顶管设计与优化

李佩南，阿怀瑾，张 璐

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

顶管法施工是将管道敷设明挖施工改为暗挖的一种地下管道非开挖施工工艺[1]。在地面存在建筑物、交通繁忙的公路和地下存在建（构）筑物及管廊复杂的地段敷设新的地下管道，采用传统的开挖、铺设、回填施工工艺比较困难。为了减少对建（构）筑物的破坏，减小对交通的干扰，减少征地拆迁，顶管法施工已成为地下管道施工中的最佳选择。

1 工程概况

某防洪工程位于黄土高原腹地的延安市，随着区内经济的快速发展，工程区规划开发建设为具有滨水商业中心、住宅区、研发创新中心、商贸服务区、文旅小镇、养生休闲区、产业区等多功能综合区域，对区域发展起着非常重要的作用。工程区内降水具有年际变化大、年内分配不均的特点，降雨集中于夏季且多阵雨、暴雨，易形成洪水。

工程区沟谷呈“U”型，谷底宽500～1000m，沟河谷两岸树枝状“V”型冲沟发育，谷坡冲蚀强烈，黄土崩塌、滑坡多见。工程区地层按岩性可划分为3层，自上而下分布：压实填土，第四系人工堆积层()，重度为18kN/m3，承载力基本容许值fa0=150kPa，抗剪强度φ=15°，c=16kPa；黄土状壤土，第四系中更新统风洪积层()，重度为22.5kN/m3，承载力基本容许值fa0=140kPa，抗剪强度φ=23.4°，c=18.9kPa；砂岩夹泥页岩，侏罗系下统枣园组()，重度为24kN/m3，承载力基本容许值fa0=800kPa，抗剪强度φ=45°，c=20kPa。

2 顶管管位及管材选择

根据工程平面布置（图1），排洪干管需穿越1号、2号道路，这2条道路为该区域内的主干道，无法中断交通采用开槽法施工，因此选择顶管法穿越。根据地面及地下建（构）筑物情况、水力条件、地质条件，经过比较选定顶管段全长211.09m，设置工作井1处、接收井1处，比降约3.5%。

图1 顶管管位布置图

根据地勘资料，顶管从工作井至接收井依次穿越砂岩夹泥页岩、黄土状壤土、压实填土，可进行顶管施工。

根据水力计算结果，顶管管径为3.5m，顶管法施工常用的管道有钢管、钢筋混凝土管、剥离钢夹砂管、钢筒混凝土管（JCCP）及钢筒混凝土管（PCCP），通过技术经济比较，最终选定管材为钢筒混凝土管（JCCP）。

3 管道结构设计

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、工作井后背土体的允许顶力二者的小值[2]。

3.1 管道总顶力计算

根据CECS246-2008《给水排水工程顶管技术规程》[3]，管道总顶力标准值F0按下式估算：

式中：D1为管道的外径，m；L为管道设计顶进长度，m；fk为管道外壁与土的平均摩阻力，kN/m2；NF为顶管机迎面阻力，kN。泥水平衡式顶管机迎面阻力NF计算按下式：

式中：Dg为顶管机外径，m；γs为土的重度，kN/m3；Hs为覆盖层厚度，m。

经计算，管道总顶力标准值为49.85×103kN，考虑该工程顶管通过多为砂岩夹泥页岩，总顶力设计值采用标准值扩大15%安全富裕进行设计，总顶力设计值为57.33×103kN。

3.2 管道允许顶力计算

根据CECS246-2008，钢筋混凝土顶管传力面允许最大顶力Fdc按下式计算：

式中：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，N/mm2；Ap为管道的最小有效传力面积；γQd为顶力分项系数。

经计算，混凝土管道允许顶力设计值为25.88×103kN，管道允许顶力小于总顶力设计值，为防止顶力过大对管道及工作井造成破坏，需通过设置中间井或中继间来减小管道所受最大顶力。

3.3 中继间设置

当工作井主顶实际推力达到最大设计值的50%时设置第1个中继间，实际推力达到最大设计值的60%时启用。第2个及以后的中继间应当在工作井主顶实际推力达到最大设计值的70%时安装，实际推力达到最大设计值的80%时启用[1]。

中继间设置数量需要根据施工情况进行确定，长度超过40.00m的大直径顶管，减阻措施至关重要，良好的减阻措施可极大地减小管道阻力，节省中继间数量，提高顶管效率。

4 工作井设计

工作井结构形式有沉井、钢板桩、地下连续墙、灌注桩和SMW工法。工作井按井底至地面的高差分为浅工作井和深工作井，高差超过10.00m均为深工作井。根据纵断面布置，该工程工作井深度为21.75m，为深工作井，深工作井宜使用沉井法施工。

1）工作井最小内净长度（圆井最小内径L）按下两式计算结果的最大值选取：

式中：l1为顶管机长度，m；l2为下井管节长度，m；l3为千斤顶长度，m；l4为留在井内的管道最小长度，m；k为后座刚性顶铁和环形顶铁的厚度之和再加安装富余量，m。

经计算，工作井最小内净长度L≥9.70m，则工作井最小内净长度设计值为11.00m。

2）深工作井最小内净宽度B按下式计算：

式中：D1为管道的外径，m。

经计算，工作井最小内净宽度B=14.66m，工作井最小内净宽度设计值为15.00m。

5 顶管工程优化设计

5.1 工作井优化

在保证工作面和使用功能的前提下，本着节约造价、简化施工、减小工作量的原则，将工作井尺寸由11.00m×15.00m的方井调整为内径11.00m的圆井，并将其调整为永久跌水井，以解决上游埋管坡度大、流速大的难题，减小上游埋管的埋深和土方开挖工程量，降低工程整体造价、优化工期。同时，工作井的施工由沉井优化为逆作法施工。

沉井法施工适用于埋深较深的顶管永久井和周边较空旷的地区[2]。沉井一定范围内有管线或建（构）筑物的，不适用沉井法施工。当沉井下沉时，会带动井周围土体一起下沉，引起周边建筑物倾斜或沉降，同时对周围土体有一定不利影响。当场地受限时，既不适用沉井也无法进行开挖施工，工作井逆作法施工就成了最好的选择。沉井逆作法施工具有对周边建（构）筑物影响较小、土方量小[5]、安全性高、加快施工进度、减小施工难度的优点[6]。

5.2 管道坡度优化

根据目前国内、外施工技术现状，顶管纵断面设计一般采用两端竖井与水平顶管结合的方式，其中，水平顶管坡度多控制在0.5%～1.0%[7]。大坡度顶管给顶管后座、导轨的排布，顶管动力系统的设置，以及顶管轴线控制测量方法等有更高的要求[8]。

为了提高施工过程中地控制精度，同时保证管道排水通畅，满足最大过流的前提下，顶管坡度适当减小。结合实际情况，顶管纵坡由4.75%调整为3.0%，经过计算满足下游流速大于上游流速，避免因流速变小引起的淤积。

6 结语

顶管法施工技术在防洪工程中的应用，避免了对地面交通、周围建（构）筑物的干扰，减小了环境污染及水土流失，当管道埋置较深时，其造价明显低于明挖施工，可节约工程造价。