雙線不等內徑平行頂管方案優化研究

鐘維軍，楊東東，鄭明軍，張舜元

寧波市電力設計院有限公司，浙江 寧波 315000

非開挖頂管被廣泛應用于城市管道工程或管廊工程的建設中，且取得了良好的社會經濟效益。根據現有的電網工程建設管理規定及相關規程規范的要求，為了提高重要用戶的供電可靠性，有條件時，同一個變電站的兩路高壓電纜通常不布置在同一個通道內[1]。當電纜通道采用非開挖頂管的方式過河時，則需要采用雙孔平行頂管的方案。

國內眾多工程技術人員和學者都展開了雙線頂管平行頂進的工程技術研究，劉映晶[2]、蘇鼎國[3]、林國新等[4]、吳華君等[5]、陳軍等[6]、陳孝湘等[7]都分別從后行頂管對先行頂管的影響機理、雙線頂管施工對周邊環境的影響等方面入手，依托實際工程研究了頂管施工對周邊環境的影響，為相關工程的建設提供了依據和理論支撐。但現有的研究都是從工程實施階段進行論證和分析的，關于工程設計階段的論證較少，尤其是決定頂管施工難度方面的分析論證更為缺乏。

針對城市輸電線路工程越來越常見的雙線不等內徑平行頂管工程的實際需求，文章研究采用雙向頂管方案及其工程應用中存在的各項關鍵技術問題，并在寧波市某多回110kV、220kV高壓電力電纜共溝分艙敷設的工程中進行應用，為相關工程的建設和頂進施工方案優化設計提供參考。

1 平行頂管間距的確定

平行頂管的間距要解決后頂進施工管道對先行頂進管道施工安全影響的問題，最終目的是能夠將后頂進施工產生的擾動影響降低至最小。根據現有的頂管技術規程，為了減小頂進時的相互影響，互相平行管道間的水平凈距應根據土層性質、管道直徑和管道埋置深度等因素確定，一般情況下，宜大于1倍的管道外徑[8]。根據該項規定，在雙線平行頂管施工時，應綜合考慮先行頂管本身施工時的覆土厚度、交叉穿越等情況，同時需要考慮后行頂管對先行施工完成頂管管道結構的安全影響。另外，為了城市地下空間合理和可持續發展，采用平行頂管敷設若干高壓電力電纜時，也需要盡可能地減小管道間的凈距離，避免占用過大的城市地下空間。

以寧波市某多回路110kV、220kV高壓電力電纜過河工程為例，受雙通道等因素的制約，需要在DN2000和DN1400的頂管內需分別敷設32孔和8孔的MPP電纜保護管，該工程為典型的雙線平行頂進的不等內徑頂管工程。該工程的初步布置方案如圖1所示，主要是考慮雙線頂管需要采用獨立通道敷設，在頂管井設計時，可采用一個井室施工，頂管完成后澆筑隔墻的方案，也可以直接設置兩個井室，通過設置分艙的鋼筋混凝土隔墻來實現電纜通道空間的隔離。若采用兩個井室的方案，需要保證在每個頂管通道內都能滿足頂管施工工作空間的需求。

圖1 雙線不等內徑頂管布置方案圖（管底平齊）

受1倍管道外徑凈間距的制約，后行頂管與先行頂管的安全距離要盡可能地維持在后行頂管1倍管道外徑以上，從這個角度來看，為了減小后行頂管施工對先行頂管的擾動，可以采用“先大后小”的頂進施工方案，即先行頂管為口徑較大的頂管，后行頂管為管道口徑較小的頂管。

2 橫斷面相對位置的布置

2.1 基于卸荷擾動分區的頂管相對位置分析

頂管施工時，在工作井內為了滿足頂進施工時導軌安裝的空間要求，管道底部到井內底需要預留一定的操作空間，混凝土管道施工時的設備間距要求為0.4～0.5m。采用不等內徑頂管采用管底平齊的方案對于施工機械的調整是最小的，常規頂管施工用導軌即可正常施工，不需要對導軌、后座墻進行特殊定制或者改造，是最便捷的方案。但由于頂管開挖卸荷產生的擾動范是以管道底部中心為起始，兩側以45°+φ/2的擾動線延伸至地表（φ為土體的等效內摩擦角），具體如圖2所示，為了便于表述，可將頂管施工的擾動區分為三個區：①管道底部的卸荷擾動區、②管道底部120°范圍內管土接觸的剪切擾動區和③管道頂部的卸載擾動區。根據已有的理論研究成果和工程實測驗證，頂管施工對周邊地層擾動及對臨近建（構）筑物安全影響最大的區域是③管道頂部的卸荷擾動區[9]。

圖2 頂管施工橫向擾動分區剖面圖

采用管底平齊方案，其剪切擾動區、管道底部的卸荷擾動區都是存在的，而且對臨近管道的影響較小；在平行頂管施工時，最需要避免的是后頂進管道頂部的卸荷擾動區域進入先行頂進管道的范圍內。為了具有普遍適用性，以后行頂管管道底部低于先行管道為例進行分析，雙頂管間距計算示意圖如圖3所示。

圖3 雙頂管間距計算示意圖

管之間的控制參數為L和h，其中h為輸入值，則L的計算公式如下：

式中：h為后行頂管與先行頂管中心高程差，m；φ為土體的等待內摩擦角，°；D為先行較大口徑頂管的外徑，m；d為后行較小口徑頂管的外徑，m。

2.2 不等口徑頂管的相對位置分析

以寧波市某多回路110kV、220kV高壓電力電纜過河工程為例，較大口徑頂管的外徑D=2.4m，較小口徑頂管的外徑d=1.68m。為了便于施工，取頂管管道底面相平，則此時兩管之間的中心距離h=0.36m，由于頂管四周的土體主要為淤泥及淤泥質土，取土體的等待內摩擦角φ=10°，代入公式（1）計算得到L=0.302+0.647+0.240=1.189m。即在后行頂管與先行頂管在底部相平的前提下，管道間的水平凈距離不低于1.2m時，即可滿足后行頂管頂進產生的頂部卸荷擾動區域不進入先行頂管管體范圍內的基本安全要求。

2.3 雙線不等內徑頂管施工的間距取值

對于雙線不等內徑頂管的間距取值，根據現有規范的規定，按后行管道的1倍間距取值是現有規程的基本做法，但如果是管道非中心平行對稱的，則應考慮后行頂管施工擾動對先行頂管地基土穩定性的影響。對于地基土穩定影響的初步判定，可根據文章提出的公式（1）進行計算，保證后行頂管施工時頂部卸荷擾動區不進入先行頂管的管道本體范圍內。

從工程方案角度來看，當存在大小不等口徑頂管施工時，優先考慮采用“管外底平齊”的布置方案，可將頂管施工本身的難度降至最小；同時，為了盡可能地減小后行頂管施工對先行頂管的擾動影響，可采用文章提出的公式（1）計算得到凈距離和1倍管道外徑的最大值，然后進行擾動控制。

3 頂管工作井的優化設計

頂管井的空間需求包含兩個方面，即頂管施工階段的空間需求和作為電纜通道構筑物關鍵節點的空間需求。為了便于處理施工過程中的設備安裝、渣土處理等問題，雙線頂管的掘進機械選型一般都盡可能相同，即都采用泥水平衡式或土壓平衡式。

3.1 頂管施工時工井的空間需求分析

對于雙線平行但不等口徑頂管共用的頂管始發井，井的長度仍然由掘進機械長度較長的頂管控制；頂管井的深度則由管道覆土厚度及其相應的操作空間決定，為了減小施工難度，可將不等內徑頂管的外底部設為相平，此時，頂管始發井的深度就由口徑較大頂管的交叉穿越要求控制。

對于始發井的寬度，取決于兩根管道之間的凈距離、管道內徑及管道外側的施工操作空間。當始發工作井深度不大于10m時，兩根不同口徑的頂管外側與井之間的距離必須滿足管外單側凈寬度為1.0～1.2m的要求；當井深大于10m時，則需要預留的凈寬度為1倍管道的外徑加上1.0～1.2m，可采用以下公式計算井寬：

當頂管井底深不大于10m時，井寬B1的計算公式如下：

當頂管井底深大于10m時，井寬B2的計算公式如下：

3.2 雙艙分隔頂進工井的布置

在部分工程中，為了滿足管道使用階段的空間需求或通道內的消防要求，需要將2個頂管分隔為獨立的空間，此時需要在始發井內的2個頂管之間設置一道隔墻。對于分艙施工和敷設高壓電纜的頂管，可以采用在頂管施工完成后在井內砌筑分隔墻的做法，也可以采用直接將沉井作為雙艙頂管始發井。對于設置1個大井室后砌筑隔墻的做法，其頂管始發井設計時的空間需求與一般井無異，主要是隔墻砌筑后需要考慮通風、上下人員和消防的空間需求；對于通過鋼筋混凝土隔墻分隔后設置2個獨立艙室的始發井，則可將其視為將2個獨立頂管工井進行拼接得到。雙線不等內徑頂管井分隔布置方案示意圖如圖4所示。

圖4 雙線不等內徑頂管井分隔布置方案示意圖（單位：mm）

頂管井平面長度由頂管機具及其始發配套設備的基本空間需求決定；工井平面寬度由兩個獨立頂管工井所需拼接空間決定，此時后行頂管與先行頂管的水平向凈距離為2.86m，大于1倍后頂進管道的外徑為1.68m，也大于根據公式（1）計算得到的1.20m，滿足后行管道頂進施工對先行管道施工影響的控制要求。

4 結論

文章以寧波市某多回路110kV、220kV高壓電力電纜共溝分艙敷設過河段頂管為例，分析了雙線不等內徑平行頂管及其始發井的優化布置方案，得出了以下結論：

（1）為了減小后行頂管頂進對先行頂管擾動影響，2根管道之間水平間距的大小應能保證后行頂管頂部的卸荷擾動區域不進入先行管道本體的保護范圍之內；

（2）后行頂管與先行頂管的凈距離計算與管道外徑、土體等代內摩擦角、平行管道中心高程差有關，最小安全凈距離可采用前述四個參數間的幾何關系計算得到；

（3）為了便于頂管施工，對于雙線不等內徑平行頂管工程應采用口徑“先大后小”的施工順序，同時優先考慮2根管道“管外底平齊”的橫剖面布置方案，管道間的最小凈間距可根據后行頂管施工擾動卸荷影響范圍確定；

（4）頂管始發井的空間布置需要考慮頂管施工操作的空間要求和頂管使用階段的空間要求，也需要考慮雙線不等內徑平行頂管施工擾動相互影響的基本凈距要求。