大口徑排水頂管在山地城市的應(yīng)用

向建鵬

（重慶市勘測(cè)院，重慶市 401121）

0 引 言

在市政排水工程中，頂管工法相較于傳統(tǒng)開(kāi)槽工法具有對(duì)道路交通影響小、地下管網(wǎng)遷改量少、征地拆遷少等優(yōu)點(diǎn)，在穿越山地地區(qū)更具有土石方開(kāi)挖工程量少的顯著優(yōu)勢(shì)，有利于保護(hù)山水本底，具有良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，有利于推動(dòng)實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生。

1 工程概況

1.1 工程概況

本項(xiàng)目位于重慶市大渡口區(qū)金鰲山，因北側(cè)道路規(guī)劃雨污水排出口受限，需將管徑為DN1200 的雨水和管徑為DN400 的污水由北引至南側(cè)市政預(yù)留排水接口處。道路東側(cè)地勢(shì)較高，為金鰲山非建設(shè)用地。道路西側(cè)地勢(shì)較低，為在建的開(kāi)發(fā)商地塊，用地條件局促。如圖1 所示排水管道由北向南敷設(shè)，需要穿越兩處高度超過(guò)20 m 的山脊，頂管中段為最不利點(diǎn)，其覆土深度為6 m，故設(shè)計(jì)考慮采用頂管工法。方案將雨污水管道共溝敷設(shè)，采用管徑為DN2400 的鋼筋混凝土鋼承口接頭的頂管專用管道，管壁厚度為230 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，單次頂進(jìn)長(zhǎng)度為311 m。

圖1 項(xiàng)目平面圖

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)設(shè)計(jì)方案分析，頂管管底標(biāo)高為301.121～298.161 m，覆土深度約6～29.2 m 不等，管道均位于中風(fēng)化巖石內(nèi)，圍巖巖性主要為砂質(zhì)泥巖，中風(fēng)化巖體厚度0～22.0 m，圍巖等級(jí)為IV 級(jí)。地下水類型為基巖裂隙水，依據(jù)勘察結(jié)論：工程范圍的基巖內(nèi)地下水不發(fā)育，場(chǎng)地基巖裂隙水貧乏。擬建場(chǎng)地地質(zhì)條件較好，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象和不良地質(zhì)作用，以及對(duì)工程不利的埋藏物。

本項(xiàng)目頂管計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2 頂管受力計(jì)算

2.1 管道總頂力估算

依據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246:2008）[1]，管道總頂力估算公式:

式中:F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道外徑，m，取2.86 m；L 為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m，取311 m；fk為管道外壁與土的平均摩擦阻力，kN/m2，采用觸變泥漿減阻，本工程穿越砂質(zhì)泥巖，形成穩(wěn)定的泥漿套時(shí)可取3kN/m2[2]；NF 為頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

采用大刀盤切削的泥水(土壓)平衡式頂管機(jī)，頂管機(jī)迎面阻力計(jì)算公式：

式中：Dg為頂管機(jī)外徑，m，一般大于管道外徑約2～6 cm，取2.9 m；γs為土的重度，kN/m3，取25.6 kN/m3；Hs為覆蓋層厚度，m。

本項(xiàng)目頂管穿越砂質(zhì)泥巖厚度最大為29.2 m，依據(jù)詳細(xì)地質(zhì)勘察，該砂質(zhì)泥巖為穩(wěn)定土層，可以考慮頂進(jìn)管節(jié)時(shí)在頂管上方形成“土拱效應(yīng)”，在考慮“土拱效應(yīng)”情況下，作用在管道上的垂直土壓力并不是上覆土體自重，主要為拱頂下松弛層厚度的土體自重，拱頂以上穩(wěn)定土層直接作用在管頂上的垂直土壓力較小可忽略。

故可認(rèn)為頂管頂上覆蓋層計(jì)算厚度為拱頂松弛層厚度，該厚度計(jì)算可采用太沙基松弛土壓力公式計(jì)算[3]：

式中：H's為松弛層厚度，m；D1為管道外徑，m，取2.86 m；φ 為土體內(nèi)摩擦角，°，取37°；H 為覆土層厚度，m，取最大覆土層29.2 m；K 為靜止土壓力系數(shù)，由泊松比μ 計(jì)算得K=0.612 9。

計(jì)算得到H's約為6.13 m，Hs取7 m。代入式（2），計(jì)算得到頂管機(jī)迎面阻力NF約為1 183 kN。代入式（1），估算管道總頂力F0為9 562 kN。

2.2 鋼筋混凝土管道允許頂力計(jì)算

鋼筋混凝土管頂管傳力面允許最大頂力可按式（4）計(jì)算：

式中：Fdc為混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值，N；φ1為混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，φ1=0.90；φ2為偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，φ2=1.05；φ3為材料脆性系數(shù)，φ3=0.85；φ5為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，φ5=0.79；Fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；AP為管道的最小有效傳力面積，mm2；γQd為頂力分項(xiàng)系數(shù)，γQd=1.3。

選用頂管專用鋼筋混凝土管，管道混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 N/mm2。管道的最小有效傳力面積1.65×106 mm2，代入式（4），計(jì)算得到混凝土管道允許頂力Fdc設(shè)計(jì)值為14 988.6 kN，大于管道總頂力F0為9 562 kN。

依據(jù)估算結(jié)果分析，本項(xiàng)目DN2400 的鋼筋混凝土頂管，采用觸變泥漿減阻的措施條件下，在砂質(zhì)泥巖中一次頂進(jìn)311 m 是基本可行的。

3 地表沉降數(shù)值估算

3.1 沉降原因分析

頂管掘進(jìn)引起的地表沉降分布是三維的，隨機(jī)頭掘進(jìn)而動(dòng)態(tài)變化的。引起地面沉降或隆起的因素很多，主要有以下幾方面：

（1）工具管開(kāi)挖引起的地層損失。

（2）掘進(jìn)機(jī)具與土體、頂管管節(jié)與土體之間的摩擦力。

（3）頂進(jìn)軸線的偏差和工具管的糾偏，對(duì)一側(cè)土體的擠壓，另一側(cè)則產(chǎn)生間隙，造成地層損失。

（4）掘進(jìn)機(jī)前方土體的開(kāi)挖和掘進(jìn)機(jī)、管節(jié)外周空隙，造成土體產(chǎn)生徑向位移。

除此之外，地層損失還與工程地質(zhì)情況、頂管管徑、頂管機(jī)設(shè)備、操作技術(shù)水平、頂管縱向軸線垂直度以及頂管持續(xù)時(shí)間、注漿情況等很多不可預(yù)見(jiàn)的因素有關(guān)。因此很難精確計(jì)算頂管引起的地面沉降，一般對(duì)地面沉降計(jì)算只能估算。

3.2 沉降數(shù)值估算

沉降分析一般采用的peck 法估算公式，peck 法公式假定在土體不排水和體積不可壓縮的條件下，地層損失的體積等于沉降槽的體積，提出了估算頂管上方地表某點(diǎn)沉降的公式[4]:

式中：S（x）為頂管上方某點(diǎn)沉降量，m；X 為頂管軸線的橫向水平距離，m；Smax為頂進(jìn)管道軸線上方的最大地面沉降量，m；Vs為頂管單位長(zhǎng)度土體損失量，可根據(jù)土體損失率進(jìn)行計(jì)算；I 為地面沉降槽寬度系數(shù)，m；D1為頂管外徑，m；VL為土體損失率，%，在采取注漿及壓力平衡法施工時(shí)，土層損失率一般為1%～3%。

對(duì)于i 取值，按照劉建航等[5]提出的公式計(jì)算:

式中：Hs為管頂至地面的覆土厚度，m；φ 為土體內(nèi)摩擦角，°，取37°。

依據(jù)管道縱斷面設(shè)計(jì)，取最不利覆土深度Hs=6 m，φ=37°，D1=2.86 m，VL=3%，分別代入式（5）～式（7），計(jì)算得i=5.945 m，可得理論P(yáng)eck 公式為:

以最不利點(diǎn)覆土6 m，按照土體損失率3%，依據(jù)理論P(yáng)eck 公式計(jì)算，得到沉降曲線如圖2 橫斷面地表沉降曲線所示。

圖2 橫斷面地表沉降曲線

其開(kāi)挖斷面管軸中心處的最大沉降量為12.9 mm，滿足《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246:2008）公路沉降量不大于20 mm 的要求。

綜上所述，作為市政建筑工程的重要環(huán)節(jié)，地基施工質(zhì)量直接決定整個(gè)建筑工程的質(zhì)量和使用壽命，所以在具體的施工過(guò)程中，必須要重視地基處理技術(shù)的應(yīng)用，嚴(yán)格按照安全施工工藝流程進(jìn)行。同時(shí)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇合適的地基處理措施，嚴(yán)格監(jiān)控整個(gè)施工流程，從而保證地基施工質(zhì)量和建筑工程質(zhì)量。

值得注意的是，在管徑、覆土深度等確定的情況下，土體損失率的控制對(duì)于頂管工程的沉降控制尤其重要，故對(duì)施工設(shè)備、施工工藝、注漿工藝和操作技術(shù)水平提出了較高的要求。

4 影響頂力的主要因素分析和控制措施

4.1 影響頂力的主要因素

影響頂力的因素有：地層巖性、地下水位高低、管道自身情況、管道尺寸與埋深、注漿潤(rùn)滑、中繼間設(shè)置、方向糾偏、管道超挖、頂進(jìn)距離、施工停頓時(shí)間間隔、管道彎曲大小、施工技術(shù)水平高低等[6]。經(jīng)分析，影響本項(xiàng)目頂管頂力的主要因素如下：

（1）地層巖性

不同類型地層的巖土性質(zhì)與相同類型的管壁之間的平均摩阻力相差較大，粉細(xì)土與鋼筋混凝土管壁之間的平均摩阻力是巖石的3～5 倍。除了地層巖性導(dǎo)致的摩擦系數(shù)不同外，地層的自穩(wěn)定性也對(duì)頂力有巨大影響。若頂管穿越地層處土層能形成“拱頂效應(yīng)”，則作用在頂管上的土壓力較小，反之則大。

（2）頂程、管道埋深、管道尺寸和管道自身狀況管道總頂力的大小與頂進(jìn)長(zhǎng)度L、管道外徑D、覆蓋層厚度Hs 成正比關(guān)系。同時(shí)，管道的自身狀況如管材類型、自重大小、外表粗糙程度、管道接頭類別等，均影響平均摩阻力大小。

（3）注漿潤(rùn)滑

觸變泥漿的制漿工藝和注漿水平，直接決定了泥漿的黏性系數(shù)、泥漿套的完整性和穩(wěn)定性。若觸變泥漿配比不合理、注漿壓力不合理，均會(huì)影響泥漿減阻性能的發(fā)揮。

（4）頂進(jìn)方向偏離

頂進(jìn)過(guò)程中需要持續(xù)地對(duì)頂進(jìn)方向進(jìn)行修正，管道糾偏過(guò)程中致使管道外側(cè)土壓力不對(duì)稱分布，管壁會(huì)與巖層直接接觸，增大頂進(jìn)阻力。

（5）施工停頓時(shí)間間隔

頂進(jìn)施工停頓時(shí)間間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，觸變泥漿靜置導(dǎo)致水分離析出來(lái)，致使減阻失效，重新頂進(jìn)施工時(shí)頂力會(huì)增加。

綜上所述，頂管頂進(jìn)阻力主要克服頂管機(jī)前端的迎面阻力和管壁的摩擦阻力。頂管機(jī)的迎面阻力主要與土體的自重和覆蓋層的厚度密切相關(guān)，在總阻力中占比相對(duì)較小，不隨頂進(jìn)長(zhǎng)度增加而增加。管壁的摩擦阻力與地層巖性、管材類型、管道外徑尺寸、泥漿減阻等密切相關(guān)，在總阻力中占比相對(duì)較大，隨頂進(jìn)長(zhǎng)度的增加而增加。尤其與地層巖性、注漿水平和施工技術(shù)密切相關(guān)。

4.2 主要控制措施

基于影響頂力的主要因素分析，本項(xiàng)目施工主要控制措施如下：

（1）合理選擇頂進(jìn)路線，頂進(jìn)線路均控制在砂質(zhì)泥巖中，巖體能形成良好的“拱頂效應(yīng)”，可一定程度上減小頂進(jìn)阻力。

（2）選擇外壁光滑、接口嚴(yán)密的頂進(jìn)專用管道，并采取管外壁涂刷潤(rùn)滑涂層的方式進(jìn)一步減阻。

（3）采用觸變泥漿減阻。嚴(yán)格控制制漿工藝和注漿工藝，保證泥漿的減阻性能；合理選擇注漿壓力和布設(shè)注漿孔，以形成完整穩(wěn)定的泥漿套。

（4）嚴(yán)格控制頂進(jìn)過(guò)程中的方向偏差和自轉(zhuǎn)偏差，以免管壁與土體直接摩擦接觸和大范圍擾動(dòng)土體。頂進(jìn)糾偏必須勤測(cè)量、多微調(diào)，糾偏角度應(yīng)保持在10′～20′，不得大于1°，并設(shè)置偏差警戒線。

（5）嚴(yán)格控制吊裝管節(jié)等正常施工作業(yè)的停頓間隔時(shí)間，保證觸變泥漿的減阻性能，盡量避免非正常情況下的施工停頓。

頂管頂力計(jì)算為理論公式所得，實(shí)際施工中頂管頂力所受影響因素復(fù)雜多變，各種影響因素的影響作用很難量化[7]。建議施工過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂進(jìn)過(guò)程中頂程與頂力的變化曲線，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)頂進(jìn)方向、調(diào)整頂力參數(shù)和注漿工藝等措施，保障工程順利實(shí)施。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以山地城市大口徑頂管工程應(yīng)用為例，介紹了頂管頂力估算方法，為頂管管材選擇、頂管設(shè)備選型提供了參考。分析了地表沉降原因，介紹了沉降估算方式，提出在頂管施工中土體損失率的控制對(duì)于頂管工程的沉降控制尤其重要。同時(shí)，分析了影響頂力的主要因素，并提出了相應(yīng)的施工控制措施，為其他類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工提供一定參考。