某河道整治項目長距離大直徑頂管無中繼間施工技術(shù)研究及應(yīng)用

盧 斌,馬永志,陳 松,蔡坤晉

(1.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京 100071；2.中建三局南方公司基礎(chǔ)設(shè)施部，廣東 深圳 518000)

中繼間是大直徑長距離頂管重要設(shè)備之一，目前在長距離頂管施工中應(yīng)用廣泛，但是中繼間仍存在不足。如中繼間前后管材之間接頭密封性相對較差，是頂管施工技術(shù)難點；中繼間安裝周期長，加工成本高，操作不便，降低工效；中繼間拆除需采用氣割，施工安全要求高，氣割對管道內(nèi)外防腐存在影響。因此對于一些對于工期進度、工程造價、管道耐久性要求高的工程，盡量減少使用中繼間數(shù)量。

2018年9月28日，深圳市某河道整治截污工程上、下游污水系統(tǒng)均已貫通，中間連通區(qū)域存在一未貫通節(jié)點，要求在2018年11月1日前完成。該段管道長度為168 m，內(nèi)徑為2.2 m，采用頂管施工。根據(jù)《頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS:246)，該頂管施工需設(shè)置2處中繼間?！督o水排水管道施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)6.3.1條要求一次頂進距離超過100 m需采用中繼間技術(shù)。如采用中繼間方案，工期進度難以滿足要求。綜合分析頂管方法、管材、土層等情況，經(jīng)充分論證，該項目取消中繼間設(shè)置，發(fā)揮頂管機械頂力、后背土體和后背墻結(jié)構(gòu)強度、管道材料強度，保障工期進度。

1 長距離頂管影響因素

1.1 管道總頂力

長距離頂管要克服迎面和管道周邊土體阻力才能頂進作業(yè)，管道總頂力可按式(1)估算[1]:

F0=πD1Lfk+NF

(1)

式中F0為總頂力標準值；D1為管道外徑；L為管道設(shè)計頂進長度；fk為管道外壁與土的平均摩阻力；NF為頂管機迎面阻力。

目前頂管掘進機械分為人工掘進和機械掘進，機械頂管又分為土壓平衡、泥水平衡、氣壓平衡和巖石頂管。根據(jù)頂管機械前端面和機型的不同，對于頂管機迎面阻力計算方法不同[2]，公式見表1。

表1 管道迎面頂力計算公式

1.2 管道外壁摩阻力

頂管施工為非開挖施工，其上部覆土自重及管道周邊土體壓力對于管道周邊形成摩阻力。隨著頂管頂進距離的加大，摩阻力越來越大，是長距離頂管阻力主要組成部分。摩阻力與土壓力、摩擦系數(shù)有關(guān)，實際頂管施工中頂管覆蓋層厚度往往變化較小。因此，降低管道摩阻力主要考慮降低摩擦系數(shù)。目前主要方法是在頂進管道與周邊土層環(huán)狀空間注入觸變泥漿，形成完整連續(xù)潤滑膜，保障減摩效果。不同管材，不同掘進方式下，管道側(cè)壁與土體摩擦系數(shù)見表2[3]；采用觸變泥漿后，管道外壁單位面積平均摩阻力可按表3[1]計算。

表2 不同土層和管徑下管道摩擦系數(shù)

表3 觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力 kN/m2

1.3 頂管管材強度

頂管施工目前應(yīng)用最多的是鋼筋混凝土管材、鋼管、玻璃鋼夾砂管。此3種管材允許最大頂力計算公式見表4[2]。

表4 管道允許頂力計算公式

1.4 頂管主頂裝置

頂管施工主頂設(shè)備多采用液壓驅(qū)動的活塞式雙作用油缸頂進，目前常規(guī)主頂設(shè)備單臺頂力800～3 000 kN，耐壓42 MPa，部分廠家能夠做到超高壓50 MPa。常規(guī)頂管頂進裝置主要包括后靠背、頂鐵、導軌和油缸4大組件(如圖1所示)，頂進油缸數(shù)量可以是大于2的任意數(shù)量，總的頂進能力和頂進管道承載能力相關(guān)。根據(jù)《液壓缸技術(shù)條件》(JBT 10205—2000)[5]液壓缸體能夠承受其最高工作壓力1.5倍壓力，實際操作過程中以最高工作壓力作為允許頂進作用力。

1-導軌；2-油缸；3-頂鐵；4-后靠背

1.5 后座結(jié)構(gòu)形式

一般情況頂管結(jié)構(gòu)后座墻位于頂管工作井內(nèi)，為使油缸推力均勻作用頂管工作井后方土體，需澆筑一堵后背墻，后背墻能夠承受管道頂力。后座結(jié)構(gòu)尺寸取決于頂管管徑大小和后背墻被動土壓力，因此需要對于在最大頂力情況下后座土體不被破壞，充分利用天然土體強度，同時后座墻結(jié)構(gòu)也能滿足頂力作用下不發(fā)生破壞。

滿足后背土體不被頂力破壞同時還需要后背墻自身結(jié)構(gòu)強度滿足需要，其驗算見公式(2)[3]

Mr=0.28Bt2σct

(2)

式中t為后座墻厚度；σct為混凝土抗拉強度；B為后座墻寬度；Mr為后背墻承受最大彎矩。

2 大直徑長距離頂管無中繼間施工技術(shù)設(shè)計原則

2.1 充分發(fā)揮后背墻及后背土體強度

后背土體及后背墻強度是保障長距離頂管順利進行首要要素，目前關(guān)于后背土體計算方法較多(見表5)，可用多種方法驗證校核，確保方案可行。

表5 后靠背土體反力計算公式

F0≤R

(3)

M≤Mr

(4)

式中F0為管道總頂力；R為后背墻土體允許頂力；M為設(shè)計頂力下后背墻彎矩；Mr為后背墻承受最大彎矩。

2.2 充分發(fā)揮主頂機械頂進能力

為充分發(fā)揮頂管頂進機械性能，通過頂力驗算，布置若干個液壓油缸，油缸布置對稱，以免受力不均導致管道頂進偏位。頂管管徑、長度、土層信息確定后計算出管道總頂力，根據(jù)總頂力大小選取滿足要求的主頂油缸和個數(shù)(根據(jù)公式(5)、(6)驗算)。

Fj≥F0

(5)

Fj=nfj

(6)

式中Fj為頂管機機械頂進推力；F0為管道總頂力；n為主頂油缸數(shù)目；fj為油缸工作壓力。

2.3 充分發(fā)揮管材設(shè)計強度

長距離大直徑頂管目前常用的有鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼管，常用混凝土管材抗壓強度范圍為14.3～23.1 MPa，玻璃鋼夾砂管抗壓強度范圍為90～100 MPa，鋼管抗壓強度210 MPa。

Fd≥F0

(7)

式中Fd為管道允許頂力；F0為管道總頂力。

頂管施工前根據(jù)最大頂力和不同管材允許頂力進行初步評估，確保所選管材能夠滿足頂力需要。鋼管抗壓強度最高，重量輕，與土體摩擦系數(shù)小，頂力相對小，但覆土深度較大時，需加強其環(huán)向剛度壁厚需加大，難以加工；玻璃鋼夾砂管強度高，彈性變形大，傳力效果好，質(zhì)量輕，摩阻力小，但是目前玻璃鋼夾砂管單價相對較高；鋼筋混凝土管目前應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)廠家多，供貨周期快，接頭連接方便，抗腐蝕能力優(yōu)于鋼管，施工效率高。實際應(yīng)用中，在滿足設(shè)計強度條件下，綜合管道工程造價、使用性質(zhì)、土層條件、施工工期等要求確定管材。

3 某河道項目無中繼間長距離頂管實施及效果驗證

3.1 不同管材頂力計算及管材允許頂力計算

根據(jù)地質(zhì)勘察成果頂管覆土層厚12 m，頂管穿越強風化泥巖、中粗砂、粉質(zhì)黏土3個土層，選用泥水平衡方式進行頂管施工。為減小管道側(cè)壁摩阻系數(shù)，采用觸變泥漿減阻。通過對鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼管3種管材總頂力和允許頂力進行計算(結(jié)果見表6)，其中鋼筋混凝土管和玻璃鋼夾砂管滿足要求(見表7)，根據(jù)造價控制、管道生產(chǎn)周期和供貨進度選擇C40鋼筋混凝土頂管。

表6 某河道不同管材頂管施工總頂力計算

表7 某河道不同管材允許頂力計算

3.2 后背墻土體反力和后背結(jié)構(gòu)驗算

根據(jù)表6計算，鋼筋混凝土頂管總頂力為9 491.77 kN。按照1.5節(jié)公式驗算5種后背墻土抗力(見表8)。結(jié)果表明，僅北京地標(DB11/T 594.2—2014)計算結(jié)果不滿足要求，原因在于其未考慮后座墻后板樁或工作井對土抗力的聯(lián)合作用，結(jié)果偏于保守，僅作為參考。綜合考慮其他4種算法，按照公式(3)，后背墻土體反力滿足頂進需要。

表8 某河道頂管后靠背土體反力計算

后背墻結(jié)構(gòu)為3.5 m×3.0 m，厚0.5 m，C35商品混凝土澆筑，為雙向簡支板，驗算出頂力作用下承受彎矩為624.5 kN·m。此尺寸構(gòu)件素混凝土允許承受最大彎矩為384.65 kN·m，不能滿足公式(4)需要，因此對后背墻進行配筋，配置雙層雙向直徑16@150三級鋼筋，配筋面積As=1 350 mm2。

3.3 頂管機械選型及頂力施工過程記錄

根據(jù)計算總頂力，選擇8臺最大推力1 970 kN主頂油缸，油缸額定壓力31.5 MPa，缸徑220/280 mm，8臺油缸對稱布置在頂管頂鐵上，總頂力15 760 kN，滿足公式(5)、(6)要求。通過施工頂管頂力記錄和設(shè)計總頂力對比(見圖2)發(fā)現(xiàn)：設(shè)計總頂力隨著頂進距離增加頂力波折性逐漸增大，末端頂力為最大值9 491.77 kN；施工期間測得最大頂力在152 m處，最大頂力值10 258.4 kN，152～168 m區(qū)間頂管頂力急劇減小。頂力波折變化原因在于實際土層密實度、注漿效果、土層變化都會使得頂力出現(xiàn)一定范圍波動；末端頂力急劇下降原因在于頂管機頭接近河道岸坡，接收側(cè)土體頂力因土體發(fā)生變形位移導致應(yīng)力逐漸釋放急劇減小。

圖2 某河道設(shè)計總頂力和實測總頂力對比示意

該頂管2018年9月28日開始頂進作業(yè)，2018年10月25日完成，比計劃提前6 d，滿足了現(xiàn)場污水管道貫通節(jié)點要求。

4 結(jié)語

1)實際頂管施工過程中，在滿足頂力和管材強度前提下，應(yīng)根據(jù)實際場地條件、工期進度需要、生產(chǎn)加工難度及造價多方面因素綜合考慮，選擇合適管材。

2)地質(zhì)勘察鉆孔只能以點帶面，揭示主要土層分布，計算頂力與實測往往有一定差別。某河道頂管實測頂力較設(shè)計最大頂力大8%，因此施工過程選用頂管機械、管材強度應(yīng)適當考慮一定裕度，避免頂力無法滿足管道頂進需要。

3)實際施工過程中實測最大頂力已經(jīng)超過后背抗力計算值，在加強后背墻土體監(jiān)測后，未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和變形變化，故未停止頂管作業(yè)。分析認為現(xiàn)場頂管結(jié)構(gòu)采用直徑8 m的圓形沉井作為工作井，后背墻能夠?qū)㈨斄鶆騻鬟f，頂管工作井整體土抗力能夠滿足頂管頂進需要。

4)隨著我國建筑材料和施工機械技術(shù)的發(fā)展，更高強度的頂管管材、更大頂力的頂管機械、更精確的定位裝置為地下頂管工程提供了更大助力。在經(jīng)過合理分析和論證后，考慮無中繼間頂管作業(yè)能夠節(jié)省工期和成本，可為其他類似項目提供參考。