大型箱涵頂管法在穿堤施工中的應用研究

覃立寧 周世武 李森源

摘要：隨著中國城鎮化進程的不斷發展，區域匯流條件及內澇洪水調蓄容積發生變化，很多城區已建泵站洪水抽排能力不能滿足現代城市發展的需要，在防洪排澇泵站擴容改造工程中，對大孔徑穿堤排水通道的需求越發凸顯。大型箱涵頂管法穿堤方案具有大流量排泄洪水、提供穩定洞內流態、無需大面積開挖已建堤防、施工工期短、有效保障改造施工期城區防洪安全等優勢。針對大型箱涵頂管法應用于穿堤建筑施工中遇到的技術問題，采取堤身加固灌漿及管棚支撐，優化頂進箱涵斷面，采用合理的摩阻力控制措施及有效的堤身沉降控制措施，使大型箱涵頂管法成功應用于廣西崩沖泵站擴容改造工程。

關鍵詞：大型箱涵;頂管法;穿堤施工;沉降控制;防洪排澇工程;崩沖泵站

中圖法分類號：TV67文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.010

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0049 - 05

1? ? 研究背景

目前，在水利及市政雨污排水行業中使用的頂管主要包括3 m口徑以下[1-2]的中小直徑鋼管及混凝土管，一些小型的市政頂管使用拖拽式施工方法。然而，對于大直徑、大尺度的大型箱涵頂管法穿堤建筑物少有研究。大型箱涵在中大流量洪水排澇工程的應用效果明顯優于多孔中小口徑組合管道，可使洞內流態保持相對穩定，避免在洪水排泄過程中出現明滿流交替的不利流態[3]。

然而，與目前市政工程中常用的中小直徑鋼管、混凝土管頂進方案不同，大型箱涵頂管穿堤方案在實施過程中會遇到以下難題。

（1）為了保證建成區的防洪安全，對頂進箱涵穿越防洪堤的堤防沉降控制及防滲透控制要求較高。

（2）大型箱涵自重大、工作面大，頂進施工對堤身土體擾動大，對堤身穩定安全的保證率要求較高。

（3）頂進大型箱涵所需頂推力大，受堤防區域地形及建成區用地的限制，大多工程難以實現雙向頂進，對頂推后背墻的設置提出較高要求。在頂進過程中，需要采取有效措施減小摩阻力。

（4）需要重視大頂推力下大型箱涵的受力傳導平衡問題。

2 工程概況

崩沖泵站擴容改造工程是廣西首個成功實施的大型箱涵頂進穿堤案例。以該工程為例，介紹了箱涵頂管穿堤過程中所遇到的技術難題及解決方案。崩沖泵站總裝機容量2 000 kW，設計抽排流量19.8 m3/s，設計自排流量51.7 m3/s，泵站主要建筑物等級為3級。

穿堤排澇箱涵設計外口斷面尺寸為4.4 m×5.4 m，穿堤防段總長28.12 m，分兩段同一方向漸次頂進，技術方案及實施流程如圖1所示。

3 大型箱涵頂管法穿堤施工要點

3.1 加固及支護

穿越防洪堤段箱涵頂部覆土厚度約6.5 m，頂進長度28.12 m。根據堤防安全穩定評價及深土洞土體應力分析評價，原則上箱涵頂進不會對堤身結構穩定造成影響。為進一步提高堤身穩定性，防止堤身土體發生徐變、坍塌、斷裂、沉降等現象，確保防洪堤及堤頂防汛搶險道路安全，在箱涵頂進實施前，采用灌漿加固土體及管棚支護措施對擬頂進箱涵的頂部土體進行加固處理。為了提高管棚承載能力，加強支撐結構的抗彎性、抗震動性及抗擾動性能，對支撐管棚進行灌漿處理，使管棚能有效支撐局部散落土體。此外，管棚還能隔離上部土體與箱涵，避免土體在箱涵頂進過程中隨箱涵一起移動。頂進箱涵管棚示意見圖2。

通過采用堤身加固灌漿及管棚支撐，能夠保證頂推箱涵上部土體的穩定性，在不中斷堤頂道路交通的前提下，避免土體坍塌。

3.2 頂進箱涵選型

大型箱涵頂進屬于深土洞開挖土體應力的重分布問題[4]。目前，頂管施工中頂進阻力常用規程算法[5]如下：

[FP=πD0Lfk+NF]? ? ? ? ?（1）

式中：FP為頂進阻力;D0為管道外徑;L為頂進長度;fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力;NF頂管機的迎面阻力。該計算方法基于觸變泥漿穩定技術，適用于四周摩阻系數一致的圓形管道頂進阻力計算。該方法難以反映土拱效應作用下，采用箱涵潤滑隔離層措施后，箱涵上表面、底板及側面等不同作用面摩阻系數的差異。摩阻系數是頂推力計算的敏感值，可以反映箱涵各個面層與土體的摩擦情況，還包含頂進作業中，箱涵“扎頭”“抬頭”“偏移”“傾斜”所引起的阻抗和挖土不善及調偏預挖所產生的影響。

崩沖大型箱涵頂進采用土拱效應折減頂推力計算法[6]進行箱涵最大頂推力計算，并以此為依據，進行頂推箱涵選型：

[Pmax=K[N1f1+N1+N2f2+2Ef3+RA]]? ?（2）

式中：Pmax為最大頂力;N1為箱涵頂上荷載;f1為箱涵頂上表面與荷重摩阻系數;N2為箱涵自重;f2為箱涵底板與基底摩阻系數;f3為側面摩阻系數;E為箱涵兩側土壓力;R為鋼刃角正面阻力;A為鋼刃角正面積。土拱效應卸載作用計算如下：

[q=43ahγ=43a2γfkp]? ? ? ? ? ?（3）

[h=afkp]? ? ? ? ? ? ?（4）

[a=b+httan45o-φ2]? ? ? ?（5）

式中：fkp為箱涵頂部堤身土體的堅固性系數;[γ]為土體容重;[φ]為土體內摩擦角。土拱卸載效應計算示意見圖3。

在箱涵頂部覆土厚度不大的情況下，箱涵頂部豎向土壓力按土柱實際重量計算，由于堤身土體較為密實，且箱涵頂部覆土層較厚，需考慮卸荷拱的頂托作用帶來的豎向荷載折減，當H大于2倍卸荷拱高度h時，卸荷拱作用明顯，可以計算出大型箱涵頂進作業的頂推力。崩沖箱涵選型，各高寬比箱涵斷面所需的頂進作業頂推力計算見表1。

依據上述分析并結合實際頂推實施效果可知，堤身土體卸載拱的作用較為明顯。土拱跨度越小，在減小頂力的同時，土體坍塌風險越小。在過流斷面一致條件下，小高寬比箱涵斷面對頂推力的要求大于大高寬比箱涵，合理的頂推力計算有利于后背頂推墻的設計與施工。同時，大高寬比箱涵更能滿足大流量無壓過流斷面的選型要求。

為了保證箱涵能夠承受最大頂推力，崩沖頂進箱涵采用的混凝土標號為C40，保證配筋率，確保箱涵在行進過程中作為一個絕對剛性體，避免在頂推過程中受力變形而無法承載箱涵側向被動土壓力，避免箱涵周邊土體損失增大進而導致防洪堤堤身沉降加劇。此外，在箱涵內側使用Φ10@100的鋼筋格柵網片進行防裂處理，避免箱涵頂推過程中由于局部受力不均導致構件局部破壞向整體結構失效延展。為了防止頂進過程中出現“扎頭”現象，在預制箱體時，于箱底前端50 cm內按5%船頭坡造型做成頭高尾低的坡度形式，以便頂進時將高出箱涵底的土體壓入箱底，增強涵底土層承載能力，防止“扎頭”。

3.3 箱涵頂進潤滑劑的使用

箱涵頂進過程中，有效的抗摩阻力措施是頂進箱涵順利實施的關鍵。為防止預制箱涵與工作井滑板粘結造成啟動困難，在箱涵四周設置潤滑隔離層。經過多方案比對，崩沖泵站頂進箱涵隔離層做法為：加熱石蠟至150 ℃，摻入一定比例（摻入量按石蠟的15%確定）的廢機油，均勻澆灑在箱涵四周并刮平，待摻機油石蠟凝固后，在其表面撒一層厚0.2～1.0 mm的滑石粉，覆上塑料薄膜進行保護。在完成工作井底板隔離層后，綁扎鋼筋、立模澆筑箱涵。該潤滑隔離層的設置可有效降低行進摩阻系數（圖4）。

3.4 工作井及頂推后背墻的設置

為了最大限度減小摩阻力，工作井箱涵行進面要求最大限度的平整光滑，不能有波浪起伏。為了保證工作井滑板的平整度，滿足箱涵頂進啟動要求，工作井行進路徑區域每2 m范圍內凹凸誤差不宜超過3 mm。受堤防段地形及建成區用地范圍的限制，穿堤箱涵不能雙向頂進，考慮使用群樁疊加后背土體方案提供后背頂力。頂推后背墻布置13條直徑1.5 m的混凝土灌注樁做為后背支撐，提供15 000 kN的后背頂力（圖5，6）。

在箱涵頂推過程中，為了盡量地減小土體位移空間，防止堤身沉降引起裂縫，同時避免造成土體和箱涵同時位移的深層滑動導致堤防箱涵頂進出口土體擠壓坍塌事故，不得超挖。在局部需調整頂進誤差，控制頂進方向時，會有少量調整性引導開挖。大型箱涵穿堤頂進，推進速度應控制在1.5 ～2.5 m/d為宜，中間不間斷。

3.5 堤防沉降控制及防滲加固處理

在做好頂管段堤身土體、堤頂道路路基加固及支護措施前提下，在沿箱涵頂進線路及土體45°擴散角范圍內布置堤頂沉降控制監測點，提前掌握頂進過程中堤身各項變形參數變化情況。做好地面交通的疏導，在薄弱地段，必要時架設貝雷橋供臨時通車，避免頂管上方附加荷載過大。

堤身土體沉降采用土體損失產生的地面（防洪堤頂面）沉降槽原理進行分析計算[7]：

[Sx=Smaxe-x22i2]? ? ? ? ? ? （6）

[Smax=Vloss2πi]? ? ? ? ? ? ? （7）

[i=h2πtan（45°-φ/2）]? ? ? ? ? （8）

式中：S（x）為行進路線x處堤頂沉降值;Smax為堤頂最大沉降值;Vloss為頂管單位長度土體損失量;i為沉降槽寬度系數;[φ]為土層內摩擦角。

由于崩沖泵站采用小型機械預挖掘進后頂推的模式進行大型箱涵頂推作業，土體損失率取值2.5%，依據式（7）計算頂管穿越堤防段最大堤身沉降量Smax=16.7 mm，沉降量大于小口徑管道頂推產生的土體沉降。

頂進箱涵作業完成后須及時進行回填灌漿處理加固堤防。依據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》第10.2.7條規定“采用頂管法施工修建穿堤建筑物、構筑物時，應選擇土質堅實的堤段進行，沿管壁不得超挖，其接觸面應進行充填灌漿處理”，頂進大型箱涵施工對土體的擾動較大。在大型箱涵頂進調偏過程中疊加滑板鋪設的局部引導性開挖，可有效降低切削土體反作用力，減小土體非正常切削損失，同時利于調偏滑板鋪設。引導性開挖以不超挖為前提，滑板置于大型箱涵頂進前端底部，按調偏方向做適當傾斜，為箱涵頂進調偏提供條件。崩沖泵站箱涵頂進依據日進尺限度制定調偏預案，滑板單邊尺寸不超過1.5 m，箱涵前端引導性調偏開挖不大于1.5 m，通過滑板鋪設控制箱涵頂進前端土體切削，從而達到箱涵頂進水平軸線允許偏差小于50 mm，箱涵內底高程允許偏差小于30 mm的設計要求。為了防止引導性調偏開挖及滑板鋪設導致的堤防滲漏通道，不建議調偏預案中連續鋪設滑板，只在偏差預警時使用。控制局部頂進誤差的調整性引導開挖，若不及時回填灌漿固結，土體徐變將導致堤防產生新的滲漏通道，威脅堤防安全。因此，除了加強頂推過程中箱涵周邊土體的補壓漿加固處理，箱涵頂進作業后須及時進行堤防防滲處理，具體措施為對箱涵接觸面、箱涵行進段周邊土體進行充填灌漿加固處理，處理方案須周密部署、及時響應、防止遺漏。

為了減小堤防加固灌漿引起的箱涵側周土體加固沉降或變形隆起，需合理安排灌漿次序，減小堤身土體擾動，避免出現較大范圍的土體二次應力重分布。崩沖箱涵頂進作業后，采用從箱涵內預埋管向土體注漿的方案進行堤防防滲加固處理，施工次序遵循“先下后上、先下游后上游”進行，分序跳孔灌漿，避免堤身土體由于擾動產生塑性變形，避免固結沉降。經過有效的沉降控制措施，堤防沉降觀測數據顯示，崩沖泵站大型箱涵頂進施工完成后，堤身最大沉降量為19.2 mm，與前期計算分析結果基本相符。

大型箱涵頂進穿堤方案通過預埋管灌漿充填加固頂進路徑周邊堤身土體（圖7）。

4 結 語

（1）通過堤身加固灌漿及管棚支撐，可保證頂推箱涵上部土體穩定性。鋼管頂棚灌漿處理可形成一個高強度支撐構件。

（2）大型頂進箱涵宜使用大高寬比斷面，潤滑隔離層的設置可以有效降低行進摩阻系數。

（3）大型箱涵穿堤頂進的推進速度控制在1.5 ～2.5 m/d為宜，中間不間斷，保證頂進進度及穿堤施工安全。

（4）在頂進過程中，箱涵潤滑隔離層的設置可有效降低行進摩阻系數，前端滑板鋪設可避免摩阻力過大造成土體和箱涵一起位移的深層滑動現象，避免堤防箱涵頂進出口土體擠壓坍塌事故的發生。

（5）頂進箱涵作業實施后，通過及時對箱涵周邊土體充填灌漿等加固處理，可避免大型箱涵頂進施工后堤防沉降及堤身裂縫的產生，避免在頂進箱涵周邊形成滲漏通道，確保穿堤箱涵滿足防滲要求，使箱涵與防洪堤融為一體。

參考文獻：

[1] 梁級， 康衛國， 顏佩君，等. 大直徑雨水管頂管及曲線頂管施工技術[J]. 城市道橋與防洪，2005（6）：98-101.

[2] 崔龍飛. 大直徑鋼頂管穿越長江大堤設計與施工問題分析[J]. 給水排水，2020（1）：109-114.

[3] SL 279-2016? 水工隧洞設計規范[S].

[4] 張海豐， 馬保松， 王福芝. 被動土拱效應對土壓力計匹配誤差的影響[J]， 巖土工程學報， 2016（2）：350-354.

[5] GB50268-2008? 給水排水管道施工及驗收規范[S].

[6] 馮衛星， 王克麗. 地道橋設計與施工[M]. 石家莊：河北科學技術出版社，2000.

[7] 魏剛， 吳華君， 陳春來. 頂管施工中土體損失引起的沉降預測[J]，巖土力學，2007（28）：359-363.

（編輯：李 慧）

Study on application of pipe-jacking technique of large box culvert in

dike-crossing construction

QIN Lining，? ZHOU Shiwu，? LI Senyuan

（Guangxi Pearl River Water Resources Commission Nanning Survey& Design Institute， Nanning 530007， China）

Abstract： With the development of urbanization in China and the change of regional confluence conditions and flood storage capacity， the pumping and drainage capacity of the existing pump stations in many cities could not meet the need of modern city development and the large caliber dike-crossing pipe becomes increasingly important in the expansion and reconstruction of pump stations for flood control and drainage. Pipe-jacking method of large box culvert has advantages such as large flow release， stable flow regime inside the tunnel， no large-scale excavation required， shorter construction period， which can ensure the safety of urban flood control during construction period. According to the technical issues of pipe-jacking for large box culvert in the construction of dike-crossing project， the measures such as the grouting reinforcement and shed-pipe support， improving the cross-section of the box culvert， controlling the frictional resistance and settlement of dike body were adopted in Bengchong pump station expansion project in Guangxi Zhuang Autonomous Region and successful achievement was obtained.

Key words： large box culvert; pipe-jacking technique; dike-crossing construction; settlement control; flood control and waterlogging drainage project; Bengchong Pump Station