雙線(xiàn)不等內(nèi)徑平行頂管方案優(yōu)化研究

鐘維軍，楊東東，鄭明軍，張舜元

寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 寧波 315000

非開(kāi)挖頂管被廣泛應(yīng)用于城市管道工程或管廊工程的建設(shè)中，且取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)現(xiàn)有的電網(wǎng)工程建設(shè)管理規(guī)定及相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，為了提高重要用戶(hù)的供電可靠性，有條件時(shí)，同一個(gè)變電站的兩路高壓電纜通常不布置在同一個(gè)通道內(nèi)[1]。當(dāng)電纜通道采用非開(kāi)挖頂管的方式過(guò)河時(shí)，則需要采用雙孔平行頂管的方案。

國(guó)內(nèi)眾多工程技術(shù)人員和學(xué)者都展開(kāi)了雙線(xiàn)頂管平行頂進(jìn)的工程技術(shù)研究，劉映晶[2]、蘇鼎國(guó)[3]、林國(guó)新等[4]、吳華君等[5]、陳軍等[6]、陳孝湘等[7]都分別從后行頂管對(duì)先行頂管的影響機(jī)理、雙線(xiàn)頂管施工對(duì)周邊環(huán)境的影響等方面入手，依托實(shí)際工程研究了頂管施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，為相關(guān)工程的建設(shè)提供了依據(jù)和理論支撐。但現(xiàn)有的研究都是從工程實(shí)施階段進(jìn)行論證和分析的，關(guān)于工程設(shè)計(jì)階段的論證較少，尤其是決定頂管施工難度方面的分析論證更為缺乏。

針對(duì)城市輸電線(xiàn)路工程越來(lái)越常見(jiàn)的雙線(xiàn)不等內(nèi)徑平行頂管工程的實(shí)際需求，文章研究采用雙向頂管方案及其工程應(yīng)用中存在的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并在寧波市某多回110kV、220kV高壓電力電纜共溝分艙敷設(shè)的工程中進(jìn)行應(yīng)用，為相關(guān)工程的建設(shè)和頂進(jìn)施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 平行頂管間距的確定

平行頂管的間距要解決后頂進(jìn)施工管道對(duì)先行頂進(jìn)管道施工安全影響的問(wèn)題，最終目的是能夠?qū)⒑箜斶M(jìn)施工產(chǎn)生的擾動(dòng)影響降低至最小。根據(jù)現(xiàn)有的頂管技術(shù)規(guī)程，為了減小頂進(jìn)時(shí)的相互影響，互相平行管道間的水平凈距應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)、管道直徑和管道埋置深度等因素確定，一般情況下，宜大于1倍的管道外徑[8]。根據(jù)該項(xiàng)規(guī)定，在雙線(xiàn)平行頂管施工時(shí)，應(yīng)綜合考慮先行頂管本身施工時(shí)的覆土厚度、交叉穿越等情況，同時(shí)需要考慮后行頂管對(duì)先行施工完成頂管管道結(jié)構(gòu)的安全影響。另外，為了城市地下空間合理和可持續(xù)發(fā)展，采用平行頂管敷設(shè)若干高壓電力電纜時(shí)，也需要盡可能地減小管道間的凈距離，避免占用過(guò)大的城市地下空間。

以寧波市某多回路110kV、220kV高壓電力電纜過(guò)河工程為例，受雙通道等因素的制約，需要在DN2000和DN1400的頂管內(nèi)需分別敷設(shè)32孔和8孔的MPP電纜保護(hù)管，該工程為典型的雙線(xiàn)平行頂進(jìn)的不等內(nèi)徑頂管工程。該工程的初步布置方案如圖1所示，主要是考慮雙線(xiàn)頂管需要采用獨(dú)立通道敷設(shè)，在頂管井設(shè)計(jì)時(shí)，可采用一個(gè)井室施工，頂管完成后澆筑隔墻的方案，也可以直接設(shè)置兩個(gè)井室，通過(guò)設(shè)置分艙的鋼筋混凝土隔墻來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜通道空間的隔離。若采用兩個(gè)井室的方案，需要保證在每個(gè)頂管通道內(nèi)都能滿(mǎn)足頂管施工工作空間的需求。

圖1 雙線(xiàn)不等內(nèi)徑頂管布置方案圖（管底平齊）

受1倍管道外徑凈間距的制約，后行頂管與先行頂管的安全距離要盡可能地維持在后行頂管1倍管道外徑以上，從這個(gè)角度來(lái)看，為了減小后行頂管施工對(duì)先行頂管的擾動(dòng)，可以采用“先大后小”的頂進(jìn)施工方案，即先行頂管為口徑較大的頂管，后行頂管為管道口徑較小的頂管。

2 橫斷面相對(duì)位置的布置

2.1 基于卸荷擾動(dòng)分區(qū)的頂管相對(duì)位置分析

頂管施工時(shí)，在工作井內(nèi)為了滿(mǎn)足頂進(jìn)施工時(shí)導(dǎo)軌安裝的空間要求，管道底部到井內(nèi)底需要預(yù)留一定的操作空間，混凝土管道施工時(shí)的設(shè)備間距要求為0.4～0.5m。采用不等內(nèi)徑頂管采用管底平齊的方案對(duì)于施工機(jī)械的調(diào)整是最小的，常規(guī)頂管施工用導(dǎo)軌即可正常施工，不需要對(duì)導(dǎo)軌、后座墻進(jìn)行特殊定制或者改造，是最便捷的方案。但由于頂管開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的擾動(dòng)范是以管道底部中心為起始，兩側(cè)以45°+φ/2的擾動(dòng)線(xiàn)延伸至地表（φ為土體的等效內(nèi)摩擦角），具體如圖2所示，為了便于表述，可將頂管施工的擾動(dòng)區(qū)分為三個(gè)區(qū)：①管道底部的卸荷擾動(dòng)區(qū)、②管道底部120°范圍內(nèi)管土接觸的剪切擾動(dòng)區(qū)和③管道頂部的卸載擾動(dòng)區(qū)。根據(jù)已有的理論研究成果和工程實(shí)測(cè)驗(yàn)證，頂管施工對(duì)周邊地層擾動(dòng)及對(duì)臨近建（構(gòu)）筑物安全影響最大的區(qū)域是③管道頂部的卸荷擾動(dòng)區(qū)[9]。

圖2 頂管施工橫向擾動(dòng)分區(qū)剖面圖

采用管底平齊方案，其剪切擾動(dòng)區(qū)、管道底部的卸荷擾動(dòng)區(qū)都是存在的，而且對(duì)臨近管道的影響較小；在平行頂管施工時(shí)，最需要避免的是后頂進(jìn)管道頂部的卸荷擾動(dòng)區(qū)域進(jìn)入先行頂進(jìn)管道的范圍內(nèi)。為了具有普遍適用性，以后行頂管管道底部低于先行管道為例進(jìn)行分析，雙頂管間距計(jì)算示意圖如圖3所示。

圖3 雙頂管間距計(jì)算示意圖

管之間的控制參數(shù)為L(zhǎng)和h，其中h為輸入值，則L的計(jì)算公式如下：

式中：h為后行頂管與先行頂管中心高程差，m；φ為土體的等待內(nèi)摩擦角，°；D為先行較大口徑頂管的外徑，m；d為后行較小口徑頂管的外徑，m。

2.2 不等口徑頂管的相對(duì)位置分析

以寧波市某多回路110kV、220kV高壓電力電纜過(guò)河工程為例，較大口徑頂管的外徑D=2.4m，較小口徑頂管的外徑d=1.68m。為了便于施工，取頂管管道底面相平，則此時(shí)兩管之間的中心距離h=0.36m，由于頂管四周的土體主要為淤泥及淤泥質(zhì)土，取土體的等待內(nèi)摩擦角φ=10°，代入公式（1）計(jì)算得到L=0.302+0.647+0.240=1.189m。即在后行頂管與先行頂管在底部相平的前提下，管道間的水平凈距離不低于1.2m時(shí)，即可滿(mǎn)足后行頂管頂進(jìn)產(chǎn)生的頂部卸荷擾動(dòng)區(qū)域不進(jìn)入先行頂管管體范圍內(nèi)的基本安全要求。

2.3 雙線(xiàn)不等內(nèi)徑頂管施工的間距取值

對(duì)于雙線(xiàn)不等內(nèi)徑頂管的間距取值，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范的規(guī)定，按后行管道的1倍間距取值是現(xiàn)有規(guī)程的基本做法，但如果是管道非中心平行對(duì)稱(chēng)的，則應(yīng)考慮后行頂管施工擾動(dòng)對(duì)先行頂管地基土穩(wěn)定性的影響。對(duì)于地基土穩(wěn)定影響的初步判定，可根據(jù)文章提出的公式（1）進(jìn)行計(jì)算，保證后行頂管施工時(shí)頂部卸荷擾動(dòng)區(qū)不進(jìn)入先行頂管的管道本體范圍內(nèi)。

從工程方案角度來(lái)看，當(dāng)存在大小不等口徑頂管施工時(shí)，優(yōu)先考慮采用“管外底平齊”的布置方案，可將頂管施工本身的難度降至最?。煌瑫r(shí)，為了盡可能地減小后行頂管施工對(duì)先行頂管的擾動(dòng)影響，可采用文章提出的公式（1）計(jì)算得到凈距離和1倍管道外徑的最大值，然后進(jìn)行擾動(dòng)控制。

3 頂管工作井的優(yōu)化設(shè)計(jì)

頂管井的空間需求包含兩個(gè)方面，即頂管施工階段的空間需求和作為電纜通道構(gòu)筑物關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的空間需求。為了便于處理施工過(guò)程中的設(shè)備安裝、渣土處理等問(wèn)題，雙線(xiàn)頂管的掘進(jìn)機(jī)械選型一般都盡可能相同，即都采用泥水平衡式或土壓平衡式。

3.1 頂管施工時(shí)工井的空間需求分析

對(duì)于雙線(xiàn)平行但不等口徑頂管共用的頂管始發(fā)井，井的長(zhǎng)度仍然由掘進(jìn)機(jī)械長(zhǎng)度較長(zhǎng)的頂管控制；頂管井的深度則由管道覆土厚度及其相應(yīng)的操作空間決定，為了減小施工難度，可將不等內(nèi)徑頂管的外底部設(shè)為相平，此時(shí)，頂管始發(fā)井的深度就由口徑較大頂管的交叉穿越要求控制。

對(duì)于始發(fā)井的寬度，取決于兩根管道之間的凈距離、管道內(nèi)徑及管道外側(cè)的施工操作空間。當(dāng)始發(fā)工作井深度不大于10m時(shí)，兩根不同口徑的頂管外側(cè)與井之間的距離必須滿(mǎn)足管外單側(cè)凈寬度為1.0～1.2m的要求；當(dāng)井深大于10m時(shí)，則需要預(yù)留的凈寬度為1倍管道的外徑加上1.0～1.2m，可采用以下公式計(jì)算井寬：

當(dāng)頂管井底深不大于10m時(shí)，井寬B1的計(jì)算公式如下：

當(dāng)頂管井底深大于10m時(shí)，井寬B2的計(jì)算公式如下：

3.2 雙艙分隔頂進(jìn)工井的布置

在部分工程中，為了滿(mǎn)足管道使用階段的空間需求或通道內(nèi)的消防要求，需要將2個(gè)頂管分隔為獨(dú)立的空間，此時(shí)需要在始發(fā)井內(nèi)的2個(gè)頂管之間設(shè)置一道隔墻。對(duì)于分艙施工和敷設(shè)高壓電纜的頂管，可以采用在頂管施工完成后在井內(nèi)砌筑分隔墻的做法，也可以采用直接將沉井作為雙艙頂管始發(fā)井。對(duì)于設(shè)置1個(gè)大井室后砌筑隔墻的做法，其頂管始發(fā)井設(shè)計(jì)時(shí)的空間需求與一般井無(wú)異，主要是隔墻砌筑后需要考慮通風(fēng)、上下人員和消防的空間需求；對(duì)于通過(guò)鋼筋混凝土隔墻分隔后設(shè)置2個(gè)獨(dú)立艙室的始發(fā)井，則可將其視為將2個(gè)獨(dú)立頂管工井進(jìn)行拼接得到。雙線(xiàn)不等內(nèi)徑頂管井分隔布置方案示意圖如圖4所示。

圖4 雙線(xiàn)不等內(nèi)徑頂管井分隔布置方案示意圖（單位：mm）

頂管井平面長(zhǎng)度由頂管機(jī)具及其始發(fā)配套設(shè)備的基本空間需求決定；工井平面寬度由兩個(gè)獨(dú)立頂管工井所需拼接空間決定，此時(shí)后行頂管與先行頂管的水平向凈距離為2.86m，大于1倍后頂進(jìn)管道的外徑為1.68m，也大于根據(jù)公式（1）計(jì)算得到的1.20m，滿(mǎn)足后行管道頂進(jìn)施工對(duì)先行管道施工影響的控制要求。

4 結(jié)論

文章以寧波市某多回路110kV、220kV高壓電力電纜共溝分艙敷設(shè)過(guò)河段頂管為例，分析了雙線(xiàn)不等內(nèi)徑平行頂管及其始發(fā)井的優(yōu)化布置方案，得出了以下結(jié)論：

（1）為了減小后行頂管頂進(jìn)對(duì)先行頂管擾動(dòng)影響，2根管道之間水平間距的大小應(yīng)能保證后行頂管頂部的卸荷擾動(dòng)區(qū)域不進(jìn)入先行管道本體的保護(hù)范圍之內(nèi)；

（2）后行頂管與先行頂管的凈距離計(jì)算與管道外徑、土體等代內(nèi)摩擦角、平行管道中心高程差有關(guān)，最小安全凈距離可采用前述四個(gè)參數(shù)間的幾何關(guān)系計(jì)算得到；

（3）為了便于頂管施工，對(duì)于雙線(xiàn)不等內(nèi)徑平行頂管工程應(yīng)采用口徑“先大后小”的施工順序，同時(shí)優(yōu)先考慮2根管道“管外底平齊”的橫剖面布置方案，管道間的最小凈間距可根據(jù)后行頂管施工擾動(dòng)卸荷影響范圍確定；

（4）頂管始發(fā)井的空間布置需要考慮頂管施工操作的空間要求和頂管使用階段的空間要求，也需要考慮雙線(xiàn)不等內(nèi)徑平行頂管施工擾動(dòng)相互影響的基本凈距要求。