超長距離鋼頂管頂力設計探討

叢海洋，彭夏軍

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

頂管法施工在市政給排水工程中應用非常普遍，頂管一次頂進長度也屢創新高。目前設計人員在計算頂力時往往依據現行的行業標準和地方標準，但在本項目的工程實際中發現，按照規范計算所得的頂力數值與現場實際測量的頂力數值存在一定偏差，特別是在摩阻系數的選取上。頂管施工中注漿一是起潤滑作用，將管道與土體間的摩擦變為管道與觸變泥漿的摩擦，泥漿套的形成減小了管道頂進時的摩擦阻力[1]。王雙等[2]根據土-泥漿-頂管三者的不同作用情況，施工中泥漿套形態分為漿液滲透形態、管段下沉形態、管段懸浮形態、管段上浮形態與管段水平偏轉形態，并針對直線頂管中常見的3 種泥漿套形態分別給出了不同的摩阻力計算公式。如何選定相關參數，對超長距離頂管的頂力計算、中繼間設置、縱向穩定、管道壁厚等都有十分關鍵的意義。

1 工程概況

背景工程為市政取水、輸水工程，自陽澄中湖取水，沿滬寧高鐵穿越陽澄西湖等至相城區某水廠，設管徑為計2×DN1800（局部2×DN2000）。工程地理跨度廣，建設路徑上有道路、湖泊、河流等障礙。管道穿越障礙均采用頂管方案穿越，頂管埋深約6～12 m，穿越土層有蘇州地區典型黏性土、砂土，且部分位于承壓水層中。頂管管材為鋼管，工具管為泥水式頂管機，管壁與土體間采用觸變泥漿減阻。各段頂管設計情況見表1。

表1 頂管設計情況匯總

2 頂力計算

本文以長度2 686 m 段頂管為例，本段頂管管道的設計直徑為2×DN2000，壁厚24 mm，頂管設計中心標高-9.0 m，埋深約11 m，頂管穿越土層為⑤粉質黏土夾粉土、⑥粉土夾粉砂、⑦粉砂。管位大部分位于陽澄西湖湖區內，湖面水位標高約1.36 m。工程施工中采用觸變泥漿減阻，設計時根據行業規程[3]給出的頂力計算公式計算。設計人員在計算頂力時選取了行業規程[3]中給出的管壁與土體的平均摩阻力3.5 kPa，并根據該數據計算出中繼間等相應參數。通過計算得到，單節管道能承受的最大允許頂力為8 663 kN，不選用中繼間的管節全長計算阻力為61 000 kN，而通過計算所得頂管井允許頂力值遠遠大于管節所能承受的頂力。因此，最終設計取允許頂力為8 500 kN，并設置多個中繼間。

3 頂力實測

頂管現場實際配置的觸變泥漿主要由膨潤土、純堿、羧甲基纖維素鈉（CMC）、水組成，各成分的配合比為1∶0.05∶0.012∶5.5，注漿壓力在0.18 MPa。在正常頂進過程中，管節內設置的數個中繼間并未開啟，現場實測的左線、右線的頂管頂力、管道側摩阻力與頂進距離數據如圖1 至圖4 所示。

圖1 左線頂力隨頂進距離變化曲線

從圖1 可以發現，左線頂管在頂進前段的500 m區間內，頂管頂力隨頂進距離的增加而增加，頂力絕對值接近5 000 kN；在頂進長度為500～2 000 m 的區間范圍內，頂管頂力基本保持在5 000 kN 上下；當頂進距離超過2 000 m 時，頂力再次有所增加，頂力絕對值達到6 000 kN。從圖2 可以發現，左線頂管管道側摩阻力隨著頂進距離的增加呈下降趨勢，在350 m 附近，管道側摩阻力數值在1.0 kPa 上下，在800 m 之后直至2 686 m，管道側摩阻力數值基本位于0.5 kPa 左右。

圖2 左線側摩阻力隨頂進距離變化曲線

從圖3、圖4 可以發現，右線頂管的頂管頂力、管道側摩阻力在趨勢、數值上基本與左線相近。圖中個別數據拐點為頂管經暫停后重新啟動的瞬時頂力，管道靜置時間超過2 d 后，啟動時的頂進阻力明顯增加。該數值對頂進順利實施至關重要，但管道一旦啟動，頂進阻力會明顯下降。在其他幾段頂管內，管道的側摩阻力基本上在0.5 kPa 左右，其中12號頂進區段單管最大頂力為5 800 kN，8號頂進區段的單管最大頂力為5 500 kN，均小于設計階段所計算的設計頂力。

圖3 右線頂力隨頂進距離變化曲線

圖4 右線側摩阻力隨頂進距離變化曲線

需要說明的是，圖1、圖3 中在頂進末段均存在幾處突變峰值。導致數據突變的主要原因是頂管頂進暫停后重新啟動的瞬時頂力較大，而非正常頂進的頂力。

4 對比分析

采用觸變泥漿減阻，現行標準規范對管壁與土體的平均摩阻力數值有詳細規定，當頂管管材為鋼管時，從表2 可以看出，行業規程[3]給出的管壁與土的平均摩阻力的數值為3～4 kPa，上海市設計標準[4]中給出的參考值為2～4 kPa，上海市施工標準[5]中給出的參考值為2～7 kPa，安徽省頂管規程[6]中給出的參考值為3～4 kPa，均與工程實際測得的數據有一定差別。

表2 地勘土體參數

從表2 可以發現，規范給出的最小摩阻力為2 kPa。若按照此值計算，當頂管頂進長度為2 686 m時，計算所得的頂進阻力為35 550 kN，根據管道截面計算所得允許頂力為6 500 kN。由于管道自身強度不足，此時需設置中繼間。若采用施工實際測得的摩阻力計算，即摩阻力取值為0.5 kPa，那么該段頂管的總阻力為9 600 kN，總頂力大大減小，此時可優化管道壁厚或減少中繼間數量，從而降低工程造價。

5 結 論

在軟土地區長距離頂管工程中，采用觸變泥漿減阻技術已非常成熟，多數施工單位有能力控制好管道外壁的側摩阻力。通過對比分析現場實測數據與各規范條文，本文認為：

（1）在頂管工程設計過程中，按現行標準規范選取鋼管管壁與土體的側摩阻力數值略較保守，不能反映施工過程中的真實情況，設計人員可依據當地成功的工程案例，對采用觸變泥漿減阻的鋼管管壁與土體的平均摩阻力取值上可作優化，取值可在0.5～1 kPa 之間，從而優化管壁厚度、中繼間數量等關鍵參數。

（2）今后規范在修編過程中可對采用觸變泥漿減阻的管壁與土體的平均摩阻力取值稍作調整，特別是鋼管與土體的平均摩阻力，以便對實際工程設計有更好的指導作用。

（3）頂管施工頂進過程中，不可避免地要發生過程中斷的情況，一旦中斷時間較長，啟動時的頂進阻力將明顯增大，該值的大小決定了中繼間的設置數量和是否啟動中繼間。因此，從施工角度出發，中繼間必須按要求設置。但中繼間是否開啟，可根據實際情況確定。

本文以陽澄湖地區數段頂管的成功案例為基礎進行討論，討論中并未深入研究管道與土體間的力學作用，也未討論規范中頂力計算公式的其他參數，僅從設計角度對采用觸變泥漿的鋼管管壁與土體的平均摩阻力參數上提出見解，希望對設計人員在今后的頂管設計中有一定的借鑒意義。