超長距離淺覆土大斷面矩形頂管設計探討

周建華，戴惠蘭，高 晶

[悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123]

0 引言

隨著城市化進程的迅猛發展，城市人口急劇增加，城市空間變得越來越擁擠。近年來，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，同時對河道的通航及水系溝通帶來了不利影響，所以地下工程建設采用非開挖技術是一種發展趨勢和潮流。

矩形頂管法作為一項新型的非開挖技術，在上述的場景中非常適用[1]。矩形頂管起源于圓形頂管，它比圓形頂管相對覆土更淺，斷面利用率更高，下面結合蘇州軟土地區某管廊工程，對超長距離淺覆土大斷面矩形頂管設計進行深入探討。

1 工程概況

蘇州市某管廊工程位于城北東路南側，局部段落需要穿越現狀河道以及地塊房屋，為了減少對河道及地塊房屋的不利影響，設計采用矩形頂管非開挖施工方案，選用土壓平衡式矩形頂管機。考慮到東側綠化帶場地較為空曠，此處布設頂管的始發井，在河道西側布設頂管的接收井，如圖1 所示；矩形頂管長度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，管節寬度1.5 m，如圖2 所示；管節接縫采用“F”型承插式接頭，接頭間設置氯丁橡膠止水圈、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 矩形管節尺寸圖（單位：mm）

2 水文地質

地質勘察資料揭示的工程地質至上而下分布情況見表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，根據鉆探結果，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

3.1 大斷面超長距離頂進

本工程矩形頂管斷面尺寸9.1 m×5.5 m，頂進距離長達233.6 m，在國內也較為少見；隨著頂進距離的增長，頂管機頂進阻力也不斷增加，已經超過了頂管機的額定頂力，因此如何減少頂進阻力是本工程的一個重難點。

3.2 淺覆土頂進

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，淺覆土頂進地層約束條件弱，但對土艙壓力、地層的擾動很敏感，容易造成河床隆沉變形、頂進施工可能引起頂管機及管節上浮或者河床穿透形成漏斗，因此淺覆土頂進也是本工程的一個重難點。

4 設計方案

4.1 大斷面超長距離頂進

該工程2016 年開工建設，當時矩形頂管的設計規范尚不完善，因此參照國家標準《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB 50268—2008）有關于圓形頂管的頂進力預估公式，總頂進阻力主要考慮機頭迎面阻力和管道周邊摩阻力，采用下列公式進行理論計算：

式中：P 為總頂進阻力，kN；B 為管節寬度，m；H 為管節高度，m；L 為管道設計頂進長度，m；fk為管道外壁與土之間的平均摩阻力，kN/m2；B' 為頂管機寬度，m；H'為頂管機高度，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；經計算，一次頂進233.6 m 距離的總頂進阻力達85 275 kN，超出后座允許反力72 288 kN 的范圍，因此需要在頂進管節中間設置中繼間，中間接力補充頂進。中繼間也稱中繼站式中繼環，如圖3 所示，是安裝在一次頂進管節的某個部位，把這段一次頂進的管節分成若干個推進區間，在頂進過程中先由若干個中繼間按先后順序把管節推進一小段距離以后，再由主頂油缸推進最后一個區間的管節，這樣不斷重復一直到把管節從始發井頂到接收井。

圖3 中繼間構造示意圖

該工程頂進距離長達233.6 m，始發井千斤頂的設計推力6 000 t，中繼間千斤頂的設計推力4 000 t。為確保安全，對中繼間的要求是：當始發井主頂推力達到中繼間設計推力的75%時就要在工程中設置中繼間，當主頂推力達到設計推力的80%后，就要啟動中繼間。根據計算需要設置兩道中繼間，第一道中繼間設置在頂進長度約30 m 處，第二道中繼間設置在頂進長度約100 m 處，剩余頂管長度為233.6 m-（30+70）m=133.6 m，則剩余段所需要頂推力4 275.2 t，小于始發井千斤頂推力，能滿足頂力需求。

中繼間的設置是很有必要的，在實際的施工過程中有時會遇到一些不可預見性的事情，比如遇到局部堅硬的土層、觸變泥漿的流失、頂管機遇到故障臨時停止頂進等，這都會導致頂進阻力大幅增加，因此中繼間的設置是工程順利實施的有力保障。

4.2 淺覆土頂進

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，管節結構受力更不利，需要增加管節尺寸，由此帶來吊裝、運輸、頂管機改造等一系列的問題需要解決，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營期間的管節抗浮安全，另一種是施工期間的管節頂進安全。

運營期間，經過計算，管節自重+覆土浮重度是114.6 t，管節所受的浮力是49 t，滿足抗浮要求。

施工期間，為了降低頂進施工風險，同時考慮到在運營期間避免因河道整治清淤、河底超挖等對頂管帶來安全風險，在河床底設置鋼筋混凝土壓板，管節兩側設置抗浮樁來拉結壓板，采用半幅圍堰翻澆施工，進行河道清淤后，澆筑壓板及抗浮樁。

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

5 其他注意問題

本工程在砂性透水土層中超長距離頂進，管周摩阻力大，減阻觸變泥漿易流失，導致頂進阻力變大，施工時頂進困難，因此對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時間不漏失，保持管節與砂層間泥漿成套；有良好的觸變性，泥漿注入后能迅速變成凝膠狀，支撐地層，頂管頂進時，泥漿切力減少，為管節潤滑減阻；有優良的穩定性，泥漿不因地下水侵入、隨時間增長而失去穩定性。設計要求觸變泥漿中摻膨潤土、CMC（羧甲基纖維素納)、燒堿NaOH 和PHP（水解聚丙烯酰胺），在現場選擇開始頂進的20 m 作為試驗段，通過試驗段來調整各材料的摻量，確定觸變泥漿的最優配比。

該工程頂管主要穿越粉砂、粉土層，掌子面容易出現突涌坍塌，這對頂管頂進安全以及周邊環境安全都會造成不利影響，因此需要對土艙的土體添加外加劑進行土體改良，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行頂進施工，矩形頂管容易出現背土情況。相對于圓形頂管，矩形頂管機頂部幾乎是水平的，上方的土體較難形成承載拱，土體容易塌落在頂管機上方；在頂進過程中，土體會隨著頂管機移動發生壓縮變形，從而導致頂進的摩阻力極大增加，因此在頂進施工中要及時補漿，確保減阻泥漿能形成穩定可靠的泥漿套，從而降低頂進摩阻力。

6 現場施工及監測情況

為了保證頂管頂進施工中周邊建（構）筑物的安全，本項目沿著頂進路線，布設多個監測斷面進行施工監測，地表隆沉控制標準為地表沉降不超過20 mm，地表隆起不超過10 mm。圖4 所示為某監測斷面的布點平面圖，表2 為該監測斷面在整個頂進施工過程中的地表累積隆沉值，一開始顯示各監測點沉降較大，主要原因是監測點附近有污水管破壞，導致污水管上部地面局部塌陷以及周圍地表較大沉降。

圖4 典型監測斷面布點平面圖（單位：m）

表2 典型監測斷面地表累積隆沉值 單位：mm

該工程矩形頂管施工過程中，周邊建（構）筑物的沉降在2～4 mm，滿足建（構）筑物的沉降變形要求；在未啟動中繼間的情況下實現了頂管貫通，施工過程中的最大頂力為4 400 t，未達到最大設計頂力的80%。

7 結語

本工程矩形頂管保障施工安全，降低對周邊環境不利影響，提高施工效率，做到了技術先進、保證質量、節能減排、綠色環保，創造顯著的社會和經濟效益。

通過蘇州市某管廊工程矩形頂管的工程實踐，有兩點體會：

（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定、連續的泥漿套時，單位面積摩阻力會有較大幅度的減少，設計可以參照當地多年的施工經驗來取值，也可以參照規范給出的建議值3.0～ 5.0 kN/m2。

（2）超長距離矩形頂管，設置中繼間作為安全儲備是很有必要的，在類似規模的矩形頂管工程中，可優化中繼間的布設，取消第二道中繼間，第一道中繼間設置頂管機頭后方，作為安全儲備，待頂管貫通后可以隨同頂管機一起回收再利用。