超長距離頂管頂力估算與中繼間設(shè)置研究

肖志軍，張亮亮，曹 波，羅 彥

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663）

頂管工藝的首次應(yīng)用可以追溯到1896 年美國的一項(xiàng)鐵路工程[1]，二十世紀(jì)50年代引入中國，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力、油氣、水利等管道的鋪設(shè)[2-9]。在電纜線路工程中，頂管工藝廣泛應(yīng)用于電纜隧道以及非開挖穿越工程。近年來，在頂管工藝的實(shí)踐逐步取得突破，頂管的穿越長度越來越長，超長距離頂管的代表性工程越來越多。

學(xué)者們針對頂管頂力的計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究。陳孝湘等[10]對廈門翔安某海底綜合管廊工程管實(shí)測頂力進(jìn)行分析，該工程采用內(nèi)徑3.0 m混凝土管，單次頂進(jìn)982 m，穿越土層為粗砂，粉質(zhì)黏土，殘積砂質(zhì)黏性土，研究得出管壁與土的平均摩阻力fk取值比CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》要求低[11]，全程在3 kPa 以下。向安田等[12]調(diào)查了6 個(gè)典型工程的管壁平均摩阻力情況，并研究了上海某曲線頂管工程的實(shí)測頂力，該工程采用內(nèi)徑2.7 m的混凝土管，單次頂進(jìn)550 m，穿越土層為淤泥質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層。研究得出頂力呈全程劇烈震蕩上升的特點(diǎn)，在早期的高位震蕩后，平均摩阻力快速減少，最后穩(wěn)定在1.0 kPa左右。林國新[13]對福州市某110 kV 電纜線路工程實(shí)測頂力進(jìn)行分析，該工程采用內(nèi)徑2.4 m混凝土管，一次頂進(jìn)625 m，穿越土層為淤泥和淤泥質(zhì)土層，研究認(rèn)為實(shí)測頂力遠(yuǎn)小于規(guī)程建議下限值[11]，可以合理減少中繼間數(shù)量。

上述研究針對頂管頂力的計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究，結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為規(guī)范給出的平均摩阻力建議值考慮的因素眾多，取值區(qū)間較大，對超長距離頂管的頂力估算影響較大。本文針對珠海某220 kV 電纜線路穿越馬騮洲水道頂管工程進(jìn)行研究分析，單次頂進(jìn)1022 m，從設(shè)計(jì)角度重點(diǎn)討論實(shí)測頂力變化情況，中繼間設(shè)置及使用情況，為今后類似超長距離頂管工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 摩阻力計(jì)算模型

根據(jù)CECS 246—2008，將一次連續(xù)頂進(jìn)長度1000 m 以上并設(shè)置中繼間的頂管定義為超長距離頂管。超長距離頂管的代表性工程見表1[14-15]。

表1 超長距離代表性頂管工程Tab.1 Representative pipe jacking projects for ultra-long distances

在超長距離頂管工程設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵步驟是頂力估算及中繼間設(shè)置。頂力主要由頂管機(jī)迎面阻力以及管道外壁摩阻力組成。在超長距離頂管工程中，頂管機(jī)的迎面阻力所占比例極小，主要是管道外壁的摩阻力。對于摩阻力計(jì)算模型的研究目前主要有以下3種：

（1）管土摩阻力，規(guī)程CECS 246—2008、GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[16]、廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-106—2015《頂管技術(shù)規(guī)程》[17]以及日本的《推進(jìn)工法體系》[18]均認(rèn)為管道與土體完全接觸，不同的地層摩阻力不同。

（2）管漿摩阻力f，王雙[19]等研究得出長距離頂管施工通過配合觸變泥漿以形成泥漿套來減小阻力，結(jié)合半無限彈性體中圓柱孔擴(kuò)張理論分析注漿壓力和泥漿套范圍的相關(guān)性，同時(shí)運(yùn)用非線性流體力學(xué)得出泥漿與管壁接觸產(chǎn)生的阻力。GB 50268—2008 在備注中指出，當(dāng)觸變泥漿技術(shù)成熟可靠，管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套時(shí)，f值可直接取3.0～5.0 kPa。

（3）管土+管漿摩阻力同時(shí)考慮：假定孔壁穩(wěn)定，管片的小部分與土體存在接觸，該計(jì)算方法的關(guān)鍵是管土和管漿接觸面積的劃分，Khazaei等[20]采用Hezrt彈性接觸理論研究管土和管漿接觸寬度，同時(shí)考慮兩界面的摩擦特性，最終獲得管道摩阻力。張鵬等[21]在Persson 接觸模型基礎(chǔ)上總結(jié)出管土接觸范圍和接觸壓力的分布規(guī)律，最終得到考慮管漿摩阻力的直線頂管頂進(jìn)阻力公式。

2 頂力估算方法

2.1 國內(nèi)規(guī)范方法

目前國內(nèi)頂力的估算方法已很成熟，CECS 246—2008、GB 50268—2008 和DBJ/T 15-106—2015均采用相同的估算方法，具體如式（1）所示：

式中：Fp—頂進(jìn)阻力；

D0—管道外徑；

L—管道頂井長度；

fk—管道外壁與土接觸單位面積平均摩阻力；

NF—頂管機(jī)的迎面阻力。

對于目前市場上常用的土壓平衡或泥水平衡頂管機(jī)，迎面阻力即為頂管機(jī)前方的控制土壓力。采用式（2）計(jì)算：

式中：Dg為頂管機(jī)外徑；γ為土體重度；HS為頂管中心的深度。

考慮整個(gè)覆蓋層厚度的土重力均作用于頂管機(jī)前方的情況，設(shè)計(jì)值較為保守，但對于超長距離頂管，頂管機(jī)的迎面阻力所占比例極小，主要是管道外壁的摩阻力。

2.2 日本JMTA頂進(jìn)力計(jì)算方法

日本推進(jìn)技術(shù)協(xié)會（JMTA）出版的《推進(jìn)工法體系》認(rèn)為頂管設(shè)備在掘進(jìn)過程中對周邊土體擾動大，管道周邊一定區(qū)域會出現(xiàn)塌落拱，管道與塌落土體摩擦形成阻力。作用于管片上的土壓力模型采用修正Terzaghi模型計(jì)算，具體如圖1所示。

圖1 修正的Terzaghi土壓力模型Fig.1 Modified Terzaghi soil pressure model

（1）管道上的平均土壓力q：

式中：K0為土體側(cè)壓力系數(shù)，塌落狀態(tài)取1.0；p0為地表荷載，可取10 kPa；R0為隧洞半徑，取管道外徑Rp+0.04 m。

（2）頂管直線段管片外表面單位面積摩擦力f1：

式中：Dp—管片外徑；

w—單位長度管片質(zhì)量；

μs—內(nèi)摩擦角參數(shù)；

Cs—管片與穿越地層接觸面上的黏聚力。

同時(shí)，《推進(jìn)工法體系》給出了各種穿越地層的摩擦力參數(shù)，如表2所示。

表2 各種地層摩擦力參數(shù)Tab.2 Various formation friction parameters

（3）頂管機(jī)刀盤推進(jìn)阻力F0。地下工程中，泥水平衡類掘進(jìn)設(shè)備前方壓力是最大的，所以文獻(xiàn)[16]中采用泥水平衡頂管機(jī)刀盤推進(jìn)阻力計(jì)算，給出了兩種計(jì)算方法，如式（7）、式（8）所示：

式中：Dt—刀盤外徑；

N—土體貫入度；

pm—刀盤前方泥漿壓力，取埋深地下水壓力+20 kPa；

ps—刀盤掘進(jìn)阻力，其取值如表3所示。

表3 刀盤掘進(jìn)時(shí)的阻力取值Tab.3 Resistance value of cutterhead driving

（4）總頂力F計(jì)算公式：

式中：fi為穿越地層管片外表面單位面積摩擦力；Li為穿越相應(yīng)地層的長度；z為按不同地質(zhì)類型劃分的頂管區(qū)段總數(shù)量；i為第i個(gè)計(jì)算位置。

2.3 管土部分接觸頂進(jìn)力公式

頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤外徑往往會大于敷設(shè)管片外徑100 mm 左右，導(dǎo)致管道與開挖孔洞間存在間隙，現(xiàn)代頂管工程中應(yīng)用大量觸變減阻泥漿來填充這些間隙，泥漿同時(shí)會向周邊地層滲透。頂管掘進(jìn)機(jī)開挖的孔洞在管片和泥漿的相互作用下保持穩(wěn)定。管片與穩(wěn)定孔洞壁在重力和浮力的作用下只有部分接觸，接觸寬度如圖2中B所示，圖中Fvb為管片受力。

圖2 管土部分接觸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the contact between pipe and soil

Haslem[22]采用圓柱孔內(nèi)圓柱體的接觸模型簡化頂管管壁與孔壁接觸問題，基于Herzt彈性接觸理論求解如下：

式中：Pu—管道單位長度上的接觸力；

Es、Ep—土體、管片的彈性模量；

vs、vp—土體、管片泊松比；

kd、Ce—計(jì)算參數(shù)。

頂管機(jī)刀盤推進(jìn)阻力F0按照2.2 節(jié)方法計(jì)算，管漿接觸面上單位面積的摩擦力取0.3～0.5 kPa。管土接觸面上單位面積的摩擦力可以根據(jù)日本JMTA頂進(jìn)力計(jì)算方法計(jì)算。也可以考慮管片的受力情況Fvb在孔壁穩(wěn)定條件下，不同管土接觸界面的動摩擦和靜摩擦系數(shù)，Stein總結(jié)了相關(guān)系數(shù)如表4所示。

表4 不同管土接觸界面的摩擦系數(shù)Tab.4 Friction coefficient of different pipe soil contact interfaces

頂力計(jì)算公式如式（13）所示：

式中：Bi為計(jì)算位置的頂管管壁與孔壁接觸寬度；Li為對應(yīng)頂管接觸長度；fmi為管漿接觸面上單位面積的摩擦力；fsi為管土接觸面上單位面積的摩擦力。

2.4 中繼間的設(shè)置

中繼間的設(shè)置應(yīng)根據(jù)估算總頂力值、管材及工作井允許頂力、中繼間總頂力、主頂總頂力等各種因素確定。GB 50268—2008 要求一次頂進(jìn)距離大于100 m 應(yīng)采用中繼間技術(shù)。中繼間的設(shè)置數(shù)量n按式（14）估算：

式中：f0為中繼間的允許頂力值。

中繼間設(shè)置間距按式（15）估算：

其中，計(jì)算參數(shù)kd取值為0.5～0.6，即一個(gè)中繼間的總頂力僅考慮一半左右發(fā)揮作用；F1為中繼間的控制頂力。

近年來，“生態(tài)文明”“生態(tài)紅線”“舌尖上的安全”“糧食安全”“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”等一系列國家政策出臺，給腐植酸產(chǎn)業(yè)帶來了無限寬廣的發(fā)展空間。2014年6月5日，“讓腐植酸水溶肥普惠全人類”的8個(gè)科學(xué)故事，首次在聯(lián)合國“農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展論壇”上唱響，腐植酸普利惠民新產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)出的成就，讓世界為之喝彩，讓中國人為之驕傲，讓“腐植酸人”為之自豪。對此，2014年，協(xié)會將組織召開“2014土壤生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展論壇暨第十二屆全國綠色環(huán)保肥料(農(nóng)藥) 新技術(shù)、新產(chǎn)品交流會”，希望全行業(yè)“腐植酸人”積極參與，共同推動腐植酸綠色環(huán)保新農(nóng)資產(chǎn)品在美化地球大家園中發(fā)揮更大的作用?，F(xiàn)將征文范圍和要求編發(fā)如下。

2.5 工程概況與頂力估算

珠海某220 kV 電纜線路工程穿越馬騮洲水道頂管工程，馬騮洲水道為國家一級航道，水面寬闊，水深大，本段頂管單次頂進(jìn)1022 m，采用2.2 m內(nèi)徑的鋼筋混凝土管，管材采用C50高性能防腐混凝土，平均覆土厚度約為23 m，平面及縱斷面上均設(shè)計(jì)為直線頂進(jìn)，穿越地層及管壁單位面積平均摩阻力取值見表5，縱斷面圖見圖3。

圖3 頂管穿越地層縱斷面圖Fig.3 Vertical section of pipe jacking crossing stratum

表5 頂管穿越地層信息Tab.5 Information of pipe jacking crossing stratum

結(jié)合各種計(jì)算方法，統(tǒng)計(jì)不同土層穿越長度相關(guān)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。各個(gè)不同地層單位面積平均摩阻力如表7所示。

表6 頂力計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of jacking force estimation

表7 單位面積摩阻力計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of frictional resistance per unit area kPa

根據(jù)表7 計(jì)算結(jié)果，頂管機(jī)迎面阻力在頂進(jìn)總阻力中占比極小，頂進(jìn)摩阻力對頂進(jìn)總阻力的控制至關(guān)重要，本工程始發(fā)井主頂配置1個(gè)16 000 kN允許頂力的主頂，5 個(gè)10 000 kN 允許頂力的中繼間，按以往工程經(jīng)驗(yàn)以及工程地質(zhì)條件，穿越地層局部在中密的粗砂層中，摩阻力較大，所以在頂管機(jī)頭后方50 m 位置設(shè)置第1 個(gè)中繼間，5 個(gè)中繼間的布置方案見表8。

表8 中繼間布置方案Tab.8 Layout scheme of relay room

3 頂力實(shí)測與分析

本工程單次頂進(jìn)1022 m，為超長距離頂管工程，選用了德國海瑞克的AVN2200AC 泥水平衡頂管機(jī)，頂管機(jī)后設(shè)置氣壓艙。頂進(jìn)過程中充分使用觸變泥漿減阻技術(shù)，對于頂管機(jī)后200 m 范圍的管材，每節(jié)2.5 m長管材均進(jìn)行4路注漿，再往后每2節(jié)管材進(jìn)行4 路注漿減阻，歷時(shí)100 天完成了全線1022 m頂進(jìn)。頂進(jìn)過程非常順利，全程對頂力進(jìn)行監(jiān)測，各方法估算頂力與實(shí)測頂力對比曲線情況如圖4所示。

圖4 估算頂力與實(shí)測頂力對比曲線Fig.4 Comparison curve between estimated and measured jacking force

從圖4 可以看出，實(shí)測頂力在整個(gè)頂進(jìn)過程中控制得非常好，總頂力上升極為緩慢，證明觸變泥漿注漿后減阻效果非常好。正常頂進(jìn)過程中，隨著頂進(jìn)長度的增加，實(shí)測頂力與管土、管漿共同作用估算頂力一致，與GB 50268—2008、日本JMTA的頂力估算值相差較大。連續(xù)頂進(jìn)過程中，全程沒有啟動中繼間，頂管工作順利且高效。但到最終1022 m接收井位置時(shí)，接收井的接收工作沒有做到無縫對接，導(dǎo)致頂管在接收井位置停止頂進(jìn)48 h。當(dāng)再次頂進(jìn)時(shí)，總頂力急劇上升，主頂無法頂動，連續(xù)啟動了3組中繼間才實(shí)現(xiàn)重新頂進(jìn)。此時(shí)實(shí)測頂力非常接近GB 50268—2008估算頂力。以上分析表明，在超長距離頂管工程設(shè)計(jì)過程中，需嚴(yán)格對穿越地層進(jìn)行分段，為了應(yīng)對超長距離頂管作業(yè)過程中的長時(shí)間停止頂進(jìn)情況,平均摩阻力可取規(guī)范建議的最低值。計(jì)算方案中需留有足夠的頂力及中繼間安全裕度來應(yīng)對各種意外情況。同時(shí)施工過程需密切配合，對于超長距離頂管，其理想狀態(tài)是連續(xù)頂進(jìn)，在其頂進(jìn)至接近甚至超過1000 m 時(shí)，需嚴(yán)防因意外導(dǎo)致長時(shí)間停止頂進(jìn)的情況發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測頂力，剔除頂管機(jī)迎面阻力后，可以反算出頂進(jìn)過程中的平均摩阻力，繪制平均摩阻力的估算值與實(shí)測值對比曲線，如圖5所示。

圖5 平均摩阻力的估算值與實(shí)測值對比曲線Fig.5 Comparison curve between estimated and measured average frictional resistancce

從圖5可以看出，實(shí)測平均摩阻力在前200 m較大，超過2 kPa。后續(xù)200～1000 m 的順利連續(xù)頂進(jìn)過程中，平均摩阻力非常小，均小于2 kPa，且大部分時(shí)間接近1.5 kPa的水平。數(shù)據(jù)曲線在頂進(jìn)650 m位置進(jìn)入粗砂層時(shí)，實(shí)測平均摩阻力會有一點(diǎn)小的跳躍變化，但即刻又變得平緩。由圖5可知，超長距離頂管，觸變泥漿減阻技術(shù)應(yīng)用得當(dāng)，管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套，頂管頂力估算完全適用管土管漿共同作用模型，可以克服粗砂層原有較大摩阻力的影響。但本工程粗砂層穿越長達(dá)185 m，平均摩阻力較大，考慮到頂管在砂層停止頂進(jìn)的狀態(tài)，建議第一個(gè)中繼間設(shè)置在頂管機(jī)后方約50 m位置，以防意外停機(jī)而導(dǎo)致重新頂進(jìn)時(shí)，頂力急劇增大的情況。

本工程實(shí)測頂力反算平均摩阻力數(shù)據(jù)表明，正常頂進(jìn)條件下，全程平均摩阻力可以降低到1 kPa左右的水平，但發(fā)生48 h停止頂進(jìn)后，再次啟動時(shí)，全程平均摩阻力急劇增加到4.1 kPa 水平。實(shí)測總頂力接近GB 50268—2008 規(guī)范方法估算頂力值。目前大部分文獻(xiàn)認(rèn)為普通頂管的管壁單位面積平均摩阻力遠(yuǎn)小于規(guī)范建議值，但對于超長距離頂管，頂管距離越長，風(fēng)險(xiǎn)越大。建議超長距離頂管工程嚴(yán)格對穿越地層進(jìn)行分段，平均摩阻力取規(guī)范建議的最低值以計(jì)算總頂力，再合理配置中繼間。

4 結(jié)論

本文針對珠海某220 kV 電纜線路工程穿越馬騮洲水道1022 m超長距離頂管工程進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究各方法頂力估算值與實(shí)測值的對比曲線，反算出全線實(shí)測平均摩阻力的變化情況。根據(jù)設(shè)計(jì)的中繼間設(shè)置方案，結(jié)合現(xiàn)場中繼間實(shí)際使用情況，得出超長距離頂管工程頂力計(jì)算及中繼間設(shè)置的一些結(jié)論，具體如下。

（1）超長距離頂管過程中，在充分應(yīng)用觸變泥漿減阻技術(shù)條件下，連續(xù)頂進(jìn)是超長距離頂管的理想狀態(tài)；

（2）結(jié)合對圖4 的分析，頂管頂進(jìn)到接近甚至超過1000 m時(shí)，需要嚴(yán)防意外導(dǎo)致長時(shí)間停止頂進(jìn)的情況發(fā)生；

（3）結(jié)合對圖5 的分析，建議超長距離頂管工程嚴(yán)格對穿越地層進(jìn)行分段，平均摩阻力取GB 50268 規(guī)范建議的最低值以計(jì)算總頂力，再合理配置中繼間；

（4）針對本工程超長距離頂管穿越地層局部為中密的粗砂層中，平均摩阻力較大，建議第一個(gè)中繼間設(shè)置在頂管機(jī)后方約50 m位置，以防意外停機(jī)而導(dǎo)致重新頂進(jìn)時(shí)，頂力急劇增大的情況。