CECS標準《矩形頂管工程技術規(guī)程》關鍵技術解析

安關峰 張蓉 王譚

廣州市市政集團有限公司 510060

引言

矩形頂管技術是采用矩形頂管機邊切削、邊排土、邊頂進［1］，將鋼筋混凝土管節(jié)逐段向前推進形成地下空間的一種綠色、環(huán)保、安全、高效的非開挖施工技術，是在圓形頂管技術的基礎上發(fā)展而來，相比于圓形管道或傳統施工技術，矩形頂管在斷面形式、空間使用率、適應淺覆土等方面，在綜合管廊、隧道、地下通道等工程中的應用有更大的優(yōu)勢［2，3］。

隨著矩形頂管設備的研發(fā)、施工技術的提高，矩形頂管技術在我國逐漸推廣開來。同時，隨著城市地下空間開發(fā)利用的不斷加強，矩形頂管技術能較好應用于電力隧道、地下過街橫通道、地鐵進出站通道及綜合管廊等工程建設中［2］。近年來，結合綜合管廊的矩形結構和矩形頂管施工技術，蘇州城北路綜合管廊元和塘頂管工程、包頭市新都市區(qū)中心區(qū)綜合管廊工程等項目積累了豐富的矩形頂管綜合管廊設計與施工經驗。

中國工程建設標準化協會標準《矩形頂管工程技術規(guī)程》（T／CECS 716—2020）（以下簡稱《規(guī)程》）［4］針對矩形頂管工程的特點，結合大量工程實踐經驗及研究總結，清晰界定了有關矩形頂管工程的術語，提出了工程勘察、管節(jié)制作、管節(jié)設計、頂管設備選擇及施工等技術標準和指標，并提出了矩形頂管工程驗收的各類指標以及控制要求。

1 工程勘察

矩形頂管工程勘察應根據工程重要性、場地復雜程度和地層復雜程度等條件劃分巖土工程勘察等級，建議將工程勘察分為初步勘察、詳細勘察兩個階段，線路長、沿線情況復雜的工程可增加選線勘察階段，進行線路比選?！兑?guī)程》對矩形頂管工程中勘察范圍、勘察布孔、地下水勘察、地下管線和障礙物的探測以及勘察報告等作出了詳細要求，對勘探孔的布置、勘探孔的深度等作出了規(guī)定（表1）。

表1 勘探孔的間距（單位：m）Tab.1 Spacing of exploration holes（unit：m）

《規(guī)程》要求一般性勘探孔的深度應達到管底設計標高以下3m～5m，控制性勘探孔的深度宜達到管底設計標高以下5m～10m，以確保查明工程地質條件。

2 頂管設計

2.1 頂管設計主要內容

頂管工程結構設計與計算分為施工階段和使用階段，《規(guī)程》規(guī)定了頂管工程結構使用階段的設計與計算，其中包括構件截面計算、構造設計和地基基礎設計等。根據不同應用行業(yè)，執(zhí)行相關行業(yè)的現行標準。

《規(guī)程》中矩形頂管設計主要內容包括：（1）頂管管位設計；（2）作用；（3）管節(jié)結構設計；（4）管節(jié)構造設計；（5）中繼間設計；（6）頂管總頂力計算；（7）工作井設計?！兑?guī)程》將頂管工程結構的安全等級劃分為一級和二級：安全等級為一級時，設計使用年限為100年；安全等級為二級時，設計使用年限為50年。設計時應按相應行業(yè)的要求選定。

2.2 頂管設計主要作用

頂管結構上的作用分為永久作用、可變作用及偶然作用，永久作用主要包括管道結構的自重、豎向土壓力、側向土壓力和地基不均勻沉降等；可變作用主要包括地面堆載、車輛荷載、地下水壓力、頂力作用、頂進過程中的側摩阻力作用等。結合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）的相關內容，矩形管節(jié)的設計可只考慮車輛荷載、管節(jié)自重、豎向土壓力、側向土壓力及頂力的作用效應組合?！兑?guī)程》給出了作用在矩形管節(jié)上的側向土壓力標準值在施工階段和運維階段下的計算方法，計算可根據所在地層的不同分為水土分算和水土合算。

管節(jié)結構設計主要考慮滿足施工階段的設計與計算，管道結構按承載能力極限狀態(tài)進行強度計算時，對持久設計狀況或短暫設計狀況，采用作用的基本組合；對偶然設計狀況，采用作用的偶然組合。結構構件按正常使用極限狀態(tài)計算時，根據不同設計要求采用作用的標準組合、頻遇組合或準永久組合。

2.3 管節(jié)構造設計

《規(guī)程》對管節(jié)最外層鋼筋的混凝土保護層厚度做出了規(guī)定，確定原則需要考慮兩點：一是工程安全等級；二是管節(jié)在不同環(huán)境下（直接與水接觸和不直接與水接觸）。管節(jié)混凝土強度等級不宜小于C50，管節(jié)混凝土抗?jié)B等級不宜低于P10。最外層鋼筋的混凝土保護層最小厚度根據安全等級和不同環(huán)境下管節(jié)耐久性要求確定（表2）。

表2 混凝土保護層最小厚度（單位：mm）Tab.2 Minimum thickness of concrete cover（unit：mm）

《規(guī)程》中管節(jié)縱向鋼筋的最小配筋率不宜低于0.2%，間距不宜大于150mm。當混凝土強度等級大于C60時，最小配筋率宜增加0.1%。管節(jié)頂、底板與側墻連接處宜設置腋角，配筋面積可為受力鋼筋的截面面積的50%。

2.4 中繼間設計

中繼間是矩形頂管中必不可少的設備，如圖1所示。在頂推距離較長，始發(fā)井頂推系統不足以提供全部頂力時，需要設置中繼間接力頂進。因此，《規(guī)程》中將中繼間定義為頂管機頂推系統能力不足時，隨管節(jié)一同前進的接力頂進裝置，主要由前后殼體、推進液壓缸、閥組、泵站、行程測量裝置等組成?！兑?guī)程》要求中繼間的加設及數量，應按頂進總頂力及管壁的承受能力確定，并給出了中繼間的間距計算方法。

圖1 中繼間結構示意Fig.1 The structure of the relay room

2.5 頂管總頂力計算

在矩形頂管頂進過程中，管道結構處于頂管機、頂進設備、周圍土體、地下水及其自身荷載等的共同作用下，管道外側在豎直方向受到上覆土層的豎向土壓力、地下水壓力、管節(jié)自重作用；側面方向受到側向土壓力作用、地下水壓力；沿頂管軸向受到端面阻力、頂進設備頂力、管道表面與周圍土體之間的摩阻力等作用。因此頂進過程中的管節(jié)是一個復雜的力學體系，矩形管節(jié)橫截面受力如圖2所示。

矩形頂管施工基本采用壓力平衡式頂管機（土壓平衡或泥水平衡），為了保證頂管機開挖面的土體穩(wěn)定，需要保證頂管機端面壓力與地層土壓力值平衡，根據這個平衡關系確定迎面阻力的大小，得出泥水、土壓平衡式頂管機的迎面阻力計算公式?！兑?guī)程》要求矩形頂管液壓缸總頂力不小于頂管總頂力的1.5倍。

矩形頂管總頂力由頂管機迎面阻力和總摩阻力組成：

圖2 矩形管節(jié)橫截面受力示意Fig.2 Force diagram of cross section of rectangular pipe

式中：Py為頂管機的迎面阻力（kN）；Ff為矩形頂管總摩阻力（kN）。

矩形土壓、泥水平衡式頂管機的迎面阻力按下式計算：

式中：γ為土的重度（kN／m3）；H0為管頂至原狀土地面覆土層厚度（m）；H1為矩形管節(jié)外邊高（m）；B1為矩形管節(jié)外邊寬（m）。

矩形頂管總摩阻力按：

式中：f為管節(jié)與土體接觸面的摩阻力（kPa），結合地區(qū)經驗取值；Ld為矩形頂管頂進長度（m）。

2.6 工作井設計

矩形工作井按結構又可分為整體式沉井類型和基坑型?！兑?guī)程》明確了工作井的設計內容，對工作井形式及尺寸的選用或計算給出了參考。

由于矩形頂管斷面大，需要總頂力大，要求對始發(fā)井后背土體允許最大頂力進行驗算（圖3）。當不滿足要求時，應對土體進行加固設計或增設反力地下結構。在頂管施工前，矩形沉井井壁與土體間的土壓力和圓形沉井的類似，為靜止土壓力與主動土壓力之間某一值，由于沉井結構剛度較大，也可假設為靜止土壓力。《規(guī)程》給出了后背土體允許頂力的計算方法。

圖3 頂力作用下始發(fā)井受力示意Fig.3 Force diagram of starting shaft under jacking force

3 管節(jié)制作

《規(guī)程》中對管節(jié)制作的材料性能、接頭構造、管節(jié)防腐、管節(jié)預制、管節(jié)標識堆放、吊裝和運輸、管節(jié)質量控制作出規(guī)定。矩形頂管管節(jié)鋼承口端柔性接口可分為單膠圈和雙膠圈兩種形式，《規(guī)程》對管節(jié)間密封與防水作出了詳細要求，管節(jié)之間的接口防水包括四種密封形式（圖4）：

（1）圖4a常用于管節(jié)之間鋼承口與混凝土之間的防水；

（2）圖4b的聚氨酯密封膠條主要應用于鋼承口和混凝土之間的第二道防水；

（3）圖4c的聚氨酯密封膠條主要應用于管節(jié)拼裝完畢最后一道防水；

（4）圖4d主要應用于鋼承口和混凝土之間的第一道防水。

4 工作井施工

工作井圍護結構需要根據工程水文地質條件、鄰近建筑物或構筑物、地下與地上管線情況，以及結構受力、施工安全等要求，經技術經濟比較后確定（表3）。

圖4 管節(jié)防水材料構造示意Fig.4 The structure of pipe waterproofing material

表3 不同圍護結構形式下工作井的適用條件Tab.3 The applicable conditions of working shaft under different enclosure structures

5 頂管設備及安裝

針對地質條件的頂管設備研制、選型和安裝對于矩形頂管工程的順利施工有著關鍵性作用（表4）。

《規(guī)程》對矩形頂管機設計與選型（圖5）、頂推系統及安裝、導軌選擇與安裝、頂管機安裝和調試、土壓平衡出渣系統的安裝、泥水循環(huán)系統的安裝、中繼間安裝、頂管輔助施工與設備及質量控制分別給出了要求（表5）。

當矩形管節(jié)斷面較大時，在工程施工過程中需要采用觸變泥漿減阻（圖6），觸變泥漿減阻系統的注漿作用主要包括兩點：一是有潤滑作用，注漿將矩形管節(jié)和周圍土體間的摩擦力從干摩擦力變?yōu)闈衲Σ亮?，有效降低了管周摩擦阻力；二是支撐起了周圍土體，由于頂管機機頭通常大于頂管管節(jié)，同時受頂管頂進過程中的背土效應影響，頂管頂進過程中頂管管節(jié)周圍土體會出現空隙，注漿使頂管管節(jié)周圍土體空隙填滿了漿液，使頂管施工引起的土體沉降明顯減小?！兑?guī)程》對減阻系統的安裝、觸變泥漿工作性能、觸變泥漿注漿系統均作出了相關規(guī)定。

表4 矩形頂管機適用工況Tab.4 The applicable conditions of rectangular pipe jacking machine

表5 矩形斷面開挖系統選型Tab.5 The selection of excavation system for rectangular section

圖5 不同刀盤形式矩形斷面頂管機Fig.5 Rectangular section pipe jacking machines with different cutterhead forms

圖6 觸變泥漿減阻系統Fig.6 Thixotropic slurry drag reduction system

6 頂進施工

頂管施工屬于地下工程，受影響因素很多，除施工工藝方法多、技術要求差異大等特點以外，工程地質條件、頂管設備類型與配置、原有地下設施和地下障礙物情況以及施工現場環(huán)境等因素均可對施工進度、工程質量、施工安全和施工成本造成影響。

《規(guī)程》對頂管頂進施工的施工組織設計、頂管始發(fā)與接收、頂管掘進、注漿減阻、土體改良、測量和姿態(tài)控制、監(jiān)測與變形控制、頂管機拆解與吊出以及質量控制分別作出詳細規(guī)定，同時根據大量施工經驗總結，對頂管施工各階段掘進速度提出了控制要求。

7 結語

矩形頂管技術在綜合管廊、地下過街通道、地鐵進出站通道、公路隧道、軌道交通等工程建設中有巨大的市場前景?！兑?guī)程》主要目標為規(guī)范矩形頂管工程的技術要求，指導合理設計、精心施工、嚴格監(jiān)控，該《規(guī)程》經行業(yè)專家組審查認為技術內容科學合理、可操作性強，與現行相關標準相協調，達到國際先進水平。

《規(guī)程》的實施對矩形頂管工程的勘察設計、施工、驗收具有指導意義，有利于保障矩形頂管結構長期、高效、安全、節(jié)能運行，可推動我國矩形頂管工程設計與施工技術的發(fā)展及大斷面綜合管廊和地下人行通道建設，有助于矩形頂管工程的大規(guī)模推廣應用，具有很好的經濟效益及社會效益。