，A7樁長為24.50m，A8樁長為30.37m，G7樁長為25.50m，G8樁長為27.36m，樁徑均為1m，地面距補水管道距離為3.6m。一級補水管道與橋梁樁基橫剖面圖如圖7所示。

圖7 一級補水管道與橋梁樁基橫剖面圖

（2）有限元分析模型。一級補水管道與橋梁樁基有限元計算模型如圖8所示，一級補水管道與橋梁樁基位置關系如圖9所示。

圖8 一級補水管道與橋梁樁基有限元計算模型

圖9 一級補水管道與橋梁樁基位置關系

（3）有限元計算結果。①施工期。經計算，一級補水管道施工過程會引起臨近橋梁樁基側向變形，X、Y、Z方向的位移最大值分別為0.1074mm、0.2510mm和0.0142mm，由此可知，最大變形在Y方向為0.2510mm，但小于規范控制安全標準（6mm）。A匝道A8號橋梁樁基的位移最大，且越靠近補水管道的橋梁樁基水平位移值越大；施工引起A匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0058mm，引起橋面形成的附加縱坡為2.23×10-7，施工引起B匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0004mm，引起橋面形成的附加縱坡為1.60×10-8，遠小于規范要求的0.2%。施工過程會對橋梁樁基產生附加內力，其中橋梁樁基最大附加應力為0.143kPa，小于規范規定的附加應力控制值20kPa和C25混凝土的抗拉強度設計值。②運營期。經計算，一級補水管道運營期間會引起臨近橋梁樁基側向變形，X、Y、Z方向的位移最大值分別為0.1075mm、0.3725mm和0.01735mm，由此可知，最大變形在Y方向為0.3725mm，但小于規范控制安全標準（6mm）。A匝道A8號橋梁樁基的位移最大，且越靠近補水管道的橋梁樁基水平位移值越大；運營期間引起A匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0118mm，引起橋面形成的附加縱坡為4.47×10-7；運營期間引起B匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0074mm，引起橋面形成的附加縱坡為2.96×10-7，遠小于規范要求的0.2%。運營期間會對橋梁樁基產生附加內力，其中橋梁樁基最大附加應力為3.54kPa，小于規范規定的附加應力控制值20kPa和C25混凝土的抗拉強度設計值。

4.2 一級補水管道對地鐵2號線的安全評價

（1）結構關系概況。一級補水管道在樁號為K0+827.593～K1+092.858處垂直穿越三清山大道。在樁號為K0+970.387～K0+989.387處垂直上穿地鐵2號線。一級補水管道與地鐵2號線凈距離為4.5m。

（2）有限元分析模型。有限元整體計算模型如圖10所示，X方向為頂管走向，Y方向為地鐵2號線隧道走向，Z方向為豎向位移方向，土體四周約束其法向位移，底部約束其豎向位移。在分析一級補水管道對既有地鐵2號線隧道影響之前，應對主體結構進行地應力平衡，地應力平衡圖如圖11所示，地應力平衡時位移數量級達到10-5，由此可知，在分析之前土體與既有地鐵隧道已達到地應力平衡。

圖10 有限元整體計算模型

圖11 地應力平衡圖

（3）有限元計算結果。①在施工過程中，一級補水管道全部頂進完成后，地鐵2號線襯砌的最大位移出現在襯砌底部，發生隆起，最大隆起值為0.1442mm，如圖12、圖13所示。一級補水管道運營期間，地鐵2號線隧道襯砌最大豎向位移為0.1447mm。由此可知，一級補水管道施工以及運營期間對隧道襯砌的影響非常小。②在施工過程中，補水管道沿著管道軸線X方向的最大位移為0.266mm，沿著管道軸線Y方向的最大位移為1.104mm，豎直方向（Z軸）上最大位移出現在管道與地鐵線路相交的位置，下沉了2mm。通過比較可知，施工全過程補水管道的豎向變形相對較大，其他方向的變形相對較小。③補水管道的施工，對于補水管正下方的襯砌影響最大，仍處于變形允許范圍內。④以上位移均未達到報警值。

圖12 襯砌位移云圖

圖13 襯砌位移矢量圖

5 施工工藝

此次頂進施工主要采用全自動頂進設備施工，各相關機械操作主要通過該系統集中控制臺控制相關參數，一般頂進過程主要包含以下步驟：

（1）工具頭刀盤轉動、開進出泥漿泵。接通電源，將工具頭的刀盤轉動，當設備的參數穩定后，開進出泥漿泵，開始泥漿循環。

（2）頂進、調整進出泥漿泵流量達到平衡。工具頭的操作全部采用在管道外（工作井上）控制臺控制，只需1個機手操作，可實現對工具頭刀具的轉動、糾偏控制、壓力顯示、實時監控。

（3）泥渣處理。施工中排出的泥水通過吸泥泵排到井上泥漿沉淀池。泥漿池可進行泥漿二次沉淀，經過處理后的泥漿濃度可大大減小，并且過濾后的清水可重復使用。泥漿沉淀后將沉淀渣土從沉淀池中撈出由渣土車運至指定棄土場。

（4）注意事項。頂管頂進主要分為初始頂進和正常頂進；從破洞一直到第三節鐵管全部推進入土中的全過程稱之為初始頂進。在頂管施工中，初始頂進是一個至關重要的階段，它的成敗將決定于整個頂管過程的成敗。

6 結束語

工程已施工完畢，目前在試運行。到目前為止，工程運行正常，未發現對地鐵2號線、三清山大道、生米大橋橋墩、市政管網造成影響。工程的施工及試運行的成功，主要是管理得當，設計合理，施工嚴格。尤其是在設計階段，弄清工程的邊界條件，對地鐵2號線和匝道橋基進行安全評估，確保能夠順利施工。只有做到設計合理，才能真正保證工程的成功。