超長距離鋼頂管頂力設(shè)計(jì)探討

叢海洋，彭夏軍

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

頂管法施工在市政給排水工程中應(yīng)用非常普遍，頂管一次頂進(jìn)長度也屢創(chuàng)新高。目前設(shè)計(jì)人員在計(jì)算頂力時(shí)往往依據(jù)現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)，但在本項(xiàng)目的工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，按照規(guī)范計(jì)算所得的頂力數(shù)值與現(xiàn)場實(shí)際測量的頂力數(shù)值存在一定偏差，特別是在摩阻系數(shù)的選取上。頂管施工中注漿一是起潤滑作用，將管道與土體間的摩擦變?yōu)楣艿琅c觸變泥漿的摩擦，泥漿套的形成減小了管道頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力[1]。王雙等[2]根據(jù)土-泥漿-頂管三者的不同作用情況，施工中泥漿套形態(tài)分為漿液滲透形態(tài)、管段下沉形態(tài)、管段懸浮形態(tài)、管段上浮形態(tài)與管段水平偏轉(zhuǎn)形態(tài)，并針對直線頂管中常見的3 種泥漿套形態(tài)分別給出了不同的摩阻力計(jì)算公式。如何選定相關(guān)參數(shù)，對超長距離頂管的頂力計(jì)算、中繼間設(shè)置、縱向穩(wěn)定、管道壁厚等都有十分關(guān)鍵的意義。

1 工程概況

背景工程為市政取水、輸水工程，自陽澄中湖取水，沿滬寧高鐵穿越陽澄西湖等至相城區(qū)某水廠，設(shè)管徑為計(jì)2×DN1800（局部2×DN2000）。工程地理跨度廣，建設(shè)路徑上有道路、湖泊、河流等障礙。管道穿越障礙均采用頂管方案穿越，頂管埋深約6～12 m，穿越土層有蘇州地區(qū)典型黏性土、砂土，且部分位于承壓水層中。頂管管材為鋼管，工具管為泥水式頂管機(jī)，管壁與土體間采用觸變泥漿減阻。各段頂管設(shè)計(jì)情況見表1。

表1 頂管設(shè)計(jì)情況匯總

2 頂力計(jì)算

本文以長度2 686 m 段頂管為例，本段頂管管道的設(shè)計(jì)直徑為2×DN2000，壁厚24 mm，頂管設(shè)計(jì)中心標(biāo)高-9.0 m，埋深約11 m，頂管穿越土層為⑤粉質(zhì)黏土夾粉土、⑥粉土夾粉砂、⑦粉砂。管位大部分位于陽澄西湖湖區(qū)內(nèi)，湖面水位標(biāo)高約1.36 m。工程施工中采用觸變泥漿減阻，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)行業(yè)規(guī)程[3]給出的頂力計(jì)算公式計(jì)算。設(shè)計(jì)人員在計(jì)算頂力時(shí)選取了行業(yè)規(guī)程[3]中給出的管壁與土體的平均摩阻力3.5 kPa，并根據(jù)該數(shù)據(jù)計(jì)算出中繼間等相應(yīng)參數(shù)。通過計(jì)算得到，單節(jié)管道能承受的最大允許頂力為8 663 kN，不選用中繼間的管節(jié)全長計(jì)算阻力為61 000 kN，而通過計(jì)算所得頂管井允許頂力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管節(jié)所能承受的頂力。因此，最終設(shè)計(jì)取允許頂力為8 500 kN，并設(shè)置多個(gè)中繼間。

3 頂力實(shí)測

頂管現(xiàn)場實(shí)際配置的觸變泥漿主要由膨潤土、純堿、羧甲基纖維素鈉（CMC）、水組成，各成分的配合比為1∶0.05∶0.012∶5.5，注漿壓力在0.18 MPa。在正常頂進(jìn)過程中，管節(jié)內(nèi)設(shè)置的數(shù)個(gè)中繼間并未開啟，現(xiàn)場實(shí)測的左線、右線的頂管頂力、管道側(cè)摩阻力與頂進(jìn)距離數(shù)據(jù)如圖1 至圖4 所示。

圖1 左線頂力隨頂進(jìn)距離變化曲線

從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，左線頂管在頂進(jìn)前段的500 m區(qū)間內(nèi)，頂管頂力隨頂進(jìn)距離的增加而增加，頂力絕對值接近5 000 kN；在頂進(jìn)長度為500～2 000 m 的區(qū)間范圍內(nèi)，頂管頂力基本保持在5 000 kN 上下；當(dāng)頂進(jìn)距離超過2 000 m 時(shí)，頂力再次有所增加，頂力絕對值達(dá)到6 000 kN。從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，左線頂管管道側(cè)摩阻力隨著頂進(jìn)距離的增加呈下降趨勢，在350 m 附近，管道側(cè)摩阻力數(shù)值在1.0 kPa 上下，在800 m 之后直至2 686 m，管道側(cè)摩阻力數(shù)值基本位于0.5 kPa 左右。

圖2 左線側(cè)摩阻力隨頂進(jìn)距離變化曲線

從圖3、圖4 可以發(fā)現(xiàn)，右線頂管的頂管頂力、管道側(cè)摩阻力在趨勢、數(shù)值上基本與左線相近。圖中個(gè)別數(shù)據(jù)拐點(diǎn)為頂管經(jīng)暫停后重新啟動(dòng)的瞬時(shí)頂力，管道靜置時(shí)間超過2 d 后，啟動(dòng)時(shí)的頂進(jìn)阻力明顯增加。該數(shù)值對頂進(jìn)順利實(shí)施至關(guān)重要，但管道一旦啟動(dòng)，頂進(jìn)阻力會(huì)明顯下降。在其他幾段頂管內(nèi)，管道的側(cè)摩阻力基本上在0.5 kPa 左右，其中12號頂進(jìn)區(qū)段單管最大頂力為5 800 kN，8號頂進(jìn)區(qū)段的單管最大頂力為5 500 kN，均小于設(shè)計(jì)階段所計(jì)算的設(shè)計(jì)頂力。

圖3 右線頂力隨頂進(jìn)距離變化曲線

圖4 右線側(cè)摩阻力隨頂進(jìn)距離變化曲線

需要說明的是，圖1、圖3 中在頂進(jìn)末段均存在幾處突變峰值。導(dǎo)致數(shù)據(jù)突變的主要原因是頂管頂進(jìn)暫停后重新啟動(dòng)的瞬時(shí)頂力較大，而非正常頂進(jìn)的頂力。

4 對比分析

采用觸變泥漿減阻，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對管壁與土體的平均摩阻力數(shù)值有詳細(xì)規(guī)定，當(dāng)頂管管材為鋼管時(shí)，從表2 可以看出，行業(yè)規(guī)程[3]給出的管壁與土的平均摩阻力的數(shù)值為3～4 kPa，上海市設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4]中給出的參考值為2～4 kPa，上海市施工標(biāo)準(zhǔn)[5]中給出的參考值為2～7 kPa，安徽省頂管規(guī)程[6]中給出的參考值為3～4 kPa，均與工程實(shí)際測得的數(shù)據(jù)有一定差別。

表2 地勘土體參數(shù)

從表2 可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范給出的最小摩阻力為2 kPa。若按照此值計(jì)算，當(dāng)頂管頂進(jìn)長度為2 686 m時(shí)，計(jì)算所得的頂進(jìn)阻力為35 550 kN，根據(jù)管道截面計(jì)算所得允許頂力為6 500 kN。由于管道自身強(qiáng)度不足，此時(shí)需設(shè)置中繼間。若采用施工實(shí)際測得的摩阻力計(jì)算，即摩阻力取值為0.5 kPa，那么該段頂管的總阻力為9 600 kN，總頂力大大減小，此時(shí)可優(yōu)化管道壁厚或減少中繼間數(shù)量，從而降低工程造價(jià)。

5 結(jié) 論

在軟土地區(qū)長距離頂管工程中，采用觸變泥漿減阻技術(shù)已非常成熟，多數(shù)施工單位有能力控制好管道外壁的側(cè)摩阻力。通過對比分析現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與各規(guī)范條文，本文認(rèn)為：

（1）在頂管工程設(shè)計(jì)過程中，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選取鋼管管壁與土體的側(cè)摩阻力數(shù)值略較保守，不能反映施工過程中的真實(shí)情況，設(shè)計(jì)人員可依據(jù)當(dāng)?shù)爻晒Φ墓こ贪咐?，對采用觸變泥漿減阻的鋼管管壁與土體的平均摩阻力取值上可作優(yōu)化，取值可在0.5～1 kPa 之間，從而優(yōu)化管壁厚度、中繼間數(shù)量等關(guān)鍵參數(shù)。

（2）今后規(guī)范在修編過程中可對采用觸變泥漿減阻的管壁與土體的平均摩阻力取值稍作調(diào)整，特別是鋼管與土體的平均摩阻力，以便對實(shí)際工程設(shè)計(jì)有更好的指導(dǎo)作用。

（3）頂管施工頂進(jìn)過程中，不可避免地要發(fā)生過程中斷的情況，一旦中斷時(shí)間較長，啟動(dòng)時(shí)的頂進(jìn)阻力將明顯增大，該值的大小決定了中繼間的設(shè)置數(shù)量和是否啟動(dòng)中繼間。因此，從施工角度出發(fā)，中繼間必須按要求設(shè)置。但中繼間是否開啟，可根據(jù)實(shí)際情況確定。

本文以陽澄湖地區(qū)數(shù)段頂管的成功案例為基礎(chǔ)進(jìn)行討論，討論中并未深入研究管道與土體間的力學(xué)作用，也未討論規(guī)范中頂力計(jì)算公式的其他參數(shù)，僅從設(shè)計(jì)角度對采用觸變泥漿的鋼管管壁與土體的平均摩阻力參數(shù)上提出見解，希望對設(shè)計(jì)人員在今后的頂管設(shè)計(jì)中有一定的借鑒意義。