小口径长距离顶管施工技术的应用

袁珊珊，李光宏，吴海波

（1.湖北交投武汉投资有限公司，湖北 武汉 430000；2.武汉华源电力设计院有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

近年来，随着城市的快速发展，各行业用电需求增长迅速，为解决城市用地紧张的现状，城市输电线路工程逐渐由架空线路转为电缆线路［1］。在电缆线路工程中，不可避免会与高速公路、铁路以及河道交叉，应权属单位要求，穿越以上构筑物（或地物）一般采用顶管施工工艺。本文结合武汉市天河机场专线电缆线路工程下穿绕城高速实际施工情况，从顶管顶进计算及管道顶进施工方面讨论小口径长距离顶管设计、施工要点，为今后为此类管道穿越工程积累宝贵经验。

1 工程概况

机场电缆专线顶管穿越绕城高速是天河机场电力迁改工程的一部分，管道垂直穿越绕城高速采用泥水平衡式顶管施工工艺，顶进长度 230 m，管道内径φ1.2m、管材为顶进施工法用 Ⅲ 级钢筋混凝土管，绕城高速宽 38 m，高速两侧防护林分别为 50 m、35 m，靠近 35 m 侧有一宽约 26 m 的鱼塘（水深 2.0 m，淤泥层厚 1.0 m）及国防光缆，靠近 50 m 侧约 8 m 位置存在一根 DN 1 000 mm 的高压燃气管道。顶管穿越绕城高速段简图如图 1 所示。

图1 顶管穿越绕城高速标高示意图

工作坑采用沉井方法进行施工，沉井为钢筋混凝土矩形结构，混凝土强度等级 C 35、抗渗等级 P 8，沉井总高度 10.6 m，内部尺寸 4.5 m（宽）×6.0 m（长），除顶管井后背墙侧井壁壁厚为 800 mm 外，沉井其他侧壁均为 650 mm 厚，沉井顶标高距离现状地面 0.5 m，沉井采用二次制作一次下沉的排水施工法。顶管施工工艺流程如图 2 所示。

图2 顶管施工工艺流程图

2 施工难点

1）顶管下穿现状高速、燃气、国防光缆，且绕城高速车流量较大，顶进过程中对地面沉降要求高，对施工精度要求很高。

2）沉井、顶管地质条件较为复杂，沉井下沉稳定较难控制，雨季及地下水位对施工影响大。

3）顶管管径较小、顶进距离长，一次顶进顶力已超过顶管管材许用顶力，需采取减阻措施+间隔设置中继间，小顶管顶进人员较难进入管道，管内空气不易流通，顶力较难控制。

3 顶管顶进相关计算

3.1 顶管顶力估算

顶管施工中，管道顶进总阻力由掘进机迎面阻力和管道外壁的摩阻力组成［2-4］，顶管顶力估算见式（1）～（3）。

式中：R1为顶进计算总顶力，kN；Nf为掘进机的迎面阻力，kN；F为管道外壁的摩阻力，kN；D为管道外径，m；H为管道顶部以上覆土层厚度，m；γ为管道所处土层重度（根据地勘资料γ=19.5 kN/m3）；L为顶管计算顶进长度，m；f为顶进时顶管管道表面所受的摩阻力，kPa。

本工程顶管顶进长度 230 m，穿越土层为 3-1 粉质黏土，采用触变泥浆减阻管壁单位面积平均摩阻力取 5 kPa，据此计算出顶管总顶力为 5 422.04 kN。

3.2 后背墙设置

假定主顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑后的土体上，为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为总顶进力P的1.2～1.6倍，反力R计算见式（4）及式（5）。

式中：R2为顶管后背墙提供反力，kN；α为系数，取α=1.5～2.5；γ为土的容重，kN/m3；H为后座墙的高度，m；B为后座墙的宽度，m；Kp为被动土压系数（无量纲）；c为土的内聚力，kPa；h为地面到后座墙顶部土体的高度，m；φ为管道所处土层的内摩擦角。

本工程顶管井后背墙尺寸为 5.8 m×10.6 m，后背墙土层为 3-1 粉质黏土，黏聚力c=33 kPa，内摩擦角φ=15.4°据此，顶管后背墙能提供的总反力为29 089 kN，远大于顶管顶进所需总顶力，满足顶进要求。

3.3 中继间设置

1.2 m 内径钢筋混凝土顶管能承受顶力 2 955 kN；小于管道顶进总阻力，需在顶进过程中间隔设置中继间实行分段逐级顶进。则中继间主要工作参数可采用式（6）～（8）进行计算：

式中，Lm为主千斤顶最大顶进长度，m；R顶为主千斤顶最大顶力，kN，n为中继间个数，取整数；F2为中继间最大顶力，kN；k1、k2为主顶油缸、中继间工作系数（无量纲，分别取 0.8 及 0.6）；L1为第一个中继间设置位置，m。

本工程主顶装置采用两只额定顶力≤4 000 kN 油缸进行施工，中继间采用 4 只额定顶力≤1 500 kN 油缸进行施工，因工作系数×主顶油缸顶力及中继间最大顶力均大于顶管管材顶力，上述值均取用顶管管材许用顶力，则本工程需设置中继间 2 个，第一个中继间设置在顶管机尾部 60 m 处，根据经验，第一个中继间一般应安装于顶管机后 20～40 m，本次第一、二个中继间分别设置在顶管机尾部 30 m、130 m 处。

4 施工要点

4.1 沉井施工

沉井施工是整个顶进工程的前置条件［5，6］。为保证沉井接缝浇筑不漏浆，本工程模板采用钢模板组装而成，沿沉井高度搭设综合脚手架，井壁对拉螺杆为 18 mm钢筋，在对拉位置设置 3 片止水钢板防止渗水；工作井混凝土抗渗等级P8，施工时混凝土中应掺加水泥用量 8 % WG-CMA 高性能抗裂防水剂，塌落度控制在（14±3）cm 为宜。井壁施工缝设成凹槽，沿凹槽设置一圈-400×4 钢板止水带。沉井制作时，因场地受限，沉井底部设置 250 mm 厚素混凝土垫层并在垫层与刃脚之间铺设尼龙布隔离，井壁混凝土达到设计强度 70 % 以上，刃脚混凝土达到设计强度后凿除混凝土垫层。凿除混凝土垫层应按照先内后外、对称凿除原则进行，对空穴孔洞用砂或砂夹碎石回填。

工作井中的顶管出洞口、接收井中的顶管进洞口整圈采用帘布橡胶板结合可转动钢板止水，其中帘布橡胶板由模具分块压制，然后连接成一整框；制做密封钢压板时，先将绞接套与翻板焊接，然后将转轴插入绞接套，最后将转轴与圆环板焊接牢固；为有利于顶管机顺利通过，可在橡胶密封环的相应侧面涂黄油。顶管进、出洞口止水措施大样如图 3 所示。

图3 顶管进出洞止水措施

为减小下沉过程中受到的摩阻力，增加井外壁的光滑度，井壁下沉前，对外壁涂热沥青两道，厚 0.5 mm，再涂刷 1 层石蜡，沉井下沉挖土按以下原则：①分层、均均、对称挖土；②土质较软时，沉井挖土先挖中间部分，刃脚周围土体保留，使沉井自然切土下沉；③沉井壁顶设 4 处沉降观测点，以控制沉井均匀下沉、及时纠偏，下沉应按勤测勤纠的原则进行。为保证水下封底混凝土与井壁的结合，在拆除模板、沉井下沉之前，应将沉井接触面底板凿毛、顶板与井壁连接处亦凿毛。待沉井下沉至接近设计标高时，加强沉降观测，当 8 h 内沉降量不大于 10 mm 浇注混凝土底板。封底采用干封底法，沉井底中部附近设一口集水井，封底时水泵不断抽水，直至封底完毕，用 C25 混凝土封堵集水井。

4.2 顶进施工

根据本工程现有的场地条件及土质、施工安全、施工经济适应性原则选用 NPD 泥水平衡顶管机。顶管系统总体布置示意如图 4 所示。

图4 顶管系统总体布置示意

本工程顶管采用注浆和涂蜡 2 种减阻方法，当机头已顶进土层 8 m 时，开始注浆，注浆孔沿纵向间隔 8 m 设置一处，受管径影响，在顶管机尾部环向均匀地布置了 3 只压浆孔，孔相互交错，确保形成完整有效的泥浆套。减阻泥浆的用量主要取决于管道周围的空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的 4～5 倍，实际施工时根据顶进土体、顶进状况及沉降做调整。注浆时要遵循“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆，浆量均匀”的原则［8］。

本工程后背墙与主顶油缸之间采用焊接一体式钢后靠板，尺寸为 3 640 mm 宽×3 640 mm 高×300 mm厚，后靠板主要由加劲板和四周面板满焊而成，全部采用 20 mm 钢板满焊。内置加劲钢板纵、横向间距均为200 mm，其中焊接材料采用 Q345B 型钢，连接处全部进行满悍。

初始顶进速度不宜过快，一般按 10 mm/min 控制，正常顶进速度控制在 20～30 mm/min，遭遇障碍物时控制在 10 mm/min 以内。顶进时采用勤纠、少纠的原则。顶进作业按每推进一根管节测量一次数据，对偏移量超过规范要求的情况，立即停止作业、检查、纠偏。

每隔8m左右布置一个横断面进行地面沉降监测，在横断面上布点为在顶管中心线两侧、顶管结构外壁 1.5 倍洞径之间的范围内，间距为 2 m，监测应包含房屋结构及地表沉降、房屋周围地层沉降等。

管道顶进就位后，注浆置换掉管道外壁原注入的膨润土浆，注浆材料采用水泥、水玻璃混合浆液，配比为水泥∶水玻璃=1∶1，水灰比 0.5，注浆压力控制在0.2～0.4 MPa 之间，注浆量考虑 3 倍渗透系数。一次注浆后 24 h 内再次注浆，重复注浆不小于 2 次，注意注浆压力保压时为 0.1 MPa；泥浆置换完成后，拆除主通道注浆管管道。

5 结语

管道顶进施工方式对既有公路影响较小，对环境、交通影响也大幅降低，本工程采用合理的顶管施工工艺确保了小顶管一次性穿越武汉绕城高速、高压燃气管道及鱼塘，随着管道顶进施工工艺的推广，其经济效益与社会效益逐渐增强。Q