超長(zhǎng)距離淺覆土大斷面矩形頂管設(shè)計(jì)探討

周建華，戴惠蘭，高 晶

[悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，江蘇 蘇州 215123]

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，城市人口急劇增加，城市空間變得越來(lái)越擁擠。近年來(lái)，新建地下工程穿越交通干道、河道等大多采用明挖法翻澆施工，施工期間道路交通通行影響大，管線遷改繁雜，同時(shí)對(duì)河道的通航及水系溝通帶來(lái)了不利影響，所以地下工程建設(shè)采用非開(kāi)挖技術(shù)是一種發(fā)展趨勢(shì)和潮流。

矩形頂管法作為一項(xiàng)新型的非開(kāi)挖技術(shù)，在上述的場(chǎng)景中非常適用[1]。矩形頂管起源于圓形頂管，它比圓形頂管相對(duì)覆土更淺，斷面利用率更高，下面結(jié)合蘇州軟土地區(qū)某管廊工程，對(duì)超長(zhǎng)距離淺覆土大斷面矩形頂管設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討。

1 工程概況

蘇州市某管廊工程位于城北東路南側(cè)，局部段落需要穿越現(xiàn)狀河道以及地塊房屋，為了減少對(duì)河道及地塊房屋的不利影響，設(shè)計(jì)采用矩形頂管非開(kāi)挖施工方案，選用土壓平衡式矩形頂管機(jī)?？紤]到東側(cè)綠化帶場(chǎng)地較為空曠，此處布設(shè)頂管的始發(fā)井，在河道西側(cè)布設(shè)頂管的接收井，如圖1 所示；矩形頂管長(zhǎng)度233.6 m，陸域段覆土約9 m，穿越河道段覆土約3.5 m。

圖1 矩形頂管平面布置示意圖（單位：m）

矩形頂管的斷面尺寸為9.1 m×5.5 m，壁厚650 mm，管節(jié)寬度1.5 m，如圖2 所示；管節(jié)接縫采用“F”型承插式接頭，接頭間設(shè)置氯丁橡膠止水圈、低模量聚氨酯密封膠、遇水膨脹橡膠條、彈性密封墊、高模量聚氨酯密封膠等多道防水措施。

圖2 矩形管節(jié)尺寸圖（單位：mm）

2 水文地質(zhì)

地質(zhì)勘察資料揭示的工程地質(zhì)至上而下分布情況見(jiàn)表1。

表1 地層分布表

矩形頂管穿越地層主要在⑥1粉砂夾粉土層、⑥2粉砂層，根據(jù)鉆探結(jié)果，微承壓水主要賦存于⑥1層粉土夾粉砂及⑥2層粉砂中（兩者相連，屬同一含水層組）。

3 工程重難點(diǎn)

3.1 大斷面超長(zhǎng)距離頂進(jìn)

本工程矩形頂管斷面尺寸9.1 m×5.5 m，頂進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)233.6 m，在國(guó)內(nèi)也較為少見(jiàn)；隨著頂進(jìn)距離的增長(zhǎng)，頂管機(jī)頂進(jìn)阻力也不斷增加，已經(jīng)超過(guò)了頂管機(jī)的額定頂力，因此如何減少頂進(jìn)阻力是本工程的一個(gè)重難點(diǎn)。

3.2 淺覆土頂進(jìn)

該工程矩形頂管穿越河道段，頂管覆土只有3.5 m，屬于淺覆土頂進(jìn)，淺覆土頂進(jìn)地層約束條件弱，但對(duì)土艙壓力、地層的擾動(dòng)很敏感，容易造成河床隆沉變形、頂進(jìn)施工可能引起頂管機(jī)及管節(jié)上浮或者河床穿透形成漏斗，因此淺覆土頂進(jìn)也是本工程的一個(gè)重難點(diǎn)。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 大斷面超長(zhǎng)距離頂進(jìn)

該工程2016 年開(kāi)工建設(shè)，當(dāng)時(shí)矩形頂管的設(shè)計(jì)規(guī)范尚不完善，因此參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268—2008）有關(guān)于圓形頂管的頂進(jìn)力預(yù)估公式，總頂進(jìn)阻力主要考慮機(jī)頭迎面阻力和管道周邊摩阻力，采用下列公式進(jìn)行理論計(jì)算：

式中：P 為總頂進(jìn)阻力，kN；B 為管節(jié)寬度，m；H 為管節(jié)高度，m；L 為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；fk為管道外壁與土之間的平均摩阻力，kN/m2；B' 為頂管機(jī)寬度，m；H'為頂管機(jī)高度，m；Pc為刀盤控制土壓力，kPa。

管道外壁單位面積平均摩阻力取8.0 kN/m2；經(jīng)計(jì)算，一次頂進(jìn)233.6 m 距離的總頂進(jìn)阻力達(dá)85 275 kN，超出后座允許反力72 288 kN 的范圍，因此需要在頂進(jìn)管節(jié)中間設(shè)置中繼間，中間接力補(bǔ)充頂進(jìn)。中繼間也稱中繼站式中繼環(huán)，如圖3 所示，是安裝在一次頂進(jìn)管節(jié)的某個(gè)部位，把這段一次頂進(jìn)的管節(jié)分成若干個(gè)推進(jìn)區(qū)間，在頂進(jìn)過(guò)程中先由若干個(gè)中繼間按先后順序把管節(jié)推進(jìn)一小段距離以后，再由主頂油缸推進(jìn)最后一個(gè)區(qū)間的管節(jié)，這樣不斷重復(fù)一直到把管節(jié)從始發(fā)井頂?shù)浇邮站?/p>

圖3 中繼間構(gòu)造示意圖

該工程頂進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)233.6 m，始發(fā)井千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)推力6 000 t，中繼間千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)推力4 000 t。為確保安全，對(duì)中繼間的要求是：當(dāng)始發(fā)井主頂推力達(dá)到中繼間設(shè)計(jì)推力的75%時(shí)就要在工程中設(shè)置中繼間，當(dāng)主頂推力達(dá)到設(shè)計(jì)推力的80%后，就要啟動(dòng)中繼間。根據(jù)計(jì)算需要設(shè)置兩道中繼間，第一道中繼間設(shè)置在頂進(jìn)長(zhǎng)度約30 m 處，第二道中繼間設(shè)置在頂進(jìn)長(zhǎng)度約100 m 處，剩余頂管長(zhǎng)度為233.6 m-（30+70）m=133.6 m，則剩余段所需要頂推力4 275.2 t，小于始發(fā)井千斤頂推力，能滿足頂力需求。

中繼間的設(shè)置是很有必要的，在實(shí)際的施工過(guò)程中有時(shí)會(huì)遇到一些不可預(yù)見(jiàn)性的事情，比如遇到局部堅(jiān)硬的土層、觸變泥漿的流失、頂管機(jī)遇到故障臨時(shí)停止頂進(jìn)等，這都會(huì)導(dǎo)致頂進(jìn)阻力大幅增加，因此中繼間的設(shè)置是工程順利實(shí)施的有力保障。

4.2 淺覆土頂進(jìn)

本工程陸域段頂管覆土厚度約9 m，穿越河道段頂管覆土3.5 m，如果考慮將河道段的覆土厚度加大，則陸域段的頂管覆土更厚，管節(jié)結(jié)構(gòu)受力更不利，需要增加管節(jié)尺寸，由此帶來(lái)吊裝、運(yùn)輸、頂管機(jī)改造等一系列的問(wèn)題需要解決，因此綜合各種因素，確定穿越河道段的頂管覆土厚度。

位于河床下方的淺覆土矩形頂管需要考慮兩種情況一種是運(yùn)營(yíng)期間的管節(jié)抗浮安全，另一種是施工期間的管節(jié)頂進(jìn)安全。

運(yùn)營(yíng)期間，經(jīng)過(guò)計(jì)算，管節(jié)自重+覆土浮重度是114.6 t，管節(jié)所受的浮力是49 t，滿足抗浮要求。

施工期間，為了降低頂進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)考慮到在運(yùn)營(yíng)期間避免因河道整治清淤、河底超挖等對(duì)頂管帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，在河床底設(shè)置鋼筋混凝土壓板，管節(jié)兩側(cè)設(shè)置抗浮樁來(lái)拉結(jié)壓板，采用半幅圍堰翻澆施工，進(jìn)行河道清淤后，澆筑壓板及抗浮樁。

從陸域段進(jìn)入河道段，地層覆土差異大，需要根據(jù)情況調(diào)整土艙壓力，重新達(dá)到土壓平衡的狀態(tài)。淺覆土頂進(jìn)嚴(yán)格控制出土量，地層損失率不超過(guò)3%，出土量如果控制不好，就會(huì)造成較大的超挖，引起掌子面的失穩(wěn)、坍塌；考慮到頂管穿越的土層為粉砂夾粉土透水性土層，注漿壓力過(guò)大容易造成竄漿、河底冒漿的問(wèn)題，所以需要控制好注漿壓力。

5 其他注意問(wèn)題

本工程在砂性透水土層中超長(zhǎng)距離頂進(jìn)，管周摩阻力大，減阻觸變泥漿易流失，導(dǎo)致頂進(jìn)阻力變大，施工時(shí)頂進(jìn)困難，因此對(duì)觸變泥漿的性能要求更高。觸變泥漿有足夠的粘度和小的濾失量，泥漿在高滲透性砂層中能保持長(zhǎng)時(shí)間不漏失，保持管節(jié)與砂層間泥漿成套；有良好的觸變性，泥漿注入后能迅速變成凝膠狀，支撐地層，頂管頂進(jìn)時(shí)，泥漿切力減少，為管節(jié)潤(rùn)滑減阻；有優(yōu)良的穩(wěn)定性，泥漿不因地下水侵入、隨時(shí)間增長(zhǎng)而失去穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)要求觸變泥漿中摻膨潤(rùn)土、CMC（羧甲基纖維素納)、燒堿NaOH 和PHP（水解聚丙烯酰胺），在現(xiàn)場(chǎng)選擇開(kāi)始頂進(jìn)的20 m 作為試驗(yàn)段，通過(guò)試驗(yàn)段來(lái)調(diào)整各材料的摻量，確定觸變泥漿的最優(yōu)配比。

該工程頂管主要穿越粉砂、粉土層，掌子面容易出現(xiàn)突涌坍塌，這對(duì)頂管頂進(jìn)安全以及周邊環(huán)境安全都會(huì)造成不利影響，因此需要對(duì)土艙的土體添加外加劑進(jìn)行土體改良，保持土體合適的黏稠性、流塑性及不透水性。

該工程采用矩形頂管進(jìn)行頂進(jìn)施工，矩形頂管容易出現(xiàn)背土情況。相對(duì)于圓形頂管，矩形頂管機(jī)頂部幾乎是水平的，上方的土體較難形成承載拱，土體容易塌落在頂管機(jī)上方；在頂進(jìn)過(guò)程中，土體會(huì)隨著頂管機(jī)移動(dòng)發(fā)生壓縮變形，從而導(dǎo)致頂進(jìn)的摩阻力極大增加，因此在頂進(jìn)施工中要及時(shí)補(bǔ)漿，確保減阻泥漿能形成穩(wěn)定可靠的泥漿套，從而降低頂進(jìn)摩阻力。

6 現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)測(cè)情況

為了保證頂管頂進(jìn)施工中周邊建（構(gòu)）筑物的安全，本項(xiàng)目沿著頂進(jìn)路線，布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，地表隆沉控制標(biāo)準(zhǔn)為地表沉降不超過(guò)20 mm，地表隆起不超過(guò)10 mm。圖4 所示為某監(jiān)測(cè)斷面的布點(diǎn)平面圖，表2 為該監(jiān)測(cè)斷面在整個(gè)頂進(jìn)施工過(guò)程中的地表累積隆沉值，一開(kāi)始顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較大，主要原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近有污水管破壞，導(dǎo)致污水管上部地面局部塌陷以及周圍地表較大沉降。

圖4 典型監(jiān)測(cè)斷面布點(diǎn)平面圖（單位：m）

表2 典型監(jiān)測(cè)斷面地表累積隆沉值 單位：mm

該工程矩形頂管施工過(guò)程中，周邊建（構(gòu)）筑物的沉降在2～4 mm，滿足建（構(gòu)）筑物的沉降變形要求；在未啟動(dòng)中繼間的情況下實(shí)現(xiàn)了頂管貫通，施工過(guò)程中的最大頂力為4 400 t，未達(dá)到最大設(shè)計(jì)頂力的80%。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程矩形頂管保障施工安全，降低對(duì)周邊環(huán)境不利影響，提高施工效率，做到了技術(shù)先進(jìn)、保證質(zhì)量、節(jié)能減排、綠色環(huán)保，創(chuàng)造顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)蘇州市某管廊工程矩形頂管的工程實(shí)踐，有兩點(diǎn)體會(huì)：

（1）管道外壁單位面積平均摩阻力取8.0 kN/m2，取值偏保守，管外壁能形成和保持穩(wěn)定、連續(xù)的泥漿套時(shí)，單位面積摩阻力會(huì)有較大幅度的減少，設(shè)計(jì)可以參照當(dāng)?shù)囟嗄甑氖┕そ?jīng)驗(yàn)來(lái)取值，也可以參照規(guī)范給出的建議值3.0～ 5.0 kN/m2。

（2）超長(zhǎng)距離矩形頂管，設(shè)置中繼間作為安全儲(chǔ)備是很有必要的，在類似規(guī)模的矩形頂管工程中，可優(yōu)化中繼間的布設(shè)，取消第二道中繼間，第一道中繼間設(shè)置頂管機(jī)頭后方，作為安全儲(chǔ)備，待頂管貫通后可以隨同頂管機(jī)一起回收再利用。