顶管设计与优化探究

顶管设计与优化探究

向汉钦

长江勘测规划设计研究有限责任公司 湖北武汉430010

摘要：现阶段，顶管技术作为管道穿越施工的方法之一，可以有效减少外部环境对顶管的干扰，保证管线在障碍中顺利通过。但想要达到这一目标，必须保证方案设计的有效性，需要在方案设计时通过计算确定主要参数，即总顶力值在完成相关参数的基础上进行顶管施工。下面本文就顶管设计与优化进行简要探讨。

关键词：顶管；设计；优化；

随着我国经济的发展，城市的建设越来越深入、越来越复杂，导致了地下管线布局不合理问题日渐突出。同时，其他管线和地下工程的开展也给排水管线的建设带来了巨大的困难。在这样的大环境下，如何通过合理的施工方法避免管线上的各种障碍是人们普遍关心的问题。目前，在工程建设中横向方向钻井技术是当下最常用的技术手段，主要是在不破坏现有地基的情况下进行穿越作业，使其在工程建设中发挥更大的作用。

1顶管技术的原理与优势

1.1顶管技术原理

顶管技术具体是指不将地表挖开的情况下，使用液压将管道顶入工作站当中，实施顶入工作坑把铺设的管道进行疏通，这样顶管机便能够实施管道铺设工作。在运用此项技术的时候，应当完全依据图纸具体设计的内容，随后再把管道铺开。并且还应当设置工作井以及接收井，同时工作井当中需做好固定措施，这时再进行照明和各类管线的连接，最终的一项工作是使用油压千斤顶把管道顶进内部，通过运用压浆系统能够使各管节产生泥浆套，泥浆套的功效便是为保障管道可以顺利的滑行。

1.2顶管技术优势

顶管技术优势有四项优势：（1）顶管施工工艺是从线到点的施工方式，在进行实际施工作业时，可以有效减少施工作业区的占地规模。（2）在进行顶管实际施工时，不会影响到施工作业区范围内地面的施工作业，市政工程使用此项技术时，也不会阻碍施工现场附近的道路交通。（3）在工程使用顶管施工工艺的时候，可以有效降低在地面施工时的振动频率，并且还可以做到降低施工作业过程中的噪声污染，便能够保障不干扰施工现场附近居民的正常生活与工作，由于市政项目大部分都在城区，而使用顶管施工工艺可以防止对施工现场附近的建筑物与地下管线造成损害。（4）市政项目使用顶管施工工艺，可以进行地下比较深的管道铺设，另外，还可以穿越地面的建筑物与河流等障碍物。

2工程概况

宜昌市主城区污水厂网、生态水网共建项目二期PPP工程-果园一路片区内涝治理工程根据水力计算结果，顶管管径为3.6m，顶管法施工常用的管道有钢管、钢筋混凝土管、剥离钢夹砂管、钢筒混凝土管（JCCP）及钢筒混凝土管（PCCP），通过技术经济比较，最终选定管材为钢筒混凝土管（JCCP）。

3管道结构设计

顶管管道需满足顶力、覆土压力及其他使用工况下的强度要求。顶管顶力应取管材传力面允许最大顶力、工作井后背土体的允许顶力二者的小值[2]。

3.1管道总顶力计算

根据CECS246-2008《给水排水工程顶管技术规程》[3]，管道总顶力标准值F0按下式估算：（1）

式中：D1为管道的外径，m；L为管道设计顶进长度，m；fk为管道外壁与土的平均摩阻力，kN/m2；NF为顶管机迎面阻力，kN。泥水平衡式顶管机迎面阻力NF计算按下式：（2）

式中：Dg为顶管机外径，m；γs为土的重度，kN/m3；Hs为覆盖层厚度，m。经计算，管道总顶力标准值为49.85×103kN，考虑该工程顶管通过多为砂岩夹泥页岩，总顶力设计值采用标准值扩大15%安全富裕进行设计，总顶力设计值为57.33×103kN。

3.2管道允许顶力计算

根据CECS246-2008，钢筋混凝土顶管传力面允许最大顶力Fdc按下式计算：（3）式中：为混凝土材料受压强度折减系数；为偏心受压强度提高系数；为材料脆性系数；为混凝土强度标准调整系数；fc为混凝土受压强度设计值，N/mm2；Ap为管道的最小有效传力面积；γQd为顶力分项系数。经计算，混凝土管道允许顶力设计值为25.88×103kN，管道允许顶力小于总顶力设计值，为防止顶力过大对管道及工作井造成破坏，需通过设置中间井或中继间来减小管道所受最大顶力。

3.3中继间设置

当工作井主顶实际推力达到最大设计值的50%时设置第1个中继间，实际推力达到最大设计值的60%时启用。第2个及以后的中继间应当在工作井主顶实际推力达到最大设计值的70%时安装，实际推力达到最大设计值的80%时启用[1]。中继间设置数量需要根据施工情况进行确定，长度超过40.00m的大直径顶管，减阻措施至关重要，良好的减阻措施可极大地减小管道阻力，节省中继间数量，提高顶管效率。

4工作井设计

工作井结构形式有沉井、钢板桩、地下连续墙、灌注桩和SMW工法。工作井按井底至地面的高差分为浅工作井和深工作井，高差超过10.00m均为深工作井。根据纵断面布置，该工程工作井深度为21.75m，为深工作井，深工作井宜使用沉井法施工。1）工作井最小内净长度（圆井最小内径L）按下两式计算结果的最大值选取：

（4）

（5）

式中：为顶管机长度，m；为下井管节长度，m；为千斤顶长度，m；为留在井内的管道最小长度，m；k为后座刚性顶铁和环形顶铁的厚度之和再加安装富余量，m。经计算，工作井最小内净长度L≥9.70m，则工作井最小内净长度设计值为11.00m。2）深工作井最小内净宽度B按下式计算：B=3D1+(2.0~2.4)（6）式中：D1为管道的外径，m。经计算，工作井最小内净宽度B=14.66m，工作井最小内净宽度设计值为15.00m。

5 顶管工程优化设计

5.1 工作井优化

在保证工作面和使用功能的前提下，本着节约造价、简化施工、减小工作量的原则，将工作井尺寸由11.00m×15.00m的方井调整为内径11.00m的圆井，并将其调整为永久跌水井，以解决上游埋管坡度大、流速大的难题，减小上游埋管的埋深和土方开挖工程量，降低工程整体造价、优化工期。同时，工作井的施工由沉井优化为逆作法施工。沉井法施工适用于埋深较深的顶管永久井和周边较空旷的地区。沉井一定范围内有管线或建（构）筑物的，不适用沉井法施工。当沉井下沉时，会带动井周围土体一起下沉，引起周边建筑物倾斜或沉降，同时对周围土体有一定不利影响。当场地受限时，既不适用沉井也无法进行开挖施工，工作井逆作法施工就成了最好的选择。沉井逆作法施工具有对周边建（构）筑物影响较小、土方量小、安全性高、加快施工进度、减小施工难度的优点。

5.2管道坡度优化

根据目前国内、外施工技术现状，顶管纵断面设计一般采用两端竖井与水平顶管结合的方式，其中，水平顶管坡度多控制在0.5%～1.0%。大坡度顶管给顶管后座、导轨的排布，顶管动力系统的设置，以及顶管轴线控制测量方法等有更高的要求。为了提高施工过程中地控制精度，同时保证管道排水通畅，满足最大过流的前提下，顶管坡度适当减小。结合实际情况，顶管纵坡由4.75%调整为3.0%，经过计算满足下游流速大于上游流速，避免因流速变小引起的淤积。

结束语

综上所述，顶管法施工技术在防洪工程中的应用，避免了对地面交通、周围建（构）筑物的干扰，减小了环境污染及水土流失，当管道埋置较深时，其造价明显低于明挖施工，可节约工程造价。

参考文献：

[1] 张自力，冯成功，甄文选，等.提高长输管道水平定向钻控向精度技术[J].石油工程建设，2020，46（01）：182-185.

[2] 吴玮祥.给排水管道水平定向钻技术施工时风险因素的影响[J].上海煤气，2020（03）：119-120.

[3] 刘敏.水平定向钻在给水管道设计施工中的工艺分析[J].住宅与房地产，2020（15）：203，245.