大型箱涵頂管法在穿堤施工中的應(yīng)用研究

覃立寧 周世武 李森源

摘要：隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，區(qū)域匯流條件及內(nèi)澇洪水調(diào)蓄容積發(fā)生變化，很多城區(qū)已建泵站洪水抽排能力不能滿足現(xiàn)代城市發(fā)展的需要，在防洪排澇泵站擴(kuò)容改造工程中，對(duì)大孔徑穿堤排水通道的需求越發(fā)凸顯。大型箱涵頂管法穿堤方案具有大流量排泄洪水、提供穩(wěn)定洞內(nèi)流態(tài)、無需大面積開挖已建堤防、施工工期短、有效保障改造施工期城區(qū)防洪安全等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)大型箱涵頂管法應(yīng)用于穿堤建筑施工中遇到的技術(shù)問題，采取堤身加固灌漿及管棚支撐，優(yōu)化頂進(jìn)箱涵斷面，采用合理的摩阻力控制措施及有效的堤身沉降控制措施，使大型箱涵頂管法成功應(yīng)用于廣西崩沖泵站擴(kuò)容改造工程。

關(guān)鍵詞：大型箱涵;頂管法;穿堤施工;沉降控制;防洪排澇工程;崩沖泵站

中圖法分類號(hào)：TV67文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0049 - 05

1? ? 研究背景

目前，在水利及市政雨污排水行業(yè)中使用的頂管主要包括3 m口徑以下[1-2]的中小直徑鋼管及混凝土管，一些小型的市政頂管使用拖拽式施工方法。然而，對(duì)于大直徑、大尺度的大型箱涵頂管法穿堤建筑物少有研究。大型箱涵在中大流量洪水排澇工程的應(yīng)用效果明顯優(yōu)于多孔中小口徑組合管道，可使洞內(nèi)流態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定，避免在洪水排泄過程中出現(xiàn)明滿流交替的不利流態(tài)[3]。

然而，與目前市政工程中常用的中小直徑鋼管、混凝土管頂進(jìn)方案不同，大型箱涵頂管穿堤方案在實(shí)施過程中會(huì)遇到以下難題。

（1）為了保證建成區(qū)的防洪安全，對(duì)頂進(jìn)箱涵穿越防洪堤的堤防沉降控制及防滲透控制要求較高。

（2）大型箱涵自重大、工作面大，頂進(jìn)施工對(duì)堤身土體擾動(dòng)大，對(duì)堤身穩(wěn)定安全的保證率要求較高。

（3）頂進(jìn)大型箱涵所需頂推力大，受堤防區(qū)域地形及建成區(qū)用地的限制，大多工程難以實(shí)現(xiàn)雙向頂進(jìn)，對(duì)頂推后背墻的設(shè)置提出較高要求。在頂進(jìn)過程中，需要采取有效措施減小摩阻力。

（4）需要重視大頂推力下大型箱涵的受力傳導(dǎo)平衡問題。

2 工程概況

崩沖泵站擴(kuò)容改造工程是廣西首個(gè)成功實(shí)施的大型箱涵頂進(jìn)穿堤案例。以該工程為例，介紹了箱涵頂管穿堤過程中所遇到的技術(shù)難題及解決方案。崩沖泵站總裝機(jī)容量2 000 kW，設(shè)計(jì)抽排流量19.8 m3/s，設(shè)計(jì)自排流量51.7 m3/s，泵站主要建筑物等級(jí)為3級(jí)。

穿堤排澇箱涵設(shè)計(jì)外口斷面尺寸為4.4 m×5.4 m，穿堤防段總長(zhǎng)28.12 m，分兩段同一方向漸次頂進(jìn)，技術(shù)方案及實(shí)施流程如圖1所示。

3 大型箱涵頂管法穿堤施工要點(diǎn)

3.1 加固及支護(hù)

穿越防洪堤段箱涵頂部覆土厚度約6.5 m，頂進(jìn)長(zhǎng)度28.12 m。根據(jù)堤防安全穩(wěn)定評(píng)價(jià)及深土洞土體應(yīng)力分析評(píng)價(jià)，原則上箱涵頂進(jìn)不會(huì)對(duì)堤身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成影響。為進(jìn)一步提高堤身穩(wěn)定性，防止堤身土體發(fā)生徐變、坍塌、斷裂、沉降等現(xiàn)象，確保防洪堤及堤頂防汛搶險(xiǎn)道路安全，在箱涵頂進(jìn)實(shí)施前，采用灌漿加固土體及管棚支護(hù)措施對(duì)擬頂進(jìn)箱涵的頂部土體進(jìn)行加固處理。為了提高管棚承載能力，加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)的抗彎性、抗震動(dòng)性及抗擾動(dòng)性能，對(duì)支撐管棚進(jìn)行灌漿處理，使管棚能有效支撐局部散落土體。此外，管棚還能隔離上部土體與箱涵，避免土體在箱涵頂進(jìn)過程中隨箱涵一起移動(dòng)。頂進(jìn)箱涵管棚示意見圖2。

通過采用堤身加固灌漿及管棚支撐，能夠保證頂推箱涵上部土體的穩(wěn)定性，在不中斷堤頂?shù)缆方煌ǖ那疤嵯拢苊馔馏w坍塌。

3.2 頂進(jìn)箱涵選型

大型箱涵頂進(jìn)屬于深土洞開挖土體應(yīng)力的重分布問題[4]。目前，頂管施工中頂進(jìn)阻力常用規(guī)程算法[5]如下：

[FP=πD0Lfk+NF]? ? ? ? ?（1）

式中：FP為頂進(jìn)阻力;D0為管道外徑;L為頂進(jìn)長(zhǎng)度;fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力;NF頂管機(jī)的迎面阻力。該計(jì)算方法基于觸變泥漿穩(wěn)定技術(shù)，適用于四周摩阻系數(shù)一致的圓形管道頂進(jìn)阻力計(jì)算。該方法難以反映土拱效應(yīng)作用下，采用箱涵潤(rùn)滑隔離層措施后，箱涵上表面、底板及側(cè)面等不同作用面摩阻系數(shù)的差異。摩阻系數(shù)是頂推力計(jì)算的敏感值，可以反映箱涵各個(gè)面層與土體的摩擦情況，還包含頂進(jìn)作業(yè)中，箱涵“扎頭”“抬頭”“偏移”“傾斜”所引起的阻抗和挖土不善及調(diào)偏預(yù)挖所產(chǎn)生的影響。

崩沖大型箱涵頂進(jìn)采用土拱效應(yīng)折減頂推力計(jì)算法[6]進(jìn)行箱涵最大頂推力計(jì)算，并以此為依據(jù)，進(jìn)行頂推箱涵選型：

[Pmax=K[N1f1+N1+N2f2+2Ef3+RA]]? ?（2）

式中：Pmax為最大頂力;N1為箱涵頂上荷載;f1為箱涵頂上表面與荷重摩阻系數(shù);N2為箱涵自重;f2為箱涵底板與基底摩阻系數(shù);f3為側(cè)面摩阻系數(shù);E為箱涵兩側(cè)土壓力;R為鋼刃角正面阻力;A為鋼刃角正面積。土拱效應(yīng)卸載作用計(jì)算如下：

[q=43ahγ=43a2γfkp]? ? ? ? ? ?（3）

[h=afkp]? ? ? ? ? ? ?（4）

[a=b+httan45o-φ2]? ? ? ?（5）

式中：fkp為箱涵頂部堤身土體的堅(jiān)固性系數(shù);[γ]為土體容重;[φ]為土體內(nèi)摩擦角。土拱卸載效應(yīng)計(jì)算示意見圖3。

在箱涵頂部覆土厚度不大的情況下，箱涵頂部豎向土壓力按土柱實(shí)際重量計(jì)算，由于堤身土體較為密實(shí)，且箱涵頂部覆土層較厚，需考慮卸荷拱的頂托作用帶來的豎向荷載折減，當(dāng)H大于2倍卸荷拱高度h時(shí)，卸荷拱作用明顯，可以計(jì)算出大型箱涵頂進(jìn)作業(yè)的頂推力。崩沖箱涵選型，各高寬比箱涵斷面所需的頂進(jìn)作業(yè)頂推力計(jì)算見表1。

依據(jù)上述分析并結(jié)合實(shí)際頂推實(shí)施效果可知，堤身土體卸載拱的作用較為明顯。土拱跨度越小，在減小頂力的同時(shí)，土體坍塌風(fēng)險(xiǎn)越小。在過流斷面一致條件下，小高寬比箱涵斷面對(duì)頂推力的要求大于大高寬比箱涵，合理的頂推力計(jì)算有利于后背頂推墻的設(shè)計(jì)與施工。同時(shí)，大高寬比箱涵更能滿足大流量無壓過流斷面的選型要求。

為了保證箱涵能夠承受最大頂推力，崩沖頂進(jìn)箱涵采用的混凝土標(biāo)號(hào)為C40，保證配筋率，確保箱涵在行進(jìn)過程中作為一個(gè)絕對(duì)剛性體，避免在頂推過程中受力變形而無法承載箱涵側(cè)向被動(dòng)土壓力，避免箱涵周邊土體損失增大進(jìn)而導(dǎo)致防洪堤堤身沉降加劇。此外，在箱涵內(nèi)側(cè)使用Φ10@100的鋼筋格柵網(wǎng)片進(jìn)行防裂處理，避免箱涵頂推過程中由于局部受力不均導(dǎo)致構(gòu)件局部破壞向整體結(jié)構(gòu)失效延展。為了防止頂進(jìn)過程中出現(xiàn)“扎頭”現(xiàn)象，在預(yù)制箱體時(shí)，于箱底前端50 cm內(nèi)按5%船頭坡造型做成頭高尾低的坡度形式，以便頂進(jìn)時(shí)將高出箱涵底的土體壓入箱底，增強(qiáng)涵底土層承載能力，防止“扎頭”。

3.3 箱涵頂進(jìn)潤(rùn)滑劑的使用

箱涵頂進(jìn)過程中，有效的抗摩阻力措施是頂進(jìn)箱涵順利實(shí)施的關(guān)鍵。為防止預(yù)制箱涵與工作井滑板粘結(jié)造成啟動(dòng)困難，在箱涵四周設(shè)置潤(rùn)滑隔離層。經(jīng)過多方案比對(duì)，崩沖泵站頂進(jìn)箱涵隔離層做法為：加熱石蠟至150 ℃，摻入一定比例（摻入量按石蠟的15%確定）的廢機(jī)油，均勻澆灑在箱涵四周并刮平，待摻機(jī)油石蠟?zāi)毯?，在其表面撒一層?.2～1.0 mm的滑石粉，覆上塑料薄膜進(jìn)行保護(hù)。在完成工作井底板隔離層后，綁扎鋼筋、立模澆筑箱涵。該潤(rùn)滑隔離層的設(shè)置可有效降低行進(jìn)摩阻系數(shù)（圖4）。

3.4 工作井及頂推后背墻的設(shè)置

為了最大限度減小摩阻力，工作井箱涵行進(jìn)面要求最大限度的平整光滑，不能有波浪起伏。為了保證工作井滑板的平整度，滿足箱涵頂進(jìn)啟動(dòng)要求，工作井行進(jìn)路徑區(qū)域每2 m范圍內(nèi)凹凸誤差不宜超過3 mm。受堤防段地形及建成區(qū)用地范圍的限制，穿堤箱涵不能雙向頂進(jìn)，考慮使用群樁疊加后背土體方案提供后背頂力。頂推后背墻布置13條直徑1.5 m的混凝土灌注樁做為后背支撐，提供15 000 kN的后背頂力（圖5，6）。

在箱涵頂推過程中，為了盡量地減小土體位移空間，防止堤身沉降引起裂縫，同時(shí)避免造成土體和箱涵同時(shí)位移的深層滑動(dòng)導(dǎo)致堤防箱涵頂進(jìn)出口土體擠壓坍塌事故，不得超挖。在局部需調(diào)整頂進(jìn)誤差，控制頂進(jìn)方向時(shí)，會(huì)有少量調(diào)整性引導(dǎo)開挖。大型箱涵穿堤頂進(jìn)，推進(jìn)速度應(yīng)控制在1.5 ～2.5 m/d為宜，中間不間斷。

3.5 堤防沉降控制及防滲加固處理

在做好頂管段堤身土體、堤頂?shù)缆仿坊庸碳爸ёo(hù)措施前提下，在沿箱涵頂進(jìn)線路及土體45°擴(kuò)散角范圍內(nèi)布置堤頂沉降控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提前掌握頂進(jìn)過程中堤身各項(xiàng)變形參數(shù)變化情況。做好地面交通的疏導(dǎo)，在薄弱地段，必要時(shí)架設(shè)貝雷橋供臨時(shí)通車，避免頂管上方附加荷載過大。

堤身土體沉降采用土體損失產(chǎn)生的地面（防洪堤頂面）沉降槽原理進(jìn)行分析計(jì)算[7]：

[Sx=Smaxe-x22i2]? ? ? ? ? ? （6）

[Smax=Vloss2πi]? ? ? ? ? ? ? （7）

[i=h2πtan（45°-φ/2）]? ? ? ? ? （8）

式中：S（x）為行進(jìn)路線x處堤頂沉降值;Smax為堤頂最大沉降值;Vloss為頂管單位長(zhǎng)度土體損失量;i為沉降槽寬度系數(shù);[φ]為土層內(nèi)摩擦角。

由于崩沖泵站采用小型機(jī)械預(yù)挖掘進(jìn)后頂推的模式進(jìn)行大型箱涵頂推作業(yè)，土體損失率取值2.5%，依據(jù)式（7）計(jì)算頂管穿越堤防段最大堤身沉降量Smax=16.7 mm，沉降量大于小口徑管道頂推產(chǎn)生的土體沉降。

頂進(jìn)箱涵作業(yè)完成后須及時(shí)進(jìn)行回填灌漿處理加固堤防。依據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.2.7條規(guī)定“采用頂管法施工修建穿堤建筑物、構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)選擇土質(zhì)堅(jiān)實(shí)的堤段進(jìn)行，沿管壁不得超挖，其接觸面應(yīng)進(jìn)行充填灌漿處理”，頂進(jìn)大型箱涵施工對(duì)土體的擾動(dòng)較大。在大型箱涵頂進(jìn)調(diào)偏過程中疊加滑板鋪設(shè)的局部引導(dǎo)性開挖，可有效降低切削土體反作用力，減小土體非正常切削損失，同時(shí)利于調(diào)偏滑板鋪設(shè)。引導(dǎo)性開挖以不超挖為前提，滑板置于大型箱涵頂進(jìn)前端底部，按調(diào)偏方向做適當(dāng)傾斜，為箱涵頂進(jìn)調(diào)偏提供條件。崩沖泵站箱涵頂進(jìn)依據(jù)日進(jìn)尺限度制定調(diào)偏預(yù)案，滑板單邊尺寸不超過1.5 m，箱涵前端引導(dǎo)性調(diào)偏開挖不大于1.5 m，通過滑板鋪設(shè)控制箱涵頂進(jìn)前端土體切削，從而達(dá)到箱涵頂進(jìn)水平軸線允許偏差小于50 mm，箱涵內(nèi)底高程允許偏差小于30 mm的設(shè)計(jì)要求。為了防止引導(dǎo)性調(diào)偏開挖及滑板鋪設(shè)導(dǎo)致的堤防滲漏通道，不建議調(diào)偏預(yù)案中連續(xù)鋪設(shè)滑板，只在偏差預(yù)警時(shí)使用。控制局部頂進(jìn)誤差的調(diào)整性引導(dǎo)開挖，若不及時(shí)回填灌漿固結(jié)，土體徐變將導(dǎo)致堤防產(chǎn)生新的滲漏通道，威脅堤防安全。因此，除了加強(qiáng)頂推過程中箱涵周邊土體的補(bǔ)壓漿加固處理，箱涵頂進(jìn)作業(yè)后須及時(shí)進(jìn)行堤防防滲處理，具體措施為對(duì)箱涵接觸面、箱涵行進(jìn)段周邊土體進(jìn)行充填灌漿加固處理，處理方案須周密部署、及時(shí)響應(yīng)、防止遺漏。

為了減小堤防加固灌漿引起的箱涵側(cè)周土體加固沉降或變形隆起，需合理安排灌漿次序，減小堤身土體擾動(dòng)，避免出現(xiàn)較大范圍的土體二次應(yīng)力重分布。崩沖箱涵頂進(jìn)作業(yè)后，采用從箱涵內(nèi)預(yù)埋管向土體注漿的方案進(jìn)行堤防防滲加固處理，施工次序遵循“先下后上、先下游后上游”進(jìn)行，分序跳孔灌漿，避免堤身土體由于擾動(dòng)產(chǎn)生塑性變形，避免固結(jié)沉降。經(jīng)過有效的沉降控制措施，堤防沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，崩沖泵站大型箱涵頂進(jìn)施工完成后，堤身最大沉降量為19.2 mm，與前期計(jì)算分析結(jié)果基本相符。

大型箱涵頂進(jìn)穿堤方案通過預(yù)埋管灌漿充填加固頂進(jìn)路徑周邊堤身土體（圖7）。

4 結(jié) 語

（1）通過堤身加固灌漿及管棚支撐，可保證頂推箱涵上部土體穩(wěn)定性。鋼管頂棚灌漿處理可形成一個(gè)高強(qiáng)度支撐構(gòu)件。

（2）大型頂進(jìn)箱涵宜使用大高寬比斷面，潤(rùn)滑隔離層的設(shè)置可以有效降低行進(jìn)摩阻系數(shù)。

（3）大型箱涵穿堤頂進(jìn)的推進(jìn)速度控制在1.5 ～2.5 m/d為宜，中間不間斷，保證頂進(jìn)進(jìn)度及穿堤施工安全。

（4）在頂進(jìn)過程中，箱涵潤(rùn)滑隔離層的設(shè)置可有效降低行進(jìn)摩阻系數(shù)，前端滑板鋪設(shè)可避免摩阻力過大造成土體和箱涵一起位移的深層滑動(dòng)現(xiàn)象，避免堤防箱涵頂進(jìn)出口土體擠壓坍塌事故的發(fā)生。

（5）頂進(jìn)箱涵作業(yè)實(shí)施后，通過及時(shí)對(duì)箱涵周邊土體充填灌漿等加固處理，可避免大型箱涵頂進(jìn)施工后堤防沉降及堤身裂縫的產(chǎn)生，避免在頂進(jìn)箱涵周邊形成滲漏通道，確保穿堤箱涵滿足防滲要求，使箱涵與防洪堤融為一體。

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（編輯：李 慧）

Study on application of pipe-jacking technique of large box culvert in

dike-crossing construction

QIN Lining，? ZHOU Shiwu，? LI Senyuan

（Guangxi Pearl River Water Resources Commission Nanning Survey& Design Institute， Nanning 530007， China）

Abstract： With the development of urbanization in China and the change of regional confluence conditions and flood storage capacity， the pumping and drainage capacity of the existing pump stations in many cities could not meet the need of modern city development and the large caliber dike-crossing pipe becomes increasingly important in the expansion and reconstruction of pump stations for flood control and drainage. Pipe-jacking method of large box culvert has advantages such as large flow release， stable flow regime inside the tunnel， no large-scale excavation required， shorter construction period， which can ensure the safety of urban flood control during construction period. According to the technical issues of pipe-jacking for large box culvert in the construction of dike-crossing project， the measures such as the grouting reinforcement and shed-pipe support， improving the cross-section of the box culvert， controlling the frictional resistance and settlement of dike body were adopted in Bengchong pump station expansion project in Guangxi Zhuang Autonomous Region and successful achievement was obtained.

Key words： large box culvert; pipe-jacking technique; dike-crossing construction; settlement control; flood control and waterlogging drainage project; Bengchong Pump Station