常規(guī)頂管工程設(shè)計(jì)的探討

王成

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安 223005）

頂管技術(shù)是一種非開(kāi)挖敷設(shè)管道技術(shù)。該施工方法的原理是：所要頂進(jìn)的管道在主頂工作站的作用下（有時(shí)需要中間站或中繼站輔助），由始發(fā)井始發(fā)，頂進(jìn)至目標(biāo)井；施工過(guò)程中，通過(guò)位于第一節(jié)管道的可控頂管機(jī)破碎巖土，實(shí)現(xiàn)直線或曲線頂進(jìn)；頂管機(jī)的操作和控制可以直接在地下的工作現(xiàn)場(chǎng)由操作人員來(lái)完成，巖土的破碎方法可以在工作面上通過(guò)手工、機(jī)械或者水力的方法進(jìn)行分步破碎來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)機(jī)械全斷面破碎來(lái)實(shí)現(xiàn)；破碎下來(lái)的巖粉或泥土通過(guò)壓力墻上的進(jìn)土口進(jìn)入頂管機(jī)，并通過(guò)已鋪設(shè)好的管線運(yùn)至地表。

頂管施工不需要開(kāi)挖地面，不破壞地面構(gòu)筑物和地下管線及公路、鐵路、河道；施工周期短，施工對(duì)周遭的干擾小。是一種無(wú)污染、高效率的施工技術(shù)，相比傳統(tǒng)的溝埋式管線施工方法，可以節(jié)省大量投資和時(shí)間。

1 頂管設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

1）地質(zhì)資料。包括沿線的地質(zhì)分層、各層土體物理力學(xué)指標(biāo)、土層地震液化的判別、地下水位、水質(zhì)等；要查清流沙、軟淤土、硬結(jié)石土層等不良土層的分布范圍和特性；查清承壓水的分布和特征值。

2）地形資料。包括頂管穿越范圍內(nèi)的建筑物、鐵路、公路、河、湖的具體位置，分布范圍，查清建筑物以及道路的基礎(chǔ)埋置深度，河（湖）水位及水深特征高程等。

3）地下管線及障礙物資料。查明施工場(chǎng)地和可能受施工影響的區(qū)域，有無(wú)已鋪設(shè)的地下管線（包括給排水、燃?xì)?、熱力、工業(yè)等各種管道以及電力和電信電纜），如有，則查明地下管線的平面位置、走向、埋深（或高程）、規(guī)格、性質(zhì)、材質(zhì)等以及每條管線的鋪設(shè)年代和產(chǎn)權(quán)單位。以便保護(hù)已有地下管線，防止施工時(shí)造成對(duì)管線的破壞。

4）流量及水文資料。確定管道在各種工況下的過(guò)流流量，上下游水位組合。

2 頂管設(shè)計(jì)工作內(nèi)容

2.1 頂管管徑及管材設(shè)計(jì)

頂管管徑根據(jù)管道的設(shè)計(jì)過(guò)流能力確定，管徑不宜太小，較小管徑管內(nèi)操作空間較小，施工較為不便；也不宜太大，較大的管徑要求頂推力大，對(duì)頂管設(shè)備的要求比較高。常見(jiàn)的頂管管徑在1～3 m之間。如計(jì)算所需的管徑較大，可考慮布置2根或多根管道同時(shí)頂進(jìn)。

頂管常用的管材有鋼筋混凝土管，鋼管和玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管。管材的選擇應(yīng)根據(jù)管道用途、管材受力特性、當(dāng)?shù)夭少?gòu)或制作條件的具體情況來(lái)考慮。

2.2 頂管軸線布置

頂管平面布置包括管軸線平面布置和頂管管位（管線高程）布置。

頂管可以直線頂進(jìn)，也可以曲線頂進(jìn)。在滿足工程規(guī)劃的前提下，管軸線的平面布置，應(yīng)考慮兩方面因素，一是不通過(guò)活動(dòng)性地震斷裂帶；二是盡可能在平面上避開(kāi)地下障礙物。同時(shí)頂進(jìn)的幾根平行管道之間應(yīng)有足夠的凈距。

頂管管位選擇有以下幾方面的因素需要考慮：

1）應(yīng)注意避開(kāi)地下障礙物。

2）管頂應(yīng)有足夠的覆土厚度，以保證施工時(shí)不影響地面建、構(gòu)筑物的安全。

3）應(yīng)注意避開(kāi)不宜進(jìn)行頂管施工的土層，盡可能避開(kāi)對(duì)頂管施工有不利影響的流沙、軟淤土、硬結(jié)石土層等不良土層。

4）有承壓水時(shí)要分析承壓水對(duì)頂管施工的影響。

5）穿越河道時(shí)，應(yīng)布置在河床一定深度以下。

2．3 工作井、接收井的布置

在頂管施工中，必須在一次頂進(jìn)的管道兩端設(shè)置工作井和接收井。工作井是安放所有頂進(jìn)設(shè)備的場(chǎng)所，也是頂管掘進(jìn)機(jī)或工具管的始發(fā)地，同時(shí)又是承受主頂油缸反作用力的構(gòu)筑物。接收井則是接收頂管掘進(jìn)機(jī)或工具管的場(chǎng)所。

工作井和接收井的布置應(yīng)遵循以下幾條原則：

1）一次頂進(jìn)的長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，不應(yīng)超過(guò)周邊頂管施工企業(yè)的能力。

2）避免對(duì)周圍建、構(gòu)筑物和設(shè)施產(chǎn)生不利影響。

3）要滿足工程地形條件、交通、電力、水利等行業(yè)管理要求等制約因素，對(duì)工作井（接收井）布置的限定條件。例如穿越寬闊河道的頂管，工作井的布置不能布置在河道內(nèi)，布置在河堤范圍內(nèi)要得到有關(guān)管理部門(mén)的許可……。

4）應(yīng)考慮施工組織的便利，選擇靠近電源、水源，便于運(yùn)輸、排水的位置等。

5）根據(jù)實(shí)際需要和降低施工成本等方面的考慮，選擇頂管的頂進(jìn)形式（常見(jiàn)的頂進(jìn)形式可分為單向頂進(jìn)、雙向?qū)禹斶M(jìn)、調(diào)頭頂進(jìn)、多向頂進(jìn)等幾種）,工作井和接收井根據(jù)確定的頂進(jìn)形式進(jìn)行布置。

6）考慮利用管線上其它建筑物的結(jié)構(gòu)，如利用管線上泵站的泵室作為頂管的工作井（接收井）。

2．4 工作井和接收井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作井形狀一般有矩形、圓形、腰圓形、多邊形等幾種，其中矩形工作井最為常見(jiàn)，較深的工作井也一般采用圓形，且常采用沉井法施工。接收井通常選用矩形或圓形。

工作井（接收井）按其結(jié)構(gòu)可分為鋼筋混凝土井、鋼板樁井、地下連續(xù)墻井等。在土質(zhì)條件好、總頂推力不大和井底不深的情況下，工作井（接收井）可采用水泥攪拌樁臨時(shí)支護(hù)或放坡開(kāi)挖式，但需在工作井中需澆筑一堵后座墻。

工作井的控制尺寸包括井的最小長(zhǎng)度、最小寬度及井的最小深度，設(shè)計(jì)時(shí)考慮頂管施工要求，按照頂管的管節(jié)長(zhǎng)度、管節(jié)外徑、頂管機(jī)尺寸、管底高程等參數(shù)確定。

接收井的控制尺寸包括井的最小長(zhǎng)度、最小寬度，設(shè)計(jì)時(shí)考慮頂管機(jī)外徑、長(zhǎng)度、頂管機(jī)在井內(nèi)拆除和吊裝的需要以及工藝管道連接的要求等有關(guān)參數(shù)確定。

工作井（接收井）的結(jié)構(gòu)計(jì)算可根據(jù)井的結(jié)構(gòu)形式，參照有關(guān)的規(guī)范及參考書(shū)計(jì)算，計(jì)算工作井時(shí)，需計(jì)算頂管施工時(shí)頂推力對(duì)井身結(jié)構(gòu)的影響。

2．5 頂管的結(jié)構(gòu)計(jì)算

頂管的結(jié)構(gòu)計(jì)算主要包括下列內(nèi)容：

1）頂推力的估算。計(jì)算完成一次頂進(jìn)過(guò)程（從工作井至接收井）所需的最大頂推力。如估算的總頂推力大于管道允許頂力工作井允許頂力時(shí)，需設(shè)置中繼間或增加減阻措施。

2）管道允許頂力。計(jì)算管頂傳力面允許的最大頂力。

3）管道強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算管壁截面的最大環(huán)向應(yīng)力、最大縱向應(yīng)力、最大組合應(yīng)力等。計(jì)算的應(yīng)力應(yīng)小于有關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許值。

4）管壁穩(wěn)定驗(yàn)算。計(jì)算柔性管道（鋼管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管等）管壁截面失穩(wěn)臨界壓力。計(jì)算的臨界壓力應(yīng)小于有關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許值。

5）管道豎向變形驗(yàn)算。計(jì)算柔性管道（鋼管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管等）在地面荷載等豎向荷載作用下產(chǎn)生的最大長(zhǎng)期豎向變形，其變形量應(yīng)不影響管道的正常使用。

6）鋼筋混凝土管道裂縫寬度驗(yàn)算。計(jì)算鋼筋混凝土管在長(zhǎng)期效應(yīng)作用下，處于大偏心受拉或大偏心受壓狀態(tài)時(shí)，最大裂縫寬度，其計(jì)算值應(yīng)小于有關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許值。

2．6 頂管的施工組織設(shè)計(jì)

頂管工程的施工組織設(shè)計(jì)，除工程概況、進(jìn)度計(jì)劃、場(chǎng)地布置等常規(guī)內(nèi)容外，還應(yīng)在介紹施工技術(shù)措施文字中，對(duì)以下幾方面的情況進(jìn)行說(shuō)明：

1）根據(jù)土質(zhì)和地下水位等情況選定頂管機(jī)型式（主要有機(jī)械式、擠壓式、人工挖掘式、土壓平衡、泥水平衡、氣壓平衡等6種型式）。

2）頂管機(jī)進(jìn)出洞的方法。

3）減少管壁摩阻力的措施和中繼間的布置。4）出泥方法和棄土的處置。5）減少地面沉降的措施。6）工程難點(diǎn)的技術(shù)保障措施和應(yīng)急預(yù)案。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

頂管工程的造價(jià)由各項(xiàng)目的材料費(fèi)用、人工費(fèi)用、施工機(jī)械的使用費(fèi)用等幾部分組成。對(duì)工程造價(jià)影響較大的主要是管材費(fèi)用、工作井和接收井建筑安裝費(fèi)用、施工機(jī)械的使用費(fèi)等幾部分的費(fèi)用，工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化也主要體現(xiàn)在這幾方面費(fèi)用的減少上。在管線總體布置方案確定的情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以考對(duì)以下幾方面的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選：

1）在滿足工程設(shè)計(jì)要求的前提下，選用市場(chǎng)價(jià)格較低的管材。

2）考慮選用管節(jié)長(zhǎng)度較短的管材進(jìn)行施工。選用較短的管材施工，會(huì)增加管節(jié)數(shù)量，降低施工效率，但可以減少工作井的尺寸。

3）合理布置頂管的頂進(jìn)形式，如采用工作井利用效率高的調(diào)頭頂進(jìn)、多向頂進(jìn)等方式；有條件的情況下，利用管線上的其它建筑物結(jié)構(gòu)作為工作井（接收井）。

4）合理選擇一次頂進(jìn)長(zhǎng)度。一次頂進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工作井和接收井的數(shù)量較少，但頂推力較大，施工機(jī)械的費(fèi)用較高；頂進(jìn)長(zhǎng)度較短，工作井和接收井的數(shù)量增加，但頂管的施工難度減小，施工費(fèi)用降低。