大型箱涵顶管法在穿堤施工中的应用研究

覃立宁 周世武 李森源

摘要：随着中国城镇化进程的不断发展，区域汇流条件及内涝洪水调蓄容积发生变化，很多城区已建泵站洪水抽排能力不能满足现代城市发展的需要，在防洪排涝泵站扩容改造工程中，对大孔径穿堤排水通道的需求越发凸显。大型箱涵顶管法穿堤方案具有大流量排泄洪水、提供稳定洞内流态、无需大面积开挖已建堤防、施工工期短、有效保障改造施工期城区防洪安全等优势。针对大型箱涵顶管法应用于穿堤建筑施工中遇到的技术问题，采取堤身加固灌浆及管棚支撑，优化顶进箱涵断面，采用合理的摩阻力控制措施及有效的堤身沉降控制措施，使大型箱涵顶管法成功应用于广西崩冲泵站扩容改造工程。

关键词：大型箱涵;顶管法;穿堤施工;沉降控制;防洪排涝工程;崩冲泵站

中图法分类号：TV67文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.010

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0049 - 05

1    研究背景

目前，在水利及市政雨污排水行业中使用的顶管主要包括3 m口径以下[1-2]的中小直径钢管及混凝土管，一些小型的市政顶管使用拖拽式施工方法。然而，对于大直径、大尺度的大型箱涵顶管法穿堤建筑物少有研究。大型箱涵在中大流量洪水排涝工程的应用效果明显优于多孔中小口径组合管道，可使洞内流态保持相对稳定，避免在洪水排泄过程中出现明满流交替的不利流态[3]。

然而，与目前市政工程中常用的中小直径钢管、混凝土管顶进方案不同，大型箱涵顶管穿堤方案在实施过程中会遇到以下难题。

（1）为了保证建成区的防洪安全，对顶进箱涵穿越防洪堤的堤防沉降控制及防渗透控制要求较高。

（2）大型箱涵自重大、工作面大，顶进施工对堤身土体扰动大，对堤身稳定安全的保证率要求较高。

（3）顶进大型箱涵所需顶推力大，受堤防区域地形及建成区用地的限制，大多工程难以实现双向顶进，对顶推后背墙的设置提出较高要求。在顶进过程中，需要采取有效措施减小摩阻力。

（4）需要重视大顶推力下大型箱涵的受力传导平衡问题。

2 工程概况

崩冲泵站扩容改造工程是广西首个成功实施的大型箱涵顶进穿堤案例。以该工程为例，介绍了箱涵顶管穿堤过程中所遇到的技术难题及解决方案。崩冲泵站总装机容量2 000 kW，设计抽排流量19.8 m3/s，设计自排流量51.7 m3/s，泵站主要建筑物等级为3级。

穿堤排涝箱涵设计外口断面尺寸为4.4 m×5.4 m，穿堤防段总长28.12 m，分两段同一方向渐次顶进，技术方案及实施流程如图1所示。

3 大型箱涵顶管法穿堤施工要点

3.1 加固及支护

穿越防洪堤段箱涵顶部覆土厚度约6.5 m，顶进长度28.12 m。根据堤防安全稳定评价及深土洞土体应力分析评价，原则上箱涵顶进不会对堤身结构稳定造成影响。为进一步提高堤身稳定性，防止堤身土体发生徐变、坍塌、断裂、沉降等现象，确保防洪堤及堤顶防汛抢险道路安全，在箱涵顶进实施前，采用灌浆加固土体及管棚支护措施对拟顶进箱涵的顶部土体进行加固处理。为了提高管棚承载能力，加强支撑结构的抗弯性、抗震动性及抗扰动性能，对支撑管棚进行灌浆处理，使管棚能有效支撑局部散落土体。此外，管棚还能隔离上部土体与箱涵，避免土体在箱涵顶进过程中随箱涵一起移动。顶进箱涵管棚示意见图2。

通过采用堤身加固灌浆及管棚支撑，能够保证顶推箱涵上部土体的稳定性，在不中断堤顶道路交通的前提下，避免土体坍塌。

3.2 顶進箱涵选型

大型箱涵顶进属于深土洞开挖土体应力的重分布问题[4]。目前，顶管施工中顶进阻力常用规程算法[5]如下：

[FP=πD0Lfk+NF]         （1）

式中：FP为顶进阻力;D0为管道外径;L为顶进长度;fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力;NF顶管机的迎面阻力。该计算方法基于触变泥浆稳定技术，适用于四周摩阻系数一致的圆形管道顶进阻力计算。该方法难以反映土拱效应作用下，采用箱涵润滑隔离层措施后，箱涵上表面、底板及侧面等不同作用面摩阻系数的差异。摩阻系数是顶推力计算的敏感值，可以反映箱涵各个面层与土体的摩擦情况，还包含顶进作业中，箱涵“扎头”“抬头”“偏移”“倾斜”所引起的阻抗和挖土不善及调偏预挖所产生的影响。

崩冲大型箱涵顶进采用土拱效应折减顶推力计算法[6]进行箱涵最大顶推力计算，并以此为依据，进行顶推箱涵选型：

[Pmax=K[N1f1+N1+N2f2+2Ef3+RA]]   （2）

式中：Pmax为最大顶力;N1为箱涵顶上荷载;f1为箱涵顶上表面与荷重摩阻系数;N2为箱涵自重;f2为箱涵底板与基底摩阻系数;f3为侧面摩阻系数;E为箱涵两侧土压力;R为钢刃角正面阻力;A为钢刃角正面积。土拱效应卸载作用计算如下：

[q=43ahγ=43a2γfkp]           （3）

[h=afkp]             （4）

[a=b+httan45o-φ2]       （5）

式中：fkp为箱涵顶部堤身土体的坚固性系数;[γ]为土体容重;[φ]为土体内摩擦角。土拱卸载效应计算示意见图3。

在箱涵顶部覆土厚度不大的情况下，箱涵顶部竖向土压力按土柱实际重量计算，由于堤身土体较为密实，且箱涵顶部覆土层较厚，需考虑卸荷拱的顶托作用带来的竖向荷载折减，当H大于2倍卸荷拱高度h时，卸荷拱作用明显，可以计算出大型箱涵顶进作业的顶推力。崩冲箱涵选型，各高宽比箱涵断面所需的顶进作业顶推力计算见表1。

依据上述分析并结合实际顶推实施效果可知，堤身土体卸载拱的作用较为明显。土拱跨度越小，在减小顶力的同时，土体坍塌风险越小。在过流断面一致条件下，小高宽比箱涵断面对顶推力的要求大于大高宽比箱涵，合理的顶推力计算有利于后背顶推墙的设计与施工。同时，大高宽比箱涵更能满足大流量无压过流断面的选型要求。

为了保证箱涵能够承受最大顶推力，崩冲顶进箱涵采用的混凝土标号为C40，保证配筋率，确保箱涵在行进过程中作为一个绝对刚性体，避免在顶推过程中受力变形而无法承载箱涵侧向被动土压力，避免箱涵周边土体损失增大进而导致防洪堤堤身沉降加剧。此外，在箱涵内侧使用Φ10@100的钢筋格栅网片进行防裂处理，避免箱涵顶推过程中由于局部受力不均导致构件局部破坏向整体结构失效延展。为了防止顶进过程中出现“扎头”现象，在预制箱体时，于箱底前端50 cm内按5%船头坡造型做成头高尾低的坡度形式，以便顶进时将高出箱涵底的土体压入箱底，增强涵底土层承载能力，防止“扎头”。

3.3 箱涵顶进润滑剂的使用

箱涵顶进过程中，有效的抗摩阻力措施是顶进箱涵顺利实施的关键。为防止预制箱涵与工作井滑板粘结造成启动困难，在箱涵四周设置润滑隔离层。经过多方案比对，崩冲泵站顶进箱涵隔离层做法为：加热石蜡至150 ℃，掺入一定比例（掺入量按石蜡的15%确定）的废机油，均匀浇洒在箱涵四周并刮平，待掺机油石蜡凝固后，在其表面撒一层厚0.2～1.0 mm的滑石粉，覆上塑料薄膜进行保护。在完成工作井底板隔离层后，绑扎钢筋、立模浇筑箱涵。该润滑隔离层的设置可有效降低行进摩阻系数（图4）。

3.4 工作井及顶推后背墙的设置

为了最大限度减小摩阻力，工作井箱涵行进面要求最大限度的平整光滑，不能有波浪起伏。为了保证工作井滑板的平整度，满足箱涵顶进启动要求，工作井行进路径区域每2 m范围内凹凸误差不宜超过3 mm。受堤防段地形及建成区用地范围的限制，穿堤箱涵不能双向顶进，考虑使用群桩叠加后背土体方案提供后背顶力。顶推后背墙布置13条直径1.5 m的混凝土灌注桩做为后背支撑，提供15 000 kN的后背顶力（图5，6）。

在箱涵顶推过程中，为了尽量地减小土体位移空间，防止堤身沉降引起裂缝，同时避免造成土体和箱涵同时位移的深层滑动导致堤防箱涵顶进出口土体挤压坍塌事故，不得超挖。在局部需调整顶进误差，控制顶进方向时，会有少量调整性引导开挖。大型箱涵穿堤顶进，推进速度应控制在1.5 ～2.5 m/d为宜，中间不间断。

3.5 堤防沉降控制及防渗加固处理

在做好顶管段堤身土体、堤顶道路路基加固及支护措施前提下，在沿箱涵顶进线路及土体45°扩散角范围内布置堤顶沉降控制监测点，提前掌握顶进过程中堤身各项变形参数变化情况。做好地面交通的疏导，在薄弱地段，必要时架设贝雷桥供临时通车，避免顶管上方附加荷载过大。

堤身土体沉降采用土体损失产生的地面（防洪堤顶面）沉降槽原理进行分析计算[7]：

[Sx=Smaxe-x22i2]            （6）

[Smax=Vloss2πi]              （7）

[i=h2πtan（45°-φ/2）]          （8）

式中：S（x）为行进路線x处堤顶沉降值;Smax为堤顶最大沉降值;Vloss为顶管单位长度土体损失量;i为沉降槽宽度系数;[φ]为土层内摩擦角。

由于崩冲泵站采用小型机械预挖掘进后顶推的模式进行大型箱涵顶推作业，土体损失率取值2.5%，依据式（7）计算顶管穿越堤防段最大堤身沉降量Smax=16.7 mm，沉降量大于小口径管道顶推产生的土体沉降。

顶进箱涵作业完成后须及时进行回填灌浆处理加固堤防。依据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》第10.2.7条规定“采用顶管法施工修建穿堤建筑物、构筑物时，应选择土质坚实的堤段进行，沿管壁不得超挖，其接触面应进行充填灌浆处理”，顶进大型箱涵施工对土体的扰动较大。在大型箱涵顶进调偏过程中叠加滑板铺设的局部引导性开挖，可有效降低切削土体反作用力，减小土体非正常切削损失，同时利于调偏滑板铺设。引导性开挖以不超挖为前提，滑板置于大型箱涵顶进前端底部，按调偏方向做适当倾斜，为箱涵顶进调偏提供条件。崩冲泵站箱涵顶进依据日进尺限度制定调偏预案，滑板单边尺寸不超过1.5 m，箱涵前端引导性调偏开挖不大于1.5 m，通过滑板铺设控制箱涵顶进前端土体切削，从而达到箱涵顶进水平轴线允许偏差小于50 mm，箱涵内底高程允许偏差小于30 mm的设计要求。为了防止引导性调偏开挖及滑板铺设导致的堤防渗漏通道，不建议调偏预案中连续铺设滑板，只在偏差预警时使用。控制局部顶进误差的调整性引导开挖，若不及时回填灌浆固结，土体徐变将导致堤防产生新的渗漏通道，威胁堤防安全。因此，除了加强顶推过程中箱涵周边土体的补压浆加固处理，箱涵顶进作业后须及时进行堤防防渗处理，具体措施为对箱涵接触面、箱涵行进段周边土体进行充填灌浆加固处理，处理方案须周密部署、及时响应、防止遗漏。

为了减小堤防加固灌浆引起的箱涵侧周土体加固沉降或变形隆起，需合理安排灌浆次序，减小堤身土体扰动，避免出现较大范围的土体二次应力重分布。崩冲箱涵顶进作业后，采用从箱涵内预埋管向土体注浆的方案进行堤防防渗加固处理，施工次序遵循“先下后上、先下游后上游”进行，分序跳孔灌浆，避免堤身土体由于扰动产生塑性变形，避免固结沉降。经过有效的沉降控制措施，堤防沉降观测数据显示，崩冲泵站大型箱涵顶进施工完成后，堤身最大沉降量为19.2 mm，与前期计算分析结果基本相符。

大型箱涵頂进穿堤方案通过预埋管灌浆充填加固顶进路径周边堤身土体（图7）。

4 结 语

（1）通过堤身加固灌浆及管棚支撑，可保证顶推箱涵上部土体稳定性。钢管顶棚灌浆处理可形成一个高强度支撑构件。

（2）大型顶进箱涵宜使用大高宽比断面，润滑隔离层的设置可以有效降低行进摩阻系数。

（3）大型箱涵穿堤顶进的推进速度控制在1.5 ～2.5 m/d为宜，中间不间断，保证顶进进度及穿堤施工安全。

（4）在顶进过程中，箱涵润滑隔离层的设置可有效降低行进摩阻系数，前端滑板铺设可避免摩阻力过大造成土体和箱涵一起位移的深层滑动现象，避免堤防箱涵顶进出口土体挤压坍塌事故的发生。

（5）顶进箱涵作业实施后，通过及时对箱涵周边土体充填灌浆等加固处理，可避免大型箱涵顶进施工后堤防沉降及堤身裂缝的产生，避免在顶进箱涵周边形成渗漏通道，确保穿堤箱涵满足防渗要求，使箱涵与防洪堤融为一体。

参考文献：

[1] 梁级， 康卫国， 颜佩君，等. 大直径雨水管顶管及曲线顶管施工技术[J]. 城市道桥与防洪，2005（6）：98-101.

[2] 崔龙飞. 大直径钢顶管穿越长江大堤设计与施工问题分析[J]. 给水排水，2020（1）：109-114.

[3] SL 279-2016  水工隧洞设计规范[S].

[4] 张海丰， 马保松， 王福芝. 被动土拱效应对土压力计匹配误差的影响[J]， 岩土工程学报， 2016（2）：350-354.

[5] GB50268-2008  给水排水管道施工及验收规范[S].

[6] 冯卫星， 王克丽. 地道桥设计与施工[M]. 石家庄：河北科学技术出版社，2000.

[7] 魏刚， 吴华君， 陈春来. 顶管施工中土体损失引起的沉降预测[J]，岩土力学，2007（28）：359-363.

（编辑：李 慧）

Study on application of pipe-jacking technique of large box culvert in

dike-crossing construction

QIN Lining，  ZHOU Shiwu，  LI Senyuan

（Guangxi Pearl River Water Resources Commission Nanning Survey& Design Institute， Nanning 530007， China）

Abstract： With the development of urbanization in China and the change of regional confluence conditions and flood storage capacity， the pumping and drainage capacity of the existing pump stations in many cities could not meet the need of modern city development and the large caliber dike-crossing pipe becomes increasingly important in the expansion and reconstruction of pump stations for flood control and drainage. Pipe-jacking method of large box culvert has advantages such as large flow release， stable flow regime inside the tunnel， no large-scale excavation required， shorter construction period， which can ensure the safety of urban flood control during construction period. According to the technical issues of pipe-jacking for large box culvert in the construction of dike-crossing project， the measures such as the grouting reinforcement and shed-pipe support， improving the cross-section of the box culvert， controlling the frictional resistance and settlement of dike body were adopted in Bengchong pump station expansion project in Guangxi Zhuang Autonomous Region and successful achievement was obtained.

Key words： large box culvert; pipe-jacking technique; dike-crossing construction; settlement control; flood control and waterlogging drainage project; Bengchong Pump Station