大口徑鋼筒混凝土管道頂管在城市內(nèi)澇治理中的應(yīng)用

王紹華，陳斌泉，張 棟，于 泳

（1.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392；2.中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300000）

近些年，我國極端暴雨天氣頻發(fā)，城市內(nèi)澇問題突出。雨水系統(tǒng)是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，直接關(guān)乎城市排水安全。由于設(shè)計(jì)理念及重視程度不夠等因素，我國很多城市建成區(qū)的雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，管網(wǎng)老化嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了城市排水安全。上海市截至2015年，已建成排水系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1 a一遇的的占比達(dá)到94.4%[1]；天津中心城區(qū)共有73座泵站、769 km排水管道運(yùn)30 a以上，處于超期服役，運(yùn)行不穩(wěn)定[2]。為提高城市抵御極端天氣的能力，國家、地方陸續(xù)發(fā)布了一系列文件及規(guī)范，旨在完善城市排水體系建設(shè)，提高應(yīng)對排水內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的能力。扎實(shí)做好灰色設(shè)施配套建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)排水管道真正滿足提標(biāo)要求的有效途經(jīng)[3]。

雨水系統(tǒng)提標(biāo)改造項(xiàng)目大多位于現(xiàn)狀建成區(qū)，周邊障礙物多，現(xiàn)場建設(shè)條件復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的開槽施工方式難度較大。頂管技術(shù)是現(xiàn)代市政工程給排水項(xiàng)目施工中常用的技術(shù)手段，對提升給排水工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量及減小對周圍建筑的影響具有顯著效果[4]，成為解決復(fù)雜城市環(huán)境下雨水系統(tǒng)提標(biāo)改造的重要解決途徑。

1 工程概況

某現(xiàn)狀建成區(qū)由于歷史原因，雨水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏低，局部存在雨水空白區(qū)。根據(jù)排水規(guī)劃，為解決圖1中A、B兩地塊雨水排放問題，需要建設(shè)1座雨水泵站，雨水系統(tǒng)收水面積約143.8 hm2，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期3 a，泵站設(shè)計(jì)規(guī)模13.5 m3/s，泵站的出水管管徑為3 200 mm。

圖1 雨水系統(tǒng)

現(xiàn)場建設(shè)條件復(fù)雜，周邊鄰近住宅小區(qū)、高壓線及高壓線塔并下穿現(xiàn)狀高架橋及道路，沿線管線繁多，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。為了減小對周邊建構(gòu)筑物的影響，降低工程造價(jià)，采用頂管施工。

2 頂管管材選擇及參數(shù)確定

2.1 管材選擇

根據(jù)雨水泵站出水管道直徑、設(shè)計(jì)壓力及地質(zhì)條件等因素，頂進(jìn)施工管材在鋼筋混凝土管道、鋼管、鋼筒混凝土管道（JCCP）以及玻璃鋼夾砂管4種中進(jìn)行比選。見圖2。

圖2 管材單價(jià)比選

由圖2可以看出，相同管徑的管道單價(jià)鋼管＞JCCP＞玻璃鋼夾砂管＞鋼筋混凝土管。鋼管的壁厚隨著管徑的增加增大，一般適用于管徑≯2 000 mm的管道；本工程為壓力出水管道且最大埋深約12 m，因此鋼筋混凝土管道雖然單價(jià)便宜，但無法適應(yīng)出水管道工況要求，因此僅對JCCP及玻璃鋼夾砂管進(jìn)行比較。見圖3。

圖3 管道允許頂力設(shè)計(jì)值

由圖3可以看出，相同管徑下，JCCP允許的頂力設(shè)計(jì)值可以達(dá)到玻璃鋼夾砂管的2倍左右，在不加設(shè)中繼間的情況下，可以實(shí)現(xiàn)更長的頂進(jìn)距離。JCCP內(nèi)嵌置的鋼筒與鋼制承插口焊接，確保了管體良好的密封性，比較適合用于市政、水利等行業(yè)的中低壓給排水管線[5]。有關(guān)文獻(xiàn)指出[6]，JCCP在不設(shè)置中繼間的情況下，最大直線頂進(jìn)距離達(dá)到380 m。

經(jīng)綜合比選，最終確定采用JCCP作為頂管管材。

2.2 參數(shù)確定

2.2.1 工作井設(shè)置及頂進(jìn)距離

頂管段全長約2.6 km。根據(jù)現(xiàn)場地形、管線走向等因素，共設(shè)置頂管工作井18座，基坑深度8～12 m，最長頂進(jìn)距離263 m。

2.2.2 管道參數(shù)

采用DN3 200 mm JCCP，管材壓力0.4 MPa，管節(jié)長2.5 m，每節(jié)管道質(zhì)量約23.4 t。

2.2.3 頂管段埋深

根據(jù)CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，橫穿現(xiàn)狀管線時(shí)，頂管與埋深最大的現(xiàn)狀管線垂直凈距按照不小于頂管管材1倍管道外徑設(shè)計(jì)。當(dāng)頂管段無垂直交叉的現(xiàn)狀管線時(shí)，頂管管頂覆土厚度按照≮1.5倍管外徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。管道整體埋深7～10 m。

2.2.4 頂力計(jì)算

根據(jù)地勘報(bào)告，頂管位于淤泥質(zhì)土層，采用泥水平衡法頂進(jìn)施工。

1）最長一段總頂力式中：F為總頂力，kN；f為土與管外壁摩阻系數(shù)，取0.3；PL為土壤的垂直均布荷載，一般為地面至管頂?shù)耐林囟龋?8.55 kN/m2；PH為土壤的水平壓力，kN/m2；D為管外徑，m；L為頂進(jìn)長度，m；P0為管道總重量，kN；SA為機(jī)頭迎面面積，m2；PS為供泥水壓力，kPa；PT為挖掘面土壓力，kPa。

經(jīng)計(jì)算，頂進(jìn)距離最長一段總頂力為22 742 kN。

2）管道允許最大頂力

式中：Fdc為混凝土管管道允許頂力設(shè)計(jì)值，N；Φ1為混凝土管受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.9；Φ2為混凝土管偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；Φ3為混凝土管脆性系數(shù)，取0.85；Φ4為混凝土管強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；Ap為混凝土管受壓截面面積，mm2；r為頂力分項(xiàng)系數(shù)，取1.3。

JCCP混凝土強(qiáng)度等級C40，受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取19.1 N/mm2，把各項(xiàng)系數(shù)代式（2），得出管道允許最大頂力為26 431.77 kN。

3）工作井允許最大頂力。在設(shè)計(jì)工作井后座墻時(shí)，考慮后座板樁支承的聯(lián)合作用對土抗力的影響。水平頂進(jìn)力通過后座墻傳遞到土體上近似彈性的荷載曲線，能將頂力分散傳遞，擴(kuò)大了支承面。經(jīng)驗(yàn)算，在保證土體穩(wěn)定性要求的前提下，工作井允許的最大頂力設(shè)計(jì)值為10 000 kN。

綜上可知，管道允許最大頂力＞頂進(jìn)距離最長一段總頂力＞工作井允許最大頂力。根據(jù)三者中最小的頂力值，確定頂管設(shè)計(jì)頂力為10 000 kN。

2.2.5 其他參數(shù)

初始頂進(jìn)速度10～20 mm/min，正常頂進(jìn)速度20～30 mm/min，采用觸變泥漿減阻，注漿壓力控制值為20～50 kPa。

3 工作井

3.1 尺寸

直線頂進(jìn)段工作井為矩形。管道轉(zhuǎn)彎處工作井為正八邊形，見圖4。

圖4 工作井

1）長度計(jì)算。頂管機(jī)頭長約5 m，工作井最小內(nèi)凈長度L≥L1+L3+k

式中：L為工作井最小內(nèi)凈長度，m；L1為頂管機(jī)下井時(shí)最小長度，取5 m；L3為千斤頂長度，取2.5 m；k為后座和頂鐵的厚度及安裝余量，取1.6 m。

經(jīng)計(jì)算，工作井最小內(nèi)凈長度為9.1 m。

2）寬度計(jì)算

式中：B為工作井的內(nèi)凈寬度，m；D1為管道的外徑，取3.84 m。

經(jīng)計(jì)算，工作井最小內(nèi)凈長度為6.24 m。

考慮到人員進(jìn)出工作井等因素，預(yù)留了一定的空間。矩形工作井設(shè)計(jì)長度12 m，寬度8.4 m。正八邊形工作井設(shè)計(jì)長度10.4 m。

3.2 基坑支護(hù)

由于基坑周邊高壓線及其他障礙物的影響，大型機(jī)械難以進(jìn)場，不適合拉森鋼板樁及SWM工法樁施工。經(jīng)論證，基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長23～26 m，間距1 200 mm；止水帷幕采用φ700 mm高壓旋噴樁，樁長12～15 m，間距500 mm；設(shè)置鋼筋混凝土冠梁及2道腰梁。冠梁尺寸1200 mm×600 mm；第1道腰梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸1 000 mm×800 mm；第2道腰梁采用雙拼H700 mm×300 mm型鋼。

4 施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)

4.1 液壓系統(tǒng)布設(shè)

主頂采用6臺300 t千斤頂，最大頂力可達(dá)到15 000 kN，滿足頂管設(shè)計(jì)頂力要求。千斤頂最大值頂程2.5 m，分上、中、下三層安裝。液壓千斤頂和千斤頂支架布置在主頂坑內(nèi)，與管道中心的垂線對稱。見圖5。

圖5 千斤頂布置

4.2 中繼間設(shè)置

中繼間的位置及頂力應(yīng)綜合考慮總頂力、管道允許頂力及工作井允許頂力后確定。本工程所在場地土質(zhì)條件較差，工作井允許最大頂力成為制約因素；因此，以設(shè)計(jì)頂力不超過工作井允許最大頂力為原則設(shè)置，按照第一個(gè)中繼間余量40%，其余中繼間余量30%進(jìn)行設(shè)計(jì)。中繼間設(shè)計(jì)總推力1 000 t，采用10只100 t小千斤頂提供相應(yīng)的頂力。

4.3 管節(jié)接縫處理

管節(jié)止水圈材質(zhì)為氯丁橡膠或氯丁橡膠與水膨脹橡膠復(fù)合體，用黏結(jié)劑粘貼于管節(jié)基面上。管節(jié)與管節(jié)間采用中等硬度的木制材料——膠合板作為襯墊，以緩沖混凝土間的應(yīng)力，板接口處以企口方式相接。頂管施工結(jié)束后，管節(jié)間的縫隙采用雙組分聚硫密封膏填充。

4.4 管節(jié)吊裝

管道單節(jié)質(zhì)量約23.4t，采用100t汽車吊進(jìn)行吊裝，作業(yè)半徑＜12m，采用U形吊具進(jìn)行，減小管道接口處的受力。

為保證施工時(shí)機(jī)械安全，在工作井外進(jìn)行地基加固，加固區(qū)大小為15.3 m×12 m。采用φ600 mm高壓旋噴樁，樁長10 m、間距1 000 mm。高壓旋噴樁上安裝一塊2 mm厚鋼板，作為機(jī)械作業(yè)平臺使用。

4.5 注漿孔布置

在管道上預(yù)留觸變泥漿孔，由壓漿管打進(jìn)觸變性泥漿，使泥漿能均勻的擴(kuò)散在管節(jié)周圍，在頂進(jìn)中起到進(jìn)一步的減阻作用。每節(jié)管設(shè)4個(gè)注漿孔，分別在管頂以90°為夾角均勻布置在插口的位置上。見圖6。

圖6 管節(jié)注漿孔布置

5 結(jié)語

本項(xiàng)目目前已經(jīng)完成竣工驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。實(shí)踐證明，JCCP頂管技術(shù)有效控制了項(xiàng)目建設(shè)成本，降低了施工難度，節(jié)省了建設(shè)周期，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常突出。

1）JCCP在大口徑、長距離頂管施工中具有較大的優(yōu)勢。

2）鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁組合支護(hù)方式，可以滿足大型機(jī)械難以進(jìn)場條件下頂管工作坑的建設(shè)要求。

3）在軟土地區(qū)大口徑、長距離頂管施工中，工作井允許的最大頂力往往成為制約頂力設(shè)計(jì)值的因素。

JCCP頂管技術(shù)的成功應(yīng)用，積累了大直徑JCCP頂管在城市復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對大直徑JCCP管材標(biāo)準(zhǔn)、工作井設(shè)計(jì)方法、坑外加固技術(shù)、管道頂進(jìn)方式等一系列技術(shù)進(jìn)行了有益的實(shí)踐，為今后類似的工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。