頂管技術(shù)在北趙引黃二期工程中的應(yīng)用

辛 明

（運(yùn)城市北趙引黃二期工程建管局，山西 運(yùn)城 044000）

1 工程概況

北趙引黃二期工程，通過(guò)一期中干三級(jí)站前接水，經(jīng)新修建的37.97km干渠，向鹽湖區(qū)、萬(wàn)榮縣、臨猗縣、聞喜縣境內(nèi)供水，主要解決以上四縣（區(qū)）的峨嵋臺(tái)地旱地問(wèn)題，設(shè)計(jì)流量5m3/s，干渠采用混凝土防滲的弧底梯形渠。干渠全線需穿運(yùn)稷線、皇埝線等多條公路。其中皇埝線位于萬(wàn)榮縣漢薛鎮(zhèn)境內(nèi)，交通流量較大，原設(shè)計(jì)項(xiàng)目為公路函，如果依據(jù)施工方案進(jìn)行破路施工，會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的交通堵塞同時(shí)容易引發(fā)交通事故，而且破路修渠等相應(yīng)的審批手續(xù)，程序繁雜，辦理周期長(zhǎng)，嚴(yán)重拖延了施工進(jìn)度。經(jīng)過(guò)組織相關(guān)專家現(xiàn)場(chǎng)考察論證，決定采用頂管施工，頂管完成后鋼管與混凝土管間隙全部用混凝土填充，以保證施工后路面不沉陷。

2 工程地質(zhì)與布置

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)山西省運(yùn)城市水利勘察院所提供地質(zhì)資料，頂管所處的地質(zhì)條件如下：北趙引黃二期皇埝線頂管工程位于萬(wàn)榮縣漢薛鎮(zhèn)內(nèi)，頂管所處工程地質(zhì)條件為低液限粘土（Q3al）：淺黃色，局部褐黃色，局部含較多白色菌絲及鈣質(zhì)結(jié)核。中等偏高壓縮性，具濕陷性。含水量15.4%，質(zhì)量密度1.59g/cm3，干密度1.38g/cm3，孔隙比0.970，液限31.5%，塑限19.5%，塑性指數(shù)12.0，壓縮系數(shù)0.38MPa-1，壓縮模量6.72MPa，粘聚力12.9kPa，內(nèi)摩擦角21.0°，滲透系數(shù)4.80×10-5cm/s。

2.2 頂管工程布置

頂管施工類型分別有手掘式、擠壓式、泥水平衡式等多種施工方法。根據(jù)北趙引黃二期工程項(xiàng)目地質(zhì)條件和工期等各方面因素考慮，采取手掘式頂管施工。手掘式頂管施工又稱為人工頂管，廣泛應(yīng)用于頂管工程，特別是在南方沿海城市，交通繁忙、人口密集處均采用此方法。

根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（試行）中的施工管理?xiàng)l例，頂管施工時(shí)外徑上的覆土厚度要大于管徑的1.5倍或覆土距離頂管外徑大于3m。

皇埝公路頂管工程沿干渠渠道方向布置，混凝土頂管管段總長(zhǎng)25.00m，頂管進(jìn)口內(nèi)底（工作坑一側(cè)）的地面高程為629.051m，頂管出口處（接受坑一側(cè)）的地面高程為628.794m，頂管外徑距皇埝線公路路面土質(zhì)厚度為6.844m。工作坑和接受坑分別位于皇埝線南、北，兩工作坑均距離公路中心線11m。

2.3 工作坑設(shè)計(jì)

在頂管施工工作坑建設(shè)過(guò)程中，為了防止工作坑地基發(fā)生沉降等情況，導(dǎo)致頂管頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)偏差，可以采用枕木基礎(chǔ)、混凝土基礎(chǔ)、混凝土臥枕木基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目頂管工程穿越的皇埝線公路兩側(cè)均為果樹(shù)地，地勢(shì)平坦無(wú)溝壑。土層地質(zhì)為自重濕陷性黃土，地下水埋深較深、工作周期短，故采用底部夯實(shí)和枕木作鋪設(shè)基礎(chǔ)，該工作坑施工成本低，建設(shè)容易并且施工簡(jiǎn)易，廣泛應(yīng)用于頂管施工。

同時(shí)因?yàn)楫?dāng)?shù)赝临|(zhì)較好、地下水位低于坑底，且覆土大于2m，工作坑采用直槽式開(kāi)挖。從工作坑地基向上1.2m內(nèi)不進(jìn)行放坡，超過(guò)1.2m后的部分根據(jù)設(shè)計(jì)要求上的1∶0.75比例進(jìn)行放坡。

工作坑基地尺寸計(jì)算如下：

式中：L——作業(yè)坑基地長(zhǎng)度，m；

L1——混凝土管節(jié)頂進(jìn)后，處于導(dǎo)軌上的最小距離，混凝土管應(yīng)大于0.3m；

L2——每節(jié)混凝土長(zhǎng)度，取0.7m；

L3——土方外運(yùn)工作地長(zhǎng)度，為1.0m；

L4——千斤頂長(zhǎng)度，取2.0m；

L5——工作坑后背墻厚度，取1.0m；

B——作業(yè)坑寬度，m；

D1——頂管混凝土管道外徑，DN2700mm為3.0m；

S——頂管施工操作寬度，取2.4～3.2m。

經(jīng)計(jì)算，作業(yè)坑長(zhǎng)度為5m，作業(yè)坑寬度為5.4m。

DN2700mm頂管的進(jìn)管工作坑底，布置按照5m×5.4m（長(zhǎng)×寬）考慮。

3 管道設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 管道設(shè)計(jì)

公稱直徑為DN2700mm的混凝土管管壁厚度，根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（試行）建議取值260mm，根據(jù)施工期內(nèi)混凝土管將要承受的最大推力，對(duì)混凝土管的壁厚進(jìn)行計(jì)算核實(shí)，同時(shí)要求施加給混凝土管的最大推力，不能小于混凝土管前進(jìn)時(shí)的最大頂進(jìn)阻力。

3.1.1 混凝土管道許用頂力計(jì)算：

式中：［Fr］——混凝土管許用頂力，kN；

σc——混凝土抗壓強(qiáng)度，kPa，C30的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度14300kPa；

A——施加壓力面積取值1.2m2；

S——安全系數(shù)，取S=2.5～3.0；

通過(guò)上述公式結(jié)合頂管施工的實(shí)際情況，計(jì)算得DN2700mm混凝土管許用頂力為6864kN。

3.1.2 最大頂進(jìn)阻力計(jì)算

根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（試行）規(guī)定，主頂千斤頂可頂進(jìn)的最長(zhǎng)距離，是頂管的最大頂進(jìn)阻力，只有滿足頂力的要求，才能讓混凝土頂管克服土的阻力與管壁摩擦力。皇埝線頂管的最長(zhǎng)頂進(jìn)距離為22.00m，按照不間斷持續(xù)進(jìn)行頂進(jìn)對(duì)最大頂進(jìn)阻力Fp進(jìn)行復(fù)核。最大阻力計(jì)算公式：

式中：Fp——頂進(jìn)阻力，kN；

D0——管道的外徑，3.00m；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，22.00m；

fk——混凝土管道外壁和土產(chǎn)生的單位面積平均摩擦阻力，（皇埝線公路所處位置地基主要為黃土狀壤土，頂管采取外壁涂蠟方式減少阻力，這里按照觸變泥漿注漿后考慮），取8kPa；

NF——頂管機(jī)的迎面阻力（因本項(xiàng)目采用超前開(kāi)挖，頂管正面阻力忽略不計(jì)），kN；

Dg——頂管機(jī)刀盤外徑，m；

t——工具管刃腳厚度，m；

R——擠壓阻力，kPa，一般取R=300～500kPa。

經(jīng)計(jì)算，皇埝線頂管工程最大頂進(jìn)阻力為1658.76kN。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以得出［Fr］＞Fp，頂管壁厚符合施工要求。

3.2 后背反力計(jì)算

后座墻為頂管頂進(jìn)提供支撐力，在施工過(guò)程中，后墻必須保持穩(wěn)定，一旦后墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，頂管施工必須停止。如果在項(xiàng)目中沒(méi)有原土可以作為后背墻時(shí)，可以設(shè)置人工后座墻。

穿皇埝線頂管工程后背墻尺寸，高2.5m，寬2.5m。后背反力R的計(jì)算公式如下：

式中：R——后背反力，單位kN；

α——系數(shù)，取1.5～2.5；

B——后座墻的寬度，取2.5m；

γ——土的容重，取18kN/m3；

H——后背墻的高度，取2.5m；

c——土的粘聚力，取12.9kPa；

h——工作坑底部到距離后背墻頂部原土層的高，取2.5m。

經(jīng)計(jì)算，后背及力R為2008.325kN。

為了確保頂管施工安全，總頂力應(yīng)為后背墻反力的60%～80%，從以上計(jì)算結(jié)果中可以看出，該頂管工程的后背所產(chǎn)生的反力，滿足頂管施工的技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著頂管技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，被廣泛應(yīng)用于水利建設(shè)、城市建設(shè)等多種施工方案。北趙引黃二期工程使用頂管技術(shù)化解了干渠渠道在穿路時(shí)存在的諸多問(wèn)題，縮短了施工工期、降低了施工成本，通過(guò)使用該技術(shù)，徹底解決了項(xiàng)目施工中可能造成的道路交通堵塞和對(duì)建筑物的破壞等難題，施工成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原公路函設(shè)計(jì)方案。