浅淡穿堤顶管工程设计

麦树锋

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

浅淡穿堤顶管工程设计

麦树锋

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

顶管是地下管道非开挖施工的一种,它的特点是将管道敷设改明挖为暗挖。对于交通繁忙、地面建筑物众多、地下构筑物和管线复杂的市区以及不便明挖的工程来说非常重要。以《乐排河(清远段)污染综合整治工程截污干管穿越北江遥堤专项工程》为实例，对顶管管材的选择、设计、施工等几个方面进行相关探讨，可为同类型的穿堤顶管设计提供参考。

穿堤；顶管；工程设计

1 工程概况

乐排河（清远段）排污管穿越遥堤地处北江大堤石角段，位于石角镇三江村旁，为北江大堤石角堤段的第二道防线。乐排河截污干管设计管径为D600，排污管中心线高程为2.599～2.701m，堤顶高程为19.223m，穿堤长度为103m。考虑到开挖深度大，边坡放坡范围大，以及堤顶交通的需要，故采用顶管施工，即在堤身先顶进一条管路，在套管内铺设排污管，套管所在地质为粉砂及填土层。根据进人检修的需要，以及截污管的排气、清除泥沙沉积等问题，采用内径为1.6m的管道作为外套顶管。

2 顶管设计

2.1 管材的选择

可作为顶管管材的有钢管、钢筋混凝土管、玻璃钢夹砂管、聚合物混凝土、陶瓷管及铸铁管等。现就对较常用的钢管及钢筋混凝土管进行简单比较，钢管的强度高，但整根钢管的纵向刚度大，顶进纠偏施工难度较大，且钢管易腐蚀。钢筋混凝土管的抗压强度及刚度都比较大，不难满足各种静力要求，管道的接头可采用柔性接头，纠偏施工较灵活，且价格便宜，便于工厂预制，施工进度快。遥堤属一级堤防，安全性极其重要，故采用Ⅲ级C50钢筋混凝土钢承口接头管，壁厚160mm。

图1 穿堤截污管简图

2.2 管道计算

（1）顶管施工段管道允许顶力验算

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）的规定，钢筋混凝土顶管传力面允许最大顶力可按下式计算：

混凝土顶管内径1.6m，壁厚160mm，按插口最小面积计，则传力面积Ap＝0.88m2，管材C50混凝土受压强度设计值为fc＝23.1N/mm2，代入式中可得传力面允许最大顶力Fck＝7949kN。

《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T640-2010）附录A给出了顶进施工用钢筋混凝土排水管许用顶力参考值，管子接头形式为柔性钢承口，对应的许用顶力为5200kN。与采用公式计算的许用顶力相比，此值较小。

综合考虑以上因素，顶管施工过程允许的最大顶力定为5200kN。

（2）管道荷载计算

顶管结构上的荷载永久和可变荷载，其中永久荷载有管道结构自重、竖向土压力、侧向土压力、管道内水重和顶管轴线偏差引起的作用。作用于顶管上的土压力不同于开槽明挖埋管上的垂直土压力。顶管管周的土为原状土，而开槽明挖埋管周边的土为填土。用计算埋管的土压力公式计算顶管是不妥当的。本工程圆形管道在各种荷载作用下简图见《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）附录B。

根据《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS143：2002）或《给水排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）的规定，不开槽、顶进施工的管道，管顶竖向土压力标准值可按下式计算：

作用在地下管道上的侧向土压力按主动土压力计算，其标准值应按下列公式确定：

根据以上公式计算结果见表1。

（3）钢筋混凝土管内力计算

管道结构的强度计算应采用下列极限状态计算表达式：

作用效应的组合设计值，应按下式确定：

管道生产厂商应根据极限状态验算结果对钢筋混凝土管道配筋。根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）的规定，混凝土管道在组合作用下，管道横截面的环向内力可按下式计算：

管道横截面内力按《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）附录B中圆形刚性管道荷载作用图中4个部位分别计算，根据荷载计算结果，钢筋混凝土管道各工况下的内力计算见表2～表3。

表1 顶管钢筋混凝土管道所受荷载设计值

表2 顶管施工管道施工期内力计算表

表3 顶管施工管道运行期内力计算表

3 工作井、接收井设计

3.1 工作井和接收井尺寸拟定

工作井及接收井尺寸参考《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）及相关类似工程工作井尺寸确定。

按相关技术规程，《给水排水工程顶管技术规程》规定工作井最小长度、宽度及深度应满足：

（1）工作井

① 按顶管机长度确定，工作井的最小内净长度计算公式如下：

L≥L1+L2+k=7.6m

② 工作井最小宽度可按浅工作井：B= D1+(2.0～2.4)=4.2m

③ 工作井深度可按下式计算：

H=HS+D1+h=5.3m

根据以上计算，并参考类似工程经验，本工程选取工作井净长度取8.0m，净宽度取5.0m，深度5.3m，井壁厚500mm。

（2） 接收井

① 规程规定接收井最小长度应满足：

B=D1+2×1000=4.0m

② 接收井的接收口尺寸应满足：

D′=D1+2（c+100）=2.3m

根据以上计算，并参考类似工程经验，本工程选取接收井净长度取5.0m，净宽度取4.2m，深度4.2m，井壁厚400mm。

图2 工作井简图

图3 接收井简图

3.2 抗浮计算

本工程所处位置地下水位较高，需对工作井和接收井进行抗浮验算。工作井和接收井所在位置地下水位分别为3.8m和5.16m，底板底高程分别为1.36m和1.46m。

①工作井水的浮力：6×9×(3.8-1.36)×10=1318kN

② 接收井水的浮力：5.8×5×(5.16-1.46)×10=1073 kN

③ 工作井自重：110×25=2750 kN>1318 kN 满足抗浮要求。

④ 接收井自重：50×25=1250 kN>1073 kN 满足抗浮要求。

3.3 顶力估算

管道的总顶力可按下式估算：

F0=3.14×D1×L×fk+Nf=4194kN

根据项目施工特点，拟采用泥水平衡式机型，迎面阻力Nf计算公式如下：

Nf=3.14×D2g×Rs×Hs÷4=565kN

管道的允许推力为7949kN以及接口许用顶力5200kN均大于总顶力4194kN，满足要求。

4 顶管施工方案

4.1 顶管施工工艺

顶管施工工艺可分为：手掘式、泥水式、土压式、气压式。其中泥水平衡式和土压平衡式顶管施工较为普遍。

本段穿越土层为粘土、细砂层，选用泥水平衡顶管施工，该施工方法适用土质范围广，可有效地保持挖掘面的稳定，对顶管周边土体扰动比较小，沉降小，总推力比较小，适用于长距离顶管；工人劳动强度低，作业时进度快，缺点是遇到覆土层过薄，或者遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作业就会因此受阻。

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）规定，当需要采用顶管法施工时，应选择土质坚实的堤段进行，沿管壁不得超挖，其接触面应进行充填灌浆处理。为防止顶管管道与管周边土体产生渗漏通道，发生接触冲刷破坏，在每节预制套管内预留四个灌浆孔，灌浆孔位于每节预制管中部。

图4 泥水平衡式顶管现场施工照片

本项目顶管采用泥水平衡施工法，穿过的土层部分为细砂层，挖掘过程中堤防边坡容易失稳，为保护顶管施工期间的挖掘面，在工作井和接收井靠近堤防侧进行土体加固，沿管道两侧布置连体水泥搅拌桩。另考虑顶管施工对堤防渗性能的长期影响，井身与堤防之间有可能形成渗漏通道，故在其接触面进行灌浆处理，增强井背与堤身的粘接，切断渗漏通道。

4.2 工作井、接收井施工工艺

（1）沉井施工

本项目地下水位较高，井的深度均距原地面5m深左右，如采用明槽开挖，开挖范围将涉及到遥堤，在尽量不破坏原有堤防的前提下，工作井、接收井采用沉井施工。采用人工或风动工具挖土，或在地面使用抓斗挖土机相结合分层开挖，每层挖土0.4～0.5m厚，对称、均匀开挖土层。

根据项目特点，可采用压重下沉或空气幕下沉等辅助措施。压重下沉可采用压钢轨、型钢等加压方法，均匀对称加重，使沉井下沉。空气幕下沉沉井通过预埋在沉井壁中管路上的小孔，向外喷射压缩空气，以减小井壁摩阻力，下沉完毕后井壁摩阻力可以得到恢复。

（2）沉井封底

考虑到本段地下水位较高，故采用不排水封底，首先将井底浮泥清除干净，井壁的混凝土接触面用水冲刷干净，并铺碎石垫层。封底混凝土可用导管法灌注，待水下封底混凝土达到设计要求强度后，一般养护为7d～10d，方可从沉井中抽水。

5 结论

（1）对于堤防不适合开槽明挖的前提下，采用顶管穿堤方案是可行的；

（2）本文对穿堤段顶管进行了相应的计算，对所采用管道的允许顶力和荷载内力进行了分析，并对工作井和接收井的尺寸进行了设计，经工程实践证实，相关计算数据结论可满足施工需求；

（3）作用于顶管管道周边的土压力计算，不应按开槽明挖埋管填土的方法计算；

（4） 对于穿越土层为粘土、细砂层，可选用泥水平衡顶管的施工方法；

（5） 在不便于开挖和地下水位较高的地方，工作井和接收井可采用沉井法不排水封底施工。

[1]顶进施工法用钢筋混凝土排水管JC/T 640-2010[S].北京：中国建材工业出版社出版，2011.

[2]给水排水工程顶管技术规程CECS 246：2008[S].北京：中国计划出版社，2008.

[3]给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程CECS143：2002[S].北京：中国计划出版社，2003.

[4]给水排水工程管道结构设计规范GB50332-2002[S].北京，中国建筑工业出版社，2003.

[5]堤防工程设计规范GB 50286-2013[S]. 北京，中国计划出版社，2013.

[6]陈舒，扬钟媛.顶管穿越块石海堤施工方案的研究和实施[J].广东水利电力职业技术学院学报，2010，（02）.

The Design of Pipe Jacking Project on Traversing Soil Dam

MAI Shu-feng
(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, China)

Underground pipe jacking, a no excavation construction method, is characterized by changing open-cut excavation into hidden excavation, which is very important for those urban areas with heavy traffic, ground buildings,complex underground structures and pipelines, and other construction inconveniences. In this paper, taking “Dry Pipe Project on Lepai River (Qingyuan Soil Dam section) Comprehensive Renovation of Sewage Pollution Across the North River Levee” as an example, the author explores several aspects of the project, such as pipe materials selection,project design, construction and other related factors, in hope to provide reference to the design of similar project.

traversing soil dam; pipe jacking; project design

U656.314

：A

：1672-2841（2016）04-0008-05

2016-11-20

麦树锋，男，工程师，主要从事水工设计、水工施工等工作。