市政管道工程中頂管工作坑的設計與施工技術

李 濤

（石嘴山市星凱建筑安裝有限責任公司，寧夏 石嘴山）

在城鎮化背景下，市政管道工程的數量和規模不斷增加，在工程施工中大多選擇頂管法，其特點是不需要開挖面層，不影響交通、不破壞環境，并且在節約工期、控制成本等方面也有顯著優勢。開挖頂管工作坑是進行頂管施工的首要環節，由于工作坑的深度可以達到數米甚至是數十米，如何保證頂管工作坑在開挖和使用過程中不會出現臨空面滑塌的情況，成為施工管理的重中之重。因此，要結合工程地區的水文地質特點和頂管施工要求，展開科學設計和加強施工管理，保證頂管工作坑能夠滿足施工要求。

1 工程概況

某市政管道工程總長度5.2 km，沿城市主干路呈南北向分布，規劃斷面為三幅路型式。地質勘察結果表明，施工區域有3 個土層，自上而下分別是雜填土（0.6～1.7 m）、淤泥質土夾砂（2.5～6.5 m）、黏土（0.7～16.1 m）。地下水為-19.3 m，未發現不良地質，土壤力學性質見表1。采用人工掘進頂管施工，為確保頂管作業順利開展，需要提前開挖頂管工作坑。

表1 土層參數

表1 各土層的力學物理性質

2 頂管工作坑的設計

2.1 尺寸設計

市政管道工程中使用的頂管工作坑有圓形、長方形、多邊形等幾種，在直線頂管或者兩段交角超過150°的折線頂管中，多選擇長寬比為3:2 的長方形工作坑；在兩段交角小于120°，或者工作坑較深時，選用圓形工作坑[1]。本工程的頂管施工中選擇長方形工作坑，尺寸計算公式如下：

D ＝ d +2S

L ＝ m1+ m2+ m3+ m4+m5

式中，D 和L 分別表示長方形工作坑的寬度和長度；d表示頂管直徑；S 表示操作寬度；m1表示頂管后管尾與導軌的重疊長度；m2表示頂管長度；m3表示出土工作間長度；m4表示液壓缸長度；m5表示后背所占工作坑長度。將各項數據帶入上式后，求得污水頂管工作坑的長與寬，長為8.7 m，寬為6.1 m。

2.2 凈深度設計

頂管工作坑的深度計算公式為：

H = h1+ h2+h3

式中，H 表示頂進坑地面到坑底的深度，h1表示從地表到管道底部的深度，對于污水頂管工作坑取8.5 m；h2表示從管道底部到軌道底面的深度，這里取0.2 m；h3表示墊層厚度，這里取0.5 m。具體如圖1 所示。

圖1 頂進工作坑深度示意圖

2.3 支護方式的選擇

按照深度的不同，將工作坑分成圍堰式、淺槽式和支撐式3 種類型。其中，支撐式工作坑具有適用范圍廣、不受地下水位影響等特點，適用于挖掘深度在10 m 以內的情況。本工程開挖的頂管工作坑即為支撐式工作坑，考慮到開挖深度較大，為了避免工作坑開挖過程中臨空面出現側向滑移、坍塌等問題，需要采取必要的支護措施，保證現場作業和工程質量的安全性。初步擬定的支護方案有2 種，分別是水泥攪拌支護和拉森鋼板樁支護。水泥攪拌支護的優點在于適合機械作業，但是缺點也比較明顯，在地下水豐富的地區容易出現樁體變形等問題，并且施工周期長。拉森鋼板樁支護適用于淺水區域，可同時發揮擋土、防滲功能，并且通過設置支撐的方式極大的提升了鋼板樁的穩定性。除了止水效果好、抗側壓力強等優勢外，拉森鋼板樁中的鋼板可回收利用，在經濟效益和環保效益上也有一定優勢。因此，結合頂管工作坑的結構特點以及現場施工環境，綜合對比后本工程中選用了12 m 拉森IV 型鋼板樁支護[2]。

2.4 污水頂管工作坑的支護驗算

2.4.1 側向土壓力計算

結合上文分析，本工程中污水頂管工作坑的尺寸為：8.7 m×6.1 m×8.5 m。結合不同斷面的土層發育情況，分別求得不同土層的參數，并以土層厚度的加權平均確定最終結果。由巖土力學相關理論可知，在斷面處土層的容重幾乎沒有變化，側壓力系數只受到粘聚力和內摩擦角兩項因素的影響[3]。按照上述方法得到加權平均后的土層參數，統計結果見表1。

水文地質勘察結果表明，本工程地下水位在污水頂管接收井下方，計算時可以不考慮水壓的影響。則側向土壓力（Q）的計算結果為：

Q = γ× h×λ

式中，γ 表示地面堆載，這里取20 MPa；h 表示污水頂管工作坑的深度，本工程中為8.5 m；λ 表示側壓力系數，由表1 可知取0.37。將各項數據帶入上式后，可以求得在地面堆載壓力為20 MPa 時，污水頂管工作坑臨空面所受的側向土壓力為62.9 kN/m2。

2.4.2 鋼板樁整體穩定性驗算

為了驗證該壓力環境下污水頂管工作坑結構是否穩定、安全，本文使用“瑞典條分法”進行鋼板樁整體穩定性計算。設土條寬度為1.0 m，驗算簡圖如圖2所示。

圖2 鋼板樁整體穩定性驗算簡圖（單位：m）

滑裂面數據：圓弧半徑R為11.105 m，圓形坐標為（-1.505,4.624），整體穩定安全系數為1.539。根據抗傾覆安全系數（Ks）計算公式：

式中，Mp表示被動土壓力及支點力對樁底的彎矩，Ma表示主動土壓力對樁底的彎矩，將各項數據帶入后，求出Ks的值。

根據 《 建筑基坑工程技術規范》（DBJ04/T306-2014）中的規定，抗傾覆安全系數的標準值為1.200，本工程中Ks=1.268＞1.200，故滿足規范要求。

3 污水頂管工作坑的施工技術

3.1 施工準備

根據劃定的頂管工作坑施工區域，使用挖掘機、推土機等設備進行場地平整。參考施工圖進行現場測量放樣，標明施工區域控制點。準備施工所用材料，本工程中選用12 m 拉森IV 型鋼板樁，寬度400 mm、高度170 mm、厚度15.5 mm，圍檁和橫撐均使用350×350 的H 型鋼。進行產品質量檢查，確認拉森鋼板樁與橫撐等構件均符合施工要求，并且鎖口涂油脂后進行打樁施工。對于鎖口有明顯變形或者銹蝕嚴重的，一律不得使用。有輕微彎曲變形的，要使用千斤頂等工具進行矯正后方可使用。

3.2 打入鋼板樁

按照施工圖上標記的順序，采用“單樁打入法”逐塊插打。駕駛員用吊車將鋼板樁吊起，勻速移動至樁位上，在現場施工人員的配合下保證鋼板樁的位置和方向精確，然后將拉森鋼板樁插打至設計標高。打樁設備為VH-3000 液壓振錘打樁機，激振力220 kN。插樁時注意將鎖口對準，每插入一塊，立即套上樁錘施打。鋼板樁施工流程如圖3 所示。

圖3 鋼板樁施工流程示意圖

3.3 安裝腰梁和內支撐

鋼板樁打入到設計標高后，施工人員清理鋼板樁內側泥土，保持平面整潔。在距離鋼板樁頂部50 cm處，橫向布置一條與鋼板樁同等長度的350 的H 型鋼，作為腰梁。腰梁與鋼板樁之間采用焊接方式連接固定，沿腰梁高度每隔3 m 左右布置一道支撐梁。

3.4 土方開挖

完成上述支護措施后，開始進行污水頂管工作坑的開挖作業。土方開挖基于“自上而下、對角開挖”的原則，保留長方形頂管工作坑對角線相交部位的核心土。考慮到工作坑深度較大，本工程分兩層開挖，第一層開挖深度為4.0 m，第二層開挖深度為4.5 m。將土方及時清運出工作坑后，使用工具整理工作坑的四周墻壁，使其平整。重復上述步驟，直到達到設計深度[4]。開挖至設計深度后，將工作坑底部整平，并澆筑混凝土墊層，平均厚度在10 cm 左右，保證混凝土墊層延伸到圍護樁處。在頂管工作坑開挖過程中，使用水準儀和經緯儀做好監測。將監測點布置在拉森鋼板樁的頂部，等間距布置5 個監測點。土方開挖后每日采集兩次監測數據，并繪制位移- 時間變化曲線圖。1 天內鋼板樁的位移量超過20 mm 時應立即中止施工，并加強支撐，確定工作坑穩定后再繼續作業。

3.5 鋼板樁回收

頂管工作坑回填后，將鋼板樁拔出，實現回收利用。拔出鋼板樁時，首先用打樁機夾住樁頭，通過有規律的振動讓鋼板樁與周圍土體之間產生間隙，從而降低拔樁時的摩擦阻力。大約振動1 min 后，停止振動并嘗試向上提起鋼板樁。如果發現拔起困難，不可強行拖拽，而是要繼續振動一段時間，再次嘗試拔樁，重復此步驟直到鋼板樁能夠輕松拔出。鋼板樁順利拔出后，對于留下的樁孔要及時回填石屑。

4 結論

在市政管道工程的頂管施工中，保證頂管工作坑的設計合理、結構穩定，能夠為頂管作業創造良好條件。在頂管工作坑的設計中，除了要根據市政管道工程的施工需要確定工作坑的長度、寬度、深度等基本參數外，還要進行支護驗算擬定支護方案，保證支護達標，防止工作坑臨空面在受到土體側壓力后發生滑塌的情況。在打入鋼板樁并安裝安裝腰梁和內支撐后，開始進行頂管工作坑的開挖，期間做好監測。頂管工作坑回填后拔出鋼板樁，實現循環利用，兼顧了工程效益和環保效益。