頂管在電力工程中的應用

明俊聰 李之騰

(山西元工電力工程設計有限公司，山西 太原 030009)

1 概述

頂管施工技術是繼盾構施工之后發展起來的一種非開挖技術，被廣泛應用于穿越公路、鐵路、河流、鬧市區等不具備開挖條件的各種管道鋪設，可有效降低綜合成本、縮短施工工期、減少對環境及交通等的影響、提高工程施工的安全性，在市政地下管線中應用廣泛。

太原某110 kV電纜線路工程，線路全長2.72 km，與環城高速公路G2001交叉1次。經現場踏勘，G2001太原環城高速公路為雙向六車道，穿越高速里程K6+000 km處，東側與本工程新建24孔電纜排管相接，西側與已建市政隧道相接。整個線路位于城市規劃區內，受路網規劃及現有建筑的限制，施工場地緊張。經綜合技術比較，該段下穿高速公路推薦采用內徑φ2 800 mm頂管方案，長度110 m。

2 頂管工程

2.1 頂管的特點

頂管施工屬于非開挖施工技術，不需要進行大量的挖方作業，施工工作面較小，可在繁華市區內施工。

頂管施工首先在兩側分別設頂進工作井、接收井。頂進工作井內安裝后座墻、主千斤頂及鋪設管道，作為頂管工作的主要工作空間。接收井主要用于工具機頭設備的接收。工作原理是利用主頂油缸產生的推力，把工具管、管道和掘進機推向接收工作井，通過接收井的預留口穿出，形成電力管道(見圖1)。

2.2 頂管施工方法分類及其使用條件

2.2.1按管徑大小分類

1)大口徑是指φ2 000 mm以上的頂管，人員能夠自由通行。

2)中口徑是指φ1 200 mm～φ1 800 mm的頂管，人員能夠半通行。

3)小口徑是指φ500 mm～φ1 000 mm的頂管，這種管徑的頂管人員無法通行。

4)微型頂管口徑很小，通常在φ400 mm以下，最小的只有φ75 mm。

本工程頂管尺寸選型根據電力需求容量，選用內徑φ2 800 mm，為大口徑頂管。

2.2.2開挖距離分類

通常把頂進長度超過400 m并設置中繼間的頂管稱為長距離頂管，小于400 m的為普通頂管，超過1 000 m的為超長距離頂管。

本工程頂管作業長度為110 m，屬于短距離頂管。

2.3 頂管施工方法

頂管施工方法主要有：泥水平衡式、土壓平衡式、擠壓式和人工頂管。針對具體工程，不同地質條件及施工要求等，在確保質量及安全的條件下，選擇合理的施工方法(見表1)。

表1 頂管施工方法比較

2.3.1泥水平衡式頂管

以全斷面切削土體，將適當壓力的泥漿注入到裝置隔板的密封艙內，在開挖土體表面形成一層致密的泥膜，利用泥水的壓力來平衡周圍土體壓力及地下水壓力，保證工作挖掘面的穩定性，泥水同時也作為輸送棄土的介質的機械頂管施工方法。

2.3.2土壓平衡式頂管

以切制輪開挖的流料作為支撐介質，刀盤通過旋轉來開挖土層，挖下的土體流料經切制輪的開口，壓入開挖腔內與塑性土漿混合，通過壓力艙壁將推力傳遞到土漿上，以此來保護未開挖地層土體進入開挖腔內的機械頂管施工方法。

2.3.3擠壓式頂管

在掘進機下部安裝有螺旋輸送裝置，施工中將進入喇叭口形破碎室的泥土通過壓力墻破碎，然后再通過砂石泵排出至地表。

2.3.4人工頂管

人工頂管是一種以人工作業為主的施工方法。在施工時，人通過借助輔助工具進行開挖作業及輸送作業。常用的開挖類輔助工具有鎬、鍬以及沖擊錘等，輸送類輔助工具有傳送帶、手推車或軌道式的運輸礦車等。

2.4 頂管機選型

頂管機的結構形式的選擇一般由土的穩定系數Nt的計算、對地面沉降的控制要求以及控制技術措施共同確定，其計算公式為:

其中，γ為土的重度;h為機頭中心至地面的高度,m;q為地面荷載;n為折減系數，一般取1.0；Su為土的不排水抗剪強度。

一般情況下：

當Nt≥6，且地面沉降控制要求很高時，因正面土體流動性很大，需選用封閉式頂管機。

當4

當Nt≤4，且地面沉降控制要求不高時，可考慮采用手掘式頂管機。

根據現場勘查以及以往施工經驗，本工程對地面沉降量要求很高，故采用封閉式頂管機頭，采用土壓平衡式結合人工手掘式兩種方法進行頂管作業。

3 管材

3.1 頂管管材的材料分類

按頂管管材的材料類型分為如下幾類：

1)鋼筋混凝土管道；2)鋼管，包括有縫鋼管和無縫鋼管；3)玻璃纖維加強管；4)球墨鑄鐵管道；5)陶土管；6)塑料管(PVC管)；7)石棉水泥管道。

3.2 管材選用

目前頂管法施工中使用最多的就是鋼筋混凝土管。一般單根管節的長度不宜超過頂管機或微型隧道掘進機的機身長度，管道長度通常以2.0 m～3.0 m為宜。

根據調查，目前太原地區生產的最大頂管內徑φ3 000 mm，壁厚300 mm，采用C40混凝土。單節長度2.5 m，參考重量18.3 t。根據國標，頂管分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級三種荷載級別。Ⅱ級管用于覆土小于6 m時，Ⅲ級管用于6 m～9 m覆土。

3.3 管道的許用頂力

結合本工程各項設計指標，頂管選用鋼筋混凝土管。鋼筋混凝土管道斷面的允許頂力，對頂管頂進長度、成功與否起著決定性作用，管材本身強度、頂進作業時的加壓方式、頂鐵與管道端面的接觸狀態以及受力面積等因素均不同程度影響著管道的實際允許頂力。

資料顯示，混凝土管道的抗壓強度一般應大于30 MPa。

混凝土管道的允許頂力通常可用以下公式計算：

其中,[Fr]為管道許用頂力值，kN；σc為管體本身抗壓強度，kN/m2；A為受壓面積，m2；S為安全系數，一般取2.5～3.0。

本工程采用φ2 800 mm鋼筋混凝土管，管長度為2.0 m，管壁厚為300 mm，Ⅰ級荷載C50預制混凝土管道，管道端面垂直度的允許誤差應不大于5 mm，管道水平方向的偏差最大值應不大于10 mm，管道外徑的允許誤差不大于12 mm。

3.4 接口形式

常用的頂管接口形式有平接口、企口、柔性接頭鋼承口、柔性接頭雙插口。

本工程采用柔性接頭鋼承口。鋼承口管接口形式又稱為F型管接口，主要是在接口處設一個橡膠止水圈，材質采用遇水膨脹橡膠，在吸收水分以后體積會膨脹1倍～3倍，可有效防止鋼套環與混凝土管結合面產生滲漏。

4 頂進工作井設計

4.1 管道頂部覆蓋厚度

根據頂管的施工要求，以及參考《頂管施工技術及驗收規范》(試行)、CECS 246:2008給水排水工程頂管技術規程，管頂覆土層厚度宜大于管外徑的1.5倍，并不小于3 m。否則頂管時，頂管機頭會向上漂移。本工程管道內徑2 800 mm，壁厚300 mm，覆土層厚度應不小于5 100 mm，根據地質資料及現場地形高差因素，最終高速公路路面到頂管頂部的距離確定為15 m。

4.2 地面沉降計算

本工程需穿越高速公路，在施工時應保證高速路面安全，應盡量減少施工對道路正常通行的影響，故需要對該處高速路面沉降量控制提出要求。目前，工程界常采用的理論主要為Peck提出的地面沉降槽理論。由于Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發生的，所以地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積，地面沉降可視土質情況、覆土深度、采用的掘進機類型、操作水平等因素而不同，并根據這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式：

δmax=Vi/(2.5×i);

i=H/(2.5×tan(45°-θ/2));

Vi=0.25×π×D2×η。

其中，δx為x位置的地面沉降量，mm；δmax為管道軸線上方的最大地面沉降量,mm；x為離頂管軸線的水平距離,m；i為地面沉槽寬度系數；θ為土壤內摩擦角,本工程為22°;Vi為管道單位長度的土體損失量,m3/m;D為頂管外徑，本工程為3.4 m；η為土體損失百分率，本工程采用5%；H為頂管埋深，高速公路到頂管頂部的距離為15 m。

參考CECS 246：2008給水排水工程頂管技術規程中規定，頂管造成的公路地面沉降應不大于20 mm。經試算，路面沉降小于20 mm則管覆土深度應不小于15 m，故本工程頂管覆土按15 m考慮，并采取相關技術措施控制路面沉降。

4.3 工作井型式及尺寸確定

工作井坑形狀一般有矩形、圓形、腰圓形、多邊形等幾種，其中矩形工作坑最為常見。本工程受地形限制，永臨結合考慮后期做電纜井用，同時兼顧降低施工支模難度、減少工程量，選用矩形工作井坑(見圖2)。

1)矩形工作坑的底部尺寸參考下式確定：

工作坑底部寬度：B=D1+S。

其中，D1為頂管管道外徑,本工程為3.4 m；S為施工作業操作兩側預留寬度，一般取2.4 m～3.2 m,本工程取2.6 m。

綜上，本工程頂進工作井寬度為6 m。

工作坑的底部長度:L=L1+L2+L3+L4+L5。

其中，L1為頂管機機體長度，本工程為5 m；L2為千斤頂長度，約為2.5 m；L3為后座墻、頂鐵、安裝余度，約為1.5 m。

綜上，本工程頂進工作井長度為9.0 m。

2)工作坑深度應符合下列公式要求:

H1=h1+h2+h3。

其中，H1為工作坑地面至坑底的深度，m；h1為地面至管道底部外緣的深度，覆土深度為1.5D=5 m,頂管外徑為3.4 m，地面至管道底部外邊緣的深度為8.37 m，為滿足公路地面沉降要求，最終確定頂管在高速公路下方的覆土厚度為15.0 m，現施工地面頂管覆土厚度為10.5 m，地面至管道底部外緣的深度為13.8 m；h2為管道外緣底部至導軌底面的高度，取0.25 m；h3為基礎及其墊層的厚度(不應小于該處井室的基礎及墊層厚度)，取0.25 m。

綜上，頂進工作井的深度為14.5 m(如圖3所示)。

頂進工作井底部寬度為6.0 m，長度為9 m，深度為14.5 m。

接收井的尺寸根據實際地形，頂管在地下按水平頂進考慮，尺寸確定如下：

a.底部寬度為5.5 m(頂管機直徑為3.4 m，考慮施工余度2.1 m)；

b.底部長度為6 m(頂管機長度為5 m，考慮1 m的施工操作余度空間)；

c.深度為12.0 m。

4.4 頂進工作井及接收井開挖方式選擇

本工程受場地限制，頂進工作井位于東環高速與道路之間，寬約30 m；接收井位于東環高速與市政公路之間，寬約25 m，均不滿足放坡開挖條件。同時頂進工作井及接收井較深，為了確保房屋及公路的安全，開挖需采取支護措施，考慮本期頂管施工和后期用作電纜豎井，采用沉井法修筑工作井坑。

4.5 地質條件

1)穿越高速公路地下廊道巖土工程地質條件。

線路管道穿越既有東環高速公路工程，穿越段管道長度約為110.0 m，管道材質為鋼筋混凝土預制管，高速路面較兩側井位處地面高5 m～8 m，地質勘探場地位于兩側工作井，故提出工作井處地層深度20 m以內的地基土地層參數，自上而下劃分為三大層，分別為①層雜填土、②層(黃土)粉土、③層粉土層。

2)穿越高速公路天然地基土抗剪強度標準值與建議值(見表2)。

表2 天然地基土抗剪強度標準值與建議值

3)場地穩定性、適宜性評價。

據本次勘察結果及區域地質資料，穿越地段場地屬穩定場地，未發現不良地質作用。可在②層，③層黃土狀粉土中進行此次穿越。本次勘探深度范圍(20 m)內未揭露地下水，結合區域地質地貌資料進行綜合分析，可不考慮地下水對本工程的影響。

4.6 沉井

沉井是由側壁、刃腳、內壁(隔墻)、豎向框架、底板、井蓋等構成的。

5 后座墻

5.1 后座墻的重要性

后座墻主要在頂進管道時提供反作用力。在頂管施工過程中，后座墻不僅要求達到一定的強度，同時還要穩定，施工中一旦發生破壞，頂管施工就要停工，可見后座墻設計的重要性。

5.2 后座墻設計要求

后座墻設計首先在強度上要滿足設計頂進力作用下不被破壞，不變形，卸荷后能恢復原態并保證完整，其次應安裝方便，便于施工，安裝在垂直管道頂進軸線上，避免偏心受壓，引起傾斜變形發生事故。

5.3 后座墻形式

常用的后座墻一般有現澆混凝土式、裝配式。本工程使用現場澆筑的混凝土后座墻。

5.4 后座墻反作用力的計算

假設頂進作業時，作用在工作坑后的土體上的力是均勻的。一般為確保在頂進過程中后座的安全，后座能承受的反作用力或土抗力R應為總頂進力P的1.2倍～1.6倍。

反作用力R可采用公式計算：

其中，R為總推力之反作用力，kN；α為系數，取1.5～2.5;B為后座墻的寬度，m；γ為土的容重，kN/m3；H為后座墻的高度，m；KP為被動土壓系數，粉土取2.66；c為土的內聚力，kPa；h為地面到后座墻頂部土體的高度，m。

本工程工作井采用沉井結構，為鋼筋混凝土澆筑結構，故后座墻采用現澆混凝土形式，是比較理想的受力模型。根據頂進力的大小，對混凝土后座墻的彎拉區應設置網格鋼筋，混凝土墻的一般厚度應根據管道直徑大小確定，一般為0.8 m～1.0 m。混凝土的強度為C20以上，在達到其強度的80%以上時才可以承受頂進力。

6 結語

綜上，作為一種市政很常用的非開挖施工方式，頂管及沉井方案也能很好的解決電力工程中遇到的如下穿高速路等特殊地段的施工要求。在保證對高速影響最小的情況下，也能同時保證電力工程順利竣工。目前該工程頂管部分已完成施工。