市政给排水工程中顶管施工技术的应用

张雪芬

（闽晟集团城建发展有限公司，福建 三明 365001）

市政给排水工程在城市建设中具有重要作用，其中顶管施工技术是一种常见的施工方法。顶管施工技术是一种在地表不开挖沟槽的情况下，利用特殊设备和技术在地下施工新管线或者更换、修复旧管线的工程技术。该文以某工业区的排洪涵工程为例，从工程力学的视角探讨了顶管施工技术在市政给排水工程中的应用，为顶管施工技术的具体应用提供参考与示范。

1 某工业区的排洪涵工程的背景和需求

某工业区的排洪涵工程目标是改善该工业区的排水系统，以确保其在暴雨等恶劣天气条件下的排水能力。该工程包括3 个路段，总长1662m，路面宽14m。施工路面面积约为23268m2。其中，规划5 路南北路段长约719m，东西路段长约573m，公园及1 号综合楼南侧路段长约370m。工程内容涵盖道路基层、路基结构、路面铺设、雨污排水管网及检查井、电缆沟及管件预埋等。该工程的建设旨在提高排水系统的稳定性和排水效率，从而保证工业区的正常运行和生产活动的顺利进行。

2 顶管施工技术的力学原理和设计要点

2.1 顶管施工的力学基础

2.1.1 土体力学和支护结构设计

土体力学和支护结构设计是顶管施工技术的力学基础。在顶管施工过程中，土体力学的理论和方法应用非常广泛，用于确定土体的力学性质和行为，从而确保施工的安全性和稳定性。

首先，土体力学用于确定土体的强度和刚度特性。根据地质调查和试验数据，可以确定土体的抗剪强度、抗压强度、抗拉强度等参数以及土体的弹性模量和泊松比等刚度参数。这些参数的确定对顶管施工的稳定性和承载能力非常重要，可以为支护结构的设计提供依据。其次，土体力学用于分析土体的变形特性和固结沉降情况。在顶管施工过程中，土体会发生一定的变形和沉降。土体力学可以提供土体的压缩特性和变形参数，帮助设计者预测土体的变形情况，并进行合理的支护结构设计，以确保顶管施工的安全性。

2.1.2 顶管强度和稳定性的计算

顶管强度和稳定性的计算是顶管施工技术的重要。在顶管施工过程中，为了确保顶管的承载能力和稳定性，需要进行相应的力学计算和分析。

首先，需要计算顶管的强度。顶管受土体的垂直荷载和水平荷载的作用，其强度计算可采用弹性理论和断裂力学原理。以顶管在垂直荷载作用下的强度计算为例，所使用的弯曲应力计算公式如公式（1）所示。

式中：σ为顶管的弯曲应力；M为顶管截面内的弯矩；y为顶管的受力点到截面重心的距离；I为顶管的惯性矩。

通过弯矩和惯性矩的数值可以计算出顶管的弯曲应力。

其次，需要考虑顶管的稳定性。在施工和使用过程中，顶管可能会受水平荷载的作用，如土体的侧压和地震力等。为了保证顶管的稳定性，需要进行抗滑和抗倾覆的计算。以顶管在侧压力作用下的稳定性计算为例，所使用的抗滑稳定公式如公式（2）所示。

式中：F为顶管所受的滑动力；μ为土体与顶管间的摩擦系数；W为土体的垂直荷载。

通过确定相应的参数值，可以计算出滑动力的数值，从而评估顶管的抗滑稳定性。

2.2 顶管施工的设计要点

2.2.1 基础处理和支护结构设计

顶管施工前需要进行基础处理，以提供一个稳固的施工平台，并确保施工的安全性。

首先，对施工区域的地质条件进行详细调查和分析。通过地质勘探了解地层的性质、分布和变化，确定土壤和岩石的力学特性。基于地质勘探的结果，判断土壤的承载能力、变形特性和泉水情况等，为基础处理提供依据。其次，对基础进行处理，包括土体加固和地基处理。对于较弱的土壤层，可以进行土体加固，采用加固槽或灌浆注浆等技术，增加土壤的承载能力和稳定性；对于较深的基础层，可以进行地基处理，如加固桩或排浆技术，以减少地基沉降和变形的风险[1]。

同时，在顶管施工中，需要设计合适的支护结构，以确保施工过程的安全稳定。常见的支护结构包括埋地锚杆、挡土墙和钢支撑等。设计支护结构时，需要考虑土壤的力学性质、变形特性以及顶管的受力情况和施工工艺。合理选择支护结构的类型、布置和材料，在最大程度上确保顶管的安全性。

2.2.2 顶管的材料选择和尺寸设计

选择顶管材料时，需要考虑其材料特性、强度、耐久性以及施工和使用条件等因素。

首先，顶管的材料应具备足够的强度和耐久性。常见的顶管材料包括钢管、钢筋混凝土管和聚乙烯管等。对于较大荷载和复杂地质条件下的工程，一般选择钢管或钢筋混凝土管，以满足其抗弯、抗压和抗拉的强度要求；对于较小荷载和较简单地质条件下的工程，可以选择具有较好耐腐蚀性和较低施工成本的聚乙烯管。

其次，顶管的尺寸设计需要根据工程要求和力学原理进行计算。以钢管为例，常见的尺寸参数有外径、壁厚和长度等[2]。其中，在设计过程中需要考虑顶管的承载能力、刚度和变形情况。根据弹性力学理论，顶管的挠度计算如公式（3）所示。

式中：δ为顶管的挠度；q为顶管所受的荷载；L为顶管的长度；E为顶管材料的弹性模量；I为顶管截面的惯性矩。

通过确定相应的参数值，可以计算出顶管的挠度。

最后，在顶管尺寸设计过程中还需要考虑施工和维护的便利性和经济性等方面。选择的尺寸既要满足工程要求，又要兼顾施工和维护的方便性，并进行材料和施工成本的综合考虑。

2.2.3 顶管埋深和斜度的确定

埋深和斜度的合理选择可以保证顶管的排水效果和施工质量。首先，顶管埋深的确定需要考虑排水要求、地下设施的位置和土壤的稳定性等因素。一般而言，较高的埋深可以增加排水效果，但同时也增加了施工难度和成本。根据合适的水力理论和工程实践，可以确定合理的埋深。其次，顶管斜度的确定对排水效果至关重要。斜度的选择应满足排水的流速要求，以防止漏水和积水[3]。根据流体力学原理，顶管斜度的计算如公式（4）所示。

式中：S为顶管的斜度；i为顶管的下降高度；L为顶管的水平长度。

通过确定合适的下降高度和水平长度，可以计算出合理的斜度。

此外，根据工程实践，顶管的斜度一般为0.5‰～1‰，以确保顶管的排水能力和稳定性。同时，在设计过程中还需要考虑顶管的材料特性和施工条件等因素。

3 某工业区的排洪涵工程中的顶管施工技术应用

3.1 工程实现方案和特点

根据工程的需求和地质条件，选择钢筋混凝土顶管作为施工材料。钢筋混凝土顶管具有强度高、耐久性好以及抗腐蚀能力较强的优点，能够满足工程的需求并保证施工质量。再根据地质勘探和工程要求，制定合理的基础处理方案。通过土壤加固和地基处理等措施，提高了施工平台的稳定性，并确保了施工的安全性。

此外，根据工程要求和水流特点，采取适当的顶管埋深和斜度。通过合理控制埋深和斜度，保证了顶管的排水效果和稳定性，提高了工程的运行效率。

3.2 顶管施工技术的应用和效果分析

3.2.1 顶管施工中的土体力学和支护结构设计

在顶管施工技术的应用和效果分析中，土体力学和支护结构设计具有至关重要的作用。土体力学方面的分析和设计主要是为了确定土体的力学性质，包括抗剪强度、抗压强度和弹性模量等参数。通过地质勘探和试验数据分析，可以得出土体力学参数的具体数值。假设顶管的直径为D，壁厚为t，材料的强度为σ，顶管所受的垂直荷载为q，顶管截面内的最大弯曲应力σmax的计算如公式（5）所示。

公式（5）可以用来验证顶管的强度是否满足施工要求，确保顶管的安全性。根据顶管截面的形状，还可以计算出截面的惯性矩I，并进一步评估顶管的强度。

在支护结构设计方面，主要考虑土体的稳定性和变形情况，以确保顶管施工的安全和稳定。一种常用的支护结构是埋地锚杆和挡土墙。以埋地锚杆为例，假设土体的表面倾角为α，土体的密度为γ，埋地锚杆的直径为d，锚杆埋深为L，锚杆所受的表面土压力Pa如公式（6）所示。

公式（6）有助于评估支护的效果，并进行合理的施工设计。通过计算土压力分布和埋地锚杆的受力情况，可以进一步评估支护结构的稳定性。

综上所述，通过分析土体的力学性质并设计合适的支护结构，可以确保顶管施工的安全和稳定。例如在某工业区的排洪涵工程中，如果假设顶管的直径为1.5m，壁厚为0.15m，根据工程要求，顶管所受的垂直荷载为20kN/m²，经计算可得顶管截面内的最大弯曲应力为200kPa，远小于钢材的强度。上述土体力学分析和支护结构设计，能够为顶管施工提供有效的技术支持，从而确保施工过程的顺利进行，保障工程的安全性和可靠性。

3.2.2 顶管施工中的材料选择和尺寸设计

顶管施工中的材料选择和尺寸设计是确保施工顺利进行和确保工程质量的重要因素。在材料选择方面，根据工程要求和地质条件，一般选择具有良好强度和耐久性的钢筋混凝土为顶管的材料。钢筋混凝土顶管具有较高的抗弯能力和抗压能力，可承受各种荷载和地质条件下的顶管施工。混凝土强度是材料选择的一个重要指标，在材料选择过程中，需要考虑工程的具体要求和可行性[4]。在尺寸设计方面，合理确定顶管的尺寸是顶管施工的关键。尺寸设计需要考虑工程要求、施工条件和荷载情况等因素。一般来说，顶管的直径和壁厚是尺寸设计的主要参数。根据工程要求和力学原理，通过计算可得出顶管截面的惯性矩I。以顶管的直径D和壁厚t为例，顶管的惯性矩I的计算如公式（7）所示。

根据设计规范的要求和计算公式，可以确定顶管的合理尺寸，以满足施工和使用需要。在实际应用中，根据工程要求和实际情况，能够综合考虑施工条件、荷载情况和经济性等因素，确定最佳的顶管尺寸。

通过材料选择和尺寸设计，能够确保顶管的强度和稳定性。假设顶管材料的抗压强度Fc为25MPa，根据工程要求，顶管的最大弯曲应力σmax应小于抗压强度的一半，即σmax＜12.5MPa。通过实际计算可得最大弯曲应力远小于12.5MPa，满足工程强度要求，表明顶管的尺寸设计是合理的。

综上所述，材料选择和尺寸设计是确保顶管施工安全和工程质量的关键因素。通过选择适合的材料并进行合理的尺寸设计，能够保证顶管的强度和稳定性，确保顶管施工的安全和可靠。在实际工程中，需要根据具体地质条件和工程要求，科学合理地进行材料选择和尺寸设计，以满足工程的实际需要。

3.2.3 顶管施工中顶管埋深和斜度设计

在顶管施工中，顶管的埋深和斜度设计是非常重要的。埋深的设计涉及排水要求和地下设施的位置，需要综合考虑多个因素进行合理选择。根据工程要求和地质条件，结合地下水位和土壤渗透性等因素，可以选择合适的顶管埋深。以工程要求的最小埋深为d，地下水位为W，顶管埋深计算如公式（8）所示。

通过采集和分析具体地质实测数据，可以得到合理的埋深数值，以确保顶管的排水效果和稳定性。在不同地质条件下，埋深的计算和设计会有所不同，需要根据具体情况进行调整。

顶管的斜度设计主要考虑排水要求和流体力学原理。合理选择顶管的斜度可以满足排水的流速要求，防止积水和堵塞。根据流体力学原理，顶管斜度计算如公式（9）所示。

式中：S为顶管的斜度；Q为顶管中的排水流量；L为顶管的水平长度；A为顶管的横截面积；i为设计的流速。

通过确定相应的参数值，可以得出合理的斜度数值。在斜度设计过程中，需要考虑排水流速、流量和顶管的尺寸等因素，以确保排水的顺畅性。

例如，假设顶管的设计流量Q为100m³/h，顶管的水平长度L为50m，顶管的横截面积A为1m²（假设顶管的直径为1m），设计的流速i为0.2m/s。根据上述公式，可计算出合理的斜度S为0.4‰。该数值意味着在每水平千米的水平距离上，顶管的高度变化为0.4m。

该示例可以阐明顶管施工中顶管埋深和斜度设计的重要性和应用效果。对于顶管的埋深设计，合理选择埋深是确保排水效果和工程稳定性的关键因素。在该示例中，根据工程要求和地质条件，确定了最小埋深d，并结合地下水位W计算出顶管的实际埋深h。通过合理的埋深设计，可以保证顶管在地下水位和土壤渗透性条件下具有良好的排水效果和稳定性。

在顶管施工中，合理选择顶管的斜度也是十分关键的。斜度是指顶管在水平距离上的高度变化，它将直接影响排水速度和流动性能。在该示例中，根据流体力学原理，通过给定的参数可计算出合理的斜度S。理论上，该斜度可以保证顶管内的排水流速满足设计要求，避免水流的积存和堵塞，确保排水的顺畅性。

通过上述案例分析，可以看出顶管施工中顶管埋深和斜度设计对工程的重要性。合理选择顶管的埋深和斜度，能够确保顶管的排水效果、稳定性和工程质量。在实际应用中，需要综合考虑工程要求、地理条件、土壤渗透性和流体力学原理等因素，并结合实测和实践，不断调整和优化设计方案。只有在合理的埋深和斜度设计下，顶管施工才能得到有效实施，并达到预期的工程效果[5]。

4 结论

在某工业区的排洪涵工程中，顶管施工技术的应用取得了良好的效果。随着城市化进程的加快，给排水工程对高效、节能和环保的施工技术提出了更高的要求。顶管施工技术具有施工进度快、对地面活动影响小等优势，能够更好地满足城市给排水系统的建设和维护需求。在未来的发展中，顶管施工技术有望进一步优化和创新，通过引入新材料、新工艺和自动化技术，提高施工效率，降低施工成本，并提高给排水系统的性能和可持续发展能力。