頂管穿越堤防及河道工程設計
——以廣東省肇慶市某濕地排水涵管穿越河道相關頂管工程為例

汪平

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

頂管穿越堤防及河道工程設計
——以廣東省肇慶市某濕地排水涵管穿越河道相關頂管工程為例

汪平

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

以廣東省肇慶市某濕地排水涵管穿越河道相關頂管工程為實例，介紹了頂管穿越堤防及河道方案的設計，論證了頂管方案的可靠性及經濟性，總結了設計及施工過程中的要點，為今后同類工程的設計及施工提供參考。

頂管；堤防；河道工程

0 引言

頂管施工是一種非開挖施工方法，可有效減少大開挖對地面建筑物和環(huán)境的影響。我國自從1954年在北京進行的第一例頂管施工以來，經過半個多世紀的發(fā)展，無論在技術上、頂管設備還是施工工藝上都取得了很大的進步。

2002年9 月，我國西氣東輸項目的關鍵工程，全長3 600 m、管徑為1.8 m的鋼管從23～25 m深的地下成功橫穿黃河。該工程無論從頂進長度、埋深、地質條件，還是鋼管直徑在國內尚屬首次。也是目前世界上復雜地質條件下大直徑鋼管一次性頂進距離最長的頂管工程。

隨著我國經濟持續(xù)穩(wěn)定地增長，城市化進程的進一步加快，我國的地下管線的需求量也在逐年增加。加之人們對環(huán)境保護意識的增強，頂管技術將在我國地下管線的施工中起到越來越重要的地位和作用。

1 工程背景

根據區(qū)域排水規(guī)劃，肇慶新區(qū)長利涌以東、長利大道以西區(qū)域雨水匯集后，排入長利濕地。經過濕地調蓄，通過一根排水涵管，穿過長利涌，排入硯陽湖，見圖1。

圖1 區(qū)域排水規(guī)劃圖

長利涌上接九坑河水庫，下接西江，是肇慶新區(qū)骨干排洪河道，汛期洪水位11.70～11.90 m，防洪堤頂標高13.20 m；長利濕地位于長利涌左岸，面積11.84 hm2，區(qū)域常水位為4.0 m，最高水位控制為5.0 m，調蓄庫容約11.84萬m3；硯陽湖位于長利涌右岸，面積99 hm2，設計常水位為3.1 m，設計高水位4.5 m，總庫容約396萬m3。

根據施工進度安排，該工程為度汛施工，無法采取大開挖和攔河圍堰方式，因此推薦采取頂管方案。

2 工程規(guī)模

2.1 水文計算

（1）設計暴雨

根據廣東省水文總站2003年頒布的《廣東省暴雨參數等值線圖》及廣東省水文總站1991年編的《廣東省暴雨徑流查算圖表》查得的各歷時暴雨參數，通過暴雨頻率計算得到20 a一遇各歷時暴雨設計值。

設計暴雨過程：根據《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》設計暴雨分配方法分配得到20 a一遇設計暴雨過程，見圖2。

圖2 設計暴雨過程線

（2）設計澇水

城鎮(zhèn)澇片設計澇水的計算一般采用綜合徑流系數法。

徑流系數：根據《室外排水設計規(guī)范》（G B 50014-2006，2016版）肇慶中心城區(qū)徑流系數取0.65。

設計雨強：區(qū)域屬于肇慶新區(qū)，管道設計標準為5 a一遇，根據暴雨強度公式得到5 a一遇60m in降雨強度為64.1 mm。

（3）濕地調蓄

濕地概況：長利濕地面積達11.84 hm2，區(qū)域常水位為4.0 m，最高水位控制為5.0 m，調蓄庫容約11.84萬m3。

調蓄計算：根據資料按水量平衡方程式進行調洪計算。

長利濕地起調水位為4.0 m，濕地下泄能力按寬頂堰出流進行計算，最終確定濕地出口缺口底高程為4.0 m，寬5 m，濕地最大下泄流量約5 m3/s，見圖3。

圖3 濕地調蓄過程

2.2 設計標準

（1）工程等級

本工程為Ⅱ等工程，主要建筑物級別為2級。

（2）設計流量

根據上述水文計算，最終確定管涵的最大過水流量約5 m3/s。

（3）管涵規(guī)模

管涵規(guī)格采用倒虹吸管水力計算：

通過計算確定管涵采用直徑為2 m，最大流速約1.59 m/s。

（4）設計水位及設計河底標高

長利濕地公園水位：（頂進井）

設計高水位：5.00 m；

設計常水位：4.00 m；

設計河底標高：4.00 m。

硯陽湖景觀渠：（接收井）

設計高水位：4.50 m；

設計常水位：3.10 m；

設計河底標高：0.50 m。

3 頂管設計方案

（1）新建頂進井、接收井各一個，尺寸9.6 m× 6.6 m；

（2）工作井地基加固處理；

（3）新建D N2000頂管一根，長度約306 m；

（4）新建D N2000出水管一根，長度約10 m。

頂管工程平面見圖4。

圖4 頂管工程平面圖

3.2 頂管管材選擇

管材的選擇對工程造價和海上施工安全性的影響很大，因此，合理的選擇管材十分重要。目前頂管工程常用的管道主要有鋼管、鋼筋混凝土管、預應力鋼筒混凝土管（P CC P）。從降低頂管施工風險、防滲安全性和控制施工工期的角度考慮，選擇鋼管作為本工程頂管的管材。

3.3 排放口設計

（1）頂進井設計

2.2.1.1 精選種子 菟絲子種子隨園藝植物種子傳播，如稗草、牛繁縷、看麥娘、狗尾草等，可以通過篩選、水選等剔除菟絲子種子。

工作井結構要滿足施工階段，正常運行階段及檢修階段不同負荷情況下的結構受力要求，工作井采用現澆鋼筋混凝土沉井結構，混凝土標號為C30，抗?jié)B等級為S6。

施工方案有沉井法，有支護的明挖法等?？紤]到工作井位于空曠地帶，周邊建構筑物少，環(huán)境控制要求低，有條件采用沉井施工，且沉井施工速度快，質量易保證，較之采用有支撐的明挖方案混凝土用量小，可節(jié)省大量支撐系統(tǒng)，經濟效益好，故推薦沉井法。

頂進井頂標高為6.00 m，凈尺寸為8 m×5 m，壁厚為800 mm，刃腳底標高為-5.30 m，底板頂標高為-3.00 m，厚800 mm，底板下用C20素混凝土封底，素混凝土底標高為-5.80 m，進水孔口尺寸為5×1.5m，孔底標高為4.00m，設置鋼格柵進行攔污，頂管底標高為-2.00m，距離工作井底板1m，見圖5、圖6。

為了增加工作井的允許頂力，對工作井底部及背部土體進行高壓旋噴樁加固。底部新建Φ600×14000@1000水泥攪拌樁進行地基加固，攪拌樁樁底標高為-10.00 m；井背新建新建Φ600× 8000@500水泥攪拌樁進行加固，攪拌樁樁底標高為-5.00 m，見圖7。

（2）接收井設計

工作井結構要滿足施工階段，正常運行階段及檢修階段不同負荷情況下的結構受力要求，工作井采用現澆鋼筋混凝土沉井結構，混凝土標號為C30，抗?jié)B等級為S6。

圖5 頂進井斷面圖（單位：mm）

圖6 頂進井平面圖（單位：mm）

圖7 攪拌樁加固圖（單位：mm）

接收井頂標高為6.00 m，凈尺寸為8 m×5 m，壁厚為800 mm，刃腳底標高為-5.30 m，底板頂標高為-3.00 m，厚800 mm，底板下用C20素混凝土封底，素混凝土底標高為-5.80 m，

出水口新建D N2000鋼管，長度為10 m，管底標高為0.50 m，接硯陽湖，見圖8。

4 頂管施工方案

4.1 施工關鍵技術要求

（1）大口徑長距離鋼頂管施工測量控制要求高，糾偏難度大。

本次頂管的長度為306 m，屬于長距離頂管施工。頂進過程中，土層性質變化、注漿效果等會造成頂進阻力變化，頂進軸線和設計軸線會經常發(fā)生偏差，且頂管測量精度要求高。

圖8 接收井斷面圖（單位：mm）

相應對策：由于長距離大口徑鋼管焊接成整體，缺乏柔性，糾偏較為困難，因此出洞階段就必須形成良好的導向，掘進機后設置二節(jié)過渡活絡節(jié)幫助糾偏。施工過程中必須勤測勤糾，確保頂進軸線控制在允許偏差范圍內。

（2）穿越河道對施工的要求高

本次頂管從長利涌下穿過，管頂距設計河底標高相距4 m，覆土層較淺。

相應對策：頂管在穿越河道施工時，需嚴格控制管道的偏差量，做好沉降監(jiān)測工作。并且在穿越河道時需對河道河床標高進行排摸，對比管道埋深，保證管道上方覆土層厚度。

（3）長距離頂進通風空氣保障措施

該工程由于長距離頂管作業(yè)面空間有限，又處于半封閉的工作井內，頂管施工操作人員在工作過程除消耗大量氧氣外，期間施工作業(yè)會產生一些有毒有害氣體、或地層中淺層有害氣體中會釋放到施工作業(yè)面。因此，為保證施工人員正常工作環(huán)境，需要建立高效的施工作業(yè)面通風以及安全保障措施。

相應對策：

a.建立通風系統(tǒng)，擬采用壓風機將地面新鮮空氣壓送到機頭處，壓風機型號：B S H-150,排出壓力58.8 k P a，進風量19.23 m3/m in，功率22 k W。風管在井內采用Ф150P V C管，管內也采用Ф150P V C管，懸掛于管子一側。根據計算，在頂管結束前，機頭到達900 m處的風管前的送風量為1 m3/s；滿足機內作業(yè)人員的衛(wèi)生和安全要求。

b.在機頭位置配備滅火器，防止地下沼氣引起的火災事故。

c.如需進入管道內施工，必須先用送風機進行管內送風，使管內空氣含氧率不低于20%，新鮮空氣量不低于每人每小時30 m3。有害氣體濃度不高于健康標準，管內溫度不超過32 C0，相對濕度不超過80%，易燃氣體的濃度不超過爆炸下限的10%。在頂進過程中

d.要選用國家許可的大氣檢測儀器對管內氣體進行連續(xù)測量。

4.2 頂管機選擇

根據現場土質情況，本次頂管采用大刀盤泥水平衡式機頭，大刀盤泥水平衡掘進機通過面板機械切削泥土而采用水力輸送棄土，同時利用泥水壓力來平衡地下水壓力和一部分土壓力，見圖9。

圖9 NPD2200泥水平衡式頂管機示意圖

N P D2000泥水平衡式頂管機的主要技術參數見表1。

4.3 管道內部布置

該工程采用泥水出土方式。根據需要管道內布置井水管、排泥管、通風管、注漿總管。照明、動力、通訊等電纜專用掛鉤掛于管道內壁，各種管道架設焊接在鋼管內的鋼筋支架上，見圖10。

表1 NPD2000泥水平衡式頂管機的主要技術參數

圖10 管道內布置示意圖

4.4 注漿孔布置

用泥漿減阻是長距離頂管減少阻力的重要環(huán)節(jié)之一，在頂管施工過程中，如果注入潤滑泥漿能在管子的外圍形成一個比較完整的漿套，則其減摩效果是十分令人滿意的，一般情況摩阻力至1～3 k N/m2。該工程采用每2節(jié)管節(jié)設置一組注漿孔，每組4個1寸注漿孔，90°均分設置，每組注漿孔有獨立的閥門控制。

4.5 泥漿置換

頂進結束后，在穿越建筑物的下方對已形成的泥漿套的漿液進行置換，置換漿液為水泥漿并摻入少量粉煤灰，在管內用單螺桿泵壓住，壓漿體凝結后（一般20 h）拆除管路封悶注漿孔。

5 結語

（1）頂管穿堤工程對大堤的影響主要是由于土體的變形而造成，地層土體的變形產生的表象包括地表的隆起和沉降，根據地質資料，采用適合工具管。在穿越大堤前及時調整好施工參數，減慢推進速度，穿越過程中勻速推進，嚴禁停推，盡可能減小地面沉降。

（2）位于穿越大堤段的管節(jié)增設補漿孔結構，在上部設施沉降過大時能及時進行二次注漿，并在工具管穿越后進行補注漿，以有效控制后期沉降。補漿孔范圍可在大堤前后各15 m內。

（3）控制頂管頂力的偏心度，頂進中應使頂推合力盡可能與管道的軸線接近，仔細糾偏勤測勤糾，一般每頂推20 c m要測一次。應特別加強動態(tài)信息化施工的技術含量，使各種監(jiān)測數據能以最短的時間得到傳遞、反饋，以便調整參數、及時驗證、補充完善，從而使施工過程始終處于最優(yōu)化狀態(tài)進行，確保施工安全和工程質量。

（4）采取嚴密的防止泥水流入管道的密封措施。在頂管施工前，對工具管尾端與管道搭接處、中繼環(huán)與管節(jié)端頭相搭接的環(huán)形橡膠密封裝置等各種可能導致滲漏泥水的環(huán)節(jié)，都要進行嚴格檢查。

T U991.02

B

1009-7716（2017）06-0150-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.044

2017-03-20

汪平（1985-），男，上海人，工程師，從事水利及市政工程設計工作。