CECS标准《矩形顶管工程技术规程》关键技术解析

安关峰 张蓉 王谭

广州市市政集团有限公司 510060

引言

矩形顶管技术是采用矩形顶管机边切削、边排土、边顶进［1］，将钢筋混凝土管节逐段向前推进形成地下空间的一种绿色、环保、安全、高效的非开挖施工技术，是在圆形顶管技术的基础上发展而来，相比于圆形管道或传统施工技术，矩形顶管在断面形式、空间使用率、适应浅覆土等方面，在综合管廊、隧道、地下通道等工程中的应用有更大的优势［2，3］。

随着矩形顶管设备的研发、施工技术的提高，矩形顶管技术在我国逐渐推广开来。同时，随着城市地下空间开发利用的不断加强，矩形顶管技术能较好应用于电力隧道、地下过街横通道、地铁进出站通道及综合管廊等工程建设中［2］。近年来，结合综合管廊的矩形结构和矩形顶管施工技术，苏州城北路综合管廊元和塘顶管工程、包头市新都市区中心区综合管廊工程等项目积累了丰富的矩形顶管综合管廊设计与施工经验。

中国工程建设标准化协会标准《矩形顶管工程技术规程》（T／CECS 716—2020）（以下简称《规程》）［4］针对矩形顶管工程的特点，结合大量工程实践经验及研究总结，清晰界定了有关矩形顶管工程的术语，提出了工程勘察、管节制作、管节设计、顶管设备选择及施工等技术标准和指标，并提出了矩形顶管工程验收的各类指标以及控制要求。

1 工程勘察

矩形顶管工程勘察应根据工程重要性、场地复杂程度和地层复杂程度等条件划分岩土工程勘察等级，建议将工程勘察分为初步勘察、详细勘察两个阶段，线路长、沿线情况复杂的工程可增加选线勘察阶段，进行线路比选。《规程》对矩形顶管工程中勘察范围、勘察布孔、地下水勘察、地下管线和障碍物的探测以及勘察报告等作出了详细要求，对勘探孔的布置、勘探孔的深度等作出了规定（表1）。

表1 勘探孔的间距（单位：m）Tab.1 Spacing of exploration holes（unit：m）

《规程》要求一般性勘探孔的深度应达到管底设计标高以下3m～5m，控制性勘探孔的深度宜达到管底设计标高以下5m～10m，以确保查明工程地质条件。

2 顶管设计

2.1 顶管设计主要内容

顶管工程结构设计与计算分为施工阶段和使用阶段，《规程》规定了顶管工程结构使用阶段的设计与计算，其中包括构件截面计算、构造设计和地基基础设计等。根据不同应用行业，执行相关行业的现行标准。

《规程》中矩形顶管设计主要内容包括：（1）顶管管位设计；（2）作用；（3）管节结构设计；（4）管节构造设计；（5）中继间设计；（6）顶管总顶力计算；（7）工作井设计。《规程》将顶管工程结构的安全等级划分为一级和二级：安全等级为一级时，设计使用年限为100年；安全等级为二级时，设计使用年限为50年。设计时应按相应行业的要求选定。

2.2 顶管设计主要作用

顶管结构上的作用分为永久作用、可变作用及偶然作用，永久作用主要包括管道结构的自重、竖向土压力、侧向土压力和地基不均匀沉降等；可变作用主要包括地面堆载、车辆荷载、地下水压力、顶力作用、顶进过程中的侧摩阻力作用等。结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）的相关内容，矩形管节的设计可只考虑车辆荷载、管节自重、竖向土压力、侧向土压力及顶力的作用效应组合。《规程》给出了作用在矩形管节上的侧向土压力标准值在施工阶段和运维阶段下的计算方法，计算可根据所在地层的不同分为水土分算和水土合算。

管节结构设计主要考虑满足施工阶段的设计与计算，管道结构按承载能力极限状态进行强度计算时，对持久设计状况或短暂设计状况，采用作用的基本组合；对偶然设计状况，采用作用的偶然组合。结构构件按正常使用极限状态计算时，根据不同设计要求采用作用的标准组合、频遇组合或准永久组合。

2.3 管节构造设计

《规程》对管节最外层钢筋的混凝土保护层厚度做出了规定，确定原则需要考虑两点：一是工程安全等级；二是管节在不同环境下（直接与水接触和不直接与水接触）。管节混凝土强度等级不宜小于C50，管节混凝土抗渗等级不宜低于P10。最外层钢筋的混凝土保护层最小厚度根据安全等级和不同环境下管节耐久性要求确定（表2）。

表2 混凝土保护层最小厚度（单位：mm）Tab.2 Minimum thickness of concrete cover（unit：mm）

《规程》中管节纵向钢筋的最小配筋率不宜低于0.2%，间距不宜大于150mm。当混凝土强度等级大于C60时，最小配筋率宜增加0.1%。管节顶、底板与侧墙连接处宜设置腋角，配筋面积可为受力钢筋的截面面积的50%。

2.4 中继间设计

中继间是矩形顶管中必不可少的设备，如图1所示。在顶推距离较长，始发井顶推系统不足以提供全部顶力时，需要设置中继间接力顶进。因此，《规程》中将中继间定义为顶管机顶推系统能力不足时，随管节一同前进的接力顶进装置，主要由前后壳体、推进液压缸、阀组、泵站、行程测量装置等组成。《规程》要求中继间的加设及数量，应按顶进总顶力及管壁的承受能力确定，并给出了中继间的间距计算方法。

图1 中继间结构示意Fig.1 The structure of the relay room

2.5 顶管总顶力计算

在矩形顶管顶进过程中，管道结构处于顶管机、顶进设备、周围土体、地下水及其自身荷载等的共同作用下，管道外侧在竖直方向受到上覆土层的竖向土压力、地下水压力、管节自重作用；侧面方向受到侧向土压力作用、地下水压力；沿顶管轴向受到端面阻力、顶进设备顶力、管道表面与周围土体之间的摩阻力等作用。因此顶进过程中的管节是一个复杂的力学体系，矩形管节横截面受力如图2所示。

矩形顶管施工基本采用压力平衡式顶管机（土压平衡或泥水平衡），为了保证顶管机开挖面的土体稳定，需要保证顶管机端面压力与地层土压力值平衡，根据这个平衡关系确定迎面阻力的大小，得出泥水、土压平衡式顶管机的迎面阻力计算公式。《规程》要求矩形顶管液压缸总顶力不小于顶管总顶力的1.5倍。

矩形顶管总顶力由顶管机迎面阻力和总摩阻力组成：

图2 矩形管节横截面受力示意Fig.2 Force diagram of cross section of rectangular pipe

式中：Py为顶管机的迎面阻力（kN）；Ff为矩形顶管总摩阻力（kN）。

矩形土压、泥水平衡式顶管机的迎面阻力按下式计算：

式中：γ为土的重度（kN／m3）；H0为管顶至原状土地面覆土层厚度（m）；H1为矩形管节外边高（m）；B1为矩形管节外边宽（m）。

矩形顶管总摩阻力按：

式中：f为管节与土体接触面的摩阻力（kPa），结合地区经验取值；Ld为矩形顶管顶进长度（m）。

2.6 工作井设计

矩形工作井按结构又可分为整体式沉井类型和基坑型。《规程》明确了工作井的设计内容，对工作井形式及尺寸的选用或计算给出了参考。

由于矩形顶管断面大，需要总顶力大，要求对始发井后背土体允许最大顶力进行验算（图3）。当不满足要求时，应对土体进行加固设计或增设反力地下结构。在顶管施工前，矩形沉井井壁与土体间的土压力和圆形沉井的类似，为静止土压力与主动土压力之间某一值，由于沉井结构刚度较大，也可假设为静止土压力。《规程》给出了后背土体允许顶力的计算方法。

图3 顶力作用下始发井受力示意Fig.3 Force diagram of starting shaft under jacking force

3 管节制作

《规程》中对管节制作的材料性能、接头构造、管节防腐、管节预制、管节标识堆放、吊装和运输、管节质量控制作出规定。矩形顶管管节钢承口端柔性接口可分为单胶圈和双胶圈两种形式，《规程》对管节间密封与防水作出了详细要求，管节之间的接口防水包括四种密封形式（图4）：

（1）图4a常用于管节之间钢承口与混凝土之间的防水；

（2）图4b的聚氨酯密封胶条主要应用于钢承口和混凝土之间的第二道防水；

（3）图4c的聚氨酯密封胶条主要应用于管节拼装完毕最后一道防水；

（4）图4d主要应用于钢承口和混凝土之间的第一道防水。

4 工作井施工

工作井围护结构需要根据工程水文地质条件、邻近建筑物或构筑物、地下与地上管线情况，以及结构受力、施工安全等要求，经技术经济比较后确定（表3）。

图4 管节防水材料构造示意Fig.4 The structure of pipe waterproofing material

表3 不同围护结构形式下工作井的适用条件Tab.3 The applicable conditions of working shaft under different enclosure structures

5 顶管设备及安装

针对地质条件的顶管设备研制、选型和安装对于矩形顶管工程的顺利施工有着关键性作用（表4）。

《规程》对矩形顶管机设计与选型（图5）、顶推系统及安装、导轨选择与安装、顶管机安装和调试、土压平衡出渣系统的安装、泥水循环系统的安装、中继间安装、顶管辅助施工与设备及质量控制分别给出了要求（表5）。

当矩形管节断面较大时，在工程施工过程中需要采用触变泥浆减阻（图6），触变泥浆减阻系统的注浆作用主要包括两点：一是有润滑作用，注浆将矩形管节和周围土体间的摩擦力从干摩擦力变为湿摩擦力，有效降低了管周摩擦阻力；二是支撑起了周围土体，由于顶管机机头通常大于顶管管节，同时受顶管顶进过程中的背土效应影响，顶管顶进过程中顶管管节周围土体会出现空隙，注浆使顶管管节周围土体空隙填满了浆液，使顶管施工引起的土体沉降明显减小。《规程》对减阻系统的安装、触变泥浆工作性能、触变泥浆注浆系统均作出了相关规定。

表4 矩形顶管机适用工况Tab.4 The applicable conditions of rectangular pipe jacking machine

表5 矩形断面开挖系统选型Tab.5 The selection of excavation system for rectangular section

图5 不同刀盘形式矩形断面顶管机Fig.5 Rectangular section pipe jacking machines with different cutterhead forms

图6 触变泥浆减阻系统Fig.6 Thixotropic slurry drag reduction system

6 顶进施工

顶管施工属于地下工程，受影响因素很多，除施工工艺方法多、技术要求差异大等特点以外，工程地质条件、顶管设备类型与配置、原有地下设施和地下障碍物情况以及施工现场环境等因素均可对施工进度、工程质量、施工安全和施工成本造成影响。

《规程》对顶管顶进施工的施工组织设计、顶管始发与接收、顶管掘进、注浆减阻、土体改良、测量和姿态控制、监测与变形控制、顶管机拆解与吊出以及质量控制分别作出详细规定，同时根据大量施工经验总结，对顶管施工各阶段掘进速度提出了控制要求。

7 结语

矩形顶管技术在综合管廊、地下过街通道、地铁进出站通道、公路隧道、轨道交通等工程建设中有巨大的市场前景。《规程》主要目标为规范矩形顶管工程的技术要求，指导合理设计、精心施工、严格监控，该《规程》经行业专家组审查认为技术内容科学合理、可操作性强，与现行相关标准相协调，达到国际先进水平。

《规程》的实施对矩形顶管工程的勘察设计、施工、验收具有指导意义，有利于保障矩形顶管结构长期、高效、安全、节能运行，可推动我国矩形顶管工程设计与施工技术的发展及大断面综合管廊和地下人行通道建设，有助于矩形顶管工程的大规模推广应用，具有很好的经济效益及社会效益。