顶管穿越堤防及河道工程设计——以广东省肇庆市某湿地排水涵管穿越河道相关顶管工程为例

汪平

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

顶管穿越堤防及河道工程设计
——以广东省肇庆市某湿地排水涵管穿越河道相关顶管工程为例

汪平

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

以广东省肇庆市某湿地排水涵管穿越河道相关顶管工程为实例，介绍了顶管穿越堤防及河道方案的设计，论证了顶管方案的可靠性及经济性，总结了设计及施工过程中的要点，为今后同类工程的设计及施工提供参考。

顶管；堤防；河道工程

0 引言

顶管施工是一种非开挖施工方法，可有效减少大开挖对地面建筑物和环境的影响。我国自从1954年在北京进行的第一例顶管施工以来，经过半个多世纪的发展，无论在技术上、顶管设备还是施工工艺上都取得了很大的进步。

2002年9 月，我国西气东输项目的关键工程，全长3 600 m、管径为1.8 m的钢管从23～25 m深的地下成功横穿黄河。该工程无论从顶进长度、埋深、地质条件，还是钢管直径在国内尚属首次。也是目前世界上复杂地质条件下大直径钢管一次性顶进距离最长的顶管工程。

随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加。加之人们对环境保护意识的增强，顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。

1 工程背景

根据区域排水规划，肇庆新区长利涌以东、长利大道以西区域雨水汇集后，排入长利湿地。经过湿地调蓄，通过一根排水涵管，穿过长利涌，排入砚阳湖，见图1。

图1 区域排水规划图

长利涌上接九坑河水库，下接西江，是肇庆新区骨干排洪河道，汛期洪水位11.70～11.90 m，防洪堤顶标高13.20 m；长利湿地位于长利涌左岸，面积11.84 hm2，区域常水位为4.0 m，最高水位控制为5.0 m，调蓄库容约11.84万m3；砚阳湖位于长利涌右岸，面积99 hm2，设计常水位为3.1 m，设计高水位4.5 m，总库容约396万m3。

根据施工进度安排，该工程为度汛施工，无法采取大开挖和拦河围堰方式，因此推荐采取顶管方案。

2 工程规模

2.1 水文计算

（1）设计暴雨

根据广东省水文总站2003年颁布的《广东省暴雨参数等值线图》及广东省水文总站1991年编的《广东省暴雨径流查算图表》查得的各历时暴雨参数，通过暴雨频率计算得到20 a一遇各历时暴雨设计值。

设计暴雨过程：根据《广东省暴雨径流查算图表使用手册》设计暴雨分配方法分配得到20 a一遇设计暴雨过程，见图2。

图2 设计暴雨过程线

（2）设计涝水

城镇涝片设计涝水的计算一般采用综合径流系数法。

径流系数：根据《室外排水设计规范》（G B 50014-2006，2016版）肇庆中心城区径流系数取0.65。

设计雨强：区域属于肇庆新区，管道设计标准为5 a一遇，根据暴雨强度公式得到5 a一遇60m in降雨强度为64.1 mm。

（3）湿地调蓄

湿地概况：长利湿地面积达11.84 hm2，区域常水位为4.0 m，最高水位控制为5.0 m，调蓄库容约11.84万m3。

调蓄计算：根据资料按水量平衡方程式进行调洪计算。

长利湿地起调水位为4.0 m，湿地下泄能力按宽顶堰出流进行计算，最终确定湿地出口缺口底高程为4.0 m，宽5 m，湿地最大下泄流量约5 m3/s，见图3。

图3 湿地调蓄过程

2.2 设计标准

（1）工程等级

本工程为Ⅱ等工程，主要建筑物级别为2级。

（2）设计流量

根据上述水文计算，最终确定管涵的最大过水流量约5 m3/s。

（3）管涵规模

管涵规格采用倒虹吸管水力计算：

通过计算确定管涵采用直径为2 m，最大流速约1.59 m/s。

（4）设计水位及设计河底标高

长利湿地公园水位：（顶进井）

设计高水位：5.00 m；

设计常水位：4.00 m；

设计河底标高：4.00 m。

砚阳湖景观渠：（接收井）

设计高水位：4.50 m；

设计常水位：3.10 m；

设计河底标高：0.50 m。

3 顶管设计方案

（1）新建顶进井、接收井各一个，尺寸9.6 m× 6.6 m；

（2）工作井地基加固处理；

（3）新建D N2000顶管一根，长度约306 m；

（4）新建D N2000出水管一根，长度约10 m。

顶管工程平面见图4。

图4 顶管工程平面图

3.2 顶管管材选择

管材的选择对工程造价和海上施工安全性的影响很大，因此，合理的选择管材十分重要。目前顶管工程常用的管道主要有钢管、钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管（P CC P）。从降低顶管施工风险、防渗安全性和控制施工工期的角度考虑，选择钢管作为本工程顶管的管材。

3.3 排放口设计

（1）顶进井设计

2.2.1.1 精选种子 菟丝子种子随园艺植物种子传播，如稗草、牛繁缕、看麦娘、狗尾草等，可以通过筛选、水选等剔除菟丝子种子。

工作井结构要满足施工阶段，正常运行阶段及检修阶段不同负荷情况下的结构受力要求，工作井采用现浇钢筋混凝土沉井结构，混凝土标号为C30，抗渗等级为S6。

施工方案有沉井法，有支护的明挖法等。考虑到工作井位于空旷地带，周边建构筑物少，环境控制要求低，有条件采用沉井施工，且沉井施工速度快，质量易保证，较之采用有支撑的明挖方案混凝土用量小，可节省大量支撑系统，经济效益好，故推荐沉井法。

顶进井顶标高为6.00 m，净尺寸为8 m×5 m，壁厚为800 mm，刃脚底标高为-5.30 m，底板顶标高为-3.00 m，厚800 mm，底板下用C20素混凝土封底，素混凝土底标高为-5.80 m，进水孔口尺寸为5×1.5m，孔底标高为4.00m，设置钢格栅进行拦污，顶管底标高为-2.00m，距离工作井底板1m，见图5、图6。

为了增加工作井的允许顶力，对工作井底部及背部土体进行高压旋喷桩加固。底部新建Φ600×14000@1000水泥搅拌桩进行地基加固，搅拌桩桩底标高为-10.00 m；井背新建新建Φ600× 8000@500水泥搅拌桩进行加固，搅拌桩桩底标高为-5.00 m，见图7。

（2）接收井设计

工作井结构要满足施工阶段，正常运行阶段及检修阶段不同负荷情况下的结构受力要求，工作井采用现浇钢筋混凝土沉井结构，混凝土标号为C30，抗渗等级为S6。

图5 顶进井断面图（单位：mm）

图6 顶进井平面图（单位：mm）

图7 搅拌桩加固图（单位：mm）

接收井顶标高为6.00 m，净尺寸为8 m×5 m，壁厚为800 mm，刃脚底标高为-5.30 m，底板顶标高为-3.00 m，厚800 mm，底板下用C20素混凝土封底，素混凝土底标高为-5.80 m，

出水口新建D N2000钢管，长度为10 m，管底标高为0.50 m，接砚阳湖，见图8。

4 顶管施工方案

4.1 施工关键技术要求

（1）大口径长距离钢顶管施工测量控制要求高，纠偏难度大。

本次顶管的长度为306 m，属于长距离顶管施工。顶进过程中，土层性质变化、注浆效果等会造成顶进阻力变化，顶进轴线和设计轴线会经常发生偏差，且顶管测量精度要求高。

图8 接收井断面图（单位：mm）

相应对策：由于长距离大口径钢管焊接成整体，缺乏柔性，纠偏较为困难，因此出洞阶段就必须形成良好的导向，掘进机后设置二节过渡活络节帮助纠偏。施工过程中必须勤测勤纠，确保顶进轴线控制在允许偏差范围内。

（2）穿越河道对施工的要求高

本次顶管从长利涌下穿过，管顶距设计河底标高相距4 m，覆土层较浅。

相应对策：顶管在穿越河道施工时，需严格控制管道的偏差量，做好沉降监测工作。并且在穿越河道时需对河道河床标高进行排摸，对比管道埋深，保证管道上方覆土层厚度。

（3）长距离顶进通风空气保障措施

该工程由于长距离顶管作业面空间有限，又处于半封闭的工作井内，顶管施工操作人员在工作过程除消耗大量氧气外，期间施工作业会产生一些有毒有害气体、或地层中浅层有害气体中会释放到施工作业面。因此，为保证施工人员正常工作环境，需要建立高效的施工作业面通风以及安全保障措施。

相应对策：

a.建立通风系统，拟采用压风机将地面新鲜空气压送到机头处，压风机型号：B S H-150,排出压力58.8 k P a，进风量19.23 m3/m in，功率22 k W。风管在井内采用Ф150P V C管，管内也采用Ф150P V C管，悬挂于管子一侧。根据计算，在顶管结束前，机头到达900 m处的风管前的送风量为1 m3/s；满足机内作业人员的卫生和安全要求。

b.在机头位置配备灭火器，防止地下沼气引起的火灾事故。

c.如需进入管道内施工，必须先用送风机进行管内送风，使管内空气含氧率不低于20%，新鲜空气量不低于每人每小时30 m3。有害气体浓度不高于健康标准，管内温度不超过32 C0，相对湿度不超过80%，易燃气体的浓度不超过爆炸下限的10%。在顶进过程中

d.要选用国家许可的大气检测仪器对管内气体进行连续测量。

4.2 顶管机选择

根据现场土质情况，本次顶管采用大刀盘泥水平衡式机头，大刀盘泥水平衡掘进机通过面板机械切削泥土而采用水力输送弃土，同时利用泥水压力来平衡地下水压力和一部分土压力，见图9。

图9 NPD2200泥水平衡式顶管机示意图

N P D2000泥水平衡式顶管机的主要技术参数见表1。

4.3 管道内部布置

该工程采用泥水出土方式。根据需要管道内布置井水管、排泥管、通风管、注浆总管。照明、动力、通讯等电缆专用挂钩挂于管道内壁，各种管道架设焊接在钢管内的钢筋支架上，见图10。

表1 NPD2000泥水平衡式顶管机的主要技术参数

图10 管道内布置示意图

4.4 注浆孔布置

用泥浆减阻是长距离顶管减少阻力的重要环节之一，在顶管施工过程中，如果注入润滑泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，则其减摩效果是十分令人满意的，一般情况摩阻力至1～3 k N/m2。该工程采用每2节管节设置一组注浆孔，每组4个1寸注浆孔，90°均分设置，每组注浆孔有独立的阀门控制。

4.5 泥浆置换

顶进结束后，在穿越建筑物的下方对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥浆并掺入少量粉煤灰，在管内用单螺杆泵压住，压浆体凝结后（一般20 h）拆除管路封闷注浆孔。

5 结语

（1）顶管穿堤工程对大堤的影响主要是由于土体的变形而造成，地层土体的变形产生的表象包括地表的隆起和沉降，根据地质资料，采用适合工具管。在穿越大堤前及时调整好施工参数，减慢推进速度，穿越过程中匀速推进，严禁停推，尽可能减小地面沉降。

（2）位于穿越大堤段的管节增设补浆孔结构，在上部设施沉降过大时能及时进行二次注浆，并在工具管穿越后进行补注浆，以有效控制后期沉降。补浆孔范围可在大堤前后各15 m内。

（3）控制顶管顶力的偏心度，顶进中应使顶推合力尽可能与管道的轴线接近，仔细纠偏勤测勤纠，一般每顶推20 c m要测一次。应特别加强动态信息化施工的技术含量，使各种监测数据能以最短的时间得到传递、反馈，以便调整参数、及时验证、补充完善，从而使施工过程始终处于最优化状态进行，确保施工安全和工程质量。

（4）采取严密的防止泥水流入管道的密封措施。在顶管施工前，对工具管尾端与管道搭接处、中继环与管节端头相搭接的环形橡胶密封装置等各种可能导致渗漏泥水的环节，都要进行严格检查。

T U991.02

B

1009-7716（2017）06-0150-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.044

2017-03-20

汪平（1985-），男，上海人，工程师，从事水利及市政工程设计工作。