浅谈湿陷性黄土区顶管设计要点

张林峰

（兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

在城市快速发展的同时，地下管网作为城市的大动脉，承担着信息传递、电力输送、天然气输送、供暖、给水、废水排放等功能。在地下管道的铺设中，传统的明挖法敷设管道不仅开挖回填量大，而且管线多沿着路网铺设，会阻断交通，给本就负重的交通带来压力，并且还会涉及拆迁工作，延缓工期，增加造价[1]。顶管法作为一种暗挖方式，其断面类型多，管节可工程预制，从而大幅提高施工效率，而且施工期间对地面交通影响较小，可减少拆迁和土方开挖，对周边环境影响较小，是当前市政地下管线首选的施工方式。顶管法可以很好地解决下穿既有管线、河流、建筑物等问题。我国地质条件复杂，在顶管设计过程中会遇到各种问题，其设计必须因地制宜，有针对性地解决工程问题，确保结构安全[2]。

本文就湿陷性黄土地区地下雨水管线的顶管法施工设计要点开展研究，重点介绍顶管顶力值设计、顶管工作井设计的主要内容，并介绍顶管接头防水设计等内容，以期为后续的施工和类似工程提供借鉴和参考。

1 湿陷性黄土工程特性及项目概况

1.1 黄土湿陷性及工程性质

黄土湿陷性：黄土在自重或者外荷载作用下，在受到水的浸湿后，土体的结构被迅速破坏并产生较大的湿陷沉降特性，根据其作用力可以分为自重湿陷性黄土与非自重湿陷性黄土，判别依据为：当自重湿陷量的实测值不大于70 mm时湿陷类型为非自重湿陷性黄土，自重湿陷量的实测值大于70 mm时为自重湿陷性黄土。根据湿陷系数δ0可以将其分为4个等级，即δ0＜0.015时为非湿陷性黄土，0.015＜δ0＜0.030时为弱湿陷性黄土，0.030＜δ0＜0.070 时为中等湿陷性黄土，δ0＞0.070时为强湿陷性黄土。

湿陷性黄土产生湿陷性的条件是荷载和水的作用。对于非自重湿陷性黄土，在无外荷载的作用下，无论其容重多大，无论如何浸湿都不会产生湿陷性；对于饱和黄土，由于其在形成的历史中已经产生了湿陷性，且土体已经沉降结束，所以无论外荷载多大，也不会再产生湿陷性沉降，但是当土体失水后，土体变得干燥，其湿陷性则会恢复。通过以上分析可知，当基底压力小于湿陷压力时，对地基可不做处理；当基地压力大于湿陷性终止压力时，就必须关注其沉降量。在沉降变形中，已经包括了湿陷沉降量，当基地压力等于天然结构强度时，此时的湿陷性表现最为强烈，设防标准可按照最大限度考虑地基湿陷性设置[3]。

1.2 工程概况

本工程为兰州市新区雨水管道项目，顶管共两种管径：兰州市新区经十五支路管径为1 000 mm，顶管长度420 m；兰州市新区纬十二路雨水管的管径为2 400 mm，顶管段长度为525 m。雨水管道顶管为F型钢筋混凝土排水管（Ⅲ级），承插连接，橡胶圈柔性接口。

顶管穿越黄土层，根据地勘测试结果，表层土具有Ⅳ级（很严重）自重湿陷性。

1.3 顶管设计对湿陷性地层的要求

顶管技术被广泛应用于公路、铁路、市政工程中，技术成熟，积累了较多设计经验。但是在湿陷性黄土地区，面临黄土湿陷的可能性，因此在设计之前，必须就黄土的湿陷性进行测定，判断湿陷发生的可能性以及湿陷沉降量，确保顶管的管基不会产生湿陷性变形，影响管道的正常使用。在顶进过程中，管壁外的土体受到扰动，上层土体易形成松动或空洞，引起地面沉降或塌陷[4]。顶管结束后，从混凝土管内部通过注浆孔向管外土体注入加固水泥浆液，对土体进行加固，最大限度消除管底及周围土体沉降。由于本工程为雨水管道，为防止管道渗漏和地下水涌入，管节间必须有可靠的防水措施。本工程刚性钢圈接头，接头内采用环齿橡胶密封环。

在顶管施工过程中，为了尽量减少对湿陷性黄土的浸湿作用，顶管工作应尽量从下游向上游方向进行。地下水由工作面流向工作井集水坑，再用泵排出地面；对管道渗水和漏水点，先凿V形槽，埋入导水水管，用速凝水泥封闭管周，待水泥有一定强度后，用手动泵压入水泥掺玻璃浆液封堵。

2 顶管顶力设计

顶管顶力计算是顶管设计的重要内容，也是施工设计的最基础内容，其计算结果是千斤顶数量与型号、后背墙的尺寸和中继间设计的依据，直接影响各类设备、结构尺寸的选型。

2.1 基本假设

岩土工程设计过程中，由于土体模型复杂，因而需要在计算前进行一些假设：刃脚切土过程中，会引起前方土体松动和管周土体的松动；所取出的土体是工作面的土体；周围土与管道组成超静定系统，但在计算过程中按静定结构分析。通过以上假设，可以发现影响周围土体对管道荷载的因素主要有：管道的外径D、土体与管道的刚度、埋深h、地下水位、顶进时间。

2.2 有效高度H有效推导

Terzagtfi等将顶管模型等同于隧道模型进行设计计算，如图1所示，推导顶管上部覆土的有效高度H有效。

图1 顶管土压力计算模型

定义顶管上部土体对顶管的作用宽度为B，总宽度为2B，根据模型可以推导出：

式中：b为管道半径，φ为土体的内摩擦角。

管道的外径D外=2b，D外=h，代入式（1），则顶管上的压力p为：

式中：γ为土体的容重；λ为土压力系数。根据拱顶理论，顶管上的压力p为：

根据土力学的相关理论，土压力p为土体的容重γ与有效高度H有效之积：

代入计算，可以推导出有效高度H有效为：

2.3 顶管顶力计算

根据摩擦力的基本原理，管周的摩阻力F摩为：

式中：F摩为顶进摩阻力；p为管周土压力；μ为摩擦系数，s为接触面积。

管道的受力简化模型如图2所示。根据之前的推导，管道上部的土压力p顶为：

图2 顶管周围土压力计算模型

管道直径较小时，可以假定两侧的土体参数相同，即：

管道底部的土压力p底为：

式中：G为顶管每延米长度的重量。

在计算过程中，无法利用各个方向的土压力进行计算，需要将各个方向的土压力进行等效替代。简化的土压力p为：

则管道周围单位面积的摩阻力F为：

则顶管的顶力F顶力为：

式中：L为顶进的长度；γ中为土体平均容重。

2.4 顶力设计的意义

顶推力是制约顶管顶进的重要因素，在设计过程中，工作井、管道的抗压强度和中继站等需要根据顶力进行选型和设计，如果在施工过程中顶力超过设计值，将会破坏工作井和管节，甚至会损坏千斤顶；如果实际顶力值远小于计算值则会造成极大的浪费，因而顶管顶力的设计是顶管设计工作的重要一环。

3 顶管工作井设计

3.1 布置原则

在顶管设计过程中，需要根据管线合理布置工作井和接收井。工作井作为安装设备的场地，也是提供顶管始发反力端头，同时也是承担液压千斤顶反推力的构筑物。在布置时，顶管的一次顶进长度要适宜，不宜过长。如果一次顶进长度过长，工作井和接收井的数量会降低，但顶推力较大，对顶管结构和工作井结构的强度要求较高，同时施工机械的性能也会提高；如果顶进长度过短，工作井和接收井的数量会相应增加，但会降低施工顶进的难度，降低对结构强度和机械的要求。与此同时，顶管管线的布置还应符合交通、电力等行业对所属设施的保护要求，布置的位置应交通便利、水电供应方便、便于排水；还需要结合施工顶进的方式来确定布置位置。

3.2 结构设计

工作井根据结构的形状可以分为矩形、圆形、腰圆形、多边形等，在实际工程中，常用的是矩形工作井，当顶管埋深较大时，工作井一般采用圆形，工作井的施工方式主要有明挖法施工与沉井法施工。工作井（接收井）按其结构形式又分为钢筋混凝土井、钢板桩井、地下连续墙井等几种类型，如果地质条件较好，顶力值不大时，还可以采用水泥搅拌桩临时支护甚至放坡开挖，但是需要结合后座墙来提供反推力。工作井的尺寸确定要考虑管节长度、直径、顶管机的尺寸、顶管设计标高等因素，在设计过程中，还需要考虑顶管顶力的反作用力对结构的作用。

本工程顶管工作井采用沉井施工技术，结构形式为钢筋混凝土整体深井结构；根据顶管的尺寸，共设计两种规格的工作井：Y1～Y6工作井的净尺寸为3.00 m×4.50 m×11.00 m×0.40（长×宽×高×厚）、工作井 Y11～Y15，Y25～Y26，Y29～Y30净尺寸为4.0 m×6.0 m×11.0 m×0.4 m（长×宽×高×厚）。顶管施工完成后，浇筑管周围混凝土，将工作井作为检查井。

4 结语

本文就湿陷性黄土地区地下雨水管线的顶管法施工设计要点开展研究，首先介绍湿陷性黄土的特性及其工程分类，并介绍顶管设计过程中对湿陷性黄土的要求以及避免湿陷性的工程措施，然后介绍顶管顶力的设计计算过程及其重要性，并介绍顶管工作井布置和设计的原则，以期为后续的施工和类似工程提供借鉴和参考。