市政管道工程中顶管工作坑的设计与施工技术

李 涛

（石嘴山市星凯建筑安装有限责任公司，宁夏 石嘴山）

在城镇化背景下，市政管道工程的数量和规模不断增加，在工程施工中大多选择顶管法，其特点是不需要开挖面层，不影响交通、不破坏环境，并且在节约工期、控制成本等方面也有显著优势。开挖顶管工作坑是进行顶管施工的首要环节，由于工作坑的深度可以达到数米甚至是数十米，如何保证顶管工作坑在开挖和使用过程中不会出现临空面滑塌的情况，成为施工管理的重中之重。因此，要结合工程地区的水文地质特点和顶管施工要求，展开科学设计和加强施工管理，保证顶管工作坑能够满足施工要求。

1 工程概况

某市政管道工程总长度5.2 km，沿城市主干路呈南北向分布，规划断面为三幅路型式。地质勘察结果表明，施工区域有3 个土层，自上而下分别是杂填土（0.6～1.7 m）、淤泥质土夹砂（2.5～6.5 m）、黏土（0.7～16.1 m）。地下水为-19.3 m，未发现不良地质，土壤力学性质见表1。采用人工掘进顶管施工，为确保顶管作业顺利开展，需要提前开挖顶管工作坑。

表1 土层参数

表1 各土层的力学物理性质

2 顶管工作坑的设计

2.1 尺寸设计

市政管道工程中使用的顶管工作坑有圆形、长方形、多边形等几种，在直线顶管或者两段交角超过150°的折线顶管中，多选择长宽比为3:2 的长方形工作坑；在两段交角小于120°，或者工作坑较深时，选用圆形工作坑[1]。本工程的顶管施工中选择长方形工作坑，尺寸计算公式如下：

D ＝ d +2S

L ＝ m1+ m2+ m3+ m4+m5

式中，D 和L 分别表示长方形工作坑的宽度和长度；d表示顶管直径；S 表示操作宽度；m1表示顶管后管尾与导轨的重叠长度；m2表示顶管长度；m3表示出土工作间长度；m4表示液压缸长度；m5表示后背所占工作坑长度。将各项数据带入上式后，求得污水顶管工作坑的长与宽，长为8.7 m，宽为6.1 m。

2.2 净深度设计

顶管工作坑的深度计算公式为：

H = h1+ h2+h3

式中，H 表示顶进坑地面到坑底的深度，h1表示从地表到管道底部的深度，对于污水顶管工作坑取8.5 m；h2表示从管道底部到轨道底面的深度，这里取0.2 m；h3表示垫层厚度，这里取0.5 m。具体如图1 所示。

图1 顶进工作坑深度示意图

2.3 支护方式的选择

按照深度的不同，将工作坑分成围堰式、浅槽式和支撑式3 种类型。其中，支撑式工作坑具有适用范围广、不受地下水位影响等特点，适用于挖掘深度在10 m 以内的情况。本工程开挖的顶管工作坑即为支撑式工作坑，考虑到开挖深度较大，为了避免工作坑开挖过程中临空面出现侧向滑移、坍塌等问题，需要采取必要的支护措施，保证现场作业和工程质量的安全性。初步拟定的支护方案有2 种，分别是水泥搅拌支护和拉森钢板桩支护。水泥搅拌支护的优点在于适合机械作业，但是缺点也比较明显，在地下水丰富的地区容易出现桩体变形等问题，并且施工周期长。拉森钢板桩支护适用于浅水区域，可同时发挥挡土、防渗功能，并且通过设置支撑的方式极大的提升了钢板桩的稳定性。除了止水效果好、抗侧压力强等优势外，拉森钢板桩中的钢板可回收利用，在经济效益和环保效益上也有一定优势。因此，结合顶管工作坑的结构特点以及现场施工环境，综合对比后本工程中选用了12 m 拉森IV 型钢板桩支护[2]。

2.4 污水顶管工作坑的支护验算

2.4.1 侧向土压力计算

结合上文分析，本工程中污水顶管工作坑的尺寸为：8.7 m×6.1 m×8.5 m。结合不同断面的土层发育情况，分别求得不同土层的参数，并以土层厚度的加权平均确定最终结果。由岩土力学相关理论可知，在断面处土层的容重几乎没有变化，侧压力系数只受到粘聚力和内摩擦角两项因素的影响[3]。按照上述方法得到加权平均后的土层参数，统计结果见表1。

水文地质勘察结果表明，本工程地下水位在污水顶管接收井下方，计算时可以不考虑水压的影响。则侧向土压力（Q）的计算结果为：

Q = γ× h×λ

式中，γ 表示地面堆载，这里取20 MPa；h 表示污水顶管工作坑的深度，本工程中为8.5 m；λ 表示侧压力系数，由表1 可知取0.37。将各项数据带入上式后，可以求得在地面堆载压力为20 MPa 时，污水顶管工作坑临空面所受的侧向土压力为62.9 kN/m2。

2.4.2 钢板桩整体稳定性验算

为了验证该压力环境下污水顶管工作坑结构是否稳定、安全，本文使用“瑞典条分法”进行钢板桩整体稳定性计算。设土条宽度为1.0 m，验算简图如图2所示。

图2 钢板桩整体稳定性验算简图（单位：m）

滑裂面数据：圆弧半径R为11.105 m，圆形坐标为（-1.505,4.624），整体稳定安全系数为1.539。根据抗倾覆安全系数（Ks）计算公式：

式中，Mp表示被动土压力及支点力对桩底的弯矩，Ma表示主动土压力对桩底的弯矩，将各项数据带入后，求出Ks的值。

根据 《 建筑基坑工程技术规范》（DBJ04/T306-2014）中的规定，抗倾覆安全系数的标准值为1.200，本工程中Ks=1.268＞1.200，故满足规范要求。

3 污水顶管工作坑的施工技术

3.1 施工准备

根据划定的顶管工作坑施工区域，使用挖掘机、推土机等设备进行场地平整。参考施工图进行现场测量放样，标明施工区域控制点。准备施工所用材料，本工程中选用12 m 拉森IV 型钢板桩，宽度400 mm、高度170 mm、厚度15.5 mm，围檩和横撑均使用350×350 的H 型钢。进行产品质量检查，确认拉森钢板桩与横撑等构件均符合施工要求，并且锁口涂油脂后进行打桩施工。对于锁口有明显变形或者锈蚀严重的，一律不得使用。有轻微弯曲变形的，要使用千斤顶等工具进行矫正后方可使用。

3.2 打入钢板桩

按照施工图上标记的顺序，采用“单桩打入法”逐块插打。驾驶员用吊车将钢板桩吊起，匀速移动至桩位上，在现场施工人员的配合下保证钢板桩的位置和方向精确，然后将拉森钢板桩插打至设计标高。打桩设备为VH-3000 液压振锤打桩机，激振力220 kN。插桩时注意将锁口对准，每插入一块，立即套上桩锤施打。钢板桩施工流程如图3 所示。

图3 钢板桩施工流程示意图

3.3 安装腰梁和内支撑

钢板桩打入到设计标高后，施工人员清理钢板桩内侧泥土，保持平面整洁。在距离钢板桩顶部50 cm处，横向布置一条与钢板桩同等长度的350 的H 型钢，作为腰梁。腰梁与钢板桩之间采用焊接方式连接固定，沿腰梁高度每隔3 m 左右布置一道支撑梁。

3.4 土方开挖

完成上述支护措施后，开始进行污水顶管工作坑的开挖作业。土方开挖基于“自上而下、对角开挖”的原则，保留长方形顶管工作坑对角线相交部位的核心土。考虑到工作坑深度较大，本工程分两层开挖，第一层开挖深度为4.0 m，第二层开挖深度为4.5 m。将土方及时清运出工作坑后，使用工具整理工作坑的四周墙壁，使其平整。重复上述步骤，直到达到设计深度[4]。开挖至设计深度后，将工作坑底部整平，并浇筑混凝土垫层，平均厚度在10 cm 左右，保证混凝土垫层延伸到围护桩处。在顶管工作坑开挖过程中，使用水准仪和经纬仪做好监测。将监测点布置在拉森钢板桩的顶部，等间距布置5 个监测点。土方开挖后每日采集两次监测数据，并绘制位移- 时间变化曲线图。1 天内钢板桩的位移量超过20 mm 时应立即中止施工，并加强支撑，确定工作坑稳定后再继续作业。

3.5 钢板桩回收

顶管工作坑回填后，将钢板桩拔出，实现回收利用。拔出钢板桩时，首先用打桩机夹住桩头，通过有规律的振动让钢板桩与周围土体之间产生间隙，从而降低拔桩时的摩擦阻力。大约振动1 min 后，停止振动并尝试向上提起钢板桩。如果发现拔起困难，不可强行拖拽，而是要继续振动一段时间，再次尝试拔桩，重复此步骤直到钢板桩能够轻松拔出。钢板桩顺利拔出后，对于留下的桩孔要及时回填石屑。

4 结论

在市政管道工程的顶管施工中，保证顶管工作坑的设计合理、结构稳定，能够为顶管作业创造良好条件。在顶管工作坑的设计中，除了要根据市政管道工程的施工需要确定工作坑的长度、宽度、深度等基本参数外，还要进行支护验算拟定支护方案，保证支护达标，防止工作坑临空面在受到土体侧压力后发生滑塌的情况。在打入钢板桩并安装安装腰梁和内支撑后，开始进行顶管工作坑的开挖，期间做好监测。顶管工作坑回填后拔出钢板桩，实现循环利用，兼顾了工程效益和环保效益。