某综合管廊顶管工程设计

朱莺凤

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。推进城市地下综合管廊建设，统筹各类市政管线规划、建设和管理，解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题，有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景观、促进城市集约高效和转型发展，有利于提高城市综合承载能力和城镇化发展质量。

从2015年起，城市新区、各类园区、成片开发区域的新建道路要根据功能需求，同步建设地下综合管廊；老城区要结合旧城更新、道路改造、河道治理、地下空间开发等，因地制宜、统筹安排地下综合管廊建设。在交通流量较大、地下管线密集的城市道路、轨道交通、地下综合体等地段，城市高强度开发区、重要公共空间、主要道路交叉口、道路与铁路或河流的交叉处，以及道路宽度难以单独敷设多种管线的路段，要优先建设地下综合管廊。加快既有地面城市电网、通信网络等架空线入地工程。

综合管廊穿越河道、穿越城市重要道路，穿越大型管线时，为尽量减少对既有环境的影响，顶管技术运用越来越多。顶管技术就是借助顶推装置，将管道在地下逐节顶进的非开挖施工技术。顶管施工不需要开挖地面，不破坏地面构建筑物和地下管线及公路、铁路、河道，施工周期短，施工对周遭的干扰小，是一种无污染、高效率的施工技术[1-3]。

1 工程概况

某市综合管廊建设工程，位于某市生活综合区。该综合管廊平面上靠近道路东侧机非分隔带，顶管段为单个高压电力舱，主要容纳110 kV电力电缆。标准段顶板覆土约2.5 m（按照道路设计标高计算），标准断面埋深约7.3 m。顶管区段共穿越两条主干道，全长约650 m，共设3个顶管工作井及2个顶管接收井，总体布置见图1。

图1 总体布置示意图

2 地质条件及周边环境

2.1 土层分布情况

1层杂填土 Q4ml：褐杂色,干燥,松散状,主要由黏性土，砖块、筑路碎石填料等组成，堆填时间约5～10 a，不均匀。该层在场区内普遍分布，不均匀。

2层素填土Q4ml：黄褐色，湿-很湿，稍密状，成份以黏性土为主，含少量粉土，近地表含植物根系及少量杂质。土质不均匀，该层在场区内普遍分布，为堆填时间超过十年的老填土，中等压缩性。

3层粉质黏土Q4al+l：黄褐-褐红色,可塑状。稍有光泽，中等干强度，中等韧性。该层在场区内普遍分布。

4层粉细砂Q4al：以细砂为主，褐黄-褐灰色,很湿-饱和,稍密-密实状。其矿物成份主要为长石、石英、云母等。勘察20.45 m深度内未穿透此层，据区域地质资料，该层分布连续且为巨厚层状。地震不液化。

2.2 地下水分布情况

勘察深度内地下水属潜水型。水位量测期间为丰水季节，此间实测稳定水位埋深2.56～6.30 m(以孔口原始地坪始计)，水位高程1 105.0 m左右，道路沿线水位高程平稳，无明显水力坡度。地下水补给以侧向径流渗透补给为主，其它次之。近几年由于城市建设规模扩大，退耕及周边建筑施工降水影响，水位下降明显。据调查，历史最高水位黄海高程1 107.0 m左右，最低水位黄海高程1 104.5 m左右，近3～5 a水位围绕高程1 105 m变化，地下水位动态主要受气象、水文等因素影响呈季节性变化，正常期间水位年变化幅度在0.5～1.0 m之间。冻前地下水位平均埋深高程约1 106.0 m左右。

地表水主要来源于季节性雨水，积水时间较短，易排出。在丰水季节，受气象、水文因素影响，地下水上升到路基的可能性较小，故预计地下水、地表水对路基的稳定性影响较小。

2.3 周边管线及建筑物

南北向顶管区域沿线有DN400燃气管，DN600给水管及电力管等。顶管西侧沿线有一根DN2000雨污水管，距离顶管中心线约6 m。东侧有二层及六层建筑物，最近的建筑物距离顶管中心线约12 m。顶管段内有东西向埋深最深的最大管径DN2 600雨污水管道，管底埋深约11 m。周边情况见图2。

图2 周边情况示意图

3 顶管位置及管材选择

3.1 顶管断面的选择

综合管廊顶管断面需要满足纳入的管线空间以及工作人员通行空间。本工程为满足纳入110 kV电力电缆、管廊自用电力电缆、通信电缆以及满足人员日常通行和检修等操作空间，也为了便于施工，选用了常用的圆形管道断面，内径3.5 m。

3.2 顶管管线及标高确定

综合管廊顶管通常采用直线顶进方式，施工时较曲线顶进方式更方便些，难度更低些。综合管廊的整个顶管区段还需考虑通风、投料及引出等功能，需要根据总平面的防火通风区间、对外接出线缆布局以及片区规划统筹考虑安排。本工程顶管区段为避让沿线的建筑物及雨污水管道，并结合综合管廊的通风要求，最终选择在建筑物与雨污水管中间，靠近机动车道绿化分割带下方。设立通风口、投料口及人孔在绿化带上，这样就可以不影响行人及车辆正常通行，又满足通风投料及人员出入的要求。

顶管管道应尽量选择在土层分布均匀的区段，并应考虑避让地下障碍物。本工程地层分布较均匀，顶管段全线位于4号粉细砂层。顶管段需避让与之相交叉的DN2 600雨污水管道。根据规范要求，顶管管顶距离雨污水管管底不应小于2 m且不宜小于1倍顶管外径。本工程考虑到顶管井的深度问题，顶管标高确定在交叉的雨污水管道下方2 m处。

3.3 顶管管材的选择

综合管廊设计年限为100 a，考虑到防腐性及耐久性问题，一般顶管采用钢筋混凝土管。本工程选用了内径为3.5 m的DRCPⅢ3500 GB/T11836级钢筋混凝土顶管，管节长度2.5 m。

4 顶管井结构设计

4.1 顶管井功能确定

综合管廊顶管井可能不仅仅单纯的用于顶管工程，有时还需要结合综合管廊的通风、投料、管线引出等功能。因此，在管廊的总体布置上要统筹考虑安排，确定顶管井所需要满足的功能需求。一般通风区间为400 m，投料区间200 m，引出区间200 m。本工程整个顶管区段约650 m，整个高压电缆舱没有引出功能。在整个顶管区段仅一处大部分位于绿化带下方，适合将通风口、投料口、人员检修出入口布置在此处。因此整段顶管段设置一处顶管井兼通风及投料功能，其余顶管井仅具备顶出或接收顶管功能及综合管廊标准段的基本要求。

4.2 顶管井尺寸确定

顶管井平面尺寸需要考虑管道下放、各种设备进出、人员的上下通行、井内操作、测量等必要的施工空间。综合管廊顶管井还需要满足综合管廊所需要的功能，如通风面积要求，投料口大小，配电间，控制室的设置等，包括检修人员的日常通行维修。本工程顶管井长度方向选取满足顶管机及顶管管节长度要求的两者较大值。但在宽度方向，碍于施工场地宽度方向空间有限，最终宽度按浅工作井确定，基本满足顶管施工要求，但增加了施工人员进出难度。

由于本工程受到场地的限制，又为了便于人员通行及施工安装，最终选择坡道的方式用于连接顶管井两端顶管断面。两个管道之间的高差较小，而与标准段之间的高差较大。因此在与标准段连接时，采用倒虹的方式进行衔接。

顶管井深度还应满足顶管及顶管机施工要求。不露出地面的顶管井一般顶板设置在地面以下2～2.5 m，便于道路施工及其他管道敷设施工。

本段顶管工作井除作为顶管井之外还具备综合管廊通风及投料等功能。平面见图3，剖面见图4。

图3 顶管井平面图（单位：mm）

图4 顶管井剖面图（单位：mm）

4.3 顶管井及管道内力计算

顶管井可以是临时井也可以是永久井。但在综合管廊工程中，顶管井一般均为永久井。顶管井需要满足顶管施工时的受力工况，也要满足正常使用状态下的受力工况。

顶管管道需满足顶力、覆土压力及其他使用工况下的强度要求。

顶管顶力应取管材传力面允许最大顶力、工

式中：Fdc为混凝土管道允许顶力设计值；φ1为混凝土材料受压强度折减系数；φ2为偏心受压强度提高系数；φ3为材料脆性系数；φ5为混凝土强度标准调整系数；fc为混凝土受压强度设计值；AP为管道的最小有效传力面积；γQd为顶力分项系数。

工作井后背土体允许顶力按式（2）计算：

式中：Ptk为后背土体允许顶力标准值；Ppk为工作井后壁板上被动土压力合力标准值；Eep，k为工作井前壁板上主动土压力合力标准值；ξ为考虑合力作用点可能不一致的折减系数。

施工顶力估算按管道侧摩阻力及迎面顶力按式（3）计算：

式中：P为计算的总顶力；D1为管道外径；L为管道的顶进长度；fs为管道外壁与土的平均摩阻力；PF为顶管机的迎面阻力。

当总顶力超过工作井允许顶力或管材允许顶力时，应设置中继间。当设置一道中继间不能满足时，再增设若干中继间，直至满足总顶力要求为止。

4.4 顶管井围护设计

常见的顶管井施工有SMW工法桩围护、灌注桩围护。另外还有沉井施工方式。作井后背土体的允许顶力二者的小值。

混凝土管顶管传力面允许最大顶力按式（1）计算：

通常，顶管临时井会采用工法桩围护或灌注桩围护较多。对于埋深较深的顶管永久井通常采用沉井。特别是平面尺寸小，井深较深的顶管井较多采用沉井方式。但沉井适用于周边较空旷地区。对于本工程顶管区段内有管线及建筑物的情况，不适合沉井方式。沉井下沉时会带动周围土体下沉，对周围土体有一定范围的影响，并造成周边建筑物沉降和倾斜。井体下沉时的井体倾斜也会对周边管道造成影响。

本工程顶管井井壁距离沿线雨污水管道外壁仅2 m，井基坑深度又较深，因此本工程选用直径1 m灌注桩咬合桩形式，起到围护及止水帷幕的效果，并保证管道与灌注桩之间净距1 m，尽量减少施工时对管道的影响。并在井底采用水泥土搅拌桩满堂加固，尽量在渗透系数较大的砂性土中形成整体止水效果。顶管井根据深度设置4道支撑，在井壁施工完毕达到设计强度后拆除支撑，便于顶管施工。

本工程部分顶管外壁离建筑物仅7 m，因此也采用灌注桩咬合桩围护，在管道与建筑物之间设置一道屏障，减少建筑物沉降及变形。

5 顶管井施工及监测

顶管工程施工前应探明周围管线及地下障碍物，做好应急措施。施工时应根据地质土层的特点选择合理的顶管机，并在顶进过程中选择合适的顶管减阻措施。顶进过程中及时纠偏。

顶管工程施工时做好监测工作，对围护结构、顶管管道、周边道路、构建筑物及地下水位均应做好监测工作。本工程顶管区段穿越重要道路，并离建筑物较近，因此监测按一级基坑监测。

6 结语

顶管施工是污染小，效率高，影响范围小的绿色环保施工。本段综合管廊顶管工程既避免了过路时对交通主干道的影响，又减少了地下各类管线的迁改工作，还大大缩小了施工面积。