機(jī)械頂管在電力通道中的應(yīng)用
——以成都某地鐵外電通道為例

張 果

（成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610011）

0 引言

頂管施工是修建地下管道的一種重要的非開(kāi)挖施工工法。它是在施工過(guò)程中用頂管機(jī)或者工具管在地下掘進(jìn)，并借助工作坑中千斤頂?shù)耐屏?，把頂管機(jī)或者工具管和其后管節(jié)，一節(jié)節(jié)的從工作坑將管道推至接收坑完成管道施工。頂管技術(shù)減少對(duì)公共交通、城市市容市貌、市貌出行，提高社會(huì)綜合效益。隨著城市化的進(jìn)程，頂管已成為城市市政建設(shè)一種重要的手段[1]。

改革開(kāi)放前頂管技術(shù)在北京上海的一線(xiàn)城市進(jìn)行了實(shí)踐推廣，隨著改革開(kāi)放的大浪潮全國(guó)各大城市爭(zhēng)先引進(jìn)頂管技術(shù)。成都作為西南中心城市，一直以來(lái)由于砂卵石地層中機(jī)械頂管的土壓平衡不易滿(mǎn)足，減租措施復(fù)雜，綜合單價(jià)較高，機(jī)械頂管推動(dòng)較緩慢。

隨著科技發(fā)展和綜合國(guó)力的提升，我國(guó)頂管機(jī)從單一引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，發(fā)展到充分吸收消化頂管機(jī)技術(shù)并結(jié)合中國(guó)實(shí)踐進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，形成了各種口徑的泥水平衡系列頂管機(jī)，同時(shí)上海市政二公司自主研發(fā)土壓平衡頂管機(jī)，并一直引領(lǐng)土壓平衡頂管機(jī)的發(fā)展。

成都作為西南中心城市，近年來(lái)隨著地鐵等重大市政工程建設(shè)蓬勃開(kāi)展，對(duì)非開(kāi)挖技術(shù)需求持續(xù)增加。但一直以來(lái)由于成都砂卵石地層中的掌子面不易穩(wěn)定，減租措施復(fù)雜，綜合單價(jià)較高，機(jī)械頂管推動(dòng)較緩慢。

從頂進(jìn)過(guò)程中，掌子面的穩(wěn)定方式，頂管機(jī)分為三大類(lèi)。氣壓平衡頂管機(jī)、泥水平衡頂管機(jī)和土壓平衡頂管機(jī)。

氣壓平衡頂管機(jī)主要用于人工頂管或者半機(jī)械式頂管中。它是通過(guò)壓縮空氣，保證掌子面有一定的空氣壓力用以疏干掌子面中的地下水，并適當(dāng)保持掌子面的穩(wěn)定。

泥水平衡頂管機(jī)主要通過(guò)不同比重的觸變泥漿來(lái)平衡掌子面的土體及水壓力，以維持掌子面穩(wěn)定。一般適用于覆土深度大于1.5 倍外徑且透水系數(shù)不太大的砂質(zhì)土和黏土，當(dāng)采用濃泥漿時(shí)可用于砂卵石土層。

土壓平衡頂管機(jī)主要主要通過(guò)土壓倉(cāng)內(nèi)的壓力和螺旋運(yùn)輸機(jī)的排土來(lái)平衡土壓力和水壓力。土壓平衡具有排出泥土不需要進(jìn)行二次處理、適用土質(zhì)范圍廣和不需要采用其他輔助手段等特點(diǎn)。在極端情況下可用于不小于0.8 倍外徑的淺覆土中。

1 工程概況

本外電通道是連接220 kV 變電站至地鐵線(xiàn)路的主所，總長(zhǎng)度約為4.6 km?？紤]到該通道經(jīng)過(guò)區(qū)域已開(kāi)發(fā)形成，不具備大開(kāi)挖條件，同時(shí)線(xiàn)路經(jīng)過(guò)既有鐵路、高速公路及河道等，故采用頂管施工工法。采用頂管管徑為d=1.8 m，內(nèi)敷設(shè)4 回電纜。該段頂管的技術(shù)指標(biāo)如下所示。

（1）土建規(guī)模：d=1.8 m 頂管通道。

（2）輸電等級(jí)：110 kV/220 kV；接地系統(tǒng)：TN-S；接地電阻不大于1Ω。

（3）結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100 a。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

（4）結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件耐火等級(jí)為一級(jí)。結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為二級(jí)。

（5）混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境類(lèi)別及作用等級(jí)：二級(jí)a 類(lèi)。

（6）結(jié)構(gòu)荷載：土壓力、水壓力、地震力、覆土重量及結(jié)構(gòu)自重，地基土承載力特征值不小于220 kPa。

（7）裂縫控制等級(jí)：三級(jí)；裂縫控制值：0.2 mm 且不得貫通。

（8）結(jié)構(gòu)抗浮：設(shè)計(jì)抗浮水位按地面下1 米考慮。在不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05，在計(jì)及側(cè)壁摩阻力時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.15。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足抗浮要求。

（9）結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。地震分組為第三組。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)?？拐鸬燃?jí)為三級(jí)。

（10）場(chǎng)地屬Ⅱ類(lèi)建筑場(chǎng)地。

2 頂管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于頂管受頂管工藝、頂管材質(zhì)等因素影響，頂管設(shè)計(jì)差別很大。為確保安全，提出頂管設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如下。

2.1 頂管管材

本工程所用頂管管材應(yīng)根據(jù)國(guó)標(biāo)《混凝土和鋼筋混凝土排水管(GB/T 11836—2009)》及管道覆土厚度向具有相應(yīng)資質(zhì)的管材生產(chǎn)廠(chǎng)家定制。生產(chǎn)廠(chǎng)家應(yīng)根據(jù)國(guó)標(biāo)《給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50332—2002)》計(jì)算確定管道厚度、配筋量等。管材制造公差等檢驗(yàn)指標(biāo)按《混凝土和鋼筋混凝土排水管（GB/T 11836—2009）》規(guī)定控制。鋼筋混凝土管道管材混凝土強(qiáng)度為C 60，P8 防水混凝土，管節(jié)長(zhǎng)度2.5 m。

頂管預(yù)制時(shí)，應(yīng)同步預(yù)埋管道防水層并預(yù)埋承重地錨、預(yù)埋鋼槽、預(yù)埋鐵、預(yù)埋螺紋套管等預(yù)埋件。

2.2 管道最大頂力

DN 1800 鋼承口鋼筋混凝土管計(jì)算允許最大頂力10 115 kN。

3 頂管工法選擇

3.1 頂管管材

本工程線(xiàn)路需多次穿越現(xiàn)狀鐵路、高速公路、城市主干道，對(duì)地面沉降要求高。故采用機(jī)械頂管施工工藝。

根據(jù)地勘報(bào)告，頂管管道基本位于中密卵石層。由于中密卵石層土體滲透系數(shù)較大，普通泥水式頂管機(jī)不適用于卵石層頂管。為保證施工安全，頂進(jìn)管道施工精度，盡量減少對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，減少地面沉降。頂管機(jī)采用具有泥水平衡功能的濃泥水式頂管機(jī)，相對(duì)于普通的泥水式頂管機(jī)進(jìn)、排水的泥水相對(duì)密度，濃泥水式頂管機(jī)的進(jìn)、排水的泥水相對(duì)密度在1.4～2.2 之間。為保證頂進(jìn)管道中的安全，具體措施如下：

（1）頂進(jìn)過(guò)程中加密地表沉降監(jiān)測(cè)。

（2）平整場(chǎng)地頂進(jìn)路線(xiàn)不得有堆載，同時(shí)避免頂部車(chē)輛荷載施加，并制定應(yīng)急預(yù)案。

（3）頂管施工期間對(duì)路面交通臨時(shí)管理，避免頂部車(chē)輛荷載施加，同時(shí)在頂管管位路面鋪設(shè)1 cm 厚鋼板，擴(kuò)散荷載。

3.2 減阻措施

為降低管道頂進(jìn)過(guò)程中的管壁摩阻力，應(yīng)采用觸變泥漿技術(shù)。由于本工程頂進(jìn)管道處于砂卵石層，滲透系數(shù)較大，觸變泥漿采用高分子化學(xué)泥漿，管道注漿孔縱向間距為2～4 節(jié)管道，每組壓漿孔在同一橫截面上設(shè)3 個(gè)，管底不設(shè)注漿孔。主注漿孔應(yīng)與管道頂進(jìn)同步注漿，先注漿后頂進(jìn)。

3.3 減少地面沉降的措施

頂管施工時(shí)應(yīng)減少減阻泥漿套的厚度，不可采用大角度糾偏，應(yīng)嚴(yán)格控制出泥量，不可超量出泥。

頂管實(shí)施前，根據(jù)土層局部采用注漿措施，道路地表注漿應(yīng)避讓現(xiàn)狀管線(xiàn)。同時(shí)，應(yīng)建立地面沉降觀(guān)察點(diǎn)，頂進(jìn)過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路沉降，嚴(yán)格控制地面沉降。待頂管實(shí)施完成后，頂管管外側(cè)與土體的空隙部分必須采用水泥砂漿置換最后一道觸變泥漿，保證頂管所在地面不出現(xiàn)沉降。

4 管道接頭及防水

4.1 管道接頭

頂管管道接頭采用鋼承口接頭。接口密封膠圈采用2 條楔形橡膠圈，橡膠圈采用滑動(dòng)橡膠圈，膠圈材質(zhì)為三元乙丙橡膠，接口處襯墊材料采用膠合板見(jiàn)圖1。承口鋼板材料為Q 235B 鋼材，承口鋼板外表面應(yīng)采用厚漿型環(huán)氧煤瀝青防腐（一底兩面），管材鋼承口位置應(yīng)設(shè)置聚遇水膨脹條和聚氨酯密封膏，為固定遇水膨脹橡膠條，點(diǎn)焊2 根φ6 定位筋，定位筋沿圓周整圈設(shè)置。

圖1 頂管管道接頭大樣圖（單位：mm）

每個(gè)管道接頭需進(jìn)行密封檢測(cè)試驗(yàn)，承插口抗?jié)B需滿(mǎn)足密封試驗(yàn)壓力要求（試驗(yàn)水頭取管道底埋深再加2 m 水頭高度，且不小于0.1 MPa）。加壓至設(shè)計(jì)壓力時(shí)，持壓5 min，檢查試驗(yàn)情況，兩側(cè)均沒(méi)有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，則水壓試驗(yàn)合格。檢測(cè)孔宜采用設(shè)有內(nèi)螺紋的預(yù)埋孔成孔，在安裝檢測(cè)完畢后用匹配的螺母封堵，可作為后期補(bǔ)漏的注漿孔，預(yù)埋管及螺母的材料應(yīng)滿(mǎn)足耐久性要求。

4.2 管道防水

頂管管道內(nèi)部采用2 mm 厚高密度聚乙烯防水板（多點(diǎn)錨固PE 板）作為內(nèi)防水層，其主要性能指標(biāo)：斷裂拉伸強(qiáng)度不小于16 MPa；斷裂延伸率不小于550%；不透水性，120 min 不小于0.3 MPa；低溫彎折性：-35℃無(wú)裂紋；熱處理尺寸變化率不大于2.0%；錨固體高度19 mm；錨固體拔出強(qiáng)度不小于600 N；燃燒性能等級(jí)應(yīng)達(dá)到B 1 難燃等級(jí)。該防水層與管道一起預(yù)制。

管道接縫處采用閉合的鋼套管雙膠圈遇水膨脹橡膠+熱熔滿(mǎn)焊多點(diǎn)錨固PE 板。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著成都軌道交通的大規(guī)模發(fā)展，地鐵主所與外部電源點(diǎn)間大部分位于城市建成區(qū)。采用頂管等非開(kāi)挖修建方式將大大減少對(duì)環(huán)境及城市交通的影響。本文以以成都某地鐵外電通道為例，重點(diǎn)探討了管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、頂管工藝選擇、管道接頭形式及防水等內(nèi)容。為今后頂管技術(shù)在電力通道中的應(yīng)用提供參考。