大口徑排水頂管在山地城市的應用

向建鵬

（重慶市勘測院，重慶市 401121）

0 引 言

在市政排水工程中，頂管工法相較于傳統(tǒng)開槽工法具有對道路交通影響小、地下管網(wǎng)遷改量少、征地拆遷少等優(yōu)點，在穿越山地地區(qū)更具有土石方開挖工程量少的顯著優(yōu)勢，有利于保護山水本底，具有良好的經(jīng)濟和生態(tài)效益，有利于推動實現(xiàn)人與自然和諧共生。

1 工程概況

1.1 工程概況

本項目位于重慶市大渡口區(qū)金鰲山，因北側(cè)道路規(guī)劃雨污水排出口受限，需將管徑為DN1200 的雨水和管徑為DN400 的污水由北引至南側(cè)市政預留排水接口處。道路東側(cè)地勢較高，為金鰲山非建設用地。道路西側(cè)地勢較低，為在建的開發(fā)商地塊，用地條件局促。如圖1 所示排水管道由北向南敷設，需要穿越兩處高度超過20 m 的山脊，頂管中段為最不利點，其覆土深度為6 m，故設計考慮采用頂管工法。方案將雨污水管道共溝敷設，采用管徑為DN2400 的鋼筋混凝土鋼承口接頭的頂管專用管道，管壁厚度為230 mm，混凝土強度等級C50，單次頂進長度為311 m。

圖1 項目平面圖

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)設計方案分析，頂管管底標高為301.121～298.161 m，覆土深度約6～29.2 m 不等，管道均位于中風化巖石內(nèi)，圍巖巖性主要為砂質(zhì)泥巖，中風化巖體厚度0～22.0 m，圍巖等級為IV 級。地下水類型為基巖裂隙水，依據(jù)勘察結(jié)論：工程范圍的基巖內(nèi)地下水不發(fā)育，場地基巖裂隙水貧乏。擬建場地地質(zhì)條件較好，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象和不良地質(zhì)作用，以及對工程不利的埋藏物。

本項目頂管計算參數(shù)取值見表1。

表1 計算力學參數(shù)

2 頂管受力計算

2.1 管道總頂力估算

依據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246:2008）[1]，管道總頂力估算公式:

式中:F0為總頂力標準值，kN；D1為管道外徑，m，取2.86 m；L 為管道設計頂進長度，m，取311 m；fk為管道外壁與土的平均摩擦阻力，kN/m2，采用觸變泥漿減阻，本工程穿越砂質(zhì)泥巖，形成穩(wěn)定的泥漿套時可取3kN/m2[2]；NF 為頂管機的迎面阻力，kN。

采用大刀盤切削的泥水(土壓)平衡式頂管機，頂管機迎面阻力計算公式：

式中：Dg為頂管機外徑，m，一般大于管道外徑約2～6 cm，取2.9 m；γs為土的重度，kN/m3，取25.6 kN/m3；Hs為覆蓋層厚度，m。

本項目頂管穿越砂質(zhì)泥巖厚度最大為29.2 m，依據(jù)詳細地質(zhì)勘察，該砂質(zhì)泥巖為穩(wěn)定土層，可以考慮頂進管節(jié)時在頂管上方形成“土拱效應”，在考慮“土拱效應”情況下，作用在管道上的垂直土壓力并不是上覆土體自重，主要為拱頂下松弛層厚度的土體自重，拱頂以上穩(wěn)定土層直接作用在管頂上的垂直土壓力較小可忽略。

故可認為頂管頂上覆蓋層計算厚度為拱頂松弛層厚度，該厚度計算可采用太沙基松弛土壓力公式計算[3]：

式中：H's為松弛層厚度，m；D1為管道外徑，m，取2.86 m；φ 為土體內(nèi)摩擦角，°，取37°；H 為覆土層厚度，m，取最大覆土層29.2 m；K 為靜止土壓力系數(shù)，由泊松比μ 計算得K=0.612 9。

計算得到H's約為6.13 m，Hs取7 m。代入式（2），計算得到頂管機迎面阻力NF約為1 183 kN。代入式（1），估算管道總頂力F0為9 562 kN。

2.2 鋼筋混凝土管道允許頂力計算

鋼筋混凝土管頂管傳力面允許最大頂力可按式（4）計算：

式中：Fdc為混凝土管道允許頂力設計值，N；φ1為混凝土材料受壓強度折減系數(shù)，φ1=0.90；φ2為偏心受壓強度提高系數(shù)，φ2=1.05；φ3為材料脆性系數(shù)，φ3=0.85；φ5為混凝土強度標準調(diào)整系數(shù)，φ5=0.79；Fc為混凝土受壓強度設計值，N/mm2；AP為管道的最小有效傳力面積，mm2；γQd為頂力分項系數(shù)，γQd=1.3。

選用頂管專用鋼筋混凝土管，管道混凝土強度等級C50，混凝土受壓強度設計值23.1 N/mm2。管道的最小有效傳力面積1.65×106 mm2，代入式（4），計算得到混凝土管道允許頂力Fdc設計值為14 988.6 kN，大于管道總頂力F0為9 562 kN。

依據(jù)估算結(jié)果分析，本項目DN2400 的鋼筋混凝土頂管，采用觸變泥漿減阻的措施條件下，在砂質(zhì)泥巖中一次頂進311 m 是基本可行的。

3 地表沉降數(shù)值估算

3.1 沉降原因分析

頂管掘進引起的地表沉降分布是三維的，隨機頭掘進而動態(tài)變化的。引起地面沉降或隆起的因素很多，主要有以下幾方面：

（1）工具管開挖引起的地層損失。

（2）掘進機具與土體、頂管管節(jié)與土體之間的摩擦力。

（3）頂進軸線的偏差和工具管的糾偏，對一側(cè)土體的擠壓，另一側(cè)則產(chǎn)生間隙，造成地層損失。

（4）掘進機前方土體的開挖和掘進機、管節(jié)外周空隙，造成土體產(chǎn)生徑向位移。

除此之外，地層損失還與工程地質(zhì)情況、頂管管徑、頂管機設備、操作技術(shù)水平、頂管縱向軸線垂直度以及頂管持續(xù)時間、注漿情況等很多不可預見的因素有關(guān)。因此很難精確計算頂管引起的地面沉降，一般對地面沉降計算只能估算。

3.2 沉降數(shù)值估算

沉降分析一般采用的peck 法估算公式，peck 法公式假定在土體不排水和體積不可壓縮的條件下，地層損失的體積等于沉降槽的體積，提出了估算頂管上方地表某點沉降的公式[4]:

式中：S（x）為頂管上方某點沉降量，m；X 為頂管軸線的橫向水平距離，m；Smax為頂進管道軸線上方的最大地面沉降量，m；Vs為頂管單位長度土體損失量，可根據(jù)土體損失率進行計算；I 為地面沉降槽寬度系數(shù)，m；D1為頂管外徑，m；VL為土體損失率，%，在采取注漿及壓力平衡法施工時，土層損失率一般為1%～3%。

對于i 取值，按照劉建航等[5]提出的公式計算:

式中：Hs為管頂至地面的覆土厚度，m；φ 為土體內(nèi)摩擦角，°，取37°。

依據(jù)管道縱斷面設計，取最不利覆土深度Hs=6 m，φ=37°，D1=2.86 m，VL=3%，分別代入式（5）～式（7），計算得i=5.945 m，可得理論Peck 公式為:

以最不利點覆土6 m，按照土體損失率3%，依據(jù)理論Peck 公式計算，得到沉降曲線如圖2 橫斷面地表沉降曲線所示。

圖2 橫斷面地表沉降曲線

其開挖斷面管軸中心處的最大沉降量為12.9 mm，滿足《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246:2008）公路沉降量不大于20 mm 的要求。

綜上所述，作為市政建筑工程的重要環(huán)節(jié)，地基施工質(zhì)量直接決定整個建筑工程的質(zhì)量和使用壽命，所以在具體的施工過程中，必須要重視地基處理技術(shù)的應用，嚴格按照安全施工工藝流程進行。同時根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況選擇合適的地基處理措施，嚴格監(jiān)控整個施工流程，從而保證地基施工質(zhì)量和建筑工程質(zhì)量。

值得注意的是，在管徑、覆土深度等確定的情況下，土體損失率的控制對于頂管工程的沉降控制尤其重要，故對施工設備、施工工藝、注漿工藝和操作技術(shù)水平提出了較高的要求。

4 影響頂力的主要因素分析和控制措施

4.1 影響頂力的主要因素

影響頂力的因素有：地層巖性、地下水位高低、管道自身情況、管道尺寸與埋深、注漿潤滑、中繼間設置、方向糾偏、管道超挖、頂進距離、施工停頓時間間隔、管道彎曲大小、施工技術(shù)水平高低等[6]。經(jīng)分析，影響本項目頂管頂力的主要因素如下：

（1）地層巖性

不同類型地層的巖土性質(zhì)與相同類型的管壁之間的平均摩阻力相差較大，粉細土與鋼筋混凝土管壁之間的平均摩阻力是巖石的3～5 倍。除了地層巖性導致的摩擦系數(shù)不同外，地層的自穩(wěn)定性也對頂力有巨大影響。若頂管穿越地層處土層能形成“拱頂效應”，則作用在頂管上的土壓力較小，反之則大。

（2）頂程、管道埋深、管道尺寸和管道自身狀況管道總頂力的大小與頂進長度L、管道外徑D、覆蓋層厚度Hs 成正比關(guān)系。同時，管道的自身狀況如管材類型、自重大小、外表粗糙程度、管道接頭類別等，均影響平均摩阻力大小。

（3）注漿潤滑

觸變泥漿的制漿工藝和注漿水平，直接決定了泥漿的黏性系數(shù)、泥漿套的完整性和穩(wěn)定性。若觸變泥漿配比不合理、注漿壓力不合理，均會影響泥漿減阻性能的發(fā)揮。

（4）頂進方向偏離

頂進過程中需要持續(xù)地對頂進方向進行修正，管道糾偏過程中致使管道外側(cè)土壓力不對稱分布，管壁會與巖層直接接觸，增大頂進阻力。

（5）施工停頓時間間隔

頂進施工停頓時間間隔時間過長，觸變泥漿靜置導致水分離析出來，致使減阻失效，重新頂進施工時頂力會增加。

綜上所述，頂管頂進阻力主要克服頂管機前端的迎面阻力和管壁的摩擦阻力。頂管機的迎面阻力主要與土體的自重和覆蓋層的厚度密切相關(guān)，在總阻力中占比相對較小，不隨頂進長度增加而增加。管壁的摩擦阻力與地層巖性、管材類型、管道外徑尺寸、泥漿減阻等密切相關(guān)，在總阻力中占比相對較大，隨頂進長度的增加而增加。尤其與地層巖性、注漿水平和施工技術(shù)密切相關(guān)。

4.2 主要控制措施

基于影響頂力的主要因素分析，本項目施工主要控制措施如下：

（1）合理選擇頂進路線，頂進線路均控制在砂質(zhì)泥巖中，巖體能形成良好的“拱頂效應”，可一定程度上減小頂進阻力。

（2）選擇外壁光滑、接口嚴密的頂進專用管道，并采取管外壁涂刷潤滑涂層的方式進一步減阻。

（3）采用觸變泥漿減阻。嚴格控制制漿工藝和注漿工藝，保證泥漿的減阻性能；合理選擇注漿壓力和布設注漿孔，以形成完整穩(wěn)定的泥漿套。

（4）嚴格控制頂進過程中的方向偏差和自轉(zhuǎn)偏差，以免管壁與土體直接摩擦接觸和大范圍擾動土體。頂進糾偏必須勤測量、多微調(diào)，糾偏角度應保持在10′～20′，不得大于1°，并設置偏差警戒線。

（5）嚴格控制吊裝管節(jié)等正常施工作業(yè)的停頓間隔時間，保證觸變泥漿的減阻性能，盡量避免非正常情況下的施工停頓。

頂管頂力計算為理論公式所得，實際施工中頂管頂力所受影響因素復雜多變，各種影響因素的影響作用很難量化[7]。建議施工過程中應實時監(jiān)測頂進過程中頂程與頂力的變化曲線，動態(tài)監(jiān)測頂進方向、調(diào)整頂力參數(shù)和注漿工藝等措施，保障工程順利實施。

5 結(jié) 語

本文以山地城市大口徑頂管工程應用為例，介紹了頂管頂力估算方法，為頂管管材選擇、頂管設備選型提供了參考。分析了地表沉降原因，介紹了沉降估算方式，提出在頂管施工中土體損失率的控制對于頂管工程的沉降控制尤其重要。同時，分析了影響頂力的主要因素，并提出了相應的施工控制措施，為其他類似項目設計及施工提供一定參考。