常规顶管工程设计的探讨

王成

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223005）

顶管技术是一种非开挖敷设管道技术。该施工方法的原理是：所要顶进的管道在主顶工作站的作用下（有时需要中间站或中继站辅助），由始发井始发，顶进至目标井；施工过程中，通过位于第一节管道的可控顶管机破碎岩土，实现直线或曲线顶进；顶管机的操作和控制可以直接在地下的工作现场由操作人员来完成，岩土的破碎方法可以在工作面上通过手工、机械或者水力的方法进行分步破碎来实现，也可以通过机械全断面破碎来实现；破碎下来的岩粉或泥土通过压力墙上的进土口进入顶管机，并通过已铺设好的管线运至地表。

顶管施工不需要开挖地面，不破坏地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道；施工周期短，施工对周遭的干扰小。是一种无污染、高效率的施工技术，相比传统的沟埋式管线施工方法，可以节省大量投资和时间。

1 顶管设计基础资料

1）地质资料。包括沿线的地质分层、各层土体物理力学指标、土层地震液化的判别、地下水位、水质等；要查清流沙、软淤土、硬结石土层等不良土层的分布范围和特性；查清承压水的分布和特征值。

2）地形资料。包括顶管穿越范围内的建筑物、铁路、公路、河、湖的具体位置，分布范围，查清建筑物以及道路的基础埋置深度，河（湖）水位及水深特征高程等。

3）地下管线及障碍物资料。查明施工场地和可能受施工影响的区域，有无已铺设的地下管线（包括给排水、燃气、热力、工业等各种管道以及电力和电信电缆），如有，则查明地下管线的平面位置、走向、埋深（或高程）、规格、性质、材质等以及每条管线的铺设年代和产权单位。以便保护已有地下管线，防止施工时造成对管线的破坏。

4）流量及水文资料。确定管道在各种工况下的过流流量，上下游水位组合。

2 顶管设计工作内容

2.1 顶管管径及管材设计

顶管管径根据管道的设计过流能力确定，管径不宜太小，较小管径管内操作空间较小，施工较为不便；也不宜太大，较大的管径要求顶推力大，对顶管设备的要求比较高。常见的顶管管径在1～3 m之间。如计算所需的管径较大，可考虑布置2根或多根管道同时顶进。

顶管常用的管材有钢筋混凝土管，钢管和玻璃纤维增强塑料夹砂管。管材的选择应根据管道用途、管材受力特性、当地采购或制作条件的具体情况来考虑。

2.2 顶管轴线布置

顶管平面布置包括管轴线平面布置和顶管管位（管线高程）布置。

顶管可以直线顶进，也可以曲线顶进。在满足工程规划的前提下，管轴线的平面布置，应考虑两方面因素，一是不通过活动性地震断裂带；二是尽可能在平面上避开地下障碍物。同时顶进的几根平行管道之间应有足够的净距。

顶管管位选择有以下几方面的因素需要考虑：

1）应注意避开地下障碍物。

2）管顶应有足够的覆土厚度，以保证施工时不影响地面建、构筑物的安全。

3）应注意避开不宜进行顶管施工的土层，尽可能避开对顶管施工有不利影响的流沙、软淤土、硬结石土层等不良土层。

4）有承压水时要分析承压水对顶管施工的影响。

5）穿越河道时，应布置在河床一定深度以下。

2．3 工作井、接收井的布置

在顶管施工中，必须在一次顶进的管道两端设置工作井和接收井。工作井是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机或工具管的始发地，同时又是承受主顶油缸反作用力的构筑物。接收井则是接收顶管掘进机或工具管的场所。

工作井和接收井的布置应遵循以下几条原则：

1）一次顶进的长度不宜过长，不应超过周边顶管施工企业的能力。

2）避免对周围建、构筑物和设施产生不利影响。

3）要满足工程地形条件、交通、电力、水利等行业管理要求等制约因素，对工作井（接收井）布置的限定条件。例如穿越宽阔河道的顶管，工作井的布置不能布置在河道内，布置在河堤范围内要得到有关管理部门的许可……。

4）应考虑施工组织的便利，选择靠近电源、水源，便于运输、排水的位置等。

5）根据实际需要和降低施工成本等方面的考虑，选择顶管的顶进形式（常见的顶进形式可分为单向顶进、双向对接顶进、调头顶进、多向顶进等几种）,工作井和接收井根据确定的顶进形式进行布置。

6）考虑利用管线上其它建筑物的结构，如利用管线上泵站的泵室作为顶管的工作井（接收井）。

2．4 工作井和接收井的结构设计

工作井形状一般有矩形、圆形、腰圆形、多边形等几种，其中矩形工作井最为常见，较深的工作井也一般采用圆形，且常采用沉井法施工。接收井通常选用矩形或圆形。

工作井（接收井）按其结构可分为钢筋混凝土井、钢板桩井、地下连续墙井等。在土质条件好、总顶推力不大和井底不深的情况下，工作井（接收井）可采用水泥搅拌桩临时支护或放坡开挖式，但需在工作井中需浇筑一堵后座墙。

工作井的控制尺寸包括井的最小长度、最小宽度及井的最小深度，设计时考虑顶管施工要求，按照顶管的管节长度、管节外径、顶管机尺寸、管底高程等参数确定。

接收井的控制尺寸包括井的最小长度、最小宽度，设计时考虑顶管机外径、长度、顶管机在井内拆除和吊装的需要以及工艺管道连接的要求等有关参数确定。

工作井（接收井）的结构计算可根据井的结构形式，参照有关的规范及参考书计算，计算工作井时，需计算顶管施工时顶推力对井身结构的影响。

2．5 顶管的结构计算

顶管的结构计算主要包括下列内容：

1）顶推力的估算。计算完成一次顶进过程（从工作井至接收井）所需的最大顶推力。如估算的总顶推力大于管道允许顶力工作井允许顶力时，需设置中继间或增加减阻措施。

2）管道允许顶力。计算管顶传力面允许的最大顶力。

3）管道强度计算。计算管壁截面的最大环向应力、最大纵向应力、最大组合应力等。计算的应力应小于有关规范规定的允许值。

4）管壁稳定验算。计算柔性管道（钢管、玻璃纤维增强塑料夹砂管等）管壁截面失稳临界压力。计算的临界压力应小于有关规范规定的允许值。

5）管道竖向变形验算。计算柔性管道（钢管、玻璃纤维增强塑料夹砂管等）在地面荷载等竖向荷载作用下产生的最大长期竖向变形，其变形量应不影响管道的正常使用。

6）钢筋混凝土管道裂缝宽度验算。计算钢筋混凝土管在长期效应作用下，处于大偏心受拉或大偏心受压状态时，最大裂缝宽度，其计算值应小于有关规范规定的允许值。

2．6 顶管的施工组织设计

顶管工程的施工组织设计，除工程概况、进度计划、场地布置等常规内容外，还应在介绍施工技术措施文字中，对以下几方面的情况进行说明：

1）根据土质和地下水位等情况选定顶管机型式（主要有机械式、挤压式、人工挖掘式、土压平衡、泥水平衡、气压平衡等6种型式）。

2）顶管机进出洞的方法。

3）减少管壁摩阻力的措施和中继间的布置。4）出泥方法和弃土的处置。5）减少地面沉降的措施。6）工程难点的技术保障措施和应急预案。

3 优化设计方案

顶管工程的造价由各项目的材料费用、人工费用、施工机械的使用费用等几部分组成。对工程造价影响较大的主要是管材费用、工作井和接收井建筑安装费用、施工机械的使用费等几部分的费用，工程设计的优化也主要体现在这几方面费用的减少上。在管线总体布置方案确定的情况下，优化设计方案时，可以考对以下几方面的设计方案进行比选：

1）在满足工程设计要求的前提下，选用市场价格较低的管材。

2）考虑选用管节长度较短的管材进行施工。选用较短的管材施工，会增加管节数量，降低施工效率，但可以减少工作井的尺寸。

3）合理布置顶管的顶进形式，如采用工作井利用效率高的调头顶进、多向顶进等方式；有条件的情况下，利用管线上的其它建筑物结构作为工作井（接收井）。

4）合理选择一次顶进长度。一次顶进长度较长，工作井和接收井的数量较少，但顶推力较大，施工机械的费用较高；顶进长度较短，工作井和接收井的数量增加，但顶管的施工难度减小，施工费用降低。