下穿道路頂進(jìn)鋼筋混凝土圓管涵設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

張春

一、下穿道路頂進(jìn)圓管涵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.適用性分析

在淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉土以及砂土層地質(zhì)條件中，可以采用頂管施工工藝；而對(duì)于除此之外的其它地質(zhì)區(qū)域，施工時(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求較高，且潛在諸多施工風(fēng)險(xiǎn)，因此不宜采用頂推圓管涵的方法。

2.管涵位置的控制

管涵與公路應(yīng)盡可能保持垂直交叉的位置關(guān)系，斜交需達(dá)到60°或根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加。以天然氣管線為例，其與大橋的距離需達(dá)到100m及以上，若周邊建有中橋，則該距離至少需達(dá)到50m。除此之外，還需控制頂管頂面的位置，要求其與路面底基層的底層至少有1.0m的距離，以免造成擾動(dòng)影響。

3.結(jié)構(gòu)尺寸及具體布置方式

（1）結(jié)構(gòu)尺寸

圓管涵的內(nèi)徑通常為0.6～3.5m，壁厚取該值的1/10。對(duì)于管徑超過(guò)3.0m的情況，則不宜采用頂推圓管涵。在控制管涵壁厚時(shí)，若環(huán)筋的直徑在1.0m以?xún)?nèi)，則應(yīng)優(yōu)先采用單層配筋的頂管，并根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范有效控制壁厚。

（2）管節(jié)連接方法

明挖圓管涵施工時(shí)，管間接頭的處理難度較小，通常無(wú)需對(duì)管接頭做針對(duì)性的處理，僅需在管節(jié)連接部分采取防水處理措施即可；頂管連接的復(fù)雜度較高，接頭形式主要含兩類(lèi)，即柔性接頭和剛性接頭，在實(shí)際應(yīng)用中，以柔性接頭的比重較高，在頂管距離較小時(shí)，可采用剛性接頭。其中，柔性接頭又可細(xì)分為多種形式，即鋼承口、企口、雙插口、鋼承插口，工程實(shí)踐中以鋼承口形式的應(yīng)用更為廣泛。

入選標(biāo)準(zhǔn)：在研究開(kāi)始之前未采用過(guò)任何對(duì)研究結(jié)果存在影響的藥物；對(duì)研究認(rèn)可并且同意參與。排除標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)法全程參與本次研究；存在精神或臟器疾病導(dǎo)致無(wú)法根據(jù)要求參與研究。

頂推圓管涵施工時(shí)，管端屬于受力較特殊的部位，其需要承受較大的局部頂推力，在外力作用下，容易出現(xiàn)橫向變形乃至受損現(xiàn)象。對(duì)此，需對(duì)管端采取局部加強(qiáng)措施，例如增加環(huán)筋的數(shù)量、配套U型加強(qiáng)筋。

頂管接頭需具有足夠的密封性，為滿(mǎn)足此要求，可以在承口處設(shè)橡膠圈，具體又需考慮兩種細(xì)分情況，即管內(nèi)有壓時(shí)用“O”型膠圈，管內(nèi)無(wú)壓時(shí)用楔形單膠圈。依托于橡膠圈的擠壓變形作用，能夠有效適應(yīng)接頭的空間，保證該處具有足夠的密封性。此外，在承口處設(shè)置加強(qiáng)筋后，需要為之配套合適尺寸的遇水膨脹膠圈。

（3）頂管覆土厚度的設(shè)計(jì)

管頂覆土厚度的控制根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件而定，在不穩(wěn)定土層中，需超過(guò)管外徑的1.5倍且需達(dá)到1.5m以上；若管涵需要穿越河底，則需超過(guò)管外徑的1.5倍并達(dá)到2.5m以上，部分情況下現(xiàn)場(chǎng)地下水位較高，此時(shí)還需考慮到管道的抗浮要求，綜合多項(xiàng)條件合理控制管頂覆土厚度。

（4）橫向頂管間距的設(shè)計(jì)

若采用平行的雙管形式，此時(shí)則需重點(diǎn)控制管距，具體可根據(jù)土層性質(zhì)、管徑、管道埋深等基礎(chǔ)條件而定，通常需超過(guò)管外徑的1倍。

（5）材料的選擇

水泥是重要的原材料，可選用硅酸鹽水泥。對(duì)于鋼筋材料，較為合適的是冷軋/熱軋帶肋鋼筋，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，縱向分布筋及U型加強(qiáng)筋均可以采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，而對(duì)于內(nèi)外層環(huán)筋，較為合適的是CRB550冷軋帶肋鋼筋，也可以根據(jù)需求調(diào)整為其它形式的鋼筋，例如HRB400熱軋帶肋鋼筋也具有可行性。承口鋼圈通常選用的是Q235B或Q345B鋼材，在設(shè)置后局部外露，需在該部位刷涂防腐涂料，起到防護(hù)的作用。若周邊的介質(zhì)具有中等腐蝕乃至強(qiáng)腐蝕的特性，則需充分考慮到頂管管材的適用性問(wèn)題，此時(shí)以玻璃鋼夾砂管為宜。

（6）管節(jié)配筋

受力主筋為環(huán)向鋼筋，在其細(xì)分類(lèi)型中，以螺旋鋼筋的應(yīng)用較為廣泛，環(huán)形鋼筋雖然得以使用但頻率較低。鋼筋直徑通常為6～14mm。管節(jié)壁厚未超過(guò)0.1m時(shí)，可采取單層配筋的方式，否則則以雙層配筋為宜。在設(shè)置內(nèi)外層環(huán)向筋時(shí)，嚴(yán)格控制其間距，通常不可超過(guò)15cm，具體根據(jù)配筋計(jì)算而得。

管節(jié)縱向設(shè)置構(gòu)造鋼筋，直徑≥4mm，間距≤40cm，數(shù)量至少達(dá)到6根。此外，還在管節(jié)的端部設(shè)U型加強(qiáng)筋，具體布置方式可參照縱向鋼筋，通過(guò)該類(lèi)鋼筋的設(shè)置，有助于提高管端部的承壓能力。

（7）頂推力計(jì)算

總頂力計(jì)算公式如式（1）：

式（1）中：n為土質(zhì)粘滯系數(shù)；G為每米混凝土管自重，t；L為頂管長(zhǎng)度，m。

以直徑為1m、壁厚為10cm的混凝土管穿越亞粘土為例：每米混凝土管自重=材料密度×每米套管體積=1.61t，頂管長(zhǎng)度按30m計(jì)算，土質(zhì)粘滯系數(shù)取1.5～2.5，總頂力為96.6t。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和地質(zhì)情況，可選擇采用液壓千斤頂或電動(dòng)千斤頂進(jìn)行施工。

（8）后背受力

根據(jù)頂管需要的總頂力，核算后背墻寬度，使后背墻外單位土體寬度上受力不大于后背墻外土體的總被動(dòng)土壓力。參考《地下管線非開(kāi)挖鋪設(shè)工程施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)程第2部分頂管施工》（DB11T594.2-2018）后背墻外土體每米寬度上土的總被動(dòng)土壓力P如式（2）：

二、下穿道路頂進(jìn)圓管涵施工技術(shù)

1.作業(yè)坑及背墻的修筑

根據(jù)路兩側(cè)的地形特點(diǎn)，選擇較為平整的一側(cè)，沿圓管涵中線、邊線開(kāi)挖，形成合適尺寸（根據(jù)圓管直徑、長(zhǎng)度等基礎(chǔ)條件而定）的長(zhǎng)方形作業(yè)坑，且需留有富余的空間，以便在該處高效完成背墻的混凝土澆筑、頂推設(shè)備的安裝、圓管的安放等相關(guān)操作?？拥仔杞?jīng)過(guò)硬化處理，可在坑四周設(shè)置圍擋，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。背墻是重要的結(jié)構(gòu)，其需要承受千斤頂反作用力，因此必須具有足夠的強(qiáng)度，在施工時(shí)需注重此方面的控制?？拥捉?jīng)過(guò)混凝土硬化處理后，在該處安放兩根槽鋼或鋼軌，將該裝置作為頂推圓管的導(dǎo)向，同時(shí)也可以減小圓管與坑底的摩擦力，以便在后續(xù)操作中以較快的速度完成圓管涵的頂推作業(yè)。

2.頂推

背墻混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，可組織頂推施工，但在此之前應(yīng)在混凝土墻的預(yù)留圓孔部位開(kāi)挖圓洞，將該處開(kāi)挖產(chǎn)生的土方運(yùn)至圓管外倒掉，將提前準(zhǔn)備好的圓管置于已經(jīng)鋪設(shè)好的軌道上，在頂推設(shè)備的前后兩個(gè)部位分別設(shè)置木塊，以免設(shè)備發(fā)生滑動(dòng)。嚴(yán)格控制好千斤頂頂推圓管的施力部位，宜在圓管的下半部分，即對(duì)應(yīng)的是圓管外徑的1/3～1/4處。通過(guò)頂推設(shè)備的應(yīng)用，將圓管以較慢的速度頂推至路基處，并對(duì)頂進(jìn)前端的土方做開(kāi)挖處理，將該部分開(kāi)挖產(chǎn)生的土轉(zhuǎn)至管外。對(duì)千斤頂?shù)闹С虚L(zhǎng)度做靈活的調(diào)整，并再次啟用頂推設(shè)備，由其提供作用力，將圓管涵頂入。按照前述方法多次操作，最終將圓管涵完全頂至設(shè)計(jì)位置。

三、圓管涵頂推施工的注意事項(xiàng)

1.頂推前，需深入現(xiàn)場(chǎng)做全面的調(diào)查，掌握現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)特性、周邊既有工程建筑物的分布情況等，制定專(zhuān)項(xiàng)施工方案。

2.頂推時(shí)，安排人員進(jìn)入圓管內(nèi)掏土，具體深度根據(jù)土質(zhì)特性而言，通常不超過(guò)20cm，同時(shí)需遵循隨掏隨頂?shù)淖鳂I(yè)原則，以防坍塌。

3.頂推施工需具有連續(xù)性，盡可能縮短中途間隔的時(shí)間，以免因上部荷載作用而出現(xiàn)土體坍塌等問(wèn)題。

4.多節(jié)圓管頂進(jìn)時(shí)，注重對(duì)相鄰管節(jié)的密封處理，保證其具有良好的密封性。

5.頂進(jìn)期間，加強(qiáng)對(duì)圓管的監(jiān)測(cè)，及時(shí)判斷其是否存在受損、偏位等異?，F(xiàn)象，此外諸如背墻的變形等方面也均要得到考慮。若上方建設(shè)有公路或其它工程建筑，則要做好沉降變形監(jiān)測(cè)工作，若存在偏差則及時(shí)分析具體情況，明確原因，采取糾偏措施。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在管涵施工中，下穿道路等既有工程建筑物的情況普遍存在，頂管施工方法具有可行性，可以保證管涵的施工效果以及既有建筑物的穩(wěn)定性。但頂管施工全流程中存在諸多細(xì)節(jié)，需要工程人員準(zhǔn)確把握。在本文中，則對(duì)圓管涵頂進(jìn)施工展開(kāi)了分析，提出一些要點(diǎn)，希望可作為類(lèi)似工程的參考。