顶管施工技术在复杂城市环境条件下电力工程施工中的应用

曹原，刘贵德

(日照市政务服务中心，山东 日照 276800)

1 引言

顶管施工技术作为一种非开挖技术在地下管线的施工中应用越来越广泛，尤其是在城市复杂条件下的市政工程中，以其不影响地上车辆通行、不开挖或者开挖量少、对居民生活和商业活动影响小、对市容市貌影响小、避免城市道路重复开挖等优点而备受好评【1，2】。顶管施工是指在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从顶进工作坑将待铺设的管道顶入，从而在顶管机之后直接铺管道的非开挖地下管线施工技术。本文以闹市内一处供电线缆施工为实例，从拟敷设管道的场地特征、顶管施工力学参数确定、顶管施工采取的有效措施等3 个方面展开，对顶管施工技术进行详细探讨。

2 工程概况

2.1 施工场地特征

为给五莲路南侧的日照市第五小学供电，该顶管施工需从五莲路北、临沂路西侧绿化带处现状环网柜接出1 根10kV 供电线缆顶管过五莲路，规划管径为DN600mm，顶管机直径为DN1 100mm，总顶管长度约87m。其中，出口工作坑位于五莲路北，距离路北侧湖西头生活一区居民楼不足30m。顶进起始工作坑位于五莲路南，距离路南侧东港区教育局办公楼不足50m。五莲路和临沂路车流量较大，尤其是上学和放学时间，接送孩子车辆较多，因此场地受限，给顶管施工带来较大影响。

2.2 地下管线分布

根据城建档案馆查阅的地下管线分布，五莲路道路红线宽为47m，主路面为2003 年修建，地下管线种类及埋深详细见表1。

表1 地下管线分布表

2.3 工程地质概况

经工程地质测绘及钻探取芯表明，工程场地的主要成分为：

①第四系人工素填土：主要由粉质黏土、砂、泥、碎石块、少量建筑垃圾组成，结构松散为近5a 内的回填土。层厚约2.3～2.9m。

②粉质黏土：浅黄色，可塑，韧性中等，无摇振反应，切面光泽，干强度中等。层厚约2.6～8.9m。修正后标贯击数N=13.5～15.7 击，平均击数为14.6 击。土层的物理力学性质指标如表2所示。

表2 粉质黏土物理力学性质指标表

3 工程参数确定

3.1 顶管深度

根据规范【3】要求，供电管线与各管线交叉时的最小垂直净距分别为：供水0.5m、排水0.5m、热力0.5m、燃气0.5m、通信0.5m。而现状各管线中埋置最深的为雨水管道2.49m，初步设计供电管道埋深需大于2.99m。结合地质资料和规范【1】要求设计拟敷设DN600mm 供电管道埋深为3.4m。根据岩土勘察报告，顶管施工深度为3.4m 时，管道位于海相沉积的粉质黏土层中。

3.2 工作坑尺寸

根据现场施工需要，拟采用矩形工作坑。根据规范【1】，工作坑的底部宽度取为4.5m，底部长度取为8m，顶进坑地面至坑底的深度取为5m，接收坑地面至坑底的深度取为5.5m。

3.3 顶管顶力的计算

本工程根据规范【1】中的公式进行顶力估算：

式中，P 为计算的总顶力，kN；γ 为管道所处土层的重度，kN/m3；D1为管道的外径，m；H 为管道顶部以上覆盖土层的厚度，m；φ 为管道所处土层的内摩擦角，（°）；ω 为管道单位长度的自重，kN/m；L 为管道的计算顶进长度，m；f 为顶进时管道表面与其周围土层之间的摩擦系数，按规范其取值为0.5；PS为顶进时顶管掘进机的迎面阻力，kN；Ds为掘进机外径，m；N 为土的标准贯入指数，击。

3.4 注浆情况

注浆工作应贯穿于顶管施工的始终，边顶进、边注浆以形成连续、饱满的泥浆套，达到有效的减阻目的。注浆量可按式（3）计算：

式中，Q 为顶进一节混凝土套管的注浆量，m3；D 为管道外径，m；Dg为顶管机外径，m，L 为每节套管长度，取值3m。

经计算，每节套管的理论注浆量约为0.104m3，考虑到泥浆的损失，实际注浆量需要增加50%左右。注浆压力按式（4）计算：

式中，pA为泥浆套顶部的水压力和主动土压力，kPa；p 为注浆压力，kPa；γw为水的重度，kN/m3；H 为管道顶部以上覆盖土层的厚度，m；φ 为管道所处土层的内摩擦角，（°）；H1为土面或卸力拱以上的水柱高度，m；c 为土的内聚力，kPa。

根据式（4），计算出注浆压力的取值范围为105.811kPa≤p≤135.811kPa，取注浆压力为135kPa。

3.5 泥浆配合比

在现场按质量进行泥浆配置，注浆材料应优先选用钠基膨润土，干净的淡水水源，碳酸钠和羧甲基纤维素钠，触变泥浆配合比符合规范的要求，具体按照水∶土=（4～5）∶1，土∶掺和剂=（20～30）∶1 进行配置。

4 施工保障措施

为确保顶管施工顺利进行，在本工程顶管施工过程中采取了如下措施：

1）合理控制纠偏角度。管道顶进过程中，遵循“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的原则【4，5】，控制顶管机前进方法和姿态，并根据测量结果分析偏差产生的原因和发展趋势，确定纠偏的措施。顶管过程中绘制顶管机水平与高程轨迹图、顶进力变化曲线图、管节编号图，随时掌握顶进方向和趋势；严禁一次纠偏操作完成纠偏任务，采用小角度纠偏方式，反复、多次进行纠偏操作，使管道逐渐趋近回归。

2）加强测量措施。顶管施工前，围绕管道设计中线和基坑建立地面、地下测量控制系统，控制点应设在不易扰动、视线清楚、方便校核的位置，并应采取保护措施。测量使用的仪器、测具应经过检查校正，精度符合现行国家标准。顶进施工过程中，每节管道顶进结束后，必须进行复测，绘制管道顶进轨迹图，并由项目经理或监理人员检查复核。

3）控制地面沉降。采用同步注浆和补浆【6，7】，及时填充管外壁与土体之间的施工间隙，避免管道外壁土体扰动，管道贯通后，立即进行管外壁土体固结施工；避免管节接口、工作井洞口及顶管机尾部等部位的水土流失和泥浆渗漏，并确保管节接口端面完好；严格控制出渣量，不可超量出渣，保持开挖量与出土量的平衡；通过控制土压、水压平衡力来控制地面沉降。

4）做好顶后处理工作。顶进完成后须对管材接缝与注浆孔封闭处理，管缝封闭时对于柔性接口应使用柔性材料、对于刚性接口可使用防渗水泥，注浆孔应使用防渗水泥封闭。顶进完成后须填充管外侧超挖、塌落等原因造成的空隙，并对被扰动的土体进行胶结固化处理。