城市污水管道非开挖顶管施工技术研究

黄凯宇，史仁方

（常州市新北区奔牛镇人民政府，江苏 常州 213139）

城市污水管道建设是城市基础设施的重要组成部分，是关系到居民生活的福祉工程，由于城市建设的迅速发展，许多原有的污水管道满足不了现有城市居民生活的需求，需要新建、改建和扩建。然而，现代城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂，施工环境往往受到一定的限制。传统施工工艺施工周期长、污染大，存在一定的社会风险，此时，采用顶管施工就显示出无比的优越性[1]。它是众多管道埋设施工技术中的一种，由于它不开挖或少开挖的施工方式，彻底解决了管道埋设施工中对道路交通拥堵和城市建筑物破坏的问题，在稳定土层、保护环境方面具有明显优势。该技术可以节省大量的征地拆迁费用，减轻环境污染，避免交通道路拥堵，具有显著的经济效益和社会效益[2-3]。

本文依托运南路污水管跨老孟河顶管施工项目，结合工程现状选择从桥台桩基间隙中进行顶管施工，采用Plaxis有限元分析软件对顶管施工过程中的桩土效应进行数值模拟，分析了施工过程中对邻近桥台桩基变形和内力的影响，表明了顶管施工方案具有可行性。

1 技术要点

1.1 前期准备

良好的设计施工交流是工程顺利进行的重要保障。进行顶管施工前应熟悉施工图纸，对相应的图纸进行审查，掌握设计图纸的意图以及施工要求，并进行设计交底。本项目在实施调研之后更换了原有的设计线路，采取了更为合理的顶管施工方案。

合理的统筹安排，可以令施工事半功倍。提前规划好施工时的交通组织、大的临时构筑物的搭建、落实施工设备和材料，节约施工时间。本项目在施工期间封闭北半幅桥梁，保留南半幅10 m宽路面通行，封闭长度80 m，两头设置交通引导标志。

周全的施工组织，是工程安全质量的保证。编制施工组织设计，做好人员机械的安排以及相应的应急预案。

1.2 顶管工作井、接收井施工

工作井和接收井周围的围护结构形式根据现场实际情况，结合结构受力及施工要求等合理选型。当工作井埋置深度较浅、地下水位较低时，工程中大多选用钢板桩或者SMW工法进行施工。当顶管埋置的位置较深时，工作井大多采用沉井或者地下连续墙的形式。当场地狭窄，施工不便，附近建筑物需要保护时，适宜选用钻孔灌注桩或者地下连续墙。

此外，接收井的最小长度和宽度还应该满足顶管机在井内进行拆除和吊出作业的要求。工作井、接收井的穿墙孔应设置止水装置以防止渗水、漏水等隐患。止水装置可以采用盘根止水、橡胶板止水和组合形式止水，在长距离顶管或承压水土层中宜采用多道或组合式止水，在顶管施工作业结束时，对管道与穿墙孔之间的间隙应进行及时的二次封堵。

1.3 顶管施工过程

地表变形与多种因素有关，其中顶管机的选择和开挖面的稳定性控制是影响地表变形的重要因素。

千斤顶的规格和数量应根据工作井的容许顶力和管段的容许顶力确定；安装在支架上的千斤顶应对称布置在管道轴线两侧，规格相同，其合力作用点应保持在管道中心的铅垂线上。

顶铁应具有高刚度、稳定性好的结构性能，与喷嘴的接触面应垫有缓冲材料。

顶管测量应包括二次测量地面控制点和布设地面控制网、联系测量、地下平面和高程测量以及竣工测量。井上和地下定向平面测量点应采用固定观测墩的形式。顶管每前进100 m需要复查一次定向和导入高程测量，特别是在进入隧道前50 m时，至少增加3次复查测量[4]。每100 m高程控制点直至控制掘进的导线点和高程点，在距贯通面50 m时应从首级控制点开始至少测量3次，分析数据后，决定是否加测从首级控制点检查井下的起始定向边[5]。长距离顶管和曲线顶管应采用自动测量系统。

管道纠偏的测量依据为顶管机端部平面的中心偏差。但是，由于测点无法进入顶管机机头，因此无法测量管端偏差，因此必须从测点计算管端偏差，作为校正的依据。通常状况下，顶管有偏差是正常的。

采用网格形式泥水平衡顶管要进行泥水排放，并且通过管道运输。土压平衡顶管采用泥水转化管道输送，或污泥泵或输送小车排放。具有一定含水量的粘土和粉质粘土可采用泥浆泵输送。长距离顶管可采用接力泵开挖。如果条件允许，也可以用电动泵代替泥浆泵。用泥浆水排泥时，应设置泥浆沉淀池。

2 项目概述

2.1 工程概况

本项目设计的污水管道线路经过一座1990年修建的跨径为25 m的刚架拱桥，原桥采用桩基础桥台。2000年由于原桥不能满足交通现状，拆除后新建一座空心板梁桥，桥梁跨度为30.5 m（10 m+12 m+8.5 m），桥台利用原拱桥桥台基础，桥墩为钢筋混凝土灌注桩基础。初始设计管道路线需从桥外绕行，但是受制于桥两侧全部都是居民住房，拆迁代价大，施工周期长，社会风险巨大，后经反复调研，重新设计利用桥桩之间的空间实施顶管施工，如图1所示。综合考虑，只有W2与W3、E2与E3之间可供管道穿过，该位置孔道狭窄，又与桩基相邻，给施工带来了一定的难度。

图1 顶管线路示意图

2.2 计算原理

本次数值模拟选择了Plaxis有限元分析软件。该软件考虑了土与结构的相互作用关系，采用Mohr－Coulomb土体本构模型模拟土的非线性、时间相关性和各向异性。采用独特的方法计算静水孔隙压力和超静孔隙压力，因此可用于分析非饱和土的渗流问题。

2.3 计算模型

土体采用Mohr-Coulomb模型，计算中土体的重量、粘聚力与摩擦角、渗透系数由常州市东华岩土工程有限公司提供的《运河路（S239省道-奔发路）污水管道工程岩土工程勘察报告》得出，弹性模量根据大量类似工程的监测数据反演计算得到。

选取典型工程剖面进行计算，如图2所示。计算模型采用15节点三角形单元模拟土体，钻孔桩采用梁单元模拟，顶管采用板壳单元模拟，如图3所示。顶管底埋深11.0 m（以桥台顶面起算，桥台高6 m），桥台桩长20.0 m，典型土层参数见表1。

表1 典型土层参数

图2 计算剖面关系图

图3 整体模型示意图

2.4 顶管施工影响分析

由图4（a）可知，桥台周围几乎没有受到顶管施工的影响，仅顶管周围存在一定的扰动，具体深度方向为桥台向下9 m距离，横向影响区域扩散至相邻桩体，如图4（b）所示，总体最大位移为0.38 mm，随着土层的深入，这种扰动影响更是逐步减小，可以忽略不计。这表明在顶进过程中，顶管施工对于桥台周围的土体扰动较小，较好地保证了桥台的稳定性以及施工的安全性。

图4 桩基总体位移云图

图5反映了顶管施工对于相邻桩基的影响。图5（a）为顶管施工过程中影响区域范围内的相邻桩基位移影响，随着土层的深入，相邻桩基的水平位移呈现一个先增大后减小的趋势，位移最大处在靠近顶管的中部，仅0.2 mm。该结果表明，在顶管顶进过程中，顶管的顶推力作用与周围土体的摩擦作用，会带动相邻的桩基产生一定的水平位移，其中与顶管距离越近的部分产生的扰动越大。顶管顶进过程中，还会产生相应的次内力，即会有附加弯矩的存在，从而使得相邻的桩基受力变得更为复杂。图5（b）为顶管施工过程中影响区域范围内的相邻桩基附加弯矩影响，在施工中产生的最大弯矩为56.1 kN·m，拉应力区呈标准三角形分布，压应力区随着土层的深入，呈现先增大后减小的趋势，对于周围的桩基扰动较小，施工也较为安全。施工结果表明，数值模拟结果科学合理，顶管施工方案顺利地完成了施工要求，起到了较好效果。

图5 相邻桩基响应

施工完成后对桥台高程进行监测，发现桥台没有沉降，达到了较好的经济效益和社会效益。

3 结束语

本文结合实际工程对城市污水管道非开挖顶管施工进行了分析研究，在总结现有顶管施工技术关键点的基础上，通过有限元软件对下穿桩基的顶管施工进行了分析研究，主要结论如下：

（1）本次有限元模拟较好地反映了顶管施工过程的真实情况以及对桥台桩基的影响。管体下穿桥梁桩基时，最大扰动区域在管径周围深度方向。

（2）整个顶管施工对桥台的影响很小，可以忽略。

（3）顶管施工过程中引起的总位移仅0.38 mm，相邻桥台桩基的水平位移仅0.2 mm，附加弯矩仅56.1 kN·m，桩土作用效应作用较小，对于相邻桩基的扰动与影响在容许的范围之内。