城市污水管道非開挖頂管施工技術研究

黃凱宇，史仁方

（常州市新北區奔牛鎮人民政府，江蘇 常州 213139）

城市污水管道建設是城市基礎設施的重要組成部分，是關系到居民生活的福祉工程，由于城市建設的迅速發展，許多原有的污水管道滿足不了現有城市居民生活的需求，需要新建、改建和擴建。然而，現代城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復雜，施工環境往往受到一定的限制。傳統施工工藝施工周期長、污染大，存在一定的社會風險，此時，采用頂管施工就顯示出無比的優越性[1]。它是眾多管道埋設施工技術中的一種，由于它不開挖或少開挖的施工方式，徹底解決了管道埋設施工中對道路交通擁堵和城市建筑物破壞的問題，在穩定土層、保護環境方面具有明顯優勢。該技術可以節省大量的征地拆遷費用，減輕環境污染，避免交通道路擁堵，具有顯著的經濟效益和社會效益[2-3]。

本文依托運南路污水管跨老孟河頂管施工項目，結合工程現狀選擇從橋臺樁基間隙中進行頂管施工，采用Plaxis有限元分析軟件對頂管施工過程中的樁土效應進行數值模擬，分析了施工過程中對鄰近橋臺樁基變形和內力的影響，表明了頂管施工方案具有可行性。

1 技術要點

1.1 前期準備

良好的設計施工交流是工程順利進行的重要保障。進行頂管施工前應熟悉施工圖紙，對相應的圖紙進行審查，掌握設計圖紙的意圖以及施工要求，并進行設計交底。本項目在實施調研之后更換了原有的設計線路，采取了更為合理的頂管施工方案。

合理的統籌安排，可以令施工事半功倍。提前規劃好施工時的交通組織、大的臨時構筑物的搭建、落實施工設備和材料，節約施工時間。本項目在施工期間封閉北半幅橋梁，保留南半幅10 m寬路面通行，封閉長度80 m，兩頭設置交通引導標志。

周全的施工組織，是工程安全質量的保證。編制施工組織設計，做好人員機械的安排以及相應的應急預案。

1.2 頂管工作井、接收井施工

工作井和接收井周圍的圍護結構形式根據現場實際情況，結合結構受力及施工要求等合理選型。當工作井埋置深度較淺、地下水位較低時，工程中大多選用鋼板樁或者SMW工法進行施工。當頂管埋置的位置較深時，工作井大多采用沉井或者地下連續墻的形式。當場地狹窄，施工不便，附近建筑物需要保護時，適宜選用鉆孔灌注樁或者地下連續墻。

此外，接收井的最小長度和寬度還應該滿足頂管機在井內進行拆除和吊出作業的要求。工作井、接收井的穿墻孔應設置止水裝置以防止滲水、漏水等隱患。止水裝置可以采用盤根止水、橡膠板止水和組合形式止水，在長距離頂管或承壓水土層中宜采用多道或組合式止水，在頂管施工作業結束時，對管道與穿墻孔之間的間隙應進行及時的二次封堵。

1.3 頂管施工過程

地表變形與多種因素有關，其中頂管機的選擇和開挖面的穩定性控制是影響地表變形的重要因素。

千斤頂的規格和數量應根據工作井的容許頂力和管段的容許頂力確定；安裝在支架上的千斤頂應對稱布置在管道軸線兩側，規格相同，其合力作用點應保持在管道中心的鉛垂線上。

頂鐵應具有高剛度、穩定性好的結構性能，與噴嘴的接觸面應墊有緩沖材料。

頂管測量應包括二次測量地面控制點和布設地面控制網、聯系測量、地下平面和高程測量以及竣工測量。井上和地下定向平面測量點應采用固定觀測墩的形式。頂管每前進100 m需要復查一次定向和導入高程測量，特別是在進入隧道前50 m時，至少增加3次復查測量[4]。每100 m高程控制點直至控制掘進的導線點和高程點，在距貫通面50 m時應從首級控制點開始至少測量3次，分析數據后，決定是否加測從首級控制點檢查井下的起始定向邊[5]。長距離頂管和曲線頂管應采用自動測量系統。

管道糾偏的測量依據為頂管機端部平面的中心偏差。但是，由于測點無法進入頂管機機頭，因此無法測量管端偏差，因此必須從測點計算管端偏差，作為校正的依據。通常狀況下，頂管有偏差是正常的。

采用網格形式泥水平衡頂管要進行泥水排放，并且通過管道運輸。土壓平衡頂管采用泥水轉化管道輸送，或污泥泵或輸送小車排放。具有一定含水量的粘土和粉質粘土可采用泥漿泵輸送。長距離頂管可采用接力泵開挖。如果條件允許，也可以用電動泵代替泥漿泵。用泥漿水排泥時，應設置泥漿沉淀池。

2 項目概述

2.1 工程概況

本項目設計的污水管道線路經過一座1990年修建的跨徑為25 m的剛架拱橋，原橋采用樁基礎橋臺。2000年由于原橋不能滿足交通現狀，拆除后新建一座空心板梁橋，橋梁跨度為30.5 m（10 m+12 m+8.5 m），橋臺利用原拱橋橋臺基礎，橋墩為鋼筋混凝土灌注樁基礎。初始設計管道路線需從橋外繞行，但是受制于橋兩側全部都是居民住房，拆遷代價大，施工周期長，社會風險巨大，后經反復調研，重新設計利用橋樁之間的空間實施頂管施工，如圖1所示。綜合考慮，只有W2與W3、E2與E3之間可供管道穿過，該位置孔道狹窄，又與樁基相鄰，給施工帶來了一定的難度。

圖1 頂管線路示意圖

2.2 計算原理

本次數值模擬選擇了Plaxis有限元分析軟件。該軟件考慮了土與結構的相互作用關系，采用Mohr－Coulomb土體本構模型模擬土的非線性、時間相關性和各向異性。采用獨特的方法計算靜水孔隙壓力和超靜孔隙壓力，因此可用于分析非飽和土的滲流問題。

2.3 計算模型

土體采用Mohr-Coulomb模型，計算中土體的重量、粘聚力與摩擦角、滲透系數由常州市東華巖土工程有限公司提供的《運河路（S239省道-奔發路）污水管道工程巖土工程勘察報告》得出，彈性模量根據大量類似工程的監測數據反演計算得到。

選取典型工程剖面進行計算，如圖2所示。計算模型采用15節點三角形單元模擬土體，鉆孔樁采用梁單元模擬，頂管采用板殼單元模擬，如圖3所示。頂管底埋深11.0 m（以橋臺頂面起算，橋臺高6 m），橋臺樁長20.0 m，典型土層參數見表1。

表1 典型土層參數

圖2 計算剖面關系圖

圖3 整體模型示意圖

2.4 頂管施工影響分析

由圖4（a）可知，橋臺周圍幾乎沒有受到頂管施工的影響，僅頂管周圍存在一定的擾動，具體深度方向為橋臺向下9 m距離，橫向影響區域擴散至相鄰樁體，如圖4（b）所示，總體最大位移為0.38 mm，隨著土層的深入，這種擾動影響更是逐步減小，可以忽略不計。這表明在頂進過程中，頂管施工對于橋臺周圍的土體擾動較小，較好地保證了橋臺的穩定性以及施工的安全性。

圖4 樁基總體位移云圖

圖5反映了頂管施工對于相鄰樁基的影響。圖5（a）為頂管施工過程中影響區域范圍內的相鄰樁基位移影響，隨著土層的深入，相鄰樁基的水平位移呈現一個先增大后減小的趨勢，位移最大處在靠近頂管的中部，僅0.2 mm。該結果表明，在頂管頂進過程中，頂管的頂推力作用與周圍土體的摩擦作用，會帶動相鄰的樁基產生一定的水平位移，其中與頂管距離越近的部分產生的擾動越大。頂管頂進過程中，還會產生相應的次內力，即會有附加彎矩的存在，從而使得相鄰的樁基受力變得更為復雜。圖5（b）為頂管施工過程中影響區域范圍內的相鄰樁基附加彎矩影響，在施工中產生的最大彎矩為56.1 kN·m，拉應力區呈標準三角形分布，壓應力區隨著土層的深入，呈現先增大后減小的趨勢，對于周圍的樁基擾動較小，施工也較為安全。施工結果表明，數值模擬結果科學合理，頂管施工方案順利地完成了施工要求，起到了較好效果。

圖5 相鄰樁基響應

施工完成后對橋臺高程進行監測，發現橋臺沒有沉降，達到了較好的經濟效益和社會效益。

3 結束語

本文結合實際工程對城市污水管道非開挖頂管施工進行了分析研究，在總結現有頂管施工技術關鍵點的基礎上，通過有限元軟件對下穿樁基的頂管施工進行了分析研究，主要結論如下：

（1）本次有限元模擬較好地反映了頂管施工過程的真實情況以及對橋臺樁基的影響。管體下穿橋梁樁基時，最大擾動區域在管徑周圍深度方向。

（2）整個頂管施工對橋臺的影響很小，可以忽略。

（3）頂管施工過程中引起的總位移僅0.38 mm，相鄰橋臺樁基的水平位移僅0.2 mm，附加彎矩僅56.1 kN·m，樁土作用效應作用較小，對于相鄰樁基的擾動與影響在容許的范圍之內。