大口徑鋼筒混凝土管道頂管在城市內澇治理中的應用

王紹華，陳斌泉，張 棟，于 泳

（1.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392；2.中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300000）

近些年，我國極端暴雨天氣頻發，城市內澇問題突出。雨水系統是重要的基礎設施，直接關乎城市排水安全。由于設計理念及重視程度不夠等因素，我國很多城市建成區的雨水系統設計標準偏低，管網老化嚴重，嚴重影響了城市排水安全。上海市截至2015年，已建成排水系統中，設計標準為1 a一遇的的占比達到94.4%[1]；天津中心城區共有73座泵站、769 km排水管道運30 a以上，處于超期服役，運行不穩定[2]。為提高城市抵御極端天氣的能力，國家、地方陸續發布了一系列文件及規范，旨在完善城市排水體系建設，提高應對排水內澇風險的能力。扎實做好灰色設施配套建設，是實現排水管道真正滿足提標要求的有效途經[3]。

雨水系統提標改造項目大多位于現狀建成區，周邊障礙物多，現場建設條件復雜，采用傳統的開槽施工方式難度較大。頂管技術是現代市政工程給排水項目施工中常用的技術手段，對提升給排水工程項目的施工質量及減小對周圍建筑的影響具有顯著效果[4]，成為解決復雜城市環境下雨水系統提標改造的重要解決途徑。

1 工程概況

某現狀建成區由于歷史原因，雨水系統標準偏低，局部存在雨水空白區。根據排水規劃，為解決圖1中A、B兩地塊雨水排放問題，需要建設1座雨水泵站，雨水系統收水面積約143.8 hm2，設計重現期3 a，泵站設計規模13.5 m3/s，泵站的出水管管徑為3 200 mm。

圖1 雨水系統

現場建設條件復雜，周邊鄰近住宅小區、高壓線及高壓線塔并下穿現狀高架橋及道路，沿線管線繁多，施工難度大，風險高。為了減小對周邊建構筑物的影響，降低工程造價，采用頂管施工。

2 頂管管材選擇及參數確定

2.1 管材選擇

根據雨水泵站出水管道直徑、設計壓力及地質條件等因素，頂進施工管材在鋼筋混凝土管道、鋼管、鋼筒混凝土管道（JCCP）以及玻璃鋼夾砂管4種中進行比選。見圖2。

圖2 管材單價比選

由圖2可以看出，相同管徑的管道單價鋼管＞JCCP＞玻璃鋼夾砂管＞鋼筋混凝土管。鋼管的壁厚隨著管徑的增加增大，一般適用于管徑≯2 000 mm的管道；本工程為壓力出水管道且最大埋深約12 m，因此鋼筋混凝土管道雖然單價便宜，但無法適應出水管道工況要求，因此僅對JCCP及玻璃鋼夾砂管進行比較。見圖3。

圖3 管道允許頂力設計值

由圖3可以看出，相同管徑下，JCCP允許的頂力設計值可以達到玻璃鋼夾砂管的2倍左右，在不加設中繼間的情況下，可以實現更長的頂進距離。JCCP內嵌置的鋼筒與鋼制承插口焊接，確保了管體良好的密封性，比較適合用于市政、水利等行業的中低壓給排水管線[5]。有關文獻指出[6]，JCCP在不設置中繼間的情況下，最大直線頂進距離達到380 m。

經綜合比選，最終確定采用JCCP作為頂管管材。

2.2 參數確定

2.2.1 工作井設置及頂進距離

頂管段全長約2.6 km。根據現場地形、管線走向等因素，共設置頂管工作井18座，基坑深度8～12 m，最長頂進距離263 m。

2.2.2 管道參數

采用DN3 200 mm JCCP，管材壓力0.4 MPa，管節長2.5 m，每節管道質量約23.4 t。

2.2.3 頂管段埋深

根據CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術規程》，橫穿現狀管線時，頂管與埋深最大的現狀管線垂直凈距按照不小于頂管管材1倍管道外徑設計。當頂管段無垂直交叉的現狀管線時，頂管管頂覆土厚度按照≮1.5倍管外徑進行設計。管道整體埋深7～10 m。

2.2.4 頂力計算

根據地勘報告，頂管位于淤泥質土層，采用泥水平衡法頂進施工。

1）最長一段總頂力式中：F為總頂力，kN；f為土與管外壁摩阻系數，取0.3；PL為土壤的垂直均布荷載，一般為地面至管頂的土重度，取18.55 kN/m2；PH為土壤的水平壓力，kN/m2；D為管外徑，m；L為頂進長度，m；P0為管道總重量，kN；SA為機頭迎面面積，m2；PS為供泥水壓力，kPa；PT為挖掘面土壓力，kPa。

經計算，頂進距離最長一段總頂力為22 742 kN。

2）管道允許最大頂力

式中：Fdc為混凝土管管道允許頂力設計值，N；Φ1為混凝土管受壓強度折減系數，取0.9；Φ2為混凝土管偏心受壓強度提高系數，取1.05；Φ3為混凝土管脆性系數，取0.85；Φ4為混凝土管強度標準調整系數，取0.79；fc為混凝土受壓強度設計值，N/mm2；Ap為混凝土管受壓截面面積，mm2；r為頂力分項系數，取1.3。

JCCP混凝土強度等級C40，受壓強度設計值取19.1 N/mm2，把各項系數代式（2），得出管道允許最大頂力為26 431.77 kN。

3）工作井允許最大頂力。在設計工作井后座墻時，考慮后座板樁支承的聯合作用對土抗力的影響。水平頂進力通過后座墻傳遞到土體上近似彈性的荷載曲線，能將頂力分散傳遞，擴大了支承面。經驗算，在保證土體穩定性要求的前提下，工作井允許的最大頂力設計值為10 000 kN。

綜上可知，管道允許最大頂力＞頂進距離最長一段總頂力＞工作井允許最大頂力。根據三者中最小的頂力值，確定頂管設計頂力為10 000 kN。

2.2.5 其他參數

初始頂進速度10～20 mm/min，正常頂進速度20～30 mm/min，采用觸變泥漿減阻，注漿壓力控制值為20～50 kPa。

3 工作井

3.1 尺寸

直線頂進段工作井為矩形。管道轉彎處工作井為正八邊形，見圖4。

圖4 工作井

1）長度計算。頂管機頭長約5 m，工作井最小內凈長度L≥L1+L3+k

式中：L為工作井最小內凈長度，m；L1為頂管機下井時最小長度，取5 m；L3為千斤頂長度，取2.5 m；k為后座和頂鐵的厚度及安裝余量，取1.6 m。

經計算，工作井最小內凈長度為9.1 m。

2）寬度計算

式中：B為工作井的內凈寬度，m；D1為管道的外徑，取3.84 m。

經計算，工作井最小內凈長度為6.24 m。

考慮到人員進出工作井等因素，預留了一定的空間。矩形工作井設計長度12 m，寬度8.4 m。正八邊形工作井設計長度10.4 m。

3.2 基坑支護

由于基坑周邊高壓線及其他障礙物的影響，大型機械難以進場，不適合拉森鋼板樁及SWM工法樁施工。經論證，基坑主體圍護結構采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長23～26 m，間距1 200 mm；止水帷幕采用φ700 mm高壓旋噴樁，樁長12～15 m，間距500 mm；設置鋼筋混凝土冠梁及2道腰梁。冠梁尺寸1200 mm×600 mm；第1道腰梁采用鋼筋混凝土結構，尺寸1 000 mm×800 mm；第2道腰梁采用雙拼H700 mm×300 mm型鋼。

4 施工關鍵環節

4.1 液壓系統布設

主頂采用6臺300 t千斤頂，最大頂力可達到15 000 kN，滿足頂管設計頂力要求。千斤頂最大值頂程2.5 m，分上、中、下三層安裝。液壓千斤頂和千斤頂支架布置在主頂坑內，與管道中心的垂線對稱。見圖5。

圖5 千斤頂布置

4.2 中繼間設置

中繼間的位置及頂力應綜合考慮總頂力、管道允許頂力及工作井允許頂力后確定。本工程所在場地土質條件較差，工作井允許最大頂力成為制約因素；因此，以設計頂力不超過工作井允許最大頂力為原則設置，按照第一個中繼間余量40%，其余中繼間余量30%進行設計。中繼間設計總推力1 000 t，采用10只100 t小千斤頂提供相應的頂力。

4.3 管節接縫處理

管節止水圈材質為氯丁橡膠或氯丁橡膠與水膨脹橡膠復合體，用黏結劑粘貼于管節基面上。管節與管節間采用中等硬度的木制材料——膠合板作為襯墊，以緩沖混凝土間的應力，板接口處以企口方式相接。頂管施工結束后，管節間的縫隙采用雙組分聚硫密封膏填充。

4.4 管節吊裝

管道單節質量約23.4t，采用100t汽車吊進行吊裝，作業半徑＜12m，采用U形吊具進行，減小管道接口處的受力。

為保證施工時機械安全，在工作井外進行地基加固，加固區大小為15.3 m×12 m。采用φ600 mm高壓旋噴樁，樁長10 m、間距1 000 mm。高壓旋噴樁上安裝一塊2 mm厚鋼板，作為機械作業平臺使用。

4.5 注漿孔布置

在管道上預留觸變泥漿孔，由壓漿管打進觸變性泥漿，使泥漿能均勻的擴散在管節周圍，在頂進中起到進一步的減阻作用。每節管設4個注漿孔，分別在管頂以90°為夾角均勻布置在插口的位置上。見圖6。

圖6 管節注漿孔布置

5 結語

本項目目前已經完成竣工驗收，各項指標均滿足設計及規范要求。實踐證明，JCCP頂管技術有效控制了項目建設成本，降低了施工難度，節省了建設周期，經濟效益和社會效益非常突出。

1）JCCP在大口徑、長距離頂管施工中具有較大的優勢。

2）鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁組合支護方式，可以滿足大型機械難以進場條件下頂管工作坑的建設要求。

3）在軟土地區大口徑、長距離頂管施工中，工作井允許的最大頂力往往成為制約頂力設計值的因素。

JCCP頂管技術的成功應用，積累了大直徑JCCP頂管在城市復雜環境下的設計經驗，對大直徑JCCP管材標準、工作井設計方法、坑外加固技術、管道頂進方式等一系列技術進行了有益的實踐，為今后類似的工程積累了寶貴的經驗。