CECS標(biāo)準(zhǔn)《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》關(guān)鍵技術(shù)解析

安關(guān)峰 張蓉 王譚

廣州市市政集團(tuán)有限公司 510060

引言

矩形頂管技術(shù)是采用矩形頂管機(jī)邊切削、邊排土、邊頂進(jìn)［1］，將鋼筋混凝土管節(jié)逐段向前推進(jìn)形成地下空間的一種綠色、環(huán)保、安全、高效的非開挖施工技術(shù)，是在圓形頂管技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，相比于圓形管道或傳統(tǒng)施工技術(shù)，矩形頂管在斷面形式、空間使用率、適應(yīng)淺覆土等方面，在綜合管廊、隧道、地下通道等工程中的應(yīng)用有更大的優(yōu)勢［2，3］。

隨著矩形頂管設(shè)備的研發(fā)、施工技術(shù)的提高，矩形頂管技術(shù)在我國逐漸推廣開來。同時(shí)，隨著城市地下空間開發(fā)利用的不斷加強(qiáng)，矩形頂管技術(shù)能較好應(yīng)用于電力隧道、地下過街橫通道、地鐵進(jìn)出站通道及綜合管廊等工程建設(shè)中［2］。近年來，結(jié)合綜合管廊的矩形結(jié)構(gòu)和矩形頂管施工技術(shù)，蘇州城北路綜合管廊元和塘頂管工程、包頭市新都市區(qū)中心區(qū)綜合管廊工程等項(xiàng)目積累了豐富的矩形頂管綜合管廊設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。

中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》（T／CECS 716—2020）（以下簡稱《規(guī)程》）［4］針對矩形頂管工程的特點(diǎn)，結(jié)合大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及研究總結(jié)，清晰界定了有關(guān)矩形頂管工程的術(shù)語，提出了工程勘察、管節(jié)制作、管節(jié)設(shè)計(jì)、頂管設(shè)備選擇及施工等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)，并提出了矩形頂管工程驗(yàn)收的各類指標(biāo)以及控制要求。

1 工程勘察

矩形頂管工程勘察應(yīng)根據(jù)工程重要性、場地復(fù)雜程度和地層復(fù)雜程度等條件劃分巖土工程勘察等級，建議將工程勘察分為初步勘察、詳細(xì)勘察兩個(gè)階段，線路長、沿線情況復(fù)雜的工程可增加選線勘察階段，進(jìn)行線路比選?！兑?guī)程》對矩形頂管工程中勘察范圍、勘察布孔、地下水勘察、地下管線和障礙物的探測以及勘察報(bào)告等作出了詳細(xì)要求，對勘探孔的布置、勘探孔的深度等作出了規(guī)定（表1）。

表1 勘探孔的間距（單位：m）Tab.1 Spacing of exploration holes（unit：m）

《規(guī)程》要求一般性勘探孔的深度應(yīng)達(dá)到管底設(shè)計(jì)標(biāo)高以下3m～5m，控制性勘探孔的深度宜達(dá)到管底設(shè)計(jì)標(biāo)高以下5m～10m，以確保查明工程地質(zhì)條件。

2 頂管設(shè)計(jì)

2.1 頂管設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

頂管工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分為施工階段和使用階段，《規(guī)程》規(guī)定了頂管工程結(jié)構(gòu)使用階段的設(shè)計(jì)與計(jì)算，其中包括構(gòu)件截面計(jì)算、構(gòu)造設(shè)計(jì)和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等。根據(jù)不同應(yīng)用行業(yè)，執(zhí)行相關(guān)行業(yè)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。

《規(guī)程》中矩形頂管設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：（1）頂管管位設(shè)計(jì)；（2）作用；（3）管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（4）管節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)；（5）中繼間設(shè)計(jì)；（6）頂管總頂力計(jì)算；（7）工作井設(shè)計(jì)。《規(guī)程》將頂管工程結(jié)構(gòu)的安全等級劃分為一級和二級：安全等級為一級時(shí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年；安全等級為二級時(shí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按相應(yīng)行業(yè)的要求選定。

2.2 頂管設(shè)計(jì)主要作用

頂管結(jié)構(gòu)上的作用分為永久作用、可變作用及偶然作用，永久作用主要包括管道結(jié)構(gòu)的自重、豎向土壓力、側(cè)向土壓力和地基不均勻沉降等；可變作用主要包括地面堆載、車輛荷載、地下水壓力、頂力作用、頂進(jìn)過程中的側(cè)摩阻力作用等。結(jié)合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）的相關(guān)內(nèi)容，矩形管節(jié)的設(shè)計(jì)可只考慮車輛荷載、管節(jié)自重、豎向土壓力、側(cè)向土壓力及頂力的作用效應(yīng)組合?！兑?guī)程》給出了作用在矩形管節(jié)上的側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值在施工階段和運(yùn)維階段下的計(jì)算方法，計(jì)算可根據(jù)所在地層的不同分為水土分算和水土合算。

管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮滿足施工階段的設(shè)計(jì)與計(jì)算，管道結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，對持久設(shè)計(jì)狀況或短暫設(shè)計(jì)狀況，采用作用的基本組合；對偶然設(shè)計(jì)狀況，采用作用的偶然組合。結(jié)構(gòu)構(gòu)件按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求采用作用的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合。

2.3 管節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)

《規(guī)程》對管節(jié)最外層鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度做出了規(guī)定，確定原則需要考慮兩點(diǎn)：一是工程安全等級；二是管節(jié)在不同環(huán)境下（直接與水接觸和不直接與水接觸）。管節(jié)混凝土強(qiáng)度等級不宜小于C50，管節(jié)混凝土抗?jié)B等級不宜低于P10。最外層鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度根據(jù)安全等級和不同環(huán)境下管節(jié)耐久性要求確定（表2）。

表2 混凝土保護(hù)層最小厚度（單位：mm）Tab.2 Minimum thickness of concrete cover（unit：mm）

《規(guī)程》中管節(jié)縱向鋼筋的最小配筋率不宜低于0.2%，間距不宜大于150mm。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級大于C60時(shí)，最小配筋率宜增加0.1%。管節(jié)頂、底板與側(cè)墻連接處宜設(shè)置腋角，配筋面積可為受力鋼筋的截面面積的50%。

2.4 中繼間設(shè)計(jì)

中繼間是矩形頂管中必不可少的設(shè)備，如圖1所示。在頂推距離較長，始發(fā)井頂推系統(tǒng)不足以提供全部頂力時(shí)，需要設(shè)置中繼間接力頂進(jìn)。因此，《規(guī)程》中將中繼間定義為頂管機(jī)頂推系統(tǒng)能力不足時(shí)，隨管節(jié)一同前進(jìn)的接力頂進(jìn)裝置，主要由前后殼體、推進(jìn)液壓缸、閥組、泵站、行程測量裝置等組成?！兑?guī)程》要求中繼間的加設(shè)及數(shù)量，應(yīng)按頂進(jìn)總頂力及管壁的承受能力確定，并給出了中繼間的間距計(jì)算方法。

圖1 中繼間結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The structure of the relay room

2.5 頂管總頂力計(jì)算

在矩形頂管頂進(jìn)過程中，管道結(jié)構(gòu)處于頂管機(jī)、頂進(jìn)設(shè)備、周圍土體、地下水及其自身荷載等的共同作用下，管道外側(cè)在豎直方向受到上覆土層的豎向土壓力、地下水壓力、管節(jié)自重作用；側(cè)面方向受到側(cè)向土壓力作用、地下水壓力；沿頂管軸向受到端面阻力、頂進(jìn)設(shè)備頂力、管道表面與周圍土體之間的摩阻力等作用。因此頂進(jìn)過程中的管節(jié)是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)體系，矩形管節(jié)橫截面受力如圖2所示。

矩形頂管施工基本采用壓力平衡式頂管機(jī)（土壓平衡或泥水平衡），為了保證頂管機(jī)開挖面的土體穩(wěn)定，需要保證頂管機(jī)端面壓力與地層土壓力值平衡，根據(jù)這個(gè)平衡關(guān)系確定迎面阻力的大小，得出泥水、土壓平衡式頂管機(jī)的迎面阻力計(jì)算公式。《規(guī)程》要求矩形頂管液壓缸總頂力不小于頂管總頂力的1.5倍。

矩形頂管總頂力由頂管機(jī)迎面阻力和總摩阻力組成：

圖2 矩形管節(jié)橫截面受力示意Fig.2 Force diagram of cross section of rectangular pipe

式中：Py為頂管機(jī)的迎面阻力（kN）；Ff為矩形頂管總摩阻力（kN）。

矩形土壓、泥水平衡式頂管機(jī)的迎面阻力按下式計(jì)算：

式中：γ為土的重度（kN／m3）；H0為管頂至原狀土地面覆土層厚度（m）；H1為矩形管節(jié)外邊高（m）；B1為矩形管節(jié)外邊寬（m）。

矩形頂管總摩阻力按：

式中：f為管節(jié)與土體接觸面的摩阻力（kPa），結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；Ld為矩形頂管頂進(jìn)長度（m）。

2.6 工作井設(shè)計(jì)

矩形工作井按結(jié)構(gòu)又可分為整體式沉井類型和基坑型?！兑?guī)程》明確了工作井的設(shè)計(jì)內(nèi)容，對工作井形式及尺寸的選用或計(jì)算給出了參考。

由于矩形頂管斷面大，需要總頂力大，要求對始發(fā)井后背土體允許最大頂力進(jìn)行驗(yàn)算（圖3）。當(dāng)不滿足要求時(shí)，應(yīng)對土體進(jìn)行加固設(shè)計(jì)或增設(shè)反力地下結(jié)構(gòu)。在頂管施工前，矩形沉井井壁與土體間的土壓力和圓形沉井的類似，為靜止土壓力與主動土壓力之間某一值，由于沉井結(jié)構(gòu)剛度較大，也可假設(shè)為靜止土壓力?！兑?guī)程》給出了后背土體允許頂力的計(jì)算方法。

圖3 頂力作用下始發(fā)井受力示意Fig.3 Force diagram of starting shaft under jacking force

3 管節(jié)制作

《規(guī)程》中對管節(jié)制作的材料性能、接頭構(gòu)造、管節(jié)防腐、管節(jié)預(yù)制、管節(jié)標(biāo)識堆放、吊裝和運(yùn)輸、管節(jié)質(zhì)量控制作出規(guī)定。矩形頂管管節(jié)鋼承口端柔性接口可分為單膠圈和雙膠圈兩種形式，《規(guī)程》對管節(jié)間密封與防水作出了詳細(xì)要求，管節(jié)之間的接口防水包括四種密封形式（圖4）：

（1）圖4a常用于管節(jié)之間鋼承口與混凝土之間的防水；

（2）圖4b的聚氨酯密封膠條主要應(yīng)用于鋼承口和混凝土之間的第二道防水；

（3）圖4c的聚氨酯密封膠條主要應(yīng)用于管節(jié)拼裝完畢最后一道防水；

（4）圖4d主要應(yīng)用于鋼承口和混凝土之間的第一道防水。

4 工作井施工

工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要根據(jù)工程水文地質(zhì)條件、鄰近建筑物或構(gòu)筑物、地下與地上管線情況，以及結(jié)構(gòu)受力、施工安全等要求，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定（表3）。

圖4 管節(jié)防水材料構(gòu)造示意Fig.4 The structure of pipe waterproofing material

表3 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下工作井的適用條件Tab.3 The applicable conditions of working shaft under different enclosure structures

5 頂管設(shè)備及安裝

針對地質(zhì)條件的頂管設(shè)備研制、選型和安裝對于矩形頂管工程的順利施工有著關(guān)鍵性作用（表4）。

《規(guī)程》對矩形頂管機(jī)設(shè)計(jì)與選型（圖5）、頂推系統(tǒng)及安裝、導(dǎo)軌選擇與安裝、頂管機(jī)安裝和調(diào)試、土壓平衡出渣系統(tǒng)的安裝、泥水循環(huán)系統(tǒng)的安裝、中繼間安裝、頂管輔助施工與設(shè)備及質(zhì)量控制分別給出了要求（表5）。

當(dāng)矩形管節(jié)斷面較大時(shí)，在工程施工過程中需要采用觸變泥漿減阻（圖6），觸變泥漿減阻系統(tǒng)的注漿作用主要包括兩點(diǎn)：一是有潤滑作用，注漿將矩形管節(jié)和周圍土體間的摩擦力從干摩擦力變?yōu)闈衲Σ亮?，有效降低了管周摩擦阻力；二是支撐起了周圍土體，由于頂管機(jī)機(jī)頭通常大于頂管管節(jié)，同時(shí)受頂管頂進(jìn)過程中的背土效應(yīng)影響，頂管頂進(jìn)過程中頂管管節(jié)周圍土體會出現(xiàn)空隙，注漿使頂管管節(jié)周圍土體空隙填滿了漿液，使頂管施工引起的土體沉降明顯減小?！兑?guī)程》對減阻系統(tǒng)的安裝、觸變泥漿工作性能、觸變泥漿注漿系統(tǒng)均作出了相關(guān)規(guī)定。

表4 矩形頂管機(jī)適用工況Tab.4 The applicable conditions of rectangular pipe jacking machine

表5 矩形斷面開挖系統(tǒng)選型Tab.5 The selection of excavation system for rectangular section

圖5 不同刀盤形式矩形斷面頂管機(jī)Fig.5 Rectangular section pipe jacking machines with different cutterhead forms

圖6 觸變泥漿減阻系統(tǒng)Fig.6 Thixotropic slurry drag reduction system

6 頂進(jìn)施工

頂管施工屬于地下工程，受影響因素很多，除施工工藝方法多、技術(shù)要求差異大等特點(diǎn)以外，工程地質(zhì)條件、頂管設(shè)備類型與配置、原有地下設(shè)施和地下障礙物情況以及施工現(xiàn)場環(huán)境等因素均可對施工進(jìn)度、工程質(zhì)量、施工安全和施工成本造成影響。

《規(guī)程》對頂管頂進(jìn)施工的施工組織設(shè)計(jì)、頂管始發(fā)與接收、頂管掘進(jìn)、注漿減阻、土體改良、測量和姿態(tài)控制、監(jiān)測與變形控制、頂管機(jī)拆解與吊出以及質(zhì)量控制分別作出詳細(xì)規(guī)定，同時(shí)根據(jù)大量施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對頂管施工各階段掘進(jìn)速度提出了控制要求。

7 結(jié)語

矩形頂管技術(shù)在綜合管廊、地下過街通道、地鐵進(jìn)出站通道、公路隧道、軌道交通等工程建設(shè)中有巨大的市場前景?！兑?guī)程》主要目標(biāo)為規(guī)范矩形頂管工程的技術(shù)要求，指導(dǎo)合理設(shè)計(jì)、精心施工、嚴(yán)格監(jiān)控，該《規(guī)程》經(jīng)行業(yè)專家組審查認(rèn)為技術(shù)內(nèi)容科學(xué)合理、可操作性強(qiáng)，與現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

《規(guī)程》的實(shí)施對矩形頂管工程的勘察設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收具有指導(dǎo)意義，有利于保障矩形頂管結(jié)構(gòu)長期、高效、安全、節(jié)能運(yùn)行，可推動我國矩形頂管工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展及大斷面綜合管廊和地下人行通道建設(shè)，有助于矩形頂管工程的大規(guī)模推廣應(yīng)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。